专利名称：基于探测湍流的转子叶片控制的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于风力涡轮机的转子叶片控制系统，并且尤其涉及一种基于湍流的测量结果来控制叶片空气动力学参数(例如浆距角)的叶片控制系统。
背景技术：
图1显示了风力涡轮机1，它包括风力涡轮机塔架2、风力涡轮机机舱3安装在塔架2上。包括至少一个风力涡轮机叶片5的风力涡轮机转子4安装在轮毂6上。轮毂6通过从机舱前方伸出的低速轴(未示出)连接到机舱3。图1中所示的风力涡轮机可以是用于家用或照明用途的小型机，或者可以是大型机，诸如那些适用于在风场上的大规模发电机中所使用的。在后一种情况下，转子直径可长达100米或者更长。在风力涡轮机发电时，风力涡轮机的发电效率极大程度上取决于两个因素，浆距角和叶尖速比。浆距角θ是转子叶片相对于转子平面所定向的角度，转子平面是转子叶片进行旋转所处的方向。叶片的定向相对于叶片弦长被评定，叶片弦长连接前缘和后缘。这在图2中更详细地显示。浆距角与攻角(AOA)是不同的，攻角是指风入射在叶片上的方向与浆距角之间所形成的角度。入射风是由矢量V所表示，并且在叶片移动穿过空气时的旋转分量由矢量wKR 所表示。这导致了相对的风向Vr。由叶片提供的提升力L与相对风向Vr形成直角。风力涡轮机的运行能够大体上被归类为部分负载或满载。在部分负载运行时，风力涡轮机的叶片旋转并且产生电力，但是由于低风速，所产生的电力低于风力涡轮机的最大可能或者额定功率值。在这种情况下，期望通过使风力涡轮机完全倾斜到风中从而使获得的电力达到最大，以及对于浆距控制风力涡轮机而言通过改变叶片的浆距角度从而使得叶片上的提升力达到最大。对于满载运行、或者在风速过高时，风力涡轮机必须被小心地控制，从而避免对风力涡轮机造成损坏。在非浆距停转控制风力涡轮机中，叶片以固定角度连接到转子轮毂，但是以空气动力学方式改变形状，从而使得当入射风速超出预定值时，在叶片的背风侧产生湍流。湍流会导致叶片受到提升力、以及由此所产生的电力被限制到一定范围，该范围取决于所选择的空气动力学形状。对于浆距控制风力涡轮机，当处在对于发电而言安全运行速度范围内的风速时， 叶片变浆距的方式对于所有设计而言是大部分相同的，也就是说它们尽可能多地变浆距处于风中，从而从入射风中获得最大的能量。然而，如果叶片过度变浆距，那么它们将会导致在叶片周围的风流中的停转。这个原理被用在主动停转控制风力涡轮机中，用于保护发电机免受由于过大风速而导致的过载。然而，在正常运行期间，停转状况是不期望的，原因是这意味着风力涡轮机没有有效地运行。在满载运行时，风力涡轮机叶片进行旋转并且产生功率，但是产生的功率当前处于最大值并且存在发电机或者输电网过载的危险。在这种情况下，叶片或者风力涡轮机自身能够相对于风力改变角度，从而减小叶尖速度并且降低产生的功率。在浆距控制风力涡轮机中，叶片可以通过使它们的角度调节到风力之外而有意使变浆距不足，从而降低获得的能量并且避免发电机过载。在主动停转风力涡轮机中，叶片主动地进一步变浆距到风中， 并且被过度变浆距到一定程度，有意地引入停转状况，从而降低从风中获得的能量。结果， 效率被调整以满足最大额定功率。由此需要控制以确保叶片对风速和风向的改变快速地做出响应，从而保持最优浆距并且避免不期望的停转状况。这在大约3m/s到15m/s之间的低风速时是特别重要的，这时风力涡轮机在最大额定功率之下的部分负载条件下运行，以及从风中获取可能的最大功率由此是非常关键的。此外，风力涡轮机叶片的整体效率和运行极大地取决于叶片背风侧或抽吸侧上方的气流特性。出于对运行、维护和控制方面的考虑，期望能够对此进行更紧密地监测。
发明内容
根据本发明的优选实施例，提供一种风力涡轮机转子叶片控制系统，该风力涡轮机转子叶片控制系统包括用于探测跨过转子叶片表面的湍流气流的多个传感器；用于从所述多个传感器接收数据、并且基于湍流气流的探测控制所述转子叶片的空气动力学参数的控制器。所述多个传感器中的每个传感器包括用于探测经过所述风力涡轮机转子叶片的表面的气流的湍流的传感器薄膜，其中，所述传感器薄膜与所述表面成一体、并且覆盖所述风力涡轮机转子叶片中的凹腔的至少一部分；位于所述凹腔中的光源，所述光源用于照亮所述凹腔内的所述传感器薄膜的表面；位于所述凹腔中的光线探测器，所述光线探测器用于探测从所述传感器薄膜的表面反射的光线、并且向处理器提供输出，所述处理器根据所述输出确定跨过所述传感器薄膜的气流的湍流值。本发明由此允许叶片与气流的空气动力学相互作用被实时地监测，以及根据湍流的测量结果而根据期望进行调节。由于传感器薄膜的微小移动能够通过光源及探测器而被探测到，因此本发明提供了一种灵敏的传感器系统。此外，传感器相对容易安装并且能够设置在风力涡轮机叶片中而得到保护，并且确保传感器的存在不会影响测量结果。由于具有更少的移动部件，因此传感器能够抵抗极端的温度变化。在一个实施例中，空气动力学参数是转子叶片的浆距角。这样基于转子叶片的即时空气动力学状况而提供了一种灵敏且精细调节的转子叶片浆距控制机构。如果叶片角度过大，那么湍流传感器探测到所导致的停转状况并且浆距控制器减小浆距。这实现了改进的发电方式。有利地，控制系统包括功率传感器，用于探测风力涡轮机的输出功率以及将信号输出到浆距控制器，其中浆距控制器另外地基于风力涡轮机输出功率的检测来控制转子叶片的浆距。两个控制信号的组合意味着输出功率控制能够被用于给出对叶片浆距的粗略控制，以及湍流传感器被用于提供精细控制。浆距控制器优选地控制转子叶片的浆距，从而使湍流最小并且使风力涡轮机输出功率最大。为了探测类似停转的状况，多个传感器有利地定位在叶片的抽吸表面上，并且更有利地定位成与其它区域相比，在向着叶片抽吸侧的后缘上具有更多数目的传感器。优选地，当预定数目的传感器指示湍流气流时，控制器减小转子叶片处于风中的
6浆距。在选择性实施例中，空气动力学参数是转子叶片的形状或者是经过叶片的气流。 提供适当的机构来改变叶片形状或者调节经过叶片的空气流动能够基于传感器的输出而进行，从而确保在某种程度上运行条件能够根据预设的期望数值或者范围而得以保持。在一个实施例中，凹腔中的光源和光线探测器是连接到光电光源的光纤。这样能够避免在传感器中使用电力部件，并且意味着传感器将能够抵御雷击。雷击对于风力涡轮机叶片而言是尤其常见的。用于传感器的任意电力部件都能够被容纳在受到电力屏蔽的风力涡轮机的部分中。优选地，传感器包括加法器，用于将从薄膜表面反射的光线增加到参考光线信号， 从而给出指示薄膜位移的干涉图样。干涉图样的使用提供了解释薄膜位移的最精确方式， 因为薄膜的微小位移能够被用于给出大的强度变动。对于较大位移，形成正弦强度图样，意味着通过分析发生事件的正弦频率和速度，能够获得有关位移进行的速度以及位移方向的 fn息ο在一个实施例中，加法器包括定位在传感器凹腔中的局部反射镜，用于将一部分光线从光源反射到光线探测器并且提供参考光线信号。由此，传感器的所有部件都就地设置到凹腔内，便于更换和维护。在另一个实施例中，传感器凹腔被密封。这允许凹腔环境被保持在能够确保传感器薄膜良好运行的湿度和温度水平。此外，凹腔可被填充与空气不同的气体，例如惰性气体。在一个实施例中，传感器薄膜可由与形成风力涡轮机部件的表面的材料所不同的材料形成。这允许传感器薄膜能够更精确地剪裁，从而使它在张力和响应性方面具备传感器的功能。根据安装情况，传感器薄膜可选择性地由叶片表面自身所形成。在一个实施例中，湍流传感器包括处理器，用于分析预定时间段内干涉图样的正弦变动，从而确定空气流动是否是湍流。处理器可以使用图样识别或者统计技术来分析图样，并且给出具有相关可信度的确定结果。较长时间段的分析能够使传感器结果具备更高的可信度。在另一个实施例中，控制系统包括存储器，用于存储来自于多个传感器的数据以及产生风力涡轮机叶片表面上方的气流状况的记录。这允许转子叶片的实时性能被监测和记录，用于叶片设计改进的目的。还提供了相应的方法和计算机程序产品。
下面通过示例以及参考附图进一步详细描述本发明的优选实施例，其中图1显示了风力涡轮机；图2是穿过风力涡轮机转子叶片的示意性横截面图，表示出有用的术语和原理；图3显示了根据本发明的湍流传感器的第一示例；图4显示了根据本发明的湍流传感器的第二示例；图5显示了示例性传感器系统，其包括如图3或4中所示的传感器；图6是从传感器信号中显现出的示例性强度图样的图示；
图7是风力涡轮机叶片的纵向视图，显示了在浆距控制系统中湍流传感器的示例性设置；图8是在非停转状况下沿着图7中线A-A的横截面视图；图9是在停转状况下沿着图7中线A-A的横截面视图；以及图10是在控制和警报系统中所使用的传感器结果图表的示意性图示。
具体实施例方式图3显示了根据本发明优选实施例的湍流传感器的第一示例。湍流传感器被显示成在现场集成到风力涡轮机转子的叶片或者其它部件当中。传感器10包括传感器外壳11，它具有限定出凹腔13的侧壁12。在凹腔13中，设置有大体用附图标记14来表示的传感器装置。传感器外壳11的一个表面设置有传感器薄膜15。实际中，传感器10安装在叶片中，使得传感器薄膜15将凹腔13与外部空气分隔开， 并且使得薄膜15与跨过叶片表面的气流相接触。凹腔通过侧壁12和薄膜15而与外部环境完全地密封隔开，使得薄膜表面的运动能够被认为是完全地归因于跨过叶片表面气流的变化。密封凹腔还用于保持薄膜的内表面清洁，以及允许凹腔的内部环境可被调节从而避免聚集湿气，这种湿气会影响传感器薄膜15和装置14。凹腔13可填充惰性气体。优选地，叶片表面和薄膜15被设置成使得它们形成平滑连续的叶片表面。如果薄膜15与叶片表面之间的连接部是不连续的，那么对于叶片的空气动力学特性以及对于传感器的敏感度而言都是不期望的，原因是这会在气流中引入堵塞或者阻碍。薄膜15被设置成使得它易于受到风力涡轮机部件的表面处的气流变化的影响。 它由此相对较薄，在某些实施例中为0. 5mm与2mm之间，并且被张紧从而使得湍流气流将会导致薄膜表面的仅仅微小移动。通过在薄膜上照射光线能够产生干涉图样，由此测量薄膜的位移。由此实际中，已经发现几个微米数量级的薄膜位移范围是有利的，这是由于所用光线的波长。薄膜材料的选择是极为重要的，以便能确保它适于测量。过轻以及过于柔性的材料即便在层流条件下将对气流变化过于敏感，不适于区分湍流和层流。优选地，材料由此要足够强劲和刚硬，从而确保只有来自于湍流气流的强劲振动(在10到IOOHz范围内)才能给出充足的干涉信号。可以使用转子叶片自身的外表面作为薄膜15。在这种情况下，传感器装置14能够被安装到转子叶片中处于外表面下方，具有或者不具有形成用于装置的密封凹腔的传感器外壳11。如果传感器10被安装在转子叶片或者其它风力涡轮机部件中作为独立单元的话，那么已经发现直径30到IOOmm的孔足以容纳传感器外壳11和装置14。下面进一步详细描述传感器装置14的内部结构。传感器装置14包括瞄准薄膜15 的光源16。在可能的情况下，有利地避免在转子叶片中使用电部件，原因是它们更容易受到雷击的破坏。由此，光源16优选地包括光纤17，该光纤17连接到光电光源例如发光二极管或者激光，所述光源远程地位于转子叶片轮毂中。在这个实施例中，光源16构成了光纤17 的暴露端部以及用于将光纤支承在传感器凹腔中并且确保它可靠地瞄准薄膜15的合适支
^K O在图3中，包括光纤17的光源16还充当接收器，用于从薄膜15反射回来的光线。 光源16由此设置成与薄膜15相垂直，从而使得薄膜的反射光线的至少一部分将会入射到光纤的开口端部上。装置14可选地包括一个或多个透镜18，所述透镜设置在光纤17与薄膜15之间。这样，从光纤17发射出的光线束19可以会聚成入射到薄膜上的紧密光束以及反射回来的光束能够至少部分地会聚到光纤17的端部。装置14还可包括定位在薄膜与光纤17之间的局部反射镜20。这样，光纤将会接收从反射镜20的平面以及也从薄膜15的平面所反射回来的光线。如果安装一个或多个透镜18，那么局部反射镜20可有利地定位在薄膜15与一个或多个透镜18之间。装置14可通过与外壳壁12的适当连接装置而紧固在凹腔13内。可以理解的是，光线在光纤17中的部分内反射将会发生在光纤17中光纤与空气的交界处。由此，即便没有局部反射镜20，也能够仅仅使用光纤17和薄膜表面15来形成干涉图样。然而，受到内反射的光线量仅仅是总量的大约4%。尽管这对于产生有用的参考信号从而干涉来自于薄膜15的传感器信号是足够的，但是在某些实施例中提供更强大的未反射参考信号是有用的。由于从局部反射镜的反射大约是40到50%，以及从薄膜15的反射也是类似的数量级，局部反射镜提供类似大小的参考和传感器信号。还允许使用并不特别强大的光源，由此使得传感器制造更加廉价。在这种情况下，尽管如前所述干涉将仍然发生在光纤与空气交界处，但是最显著的干涉发生在局部反射镜。将局部反射镜20定位在传感器凹腔13中是有利的，原因是这意味着可能需要安装和维护的所有部件都一起定位在部件的相同位置。可选择地，局部反射镜可从凹腔中省略而是替代地定位在光纤17的路径中，如下所述。如果期望节省传感器凹腔13中的空间的话，这是有用的。在上面参考图3描述的传感器中，单根光纤17被用于形成单个光源和接收器传感器对。如上所述干涉将会发生在凹腔13中，或者在反射镜或在光纤交界处，或者甚至是在远离凹腔的位置，如果返回的信号与参考光线信号相干涉的话。下面参考图4描述一个选择性实施例。在图4中，传感器装置14包括光源光纤21 和23以及光线接收光纤22和对。光纤通常地倾斜，从而使得来自于一根光纤21的光束被薄膜15所反射，以及随后入射到另一个光纤22上。如前所述，由于薄膜相对于传感器凹腔的移动，因此入射到薄膜15上的光线会经受路径长度的改变。这个光线随后被另一个光纤22所接收并且与光线的未反射或者参考部分干涉，从而产生干涉图样。在图4中，光线通过不同的光纤23和M而传送到或传离传感器凹腔。传感器的其它适当设置能够被实施以及被普通技术人员想到。图3或4中所示的湍流传感器是如图5中所示较大风力涡轮机检测及控制系统40 的一部分。风力涡轮机检测及控制系统40包括一个或多个光源41，例如激光或发光二极管，所述光源连接到一个或多个光学混频器42。光学混频器例如能够在传感器凹腔中没有使用局部反射镜20的情况下用于提供反射信号光线与未反射参考光线的混合。光纤43连接在一个或多个光学混频器42与相应的湍流传感器44之间。湍流传感器44可以是上面图3和4中所示的传感器，其中光纤43与附图中所示的光纤17、23和 24相对应。附加地，光纤43将反射的光线信号从湍流传感器传送返回光学混频器42。如图5中所示，多个传感器44优选地分布到跨过风力涡轮机叶片的背风或迎风表面的多个不同位置。每个叶片的传感器数目可以是每个叶片表面例如三个或者更多。这样， 叶片表面上方的气流能够被精确地探测到并且用于实时地控制叶片浆距。这将在下面进一步详细介绍。光学混频器42连接到光线检测装置45。对于每个湍流传感器，光线检测装置接收至少两个光线信号，第一个是已经从薄膜15反射的光线信号，以及第二个是并非从薄膜15 反射而是从局部反射镜20反射的信号，局部反射镜或者在传感器凹腔13中或者在到光源 41与光线传感器45之间的光学路径当中。适当的位置当然是光学混频器42，其中代替反射镜，来自于光源的一部分光线能够简单地被直接转向到光线传感器45。光线传感器45又连接到模数转换器(ADC) 46，该转换器连接到用于处理结果的处理器47。处理器47优选地访问计时器单元48以及存储器49。处理器47还可连接到风力涡轮机叶片浆距控制器50。大多风力涡轮机、特别是那些安装到风场中的风力涡轮机能够通过复杂的控制系统(例如SCADA监视控制与数据采集系统)而被监测和控制。由此可以理解的是，在实际中，处理器47通常地连接到更大控制系统，并且可以访问除从湍流传感器接收的数据或者信息以外在风力涡轮机搜集的数据或者信息。然而，这不必总是这种情况，例如当风力涡轮机被安装成孤立的单个单元时。优选地，光源41、光线传感器45、ADC46以及处理器47与转子叶片分开地设置在转子叶片轮毂中或者在机舱中，在此它们可以通过适当的防雷导体或者电屏蔽装置而受到保护免受雷击。可以理解的是，从局部反射镜接收的信号相位将会完全地由光源41的相位所确定，并且它由此可被用作参考信号。然而，由薄膜反射的信号的相位将会根据传感器凹腔13 中发射和接收光纤17、23或M之间的光学路径长度而改变。而这个路径长度受到由叶片外表面经过的气流所导致的薄膜15的移动或振动所影响。由此通过允许两个信号彼此干涉并且检测两个信号相位变化能够产生关于气流特性的信息。在理想的运行条件下，跨过转子叶片表面的气流将会是层流，导致薄膜15的很小干扰或者没有干扰。由叶片变浆距所导致的、引起类似停转状况的湍流气流将会导致薄膜 15突然以及不可预知的运动、以及从薄膜反射回来的光线的相位相对于参考相位的相关改变。图6是示意性地显示了处理器47基于参考光线信号与传感器光线信号之间的干涉随着时间而生成的传感器信号的曲线图。在图左侧的开始处，图线的平坦区域对应于薄膜没有移动的时间段。传感器信号与参考信号之间的相位差由此是恒定的，并且图线是平坦的。薄膜在外部大气压力的影响下的微小移动将会由于干涉而通过相位的细小变化以及所产生的光线信号强度的相关改变而反映出来。如果薄膜进一步移动，那么参考信号与传感器信号之间的相位将会改变并且导致强度的进一步改变。如果薄膜移动量是足够大，那么在相位差在整个相位振动过程增加时将看到光线强度中的正弦变动。正弦变动将会在薄膜移动的时间段内继续进行，并且将会随着薄膜运动方向反向而反向。强度从峰值改变到峰值所用的时间另外地指示出薄膜移动由光线信号波长所表示距离的一半时所用时间。图6中由处理器生成的强度曲线图由此可被用于给出跨过叶片表面的气流状况的指示。湍流气流将会导致叶片与传感器薄膜的冲击，以及对应的强度图线将会表示出薄膜频繁且无序的运动。这可以通过信号正弦变动的多次出现、以及强度基本上没有改变或
10者缓慢改变的相对较短时间段来表征。此外，正弦变动自身可能具有较高的振荡频率，显示出薄膜相比其它时刻更快的移动。在另一方面，层流气流或者非湍流背景状况将会导致薄膜很少的或者更少的移动。强度图线由此通过更多及更长时间段的平坦图线、细微变动、或者尽管观察到正弦变动但是它具有指示它相对缓慢发生的长波长而得以表征。图线中表示薄膜没有移动的平坦图线区域可以或不可以总是指示出相同的光线强度。实际中，尽管薄膜的静止位置可以很大程度上至少部分地由薄膜张力以及制成薄膜的材料所决定，但是气流施加的瞬时力将最终决定瞬时位置。处理器47分析由ADC46所接收的光线信号的强度，从而确定跨过叶片的气流的当前特性。它可以使用适当的数学处理技术来确定出光信号的变化量而实现，例如图5中所示。在其它实施例中，它可以使用神经网络技术来生成湍流及层流气流的强度图样的视觉外观的记忆，并且通过与预先生成的模型图样相比较而确定当前气流状况。这种图样可存储在存储器49中。也识别来自于各个传感器44的结果是否显示出湍流，处理器47具有另外的功能， 艮口，基于随着时间从多个传感器44收集的结果来评定风力涡轮机叶片的当前运行性能。可以理解的是，单独的处理器能够被设置用于这个目的，但是为了本发明描述的简洁，处理器 47被假定完成两种角色。参考图7，下面将描述本发明示例所提供的浆距控制系统。图7显示了风力涡轮机背风侧的视图。如上所述的湍流传感器44被设置在跨过叶片表面的多个位置。尽管在一些实施例中，传感器可以设置在跨过叶片表面的等距间隔位置上，但是实际中如果传感器被设置成在纵向及横向方向上至少部分覆盖的话那么也是足够的。由此如图7中所示，传感器被设置成沿着叶片后缘的至少一个线性阵列，并且沿着叶片长度设置的多个横向线性阵列。图8显示了通过一个横向线性阵列的横截面视图，显示了定位在迎风侧和背风侧的传感器。传感器被显示成基本上等距间隔，这样可以收集到关于整个叶片表面周围的气流的数据。然而可以理解的是，为了检查类似停转状况，最受关注区域是叶片的背风后缘。出于这个原因，更多传感器可被安装在这个区域。图8显示了风力涡轮机叶片处于代表基本上层流气流的状况中，而图9显示了图 8中的叶片构型在类似停转状况中。叶片上方及后面所示的阴影区域是由于风力涡轮机叶片在气流中大于最佳浆距而导致的非层流的、湍流空气的区域。叶片背风(顶)侧上传感器的经处理的传感器输出被显示在图10中。指示湍流的传感器在图表中由叉号所表示。处理器47与风力涡轮机控制系统的浆距控制单元50通讯，并且基于指示湍流气流的传感器44的数目指示浆距控制指令。浆距控制系统50还接收来自于功率监视器(未示出)的输入，该监视器测量风力涡轮机产生的输出功率。在正常使用时，浆距控制器增大叶片倾斜到风中的浆距以使输出功率达到最大，避免使得浆距过大并且导致停转状况。单独基于输出功率的叶片浆距控制对风速及风向改变的响应是缓慢的。然而，来自于处理器47的输入能够基于叶片处的即时风力条件而提供更精确、更敏感的控制水平。 由此，在指示湍流的传感器数目超出预定值、并且继续这样而达到预定时间段时，处理器47 指示浆距控制器50减小浆距，直到指示湍流的湍流传感器数目降低到预定数目以下。这样，叶片的浆距能够被实时控制并且能够对所测量的跨过叶片的气流湍流做出响应。在另一个示例中，来自于安装在叶片表面的多个传感器的数据能够被用于从叶片空气动力学设计的角度实时地检测风力涡轮机叶片的性能。通过将数据从不同的风力涡轮机发送到中央存储器用于分析，能够收集到关于风力涡轮机叶片气流性能的足够数据，允许它们在今后的再次设计中进行改进。在选择性应用中，上面所述的湍流传感器能够被应用到其它风力涡轮机转子叶片空气动力学参数的控制，例如转子叶片形状以及转子叶片气流。下面进行简要地描述。转子叶片的形状能够使用多种技术而被动态地调节。某种程度上，这些将会改变跨过叶片的气流特性并且通过直接地影响叶片所经受的提升力从而影响所产生的功率。这种技术能够根据期望用于浆距控制及停转控制风力涡轮机。下面介绍多种技术1)襟翼和副翼是叶片的铰接区域，其能够按照需要被调节从而改变叶片表面上方的气流。尽管，这些通常位于风力涡轮机叶片的后缘，它们也可根据需要定位在叶片的其它部位上。它们的作用在这种情况下更像是降低提升力的扰流器。2)微小突出部是定位在叶片中或者表面上的可致动元件，其能够快速地延伸到气流中从而改变它的空气动力学特性。它们能够被用于降低叶片上的应力、抑制振动以及增加提升力。3)叶片中的狭缝或板条能够以与上述1)和2)相同的方式使用。在其它设计中， 叶片表面上的凹入或凸起突块也能够起作用以改变气流。4)叶片内部流体填充的凹腔或者空隙能够在填充流体或者抽空时改变叶片的形状。在某些设计中，空气能够被抽吸到叶片中或者从叶片排出，从而改变气流。叶片中的可变涡流发生器落入这个范畴。5)叶片形状的变形或者叶片跨距的变化也能够通过控制下层的结构支承件而实现。上述的光学湍流传感器能够与上面所述的任意一种控制机理一起使用。上述传感器的生产相对廉价并且易于安装。由此，包括大量传感器的传感器系统能够被相对容易地安装到新的以及已有的风力涡轮机中。此外，薄膜可被涂成与周围部件表面相同的颜色从而确保风力涡轮机的视觉外观不会被破坏。本发明的上面示例涉及到风力涡轮机叶片空气动力学特性的控制。可以理解的是，传感器系统还能被用于探测叶片表面上冰的聚集或者其它聚集材料。在这种情况下，传感器将被定位在跨过叶片表面的多个位置。由于冰例如倾向于聚集在风力涡轮机叶片的前缘，因此与其它位置相比更多传感器被沿着前缘设置。这相对于图7中所示的示意性传感器设置相反。使传感器薄膜沿循着前缘的弯曲是不成问题的。由于冰在位于前缘的湍流传感器上方聚集，因此传感器薄膜将不再能够在经过空气的影响下振动，并且从这个传感器产生的传感器信号将由此表现出被拦截或者不发生变化。处理器由此监测针对这种改变的传感器输出变化，并且使用这种变化来识别出可能的冰聚集情况。此外，由于前缘的冰的聚集能够影响叶片的空气动力学形状，并且可能导致向着后缘的增加的湍流，因此能够从不同位置的不同传感器响应识别出冰的聚集。上面的描述仅仅是由权利要求限定的本发明的解释。本领域普通技术人员可以想到替代技术来实施本发明。在一个替代性实施例中，ADC46和处理器的湍流探测部分可以被模拟滤波器和电路所代替，该滤波器使与薄膜15快速挠曲相关的高频通过，如果这些频率内的信号量超过特定限定值或者发生比率的话所述电路启动而产生输出。
由于转子叶片容易受到雷击，因此优选的装置使用光纤作为传感器外壳中的光源以及光线探测器。然而在替代性实施例中，光电装置例如发光二级管和光电探测器可直接地用在传感器外壳内部，并且与控制器和电源适当的电力以及信号传输连接。在某些实施例中，当然适于将控制电子器件和动力系统就地安装或者安装在传感器本身内。
权利要求
1.一种风力涡轮机转子叶片控制系统，包括用于探测跨过转子叶片表面的湍流气流的多个传感器；用于从所述多个传感器接收数据、并且基于湍流气流的探测控制所述转子叶片的空气动力学参数的控制器，其中，所述多个传感器中的每个传感器包括用于探测经过所述风力涡轮机转子叶片的表面的气流的湍流的传感器薄膜，其中，所述传感器薄膜与所述表面成一体、并且覆盖所述风力涡轮机转子叶片中的凹腔的至少一部分；位于所述凹腔中的光源，所述光源用于照亮所述凹腔内的所述传感器薄膜的表面；位于所述凹腔中的光线探测器，所述光线探测器用于探测从所述传感器薄膜的表面反射的光线、并且向处理器提供输出，所述处理器根据所述输出确定跨过所述传感器薄膜的气流的湍流值。
2.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述空气动力学参数是所述转子叶片的浆距角。
3.如权利要求2所述的控制系统，其特征在于，还包括用于探测所述风力涡轮机的输出功率、并且向浆距控制器输出信号的功率传感器，其中，所述浆距控制器另外地基于所述风力涡轮机输出功率的探测来控制所述转子叶片的浆距。
4.如权利要求3所述的控制系统，其特征在于，所述浆距控制器控制所述转子叶片的浆距，以使湍流最小并且使所述风力涡轮机输出功率最大。
5.如前述权利要求任一所述的控制系统，其特征在于，当预定数目的传感器指示湍流气流时，所述控制器减小所述转子叶片处于风中的浆距。
6.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述空气动力学参数是所述转子叶片的形状。
7.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述空气动力学参数是经过所述转子叶片的气流。
8.如前述权利要求任一所述的控制系统，其特征在于，所述多个传感器被定位在所述转子叶片的抽吸表面上。
9.如权利要求8所述的控制系统，其特征在于，所述多个传感器被定位成与其它区域相比，向着所述转子叶片的抽吸侧的后缘具有更多数目的传感器。
10.如前述权利要求任一所述的控制系统，其特征在于，位于所述凹腔中的所述光源和所述光线探测器是与光电光源连接的光纤。
11.如前述权利要求任一所述的控制系统，其特征在于，还包括加法器，所述加法器用于将从所述传感器薄膜的表面反射的光线增加到参考光线信号，以给出指示所述传感器薄膜的位移的干涉图样。
12.如权利要求11所述的控制系统，其特征在于，所述加法器包括位于所述传感器凹腔中的局部反射镜，所述局部反射镜将来自于所述光源的一部分光线反射到所述光线探测器并且提供所述参考光线信号。
13.如前述权利要求任一所述的控制系统，其特征在于，所述凹腔被密封。
14.如权利要求13所述的控制系统，其特征在于，所述凹腔填充有不同于空气的气体。
15.如前述权利要求任一所述的控制系统，其特征在于，所述传感器薄膜由与形成风力涡轮机部件的表面的材料不同的材料形成。
16.如权利要求11所述的控制系统，其特征在于，还包括处理器，所述处理器用于分析预定时间段内所述干涉图样的正弦变动，以确定所述气流是否是湍流。
17.如前述权利要求任一所述的控制系统，其特征在于，还包括存储器，所述存储器用于存储来自于所述多个传感器的数据、并且生成所述风力涡轮机转子叶片的表面上方的气流状况的记录。
18.一种风力涡轮机，包括如前述权利要求任一所述的控制系统。
19.一种计算机执行的方法，用于控制风力涡轮机转子叶片，所述方法包括a)从多个传感器接收数据，所述传感器探测跨过转子叶片表面的湍流气流；b)基于来自于所述多个传感器的数据控制所述转子叶片的空气动力学参数，其中，所述多个传感器中的每个传感器包括用于探测经过所述风力涡轮机转子叶片的表面的气流的湍流的传感器薄膜，其中，所述传感器薄膜与所述表面成一体、并且覆盖所述风力涡轮机转子叶片中的凹腔的至少一部分；位于所述凹腔中的光源，所述光源用于照亮所述凹腔内的所述传感器薄膜的表面；位于所述凹腔中的光线探测器，所述光线探测器用于探测从所述传感器薄膜的表面反射的光线、并且向处理器提供输出，所述处理器根据所述输出确定跨过所述传感器薄膜的气流的湍流值。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，还包括控制所述光源的输出、以及分析所述光线探测器的输出。
21.如权利要求19或20所述的方法，其特征在于，还包括c)探测所述风力涡轮机的输出功率、并且输出信号；其中，所述步骤b)另外地包括基于所述风力涡轮机的输出功率的探测来控制所述转子叶片的浆距。
22.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述步骤b)包括控制所述转子叶片的浆距，以使湍流最小并且使所述风力涡轮机的输出功率最大。
23.一种计算机程序产品，包括计算机可读介质，计算机代码被存储在所述计算机可读介质上，其中，所述计算机代码由处理器执行，所述处理器被导致完成以下步骤a)从多个传感器接收数据，所述传感器探测跨过转子叶片表面的湍流气流；b)基于来自于所述多个传感器的数据控制所述转子叶片的空气动力学参数，其中，所述多个传感器中的每个传感器包括用于探测经过所述风力涡轮机转子叶片的表面的气流的湍流的传感器薄膜，其中，所述传感器薄膜与所述表面成一体、并且覆盖所述风力涡轮机转子叶片中的凹腔的至少一部分；位于所述凹腔中的光源，所述光源用于照亮所述凹腔内的所述传感器薄膜的表面；位于所述凹腔中的光线探测器，所述光线探测器用于探测从所述传感器薄膜的表面反射的光线、并且向处理器提供输出，所述处理器根据所述输出确定跨过所述传感器薄膜的气流的湍流值。
24.如权利要求23所述的计算机程序产品，其特征在于，当所述计算机代码由所述处理器执行时，所述处理器被导致完成控制所述光源的输出、以及分析所述光线探测器的输出的步骤。
25.如权利要求23或M所述的计算机程序产品，其特征在于，当所述计算机代码由所述处理器执行时，所述处理器被导致c)探测所述风力涡轮机的输出功率、并且输出信号；其中，所述步骤b)另外地包括基于所述风力涡轮机的输出功率的探测来控制所述转子叶片的浆距。
26.如权利要求23所述的计算机程序产品，其特征在于，所述步骤b)包括控制所述转子叶片的浆距，以使湍流最小并且使所述风力涡轮机的输出功率最大。
全文摘要
提出了一种用于转子叶片控制的控制系统。控制系统包括多个跨过风力涡轮机叶片表面设置的湍流传感器。控制系统监测湍流传感器并且当湍流气流被探测到时控制叶片的空气动力学参数。在一个实施例中，参数是转子叶片的浆距。这意味着能够避免类似停转的叶片状况，并且风力涡轮机的发电能够被优化。控制系统还可使用输出功率的测量结果，从而使基于湍流的测量结果给控制系统增加额外的敏感度和精确控制。
文档编号F03D7/02GK102483038SQ201080036728
公开日2012年5月30日 申请日期2010年8月6日 优先权日2009年8月6日
发明者I·奥勒森 申请人:维斯塔斯风力系统集团公司