具有光学的压力传感器的风能设备以及用于运行风能设备的方法与流程

本发明涉及一种具有压力传感器的风能设备以及一种用于运行这种风能设备的方法。

背景技术：

根据现有技术，风能设备承受具有不同特性的风，所述风来自不同方向并且以不同强度尤其吹到风能设备的转子叶片上。在这种不同的风况下，风能设备将由风提取的动能转化为电能，并且将所述电能馈入供电网中。在将风能转化为电能时，风能设备根据风况和预定的要馈入的电功率在不同的工作点运行，其中尤其由叶片俯仰角和要设定的发电机力矩确定每个工作点。

在此，尽可能理想地设定工作点，以便在考虑长的使用寿命的情况下并且越来越多地在保持小的运行噪音的情况下实现有效率的运行。有效率尤其指的是由可用的风产生尽可能高的能量。在此，当风能设备建在住宅区范围中时，尤其将主要由转子叶片上的湍流产生的运行噪音最小化，以至于居民不会被风能设备的转子叶片的噪音打扰。

通常——为了满足上述运行前提——例如以计算机辅助的方式研发和模拟转子叶片，其中也借助于模型通过在风洞中的实际试验来检验由此研发的转子叶片的实际性能。在研发时，例如匹配于在建立地点处通常占主导的风况地研发转子叶片。

随后，风能设备的用于设定和/或调节设备的理想工作点的控制装置和/或调节装置匹配于相应的转子叶片的特性。为此，在控制装置和/或调节装置中存储有一种转子叶片模型，所述转子叶片模型在最简单的情况下由一个或多个换算表建立。然后，借助于转子叶片模型在附加地考虑测量出的风况的情况下设定和/或调节工作点，使得实现转子叶片的估计的入流情况。在此，入流情况尤其理解为在转子叶片上的流分布。

据此，风能设备的控制装置和/或调节装置考虑分别安装在风能设备上的转子叶片的预定的性能以设定风能设备的工作点。然而，在这种调节和/或控制中得到技术上的问题：转子叶片的性能在使用寿命期间变化，并且因此在仅考虑预定的转子叶片模型的情况下不再能够理想地设定工作点。

此外，转子叶片的这种老化过程也是在转子叶片模型中不可考虑的，因为所述老化过程与多个——而且偶然的——因素相关。因此，在转子叶片上的漆层的例如腐蚀、即尤其脱落对在转子叶片表面或转子叶片壁上的流特性产生强烈的影响，所述腐蚀在转子叶片前缘处、尤其在转子叶片的外部区域中产生。然而，腐蚀尤其与在相应的风能设备的环境空气中的颗粒的数量和状态相关，使得不可预见出现的腐蚀。

据此，在调节的和/或设定的工作点，在一些运行时间之后，转子叶片的预定的入流情况不再对应于实际的入流情况。

德国专利和商标局在优先申请中检索到如下现有技术：WO 2012/122 669 A1和US 7 159 468 B2。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是，找到一种风能设备和一种用于所述风能设备的运行的方法，所述风能设备和方法——尤其与随着使用寿命变化的转子叶片性能相关地——实现：风能设备在基本上理想的或最优的工作点运行。

本发明通过根据权利要求1的风能设备以及根据权利要求16的用于运行风能设备的方法实现目的。

为此，本发明涉及一种风能设备，所述风能设备具有至少一个转动部分、尤其转子，所述转动部分具有至少一个转子叶片。此外，风能设备具有至少一个设置在转子叶片上的光学的压力传感器。在此，作为光学的压力传感器使用任意如下光学的压力传感器，所述光学的压力传感器借助于光导纤维与施加在传感器上的压力相关地改变预先配置的光，即具有预定特性、例如预定的波长的光。

为了变化光的特性，光学的压力传感器例如具有镜或干涉光栅(Interferenzgitter)，所述干涉光栅通过压力影响而机械地移动。有利地，这种传感器具有如下特性：所述传感器不具有金属的部件和/或组件进而具有高的电磁兼容性。由此，具有变化的特性的光将关于实际施加的压力和压力波动的信息传递到传感器上进而传递到转子叶片上，其中能够评估这些信息。在转子叶片的表面上的压力波动也称作壁压力波动，所述转子叶片的表面也称作转子叶片壁。

此外，本发明基于的认知是：能从施加到转子叶片上的压力变化推断出转子叶片的不同入流情况，所述压力变化得出瞬时压力值。为了评估，构成传感器的压力值的频谱和/或尤其功率密度谱。据此，转子叶片的入流情况能够由这些频谱和/或功率密度谱确定。因此，结合区域(Integrationsbereich)与流拓扑(层流的或湍流的边界层)相关地具有不同的功率密度谱。

据此，能够借助于光学的压力传感器测量作用到转子叶片上的压力值或压力差，使得一个或多个转子叶片的实际的入流情况是可测量的而不必从模型中获取。由此，在调节时能够考虑实际的入流情况，使得尤其也能够考虑转子叶片的老化过程。此外，与在转子叶片上的常规传感器不同，光学的压力传感器能够持续运转，因为所述光学的压力传感器相对于静电电荷和/或快速放电不敏感。

根据第一有利的实施方式，风能设备的至少一个转子叶片具有至少两个在转子叶片的压力侧和/或抽吸侧上的光学的压力传感器。根据另一有利的实施方式，至少一个转子叶片具有四个在压力和抽吸侧上分布的光学的压力传感器。

通过设置多个分布的压力传感器，能够在转子叶片的表面的不同区域中测量压力曲线分布进而能够测量不同的局部的流动情况，例如层流的和湍流的或局部的有效的调节角和入流速度，进而也能够在位置方面限定流动情况的过渡区域。关于在转子运行上的入流速度和调节角的分布的信息能够用于：在风切变(即风速随高度的变化)以及风向随高度的变化方面评估风场。这些信息能够用于例如在功率、噪音或负荷方面最优地运行设备。

根据另一有利的实施方式，光学的压力传感器或其中至少一个光学的压力传感器设置在后缘的区域中，例如设置在转子叶片的轮廓深度的98％处。根据一个特别有利的实施方式，设置在转子叶片的位于径向外部的30％至40％处。

借助于在转子叶片的后缘的区域中的光学的压力传感器能够确定瞬时压力值，所述压力值尤其在后缘上作用于转子叶片。据此，在该区域中的压力传感器有利地尤其用于确定在叶片后缘上的湍流。这些压力波动允许推断出转子叶片的所发出的声功率。为此，例如还形成压力传感器的压力值的功率密度谱或频谱，其中功率在特定的——与叶片几何形状相关的频率范围中——是用于发出的声功率的计量单位。尤其，当叶片俯仰角和/或发电机力矩不最优地匹配于风况进而在转子叶片壁上产生不期望的湍流和/或流分离效应时，产生提高的、发出的声功率。据此，在设定工作点以降低噪音时，有利地考虑借助于在后缘上的光学的压力传感器确定的压力波动，其方式例如是：依据功率密度谱的或频谱的功率或幅值，对调节给定值或设定参数进行匹配。因此，能够有利地使风能设备的噪音排放最小化。

根据本发明的另一有利的实施方式，至少一个转子叶片具有多个光学的压力传感器，所述压力传感器沿流动方向偏移地设置。在此，偏移角尤其选择为，使得定位在下游的压力传感器不被定位在上游的压力传感器的出现的过渡楔(Transitionskeile)影响。

据此，压力传感器设置为，使得过渡楔、即楔形构成的从层流至湍流的过渡部不影响在下游跟随的压力传感器的测量值或使其测量值失真，其中由于压力传感器能够沿流动方向或朝下游在压力传感器后方产生所述湍流。根据另一特别的实施方式，偏移角与转子叶片的轮廓相关。在此，根据另一特殊的实施方式，与轮廓相关的偏移角——关于垂直于转子叶片的叶片角调整轴线定向的轮廓剖切线——位于5°至20°的范围中、优选为15°，其在叶片轮廓前缘(滞点)处起始分别沿着压力侧和抽吸侧朝后缘伸展。

借助于在叶片剖面的区域中以这种方式设置的压力传感器，能够沿着叶片剖面确定压力值、尤其瞬时压力值和/或压力波动，进而能够求得瞬时压力结合区(Druckintegrationsgebiete)。基于这些压力结合区，能够在叶片的整体的入流情况以及升力、阻力和俯仰力矩方面确定空气动力学的剖面轮廓的局部工作点，进而评估叶片剖面的一个或多个相应的区域的局部的性能。因此，压力传感器也用作风速计，所述风速计用于确定转子的整体的入流情况并且在此尤其用于确定风速。此外，能够确定过渡层，以便能够借助于确定过渡层来推断在风能设备运行中的积冰、污染、腐蚀或塔吞吐量效应(Turmdurchgangseffekte)。

根据本发明的另一实施方式，转子叶片具有一个或多个凹陷部，其中所述凹陷部或所述凹陷部中的每个尤其最大是2mm深的。此外，所述凹陷部或所述凹陷部中的每个具有光学的压力传感器中的至少一个。光学的压力传感器设置在凹陷部中是有利的，因为由此基本上维持转子叶片的空气动力学性能。

此外，根据一个特别的实施例，凹陷部是尤其通过铣削引入转子叶片中的通道。通道一方面具有如下优点：可简单地，即例如通过铣削制造所述通道。另一方面，通道具有如下优点：在转子叶片旁流过的空气能够基本上沿流动方向到达凹陷部中，进而到达光学的压力传感器的区域中。

根据另一实施方式，一个或多个凹陷部由在相应的凹陷部的区域中被移除的牺牲层制造或形成。据此，在制造转子叶片时，将——对于转子叶片的稳定性不重要的——附加的层施加到转子叶片上，尤其施加在应设置光学的压力传感器的区域中。即使在此仅讨论一个层，在此也包含多个材料层。在例如通过铣削制造时，在特定的区域中移除这些附加施加的层，使得产生凹陷部、尤其通道，然后将一个或多个光学的压力传感器装入所述凹陷部、尤其通道中。

由于借助于移除的牺牲层产生凹陷部，所以尽管存在凹陷部，但是与不具有光学的压力传感器的转子叶片相比维持了叶片稳定性。

根据另一实施方式，光学的压力传感器通过粘贴固定到凹陷部中。通过粘贴光学的压力传感器避免转子叶片的螺孔或其他机械改变，使得与不具有光学的传感器的转子叶片相比基本上维持叶片稳定性。

根据另一实施方式，转子叶片具有一个或多个开口，所述开口用于连接外部环境与转子叶片的内部空间。此外，转子叶片具有多个分别带有至少一个光导纤维的光学的压力传感器。所述光导纤维中的多个光导纤维穿过开口中的至少一个开口被引入转子叶片的内部空间中。据此，一个开口用于多个光学的压力传感器的光导纤维，以至于转子叶片对于每个光导纤维而言具有小于一个的开口。由此，与不具有光学的压力传感器的转子叶片相比，具有光学的压力传感器的转子叶片的叶片稳定性尽可能维持不变。

根据另一实施方式，风能设备的转动部分除了转子叶片以外具有导流罩和转子毂。此外，为了光学的压力传感器信号的信息传递，光导纤维在转子叶片的内部空间中伸展至导流罩和/或转子毂中的区域。因此，仅用于传递光学的压力传感器的信号、值和/或信息的光导体在转子叶片的区域中伸展。这些光缆相对于电磁辐射是不敏感的，进而例如相对于雷击或其他电磁干扰源是鲁棒的。

根据另一实施方式，每个光学的压力传感器具有两个光导纤维。第一光导纤维用于输送具有预定的特性的光，所述光例如在导流罩和/或转子毂的区域中产生，而第二光导纤维用于回引具有通过压力传感器改变的特性的光。

根据本发明的另一实施方式，风能设备除了转动部分以外具有静止部分。风能设备的该静止部分尤其包括风能设备的吊舱，风能设备的控制和调节例如在所述吊舱中进行。根据本实施方式，风能设备设置为，用于将借助于光学的压力传感器确定的信号、值和/或信息从转动部分传递到静止部分。为此，风能设备例如具有信号、值和/或信息的无线的传递机构或经由滑环进行的信息传递机构。

从风能设备的转动部分到静止部分的这种信息传递的优点是：信号、值和/或信息的评估以及调节和控制在风能设备的中央区域中进行，进而不必在转子叶片中设置附加的电子机构。

根据一个实施方式，在传递之前，将光学的压力传感器的信号、值和/或信息在导流罩和/或转子毂的区域中转换为电信号，以及根据另一特殊的实施方式，放大电信号和/或光学信号。因此，尤其在传递和/或转换时最小化信号、值和/或信息的干扰敏感性。

根据另一实施方式，风能设备具有尤其在风能设备的静止部分中的至少一个信号处理装置。信号处理装置设置为：用于接收压力传感器的值或压力值，所述值或压力值也称作压力传感器的信息或信号；以及尤其为了进一步处理而提供和/或评估所述值或压力值。尤其信号处理装置用于由所述值求得一个或多个转子叶片的整体的入流情况——或所述入流情况的至少一个部分区域。据此，信号处理装置将光学的压力传感器的尤其所准备的和/或所评估的信号提供给用于风能设备的其他装置，以便例如将风能设备的运行性能根据接收的信号和/或信息匹配于转子叶片的实际的入流情况。

根据一个实施方式，风能设备具有叶片角调节装置，其中信号处理装置与叶片角调节装置连接，以便在调节叶片角时尤其通过对调节的给定值进行匹配来考虑光学的压力传感器的由信号处理装置评估的信号。

根据另一实施方式，风能设备具有发电机力矩调节装置，其中信号处理装置与发电机力矩调节装置连接。所述连接用于在调节发电机力矩时考虑光学的压力传感器的由信号处理装置评估的信号。

据此，能够根据光学的压力传感器的信息和信号调节叶片角和/或发电机力矩，以至于能够最优地或理想地设定和/或调节风能设备的工作点。

此外，本发明包括一种用于运行风能设备的方法，所述风能设备尤其是根据上文所述的实施方式中的一个实施方式的风能设备。

根据方法的第一实施例，借助于至少一个设置在转子叶片中的至少一个转子叶片上的光学的压力传感器检测压力值、尤其瞬时压力值。此外，确定压力值的频谱和/或功率密度谱，并且由频谱、功率密度谱和/或由此经过一段时间形成的频谱图求得转子叶片的入流模型，所述入流模型示出当前的入流情况或入流情况的变化。

借助于所确定的入流模型能够确定：转子叶片俯仰角是否对于满足所要求的先决条件最优地设定，以及是否能够在未最优地设定时被改变为，使得达到理想的或最优的工作点。

此外，借助于所确定的入流模型能够确定：是否将转子对于主风向最优地定向。必要时能够通过吊舱的方位跟踪补偿不利的偏差。

根据本发明的另一实施方式，借助于入流模型检测在转子叶片的后缘的区域中的湍流，进而尤其在转子叶片的模型、即例如转子叶片几何结构的辅助下确定由转子叶片产生的声功率。将所确定的声功率输送给叶片角调节装置，并且在叶片角调节装置中依据声功率、以及尤其也依据风速设定叶片角调节装置的叶片俯仰角的给定值。借助于叶片角调节装置，在考虑借助于入流模型计算的所确定的当前的发出的声功率的情况下，能够降低由风能设备发出的声功率。

根据另一实施方式，借助于入流模型调整风能设备的发电机力矩的调节装置的和/或叶片角调节装置的给定值。由此，——尤其即使在“老化的”转子叶片中——在考虑转子叶片的当前的性能的情况下，得到风能设备的最优的工作点。

根据另一有利的实施方式，借助于入流模型在后缘的区域中，尤其在抽吸侧上检测湍流，并且借助于信号处理装置确定在壁压力波动的功率密度谱中的、尤其在低于1000Hz的频率范围中的低频部分的幅值。在功率密度谱中的低频部分输送给叶片角调节装置并且在风能设备的叶片角调节装置中为相关的叶片或所有叶片设定叶片角调节装置的给定值，使得在壁压力波动的功率密度谱中的低频部分的幅值最小化。

因此，在壁压力波动的功率密度谱中的低频部分的提高的幅值是用于在叶片的不期望的流分离的标志，并且由叶片角的错误的设定得出，使得在将提到的幅值最小化时通过调整转子叶片来抵抗在转子叶片上的流分离。

由此，能够进一步优化风能设备的运行或工作点。

附图说明

在下文中，参照附图详细阐述本发明的其他优点和实施例。

图1示出根据一个实施例的风能设备的示意视图；

图2示出根据一个实施例的示意示出的转子叶片的抽吸侧的视图；

图3示出根据一个实施例的转子叶片的叶片剖面的示意视图；

图4示出借助于压力传感器记录的第一功率密度谱；以及

图5示出借助于压力传感器记录的第二功率密度谱。

具体实施方式

图1示出具有塔102和吊舱104的风能设备100。在吊舱104上设置有转子106，所述转子带有三个转子叶片108和导流罩110。此外，转子106具有转子毂112，在所述转子毂上固定有转子叶片108。叶片角、即围绕转子叶片的调整轴线的转动角是可设定的，所述调整轴线基本上垂直于转子的转动轴线。

具有转子叶片108、导流罩110和转子毂112的转子106也称作风能设备100的转动部分，以及具有塔102的吊舱104称作静止部分。转子106在运行中通过风置于转动运动中，进而驱动在吊舱104中的发电机(未示出)。

图2示出转子叶片108的抽吸侧的俯视图。转子叶片108具有叶片前缘10以及叶片后缘12，所述叶片前缘也简称为叶片导缘或叶片前边。转子叶片108根据风向定向，使得风从叶片前缘10朝叶片后缘12、即沿对应于箭头方向14的入流方向14沿着叶片表面掠过。此外，示出叶片适配器16，转子叶片108借助于所述叶片适配器固定在叶片毂112上。

此外，示意地通过十字示出光学的压力传感器18，所述压力传感器沿入流方向14相继地以偏移角19错开地设置。在此，偏移角19选择为，使得定位在下游的压力传感器18不被设置在上游的压力传感器18的可能出现的过渡楔影响。即使在此为了更好的概览性以高的偏移角19示出压力传感器18，优选基于轮廓剖切线20在5°至20°的范围中选择偏移角19，所述偏移角是与轮廓相关的。

从压力传感器18引导也称作玻璃纤维导体的光导纤维21穿过叶片适配器16进入转子毂112中并且在那与变换器22连接，所述变换器将光学的压力传感器的光学信号转换为电信号，和/或在转换之前和/或之后放大。变换器22与发送装置24连接，所述发送装置将电信号转换为无线电信号并且传递到接收装置26，所述电信号由光学信号得到。

接收装置26位于风能设备100的静止部分中，例如位于吊舱104中。接收装置26再将由发送装置24接收的信号转换为电信号。此外，接收装置26与信号处理装置28连接，以便将光学的压力传感器18的转换的信号传递给所述信号处理装置。

在信号处理装置28中，将光学的传感器18的压力值或值或者接收的信号、信息进行处理，和/或由此例如确定或产生转子叶片108的入流模型。然后，将入流模型或至少入流模型的随时间的变化或值域或所选取的、单个的值输送给叶片角调节装置30和/或发电机力矩调节装置32。根据入流模型，在叶片角调节装置30中调整要调节的叶片角的调节的给定值；和/或在考虑入流模型的情况下，在发电机力矩调节装置32中调整要调节的发电机力矩的给定值。

图3示例地示出叶片剖面，其中在叶片壁34上在抽吸侧36和压力侧38上环绕地设置有压力传感器18。叶片壁34将转子叶片108的内侧35与外侧37分离。

使光学的压力传感器18进入未示出的铣削的通道中并且粘贴在那里，使得这些压力传感器不伸出叶片壁。为此，在制造转子叶片108时在转子叶片108的表面上施加未示出的牺牲层，所述牺牲层通过在光学的压力传感器18的区域中进行的铣削而被移除。

图4在图表中示出四个压力传感器18的功率密度谱。借助于压力传感器18通过如下方式确定功率密度谱：测量或求得在叶片壁34上产生的压力值。这些压力值是瞬时的，然后随着时间变化，其中能够借助于相应的压力传感器18的频谱示出压力值随时间的变化。例如在信号处理装置中对于每个压力传感器18形成频谱。可根据频谱的功率密度探测特定频率的和/或频率范围的幅值或变化的幅值，所述频谱的功率密度能够由传感器的相应的频谱确定。尤其也可评估功率密度谱的结合区域。

已知的是，基本上明确地可通过评估压力值的频谱确定不同的入流情况。因此，结合区域与流拓扑(层流的或湍流的边界层)相关地具有不同的功率密度。

据此，能够通过设置压力传感器18将传感器的各个功率密度谱相互比较，如在图4中那样进行。在特定的先决条件下，例如能够通过以特定方式区分的功率密度谱由限定定位的压力传感器推断出过渡层的位置。过渡层描述在叶片上的如下层：在所述层上例如层流转化为湍流。在图4中示例地示出功率密度谱40-46。可看到的是，功率密度谱40明显与功率密度谱42、44、46不同，由此能够推断出过渡层的位置。

据此，上方的曲线40在此是光学的压力传感器18的功率密度谱40，在该功率密度谱的区域中存在湍流。下方的三个曲线42至46对应于在压力传感器18中产生的如下功率密度谱42至44，在该功率密度谱的区域中存在层流。因此，可借助于光学的压力传感器18在转子叶片108的运行期间确定过渡层，以便最优地设定风能设备100的工作点。

图5在图表中示出同一压力传感器18在不同的叶片俯仰角的情况下的三个功率密度谱。在频率范围48中出现相对高的幅值。该范围48在此作为一种干扰被忽略。

然而，在不同的叶片角的情况下，频谱在较低的频率范围中不同高度的幅值是用于转子叶片108的发出的声功率的标志。据此，曲线对于不同的叶片俯仰角具有不同的值。据此，转子叶片的角是可设定的，使得这些幅值保持低于预定的阈值或至少保持为最小，以便使转子叶片108的发出的声功率最小化。

据此，光学的压力传感器18的特定频率的或特定频率范围的幅值，尤其在叶片后缘12的区域中，是用于从转子叶片发出的声功率的标志。这些幅值随着发出的声功率增大而升高。据此，借助于各个光学的压力传感器18的所确定的频谱或功率密度谱能够在信号处理装置中产生转子叶片的入流模型，在信号处理装置28中由光学的压力传感器18的随时间变化的压力值确定所述频谱或功率密度谱。因此，入流模型对应于在转子叶片108的叶片壁上存在的压力分布的示图。

因此，入流模型例如包括多个功率密度谱，如其在图4和5中示出那样。尤其，为每个传感器记录功率密度谱，使得对于每个时间点能够由每个传感器的功率密度谱形成入流模型。

因此，产生的入流模型可使用在风能设备100的总体调节中，以便尤其通过调整转子叶片和/或发电机力矩最优地设定工作点，以至于风能设备100尽可能有效率地且安静地工作，并且在此机械应力是尽可能小的。