专利名称：确定风速的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及确定风速的方法和装置，所述风作用在风力涡轮机的叶片上。
背景技术：
已知的风力涡轮机的风速测量是以转杯风速表或声波风速计的形式进行，转杯风速表或声波风速计通常安装于风力涡轮机的机舱的后部。由于该安装位置，在风已经通过风力涡轮机的旋转叶片后，才测量风速。 该风速不能用来改变旋转叶片的设置，改变旋转叶片的设置是为了优化并且因此减少作用于旋转叶片上的风载荷或者优化风力涡轮机的输出功率。 现代风力涡轮机具有超过100米的转子直径，该转子直径由旋转叶片限定。在这种涡轮机的转子上的风速变化可能是相当大的。因此，对于这种风力涡轮机，为了成功地优化涡轮机的运转，在风通过旋转叶片之前知道整个转子上的该风的速度甚至更加重要。
所谓的"五孔皮托管"用于风速测量。皮托管位于叶片的前缘，并且所述管位于距离前缘一到两倍弦长的距离处。通常该皮托管具有半球形的头部，头部配备有五个表面孔。这些孔布置成两竖直列，而且以小管连接。在管的端部安装有压力传感器。
这种方法提供了或多或少的精确的风速信息，但是复杂并且昂贵。特别是由于皮托管暴露于盐、灰尘和通常来自大气的污染中，因此它们的风速结果将比在风洞应用中使
用皮托管更受影响，并且可能比期望的更糟。
发明内容
因此本发明的目的是提供测量精确风速的改进的方法和装置。
该目的由权利要求1和权利要求6所述的特征解决。
本发明优选的实施例在从属权利要求中描述。 本发明是基于风速和风向可能在转子区域内显著地改变这一事实。这由测量处的地形和大气状况产生。 本发明涉及确定作用于风力涡轮机的风叶上的风速的方法和装置。 根据本发明，将具有已知频率的光信号从光学发射单元发送至共同测量空间。该
光信号由共同测量空间的大气粒子散射和反射。该光信号也由于多普勒原理而在其频率上
发生转变。频率转变的光信号由接收单元接收。将频率转变的光信号与发送的光信号进行
比较，以基于转变的频率确定风速，该移动的频率由随风移动的大气粒子引起。 根据本发明，在风通过风力涡轮机的叶片之前，测量来风的速度。来风的风速由光
学系统测量，该光学系统是在优选的实施例中所谓的"激光雷达"系统。"光探测和测距，激光雷达"是光学遥感技术，其使用散射光来确定远距离目标的信息。 在本例子中，需要确定的信息是在视线内的空气的速度。可假定，由于散射的大气粒子的非常小的尺寸和重量，因此它们能很好地跟随风的运动。
使用的系统包括光学发射单元(可能是激光单元)，光学发射单元产生和发送光信号。 该光信号由大气粒子散射和反射。由于"多普勒原理"，发射的光信号的频率也变化。该频率变化与视线内的风速成比例。 该系统包括与发射单元结合的光学接收单元。该接收单元接收频率转变的光信号。 由电子单元和计算机分析散射和反射的光信号以确定风速。
在本发明的优选实施例中，激光雷达系统采用激光确定风速。 发射单元和接收单元位于/安装于风力涡轮机的转子叶片处。电子单元和计算机能够安装靠近发射/接收单元或者位于转子轮毂处。 在视线内的风速由给定距离和给定空间上的积分产生，该给定距离限定在视线中，该给定空间围绕光接收单元和光发射单元聚焦的区域。当光接收/发射单元的聚焦距离增加时，这给定距离也增加。 测得的风速与叶片形变的知识结合，与叶片的位置结合，与叶片的节距角和扭转结合，与风的角速度结合，和与转子圆锥度结合，以及与转子倾角结合。 这导致了三维的风向量，该三维的风向量用于调整风力涡轮机的设置，例如叶片节距、每分钟的转子旋转数等。 因此， 一方面可能减少作用在风力涡轮机上/旋转叶片上的风载荷，另一方面通过如上所述的叶片调节而增强风力涡轮机的输出功率。
借助于一些附图更加详细地描述本发明，其中 图1 图5示出了根据本发明，将激光雷达系统的光学接收/发射单元定位在风力涡轮机的叶片上的一些可能。
具体实施例方式
在这些形式中，发射单元和接收单元被结合为发射/接收单元。 在下文中术语"测量空间"涉及光束的体积，光束直径相对于光束长度被假设为是
最小的。 图1示出了激光雷达系统的光学接收/发射单元位于风力涡轮机的叶片BL上的第一种可能。 三个光学接收/发射单元LD1、 LD2、 LD3位于叶片BL的前缘LE的上方和下方，同时叶片BL以横截面视图示出。 该三个光学接收/发射单元LD1、 LD2、 LD3与共同测量空间MV对准。通过由三个光学接收/发射单元LD1到LD3测得的风速的结合，确定相对于由旋转的转子叶片限定的平面的三个风速分向量是可能的。 为了这一确定，使用了关于叶片变形信息、叶片方位角位置、叶片的节距角、叶片的扭转、风的角速度、转子的圆锥度和转子的倾角的知识。 图2示出了激光雷达系统的光学接收/发射单元位于风力涡轮机的叶片BL上的第二种可能。 三个光学接收/发射单元LD1、 LD2、 LD3都位于叶片BL的压力侧PS上，同时叶片BL以横截面视图示出。 如图l所描绘的，该三个光学接收/发射单元与共同测量空间MV对准。 图3示出了光学接收/发射单元位于叶片BL上的第三种可能。 两个光学接收/发射单元LD1和LD2都位于叶片BL的前缘LE处或围绕叶片BL
的前缘LE，同时叶片BL以横截面视图示出。 如图1和图2所描绘的，该两个光学接收/发射单元LDl、 LD2与共同精确(punctual)测量空间MV对准。 图4示出了激光雷达系统的光学接收/发射单元位于叶片BL上的第四种可能。
两个光学接收/发射单元LD1和LD2沿弦放置，弦与转子平面有一定的角度。
第一光学接收/发射单元LD1靠近叶片BL的前缘LE放置，而第二光学接收/发射单元LD2靠近叶片BL的后缘TE放置。
叶片BL以横截面视图示出。 两个光学接收/发射单元LD1、 LD2与共同精确的测量空间MV对准。 在优选的实施例中，光学接收/发射单元LD1、 LD2是由光纤构成的。 图5示出了光学接收/发射单元位于叶片BL上的第五种可能。 仅一个光学接收/发射单元LD1位于叶片BL的吸力侧，而叶片BL以横截面视图示出。 光学接收/发射单元LD1与精确的测量空间MV对准。
在该图中，吸力面在叶片BL的顶部上。 可看到，由图1至图5的附图所呈现的结构表明增加了简单性但降低了信息级另U。
与图1和图2的结构相比较，图3直到图5的结构将影响到来风速的测量精确性。但是，简化的形式更便宜，并且仍然适合于调节风力涡轮机以跟随来风的目的。
最后，对于以上所描述的本发明有一些最终评论 现代"多兆瓦"风力涡轮机旋转慢。因此，如上所述的结构能够在一个或多个叶片上重复。正因如此，通过同时在若干高度进行的测量提高了风信息率。 由于风力涡轮机转子的安全性，优选的结构是光学接收/发射单元位于叶片本
身处，同时激光雷达设备剩下的零件位于风力涡轮机的轮毂处。 在优选的结构中，光纤用于构成光学接收/发射单元的一部分。 在简化的结构中，一个用于确定风速的激光雷达设备与所有的光学接收/发射单
元对准，所述光学接收/发射单元位于单个的风力涡轮机的叶片上。因此，各单元之间具有
一种"复用"。
权利要求
一种确定风速的方法，所述风作用在风力涡轮机的叶片上，其中-从光发射单元向共同测量空间发送具有已知频率的光信号，-所述光信号由共同测量空间中的大气粒子散射和反射，且所述光信号的频率由于多普勒原理而发生转变，-由接收单元接收频率转变的光信号，-将频率转变的光信号与发送的光信号进行比较，以基于转变的频率确定风速，该转变的频率是由随风移动的大气粒子引起的。
2. 根据权利要求l所述的方法，其特征在于具有激光的激光雷达系统用于确定风速。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于-位于所述风力涡轮机的叶片上的所述光发射单元和所述光接收单元与共同测量空间对准，_由视线内的给定距离和由给定空间限定所述共同测量空间，该给定空间围绕所述光接收单元和所述光发射单元聚焦的区域，以及_视线内的风速由依赖所述共同测量空间的积分产生。
4. 根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于用于确定风速的单元位于所述风力涡轮机的轮毂内。
5. 根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于将确定的风速与叶片形变的知识结合，和/或与叶片的位置结合，和/或与叶片的节距角结合，和/或与叶片的扭转结合，和/或与叶片的角风速结合，和/或与转子圆锥度结合，和/或与转子倾角结合，以调整风力涡轮机的设置。
6. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于调整叶片节距和/或每分钟的转子旋转数作为风力涡轮机的设置。
7. —种确定风速的装置，所述风作用在风力涡轮机的风叶上，该装置具有-光发射单元，光发射单元位于叶片上，且光发射单元设计成向共同测量空间发送已知频率的光信号，而发送的光信号被共同测量空间中的大气粒子散射和反射，并且由于多普勒原理所述光信号的频率发生转变，-光接收单元，光接收单元位于叶片上，且光接收单元设计成接收频率转变的信号，-确定单元，确定单元设计成将频率转变的光信号与发送的光信号进行比较，以基于转变的频率确定风速，该转变的频率由随风移动的大气粒子引起。
8. 根据权利要求7所述的装置，其特征在于所述确定单元包括分析光信号和确定所述风速的计算机。
9. 根据权利要求7所述的装置，其特征在于所述确定单元位于所述风力涡轮机的轮毂内。
10. 根据权利要求7所述的装置，其特征在于所述光信号为激光信号。
11. 根据权利要求7所述的装置，其特征在于所述接收单元和所述发射单元作为组合的发射/接收单元安装和使用。
12. 根据权利要求7所述的装置，其特征在于_至少三个光接收/发射单元位于所述叶片的前缘之上和之下，或者_至少三个光接收/发射单元位于所述叶片的压力侧上，或者_至少两个光接收/发射单元位于所述叶片的前缘处或围绕该前缘，或者_至少两个光接收/发射单元沿弦放置，且靠近叶片的前缘和后缘放置，或者_至少一个光接收/发射单元位于所述叶片的吸力侧上。
13. 根据权利要求7所述的装置，其特征在于所述光接收单元和所述光发射单元被聚焦至所述共同测量空间。
14. 根据权利要求7所述的装置，其特征在于所述光接收单元和/或所述光发射单元位于所述风力涡轮机的轮毂处。
15. 根据权利要求7所述的装置，其特征在于所述光发射单元和/或所述光接收单元包括光纤。
全文摘要
本发明涉及确定风速的方法和装置，所述风作用在风力涡轮机的风叶上。根据本发明，从光发射单元向共同测量空间发送具有已知频率的光信号。共同测量空间中的大气粒子散射和反射所述光信号。由于多普勒原理所述光信号的频率发生转变。由接收单元接收频率转变的光信号。将频率转变的光信号与发送的光信号进行比较，以基于转变的频率确定风速，该转变的频率由随风移动的大气粒子引起。
文档编号G01P5/26GK101718799SQ20091017901
公开日2010年6月2日 申请日期2009年10月9日 优先权日2008年10月8日
发明者I·安东尼奥, S·M·佩德森 申请人:西门子公司