专利名称：组合式环境监测和电力供应设备的制作方法
技术领域：
本公开通常涉及适于检测环境条件的环境监测装置。具体而言，本公开涉及适于
测量风力涡轮机附近的风力条件的环境监测装置，该风力涡轮机适于将风能，即自然能转 换成电能。
背景技术：
风力涡轮机用于将风能转换成电输出能，其中，风力涡轮机包括塔架、机械外罩以 及具有多个转子叶片和一个轮毂的转子(rotor)，并能够根据到来的风向进行调整。被布置 在塔架的顶部上的机械外罩可绕着诸如塔架轴线的垂直轴线旋转。 为了使机械外罩绕着塔架轴线旋转，向相对于到来的风向而旋转机械外罩的致动 器(actuator)提供能量。在电网故障的情况下，例如，在只能提供很少外部能量或不能提 供外界能量的情况下，机械外罩的这种主动调整是不可能的。由于电网故障，导致不能提供 电能。因此不可能向到来的风向偏转，无法引导风力涡轮机的轮毂朝向到来的风。
发明内容
有鉴于此，提供了一种适于检测至少一种环境条件的环境监测装置，该环境监测 装置包括适于将所检测的环境条件转换成电检测信号的传感器设备(transducer device) 和适于将环境所提供的能量转换成电输出能的转换器设备(converter device)，其中，传 感器设备和转换器设备形成为联合单元(associated unit)。 根据另一方面，提供了一种风力涡轮机，其包括塔架、机械外罩以及转子，该转子 具有多个转子叶片和一个轮毂，所述风力涡轮机还包括适于检测环境条件的至少一个环境 监测装置，该环境监测装置具有适于将所检测的环境条件转换成电检测信号的传感器设备 和适于将环境所提供的能量转换成电输出能的转换器设备，其中，传感器设备和转换器设 备形成为联合单元。 根据又一方面，提供了用于测量风速矢量(风速和风向的量级)的风速感测器 设备(wind speed sensor device)，所述风速传感器设备包括风速计装置(anemometer means)和用于分析风速计输出信号的信号处理装置，所述风速感测器设备还包括适于将风 力所提供的机械能(mechanical energy)转换成电能的装置，其中，为电气设备提供电能以 作为辅助电力供应。 根据又一方面，提供一种包括塔架、机械外罩以及转子的风力涡轮机，该转子具有 多个转子叶片和一个轮毂，所述风力涡轮机还包括至少一个风速感测器设备，该风速感测 器设备具有风速计装置和适于分析风速计输出信号的信号处理装置，其中，该至少一个风 速感测器设备包括适于向风力涡轮机的电气设备供应辅助电力的辅助电力发电机，其中，
该风速计装置适于驱动辅助电力发电机。 根据又一方面，提供一种用于测量风力涡轮机的环境条件的方法，该风力涡轮机 包括塔架、机械外罩以及转子，该转子具有多个转子叶片和一个轮毂，所述方法还包括步骤通过传感器设备来检测风力涡轮机的环境条件，通过转换器设备来向风力涡轮机的电 气设备供应辅助电力，其中，传感器设备和转换器设备形成为联合单元。
在包括对附图的参照的说明书的剩余部分中，向本领域的普通技术人员更具体地
阐明了本发明的全面且允许的公开，包括其最佳模式。 图1图示了风力涡轮机的示意构成； 图2是图1所示的风力涡轮机的顶视图； 图3是图1所示的风力涡轮机的截面图，其中，在机械外罩上布置有联合的传感器 /转换器设备； 图4图示了包括相关输入和输出信号的联合的传感器/转换器设备的方框图； 图5是根据一个典型实施例的具有安装在机械外罩的顶部上的第一和第二传感 器/转换器设备的风力涡轮机的截面顶视图； 图6是根据另一个典型实施例的具有第一和第二传感器/转换器设备的风力涡轮 机的截面顶视图；以及 图7是图示了根据另一个典型实施例的用于测量风力涡轮机的环境条件的方法 的图。 符号说明 100:风力涡轮机 101 :转子叶片 102 :塔架 103 :机械外罩 104 :轮毂 105 :风向 106 :偏转角 107 :塔架轴线 108 :转子轴线 109 :传动箱 200 :联合的传感器/转换器设备 201 :第一传感器/转换器设备 202 :第二传感器/转换器设备 301 :环境条件 302 :电检测信号 303 :环境能 304:输出能 305:已处理的检测信号 401 :传感器设备 402 :转换器设备 403 :处理器单元
4CN 101726762 A
说明书
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具体实施例方式
现在将详细地参照各种示范性的实施例，附图中图示了其中一个或者多个示例。 各个示例以说明的方式提供而不作为限定。例如，作为一个实施例部分而图示或描述的特 征可以被继续使用或接合其他实施例以产生又一个实施例。本公开将包括这类修改和变 型。 下面将解释许多实施例。在此情况下，相同的结构特征由附图中的相同的参考符 号标记。附图中所显示的结构没有被真实地按比例描述而仅用于更好地理解实施例。
图1是具有塔架102、机械外罩103以及转子的风力涡轮机100的构成的说明性的 方框图，其中，转子具有多个转子叶片101和一个轮毂104。 机械外罩103适于绕塔架轴线107旋转预定的量，例如，偏转角106。机械外罩103 还包括传动箱109(gear box)，该传动箱109用于将转子的主轴连接至适于供应电输出能 的发电机。 为了提高能量转换效率，可以相对于到来的风向105而调整转子轴线108。具体而
言，可以调整转子轴线108以指向到来的风向105，如图2中更清楚地所示。 图2是图1所示的风力涡轮机100的顶视图。如图2所示，调整风力涡轮机的外
罩103朝向到来的风向105，例如，使得转子轴线108的方向与到来的风的方向105 —致。
如上所述，机械外罩103可以绕塔架轴线107偏转，以实现图2所示的情况。这种偏转消耗
由电网或者辅助能源提供的电能。 这里应注意，在电网损耗(grid loss)的情况下需要调整外罩103以承受可能的 风暴。由于当风从正面来时风暴负荷较小，因此在风暴期间引导该外罩朝向到来的风。
图3是图1所示的风力涡轮机100的截面侧视图。具有转子叶片101、轮毂104的 转子绕转子轴线108旋转。在机械外罩103的顶部布置有联合的传感器/转换器设备200。 联合的传感器/转换器设备200本身可以是尺寸比风力涡轮机100小的风力涡轮机。
这里应注意，术语"联合"也包括"集成"的含义。此外，"集成"意味着本领域中已 知的任何布置，以减少成本，或增加电力输出，或规划构件间的效率，而不一定意味着机械 地联接，尽管机械连接是一个典型实施例且可以包含次优选的配置两个构件彼此隔开预 定的距离，但在彼此非机械联接或电联接时共享构件，或者连接点、数据或其它集成关系。 "集成"可以包含这样的配置传感器具有壳体(housing)，转换器具有第二壳体，且构件简 单地共享更大的壳体，或者共享连接点，或者集成以简单地共享数据。次优选地，构件可以 简单地布置以相对于彼此共享至少一个功能或空间的关系。 具体而言，该联合的传感器/转换器设备可以用于提供电输出能，该电输出能用 于对蓄电器单元(accumulator unit)(电池系统，储能系统)进行充电，该蓄电器单元然后 在电网故障的情况下能够提供充足的电力以使机械外罩103绕塔架轴线107偏转。此外， 该联合的传感器/转换器设备可以被用作适于检测该风力涡轮机的环境条件的环境监测装置。 联合的传感器/转换器设备200可以布置成相对于机械外罩103可绕大致垂直的 轴线旋转，从而引导联合的传感器/转换器设备200朝向到来的风向。可以通过安装在联 合的传感器/转换器设备200上的太阳能电池(solar cell)来供应这种旋转所需要的能
5量。此外，联合的传感器/转换器设备200可以是自对准的。联合的传感器/转换器设备 200可以是风速计装置。 图4是显示了被用作感测器和能量转换器的联合的传感器/转换器设备的方框 图。联合的传感器/转换器设备200包括传感器设备401和转换器设备402。传感器设备 401适于检测环境条件301和提供取决于所检测的环境条件301的电检测信号302。
由联合的传感器/转换器设备200的传感器设备401输出的电检测信号302被 供给至处理器单元403，该处理器单元403适于处理电检测信号302以提供处理检测信号 305。该处理检测信号305可以用于测量图1所示的风力涡轮机100的环境条件，例如风向、 风速或诸如光强的其它环境条件。可以从随时间解析的风速测量得到风的湍流强度。
根据一个典型实施例，联合的传感器/转换器设备包括转换器设备402，该转换器 设备402将由风力涡轮机100的环境提供的环境能303转换成电输出能304。输入到联合 的传感器/转换器设备200的转换器设备402的环境能303可以是风能(即机械能)或光 能(光强)。由联合的传感器/转换器设备的转换器设备402输出的输出能304可以被用 作能量以提供机械外罩103绕塔架轴线107的偏转。 此外，能够(虽然在图4中未显示)提供储能元件即电池，以储存由转换器设备 402提供的能量。此外，输出能304可以作为用于风力涡轮机100的电气设备的辅助电力供 应。电输出能304可以用于例如加热风力涡轮机的转子的转子叶片101以防止结冰。
根据图3和图4所示的典型实施例，联合的传感器/转换器设备被设计成组合单 元，其中，包括用于环境感测的传感器设备和用于能量转换的转换器设备。
在图3所示的典型实施例中，这些环境条件可以包括风速、风向和/或风的湍流。
这里应注意，联合的传感器/转换器设备不限于用于测量风力条件的传感器设 备。除风力条件的测量之外，还能够监测光强，其中，传感器设备是光强感测器，转换器设备 是太阳能电池。 在图3所示的典型实施例中，联合的传感器/转换器设备包括风速和风向感测器， 转换器设备包括发电机。 此外，该风速和风向感测器适于检测风的湍流。 据估计，对典型的风力涡轮机100来说，使风力涡轮机100的外罩103向到来的风 向105偏转所需要的偏转电力是6kW，峰值为llkW。 该电力的量可以由使用辅助电力供应而被长时间充电的蓄电器单元或电池系统 提供。在偏转期间，储存的能量在相对短的时间内被消耗。 图5是风力涡轮机100的顶视图，其中，两个传感器/转换器设备被布置在机械外 罩103的顶部。第一传感器/转换器设备201被布置成使其轴线平行于转子轴线108。第 二传感器/转换器设备202被布置在机械外罩的顶部，其中，第二传感器/转换器设备202 的轴线被布置成大致与转子轴线108正交。因此，即使机械外罩103没有被精确地向到来 的风向105引导，也能够将风能转换成电能。该两个传感器/转换器设备201、202的布置 使得该两个传感器/转换器设备201 、202中的至少一个被大致向到来的风向引导。
此外，即使环境条件变化得很快，也可以测量诸如风向和风的湍流等的环境条件。
图6是图1所示的风力涡轮机100的顶视图，其中，根据另一个典型实施例，第一 和第二联合的传感器/转换器设备201和202分别被布置在机械外罩103的顶部。
第一和第二传感器/转换器设备201和202被布置成使它们的轴线彼此大致正 交且相对于转子轴线108成约45。的角度。因此，可以测量不同的风向，并且，即使到来的 风向105与转子轴线108不一致，也可以将风能转换成电能。该两个传感器/转换器设备 201、202的布置使得该两个传感器/转换器设备201、202中的至少一个被大致向到来的风 向引导。因此，可能的是，根据图5和图6所示的典型实施例，即使到来的风向改变，也可以 转换风能。 这里应注意，多于两个的联合的传感器/转换器设备200、201、202可以被布置在 风力涡轮机100。此外，可能的是，除了将至少一个联合的传感器/转换器设备200布置在 机械外罩的顶部之外，还可以将至少一个联合的传感器/转换器设备200直接布置在塔架 102上。在此情况下，至少一个联合的传感器/转换器设备不与机械外罩一起绕水平塔架轴 线107旋转。 传感器设备401和转换器设备402形成为联合单元。此外，传感器设备401，转换 器设备402以及处理器单元403可以形成为联合单元。至少两个传感器/转换器设备201、 202被布置在机械外罩上，且其检测轴线定向成彼此大致正交。 假如将图4中描述的传感器设备401设计成风速和风向感测器，那么，该感测器可 以适于检测风的湍流。 用于测量风速矢量的风速感测器设备可以包括风速计装置和用于分析风速计输 出信号的信号处理装置。风速感测器设备还可以包括用于将风力所提供的机械能转换成电 能的装置，其中，电能作为辅助电力供应而被提供给电气设备。 风力涡轮机100可以至少包括风速计装置和用于分析风速计输出信号的信号处
理装置。 图7是图示了根据另一个典型实施例的用于测量风力涡轮机的环境条件的方法 的图。 风力涡轮机包括塔架、机械外罩以及转子，该转子具有多个转子叶片和一个轮毂， 用于测量风力涡轮机的环境条件的方法包括步骤通过传感器设备来检测风力涡轮机的环 境条件，并通过转换器设备来向风力涡轮机的电气设备供应辅助电力，其中，传感器设备和 转换器设备形成为联合单元。 可以独立地进行检测风力涡轮机100的环境条件的步骤和向风力涡轮机100的电 气设备供应辅助电力的步骤。除此之外，还可以以交叉的方式进行检测风力涡轮机的环境 条件的步骤和向风力涡轮机的电气设备供应辅助电力的步骤。 此外，可以同时进行检测风力涡轮机100的环境条件的步骤和向风力涡轮机的电 气设备供应辅助电力的步骤。 作为一个示例，辅助电力可以用于偏转和/或倾斜风力涡轮机的转子叶片。
可以在不同模式下进行偏转，这些模式包括不同的偏转速度、针对最大允许电缆 扭转(cable twist)和最大允许偏转误差(misalignment)的不同设定中的至少一个。可 以基于诸如以前和目前的风速、蓄电器能级、偏转误差、电网可用性等各种输入来选择这些 模式。 根据附图中显示的实施例描述了本发明，且从这些实施例显出了进一步的优点和 修改。然而，本发明不限于具体术语中描述的实施例，反而可以以适当的方式进行修改和变型。以适当的方式将一个实施例的个别特征和组合特征与另一个实施例的特征和组合特征 进行组合以得到进一步的实施例是属于本发明的范围内的。基于本文中的教导，本领域的 技术人员将清楚在不脱离所公开的本发明及其更广泛的方面的情况下，可以进行变化和修 改。即，本文中所阐明的所有的示例旨在示范和非限制。
权利要求
一种环境监测装置，适于检测至少一种环境条件，包括传感器设备(401)，适于将所检测的环境条件转换成电检测信号(302)；以及转换器设备(402)，适于将所述环境所提供的能量转换成电输出能，其中，所述传感器设备(401)和所述转换器设备(402)形成为联合单元(200)。
2. 根据权利要求l所述的环境监测装置，其特征在于，所述传感器设备(401)是风速和 风向感测器，所述转换器设备(402)是发电机。
3. 根据权利要求2所述的环境监测装置，其特征在于，所述风速和风向感测器适于检 测随时间变化的风速以得到风的湍流。
4. 根据权利要求l所述的环境监测装置，其特征在于，所述传感器设备(401)是光强感 测器，所述转换器设备(402)是太阳能电池。
5. 根据权利要求l所述的环境监测装置，其特征在于，提供处理器单元(403)，以处理 所述电检测信号(302)。
6. —种风力涡轮机，包括根据上述权利要求中任一项所述的至少一个环境监测装置，其中，两个传感器/转换 器设备(201,202)被布置在所述风力涡轮机(100)的机械外罩(103)上，且它们的检测轴 线定向成彼此大致正交。
7. 一种风力涡轮机(100)，包括:至少一个风速感测器设备，包括风速计装置和适于分析风速计输出信号的信号处理装 置，其中，所述至少一个风速感测器设备包括适于向所述风力涡轮机的电气设备供应辅助电力 的辅助电力发电机，其中，所述风速计装置适于驱动所述辅助电力发电机。
8. 根据权利要求7所述的风力涡轮机，其特征在于，两个传感器/转换器设备(201， 202)被布置在所述风力涡轮机(100)的机械外罩(103)上，且它们的检测轴线定向成彼此 大致正交。
9. 根据权利要求8所述的风力涡轮机，其特征在于，至少一个传感器/转换器设备适于 可绕大致垂直的轴线旋转，以引导所述风速计装置朝向所述到来的风向，其中，通过安装在 所述风速计装置上的太阳能电池来供应所述旋转所需要的能量。
10. —种用于测量风力涡轮机的环境条件的方法，包括 通过传感器设备来检测所述风力涡轮机的环境条件，以及 通过转换器设备来向所述风力涡轮机的电气设备供应辅助电力，其中， 所述传感器设备和所述转换器设备形成为联合单元。
全文摘要
本发明涉及一种包括塔架、机械外罩以及转子的风力涡轮机，该转子具有多个转子叶片和一个轮毂。此外，风力涡轮机包括至少一个风速感测器设备，该风速感测器设备具有用于检测至少一种环境条件的至少一个环境监测装置，该环境监测装置包括用于将所检测的环境条件转换成电信号的传感器设备和用于将环境所提供的能量转换成电输出能的转换器设备。传感器设备和转换器设备形成为联合单元。
文档编号G01W1/00GK101726762SQ20091017948
公开日2010年6月9日 申请日期2009年10月9日 优先权日2008年10月10日
发明者J·J·涅斯, L·G·A·克伯尔 申请人:通用电气公司