具有光纤风力传感器的风力涡轮机部件的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及具有光纤风力传感器的风力涡轮机部件和用于操作传感器的对应方法。
【背景技术】
[0002]当操作风力涡轮机时，为了控制和安全性目的，需要知道入射风速。在常规操作中，例如，获知风速允许涡轮机操作员利用功率曲线来监控产电，以及将风力涡轮机效率反馈给监控和控制程序。
[0003]而且，在强风下，操作风力涡轮机可能不安全且可能需要使得涡轮机停机。替代地，可能期望将风力涡轮机叶片隔开，以使得风溢出且加载在叶片上的相关的风不超过最大安全操作阈值。
[0004]至今，用于确定入射风速的传感器遇到许多劣势。许多传感器依靠通常被定位在风力涡轮机的机舱上的杯形风速计。这些系统通常不给出风速的准确测量，因为它们位于风力涡轮机转子的后方(下风)，并且在转子叶片转动时受到转子叶片的激发影响。
[0005]其他传感器依靠安装在机舱或转子轮毂上且有赖于转子测量遥远场地风速的LIDAR(光检测和搜索)系统。这些系统普遍昂贵且需要定期维护以保持它们无累积的尘埃或冰。如同杯形风速计，LIDAR不提供在风力涡轮机上的局部风速的准确信息，仅提供入射风的更广泛的测量。
[0006]已经提出利用光纤的其他传感器系统用于测量局部风速，S卩，靠近风力涡轮机部件的风速。这些传感器系统设置成如LIDAR系统那样操作，但是在附近场地工作。光从嵌入风力涡轮机部件或风力涡轮机叶片中的光纤输出且从入射风中的颗粒或浮粒反射。反射光能够在风力涡轮机中收集且能够受到处理。这种系统优于遥远场地LIDAR系统的完全复杂性，但是通常也要求复杂的处理以给出可靠的信号。
[0007]因此已经理解的是，期望提供具有操作容易且安装便宜的光纤传感器系统的风力涡轮机部件。
【发明内容】
[0008]现在参考独立权利要求限定本发明。有利的特征在从属权利要求中列出。
[0009]在本发明的第一方面，提供一种风力涡轮机部件，包括:光纤，其具有感应部分，感应部分从风力涡轮机部件表面伸入邻近风力涡轮机部件表面的气流，以使得光纤感应部分由于由气流施加的力而弯曲；光源，其用于将光信号输入光纤的至少一端，光信号具有通过光信号穿过光纤的传递和光纤弯曲的量来改变的光学特征；光检测器，其用于从光纤的感应部分接收光信号；和控制器，其联接到光检测器以从接收的光信号的光学特征确定风速。
[0010]用于检测光纤弯曲的系统有利地提供低成本风速传感器，所述风速传感器不易于吸弓I雷击或累积尘埃或冰。
[0011]在一个实施方式中，光纤感应部分的弯曲被限制到第一轴向方向。这对于来自传感器的测量提供方向敏感性，以简化风速的测量，所述风速在层流流动状况下能够假设为很大程度上是跨过风力涡轮机部件的单向的。
[0012]有利的是，光纤感应部分的弯曲具有由最大值和最小值限定的范围，最小值对应于无风状况或中间值对应于无风状况。因此，传感器能够用于提供方向指示及速度指示。
[0013]感应部分的第一端固定在风力涡轮机部件的表面，且感应部分的第二端在气流中自由移动。光源和光检测器然后可联接到感应部分的第一端，并且感应部分的第二端具有用于在光纤内进行内部反射光的镜面。这允许光纤传感器也用作用于风力涡轮机叶片的失速传感器。
[0014]在一个实施方式中，光学特性是接收的光的强度，并且其中，光纤感应部分的表面具有设置成允许光从光纤离开的一个或多个光损部分，从光纤离开的光量取决于光损部分的弯曲的量。光强度的测量直接实施。而且，已经发现强度测量对于光纤的热膨胀或缩小具有非常低的敏感性。
[0015]光损部分可包括在光纤的覆盖层中的切口，并且还可包括具有进入芯体或覆盖层中的锯齿部的切口。锯齿部或切口增加在光损部分的暴露面积上的弯曲的作用。
[0016]在另一实施方式中，感应部分附连到也伸入气流的弹性支撑部件。弹性支撑部件能够用于将第二光纤安装到风力涡轮机部件上以给出方向性测量，或替代地可以用于提供附加刚性或提供对于单一光纤的支撑。
[0017]光纤感应部分可具有一个或多个光栅，光栅的间距由于感应部分的弯曲而改变。
[0018]光纤可具有两个感应部分，并且光纤原路折回自身，以使得感应部分邻近彼此，并且光纤在两个位置从风力涡轮机部件的表面延伸。
[0019]在本发明的另一方面，提供失速传感器以用于包括以上提及的风力涡轮机部件的风力涡轮机叶片。
[0020]在本发明的另一方面，提供滞留点传感器以用于包括以上提及的风力涡轮机部件的风力涡轮机叶片。
[0021]本发明的另一方面提供对应方法和用于执行所述方法的计算机程序。
【附图说明】
[0022]现在将通过示例且参考附图描述本发明的优选实施方式，在所述附图中:
[0023]图1是用于检测风速的第一光纤传感器构型的示意图；
[0024]图2是穿过图1中示出的光纤的横截面；
[0025]图3是示出从光纤接收的光信号(转换成电压)和光纤的偏转之间的关系的示意图；
[0026]图4是示出用于操作第一光纤传感器构型的设备的图表；
[0027]图5是用于检测风速的第二光纤传感器构型的示意图；
[0028]图6是示出从光纤接收的光信号(基于接收频率)和光纤的偏转之间的关系的示意图；
[0029]图7示出局部风速传感器中的传感器实施方式的使用；
[0030]图8示出差动风速传感器中的传感器实施方式的使用；
[0031]图9和10示出失速传感器中的传感器实施方式的使用；以及
[0032]图11示出滞留点传感器中的传感器实施方式的使用。
【具体实施方式】
[0033]现在将开始参考图1、2和3更加详细地描述本发明的示例性实施方式。这些图示出安装在风力涡轮机部件上的光纤传感器的第一构型，风力涡轮机部件诸如风力涡轮机叶片、轮毂、机舱或塔架。光纤设置成提供具有光学特征的光信号，光学特征取决于光纤弯曲的量而变化。弯曲是光纤被定位在风力涡轮机部件上方风流中的结果，并且受到来自风的力的影响。弯曲因此是局部风速的函数。较慢的风速导致较小的光纤弯曲，且较高的风速导致较大的光纤弯曲。
[0034]本发明的实施方式将由光纤传感器检测的弯曲的量转换成风速的指示。取决于传感器的位置，受测风速可以是跨过风力涡轮机叶片的空气动力表面的局部风速、或整体入射到风力涡轮机机舱上的风的风速。这些传感器参数然后可以在用于控制风力涡轮机的过程或用于指示局部状况或操作策略的反馈数据的过程中使用。
[0035]在以下讨论的更特定的示例中，受测风速是跨过风力涡轮机叶片的空气动力表面的局部风速。这个测量值能够在光纤失速传感器中和在光纤滞留点传感器中用于确定叶片的撞击角度。
[0036]虽然光纤可以安装在风力涡轮机部件上以使得光纤伸入风流，但是光纤也可以安装在布置在风流中的弹性支撑部件上。
[0037]现在参照图1，示出光纤偏转或弯曲传感器10。传感器包括具有芯体12和覆层13的光纤11。光纤在镜面部分14处终止，以使得沿光纤传播的光(沿从光纤的底部到顶部的方向，例如，如图1所示)在内部反射回去(从光纤的顶部到底部)。
[0038]传感器10的光纤11具有使得覆层13更透光的部分。这能够通过从光纤整体或部分地移除覆层实现。这个部分然后形成芯体12暴露的光损部分15，以允许在光纤芯体12中传播的光离开。暴露表面可以是平滑的、或选择性地可以是如图1示出的由脊部或锯齿部16构成的波纹形。已经发现波纹部16增加从光损部分15到芯体12外侧的光损量。
[0039]图2示出穿过光纤11的剖视图，以进一步示意光损部分15。如能够从横截面看见的，光损部分仅存在于光纤的一侧上，虽然在其他实施方式中，另一独立光损部分可以被定位在光纤的周边上(诸如，在例如与第一光损部分角度隔开120度或90度的位置)。光损部分在光纤的仅一侧上的作用是生成传感器轴线21，S卩，光纤位置的变化引起光纤中的光信号的光学特征的较大变化的弯曲方向。
[0040]芯体12和覆层13可选择性地由光吸收材料17覆盖。虽然在图2中，芯体12示出为在光损部分15处整体无覆层13，但是一些覆层可能保留。如果覆层13保留，则从芯体12损失的光量不那么多，但是传感器仍能够操作。
[0041]如在图1中最清楚示出的，光纤传感器10从风力涡轮机部件(诸如风力涡轮机叶片)的表面18延伸一小段距离。以这种方式，随着风移动跨过部件的表面18，风使得光纤传感器取决于风力强度和方向而弯曲或偏转。光纤传感器10优选设置在风力涡轮机部件上，以使得由于风引起的弯曲的方向与传感器轴线21对齐。在例如风力涡轮机叶片上，空气将在层流状况下跨过表面从前边缘流到后边缘。光纤传感器因此放置成使得传感器轴线点平行于穿过叶片的弦线。
[0042]光纤11的从风力涡轮机部件的表面18延伸的部分形成光纤的感应部分。
[0043]现在将更