涉及风力涡轮机的改进的制作方法
【专利说明】溃及风力满轮机的改进
【背景技术】
[0001] 现代实用规模的风力满轮机具有包括多个非常长的细长叶片的转子。图1示出了 典型的风力满轮机叶片10,该叶片10在纵向上从相对宽的根端12朝向相对窄的尖端14逐 渐变细。图1中还示出了该叶片的纵向轴线L。叶片的根端12在横截面中为圆形。从该根 部向外，该叶片在横截面中具有翼剖面16。叶片的根部通常经由奖距机构连接于该转子的 轮穀，该奖距机构使得叶片围绕纵向奖距轴线L转动W便改变该叶片的奖距。
[0002] 改变叶片的奖距改变了其迎风角。运用来控制叶片的能量捕获，并且因此控制转 子速度，使得它随着风速变化而保持在运行极限内。在低度风至中度风中，尤其重要的是要 控制叶片的奖距，W便使叶片的能量捕获最大化并且使风力满轮机的生产率最大化。
[0003] 风力满轮机叶片的能量捕获通常从根部朝向尖端增大。由此，叶片10的内侧或根 部部分12倾向于捕获最少的能量，而叶片的外侧或尖端部分14倾向于捕获最多的能量。因 此，对于叶片的外侧的奖距角的精确控制是合乎要求的，W便使满轮机的输出功率最大化。
[0004] 现代风力满轮机叶片其高度通常为50-80米，或者在一些情况下更长，并且通常 由诸如玻璃纤维加强塑料（GFR巧之类的复合材料制成。运些叶片因此是相对柔性的，并且 在操作期间不可避免地在一定程度上弯曲和扭曲。叶片的相对窄的外侧部分尤其容易扭曲 和弯曲。 阳0化]虽然该奖距机构能够精确控制叶片根部的角度，但是运并不必然反映叶片尖端的 角度，而叶片的尖端如上所述更容易受到弯曲和扭曲的影响。本发明提供了一种用于精确 测量叶片尖端的角度的方法和设备，使得在控制策略中可W采用该信息。例如，在奖距控制 策略中可W采用尖端角度的精确测量值，从而能够精确控制叶片的外侧部分的迎角，能够 使叶片的能量捕获最大化。运些测量值可W同样用在叶片载荷计算和控制策略中，用于保 护叶片使其免受极限载荷的影响。
[0006] 如现在将参照图2a和图化作为示例描述的那样，叶片的尖端角度在本文中被定 义为叶片在尖端处的弦线与处于与叶片的纵向轴线L垂直的平面中的参考轴线之间的角 度。该弦线为连接叶片的前缘18和叶片10的后缘20的直线D。
[0007] 图2a和化图示出了风力满轮机叶片10的尖端的处于与纵向轴线L垂直的并且 沿着图1中的线A-A获取的平面中的横截面。在图2a中，叶片10具有第一尖端角度，而在 图化中，叶片10具有第二尖端角度。该尖端角度在图2a和图化中被标记为0。纵向轴 线L垂直于图2a和图化中的页面。L-y平面限定了转子叶片的旋转平面，并且X轴线垂直 于该平面。叶片10围绕转子轴线的旋转方向在图2a和图化中WR表示，运在使该叶片转 过231弧度的角度时，在L-y平面中描绘出圆形。风向在图2a和图化中被表示为W。在 图2a和图化中，风向被图示为垂直于L-y平面，尽管实际上，风相对于L-y平面的方向是 变化的，并且可WW不同的角度入射。在图2a中，叶片尖端角度0被定义为在弦线D平行 于该X轴线并且因此垂直于L-y平面时为0弧度。
[0008] 图化图示了相对于X轴线转过角度0的叶片尖端。
[0009] 在随后对于本发明的讨论中，将运用叶片尖端角度的上述定义。换句话说，该叶片 尖端角度0被相对于垂直于叶片的旋转平面（图2a和化的L-y平面）形成的轴线（图 2a和化的X轴线）限定。但是，将理解的是，该尖端角度可W被相对于另一任意基准定义， 并且使得该定义不应被视为是对本发明的范围进行的不适当的限制。
[0010] 现代风力满轮机是非常高的结构，并且叶片尤其容易受到雷击的影响。因此，大多 数的风力满轮机叶片结合有防雷系统，用于将来自雷击的电能安全地引导至地面。本发明 的目的在于避免在风力满轮机叶片上使用金属部件或电气部件，因为运些会优先于该叶片 上的雷电接收器吸引雷击，运会导致损坏该叶片。
【发明内容】
[0011] 在运个背景下，本发明的第一方面提供了一种在转子的旋转期间确定风力满轮机 转子的叶片的尖端角度的方法。该方法包括下列步骤：
[0012] (a)从该风力满轮机转子的第一叶片朝向该转子的第二叶片发送光信号；
[0013] 化）在该转子的第二叶片处接收该光信号；
[0014] (C)基于接收到的光信号的特性计算第一叶片或第二叶片的尖端角度。
[0015] 光信号的使用能够W高精度水平来确定叶片的尖端角度。
[0016] 步骤（a)可包括从位于第一叶片的尖端附近的发送器发出光信号，从而提高了所 确定的叶片尖端角度的精度。
[0017] 步骤化）可包括在位于第二叶片的尖端附近的接收器处接收该光信号。该配置提 高了所确定的叶片尖端角度的精度。
[0018] 优选地，经由沿着第一叶片纵向地延伸的第一光纤将光从远程设置的光源传送至 发送器。
[0019] 在某些实施例中，经由沿着第二叶片纵向地延伸的第二光纤将接收到的光信号传 送到远程设置的检测器。光源和检测器可W被方便地设置在轮穀中或远离叶片的任何地 方。光纤的使用避免了叶片内的设备导电，运会在不利的天气条件下吸引雷电。
[0020] 在一些实施例中，步骤（a)包括分别从第一发送器和第二发送器发出出基本上相 同的第一光信号和第二光信号，该第一发送器和该第二发送器位于第一叶片的尖端附近， 并且被沿着第一叶片的弦向方向间隔开；并且步骤（C)包括计算第一叶片的尖端角度。在 当前的上下文内，基本上相同的光信号设及相干的并且基本上为单色的光信号。
[0021] 步骤化）可包括在第一接收器和第二接收器处接收发出的光信号，该第一接收器 和该第二接收器位于第二叶片的尖端附近，并且被沿着第二叶片的弦向方向间隔开；并且 步骤（C)包括计算第二叶片的尖端角度。优选地，将接收到的光信号转换成基本上相同的 第一光信号和第二光信号。
[0022] 步骤（C)可包括确定第一光信号与第二光信号之间的光程差，并且使用该光程差 来计算该尖端角度。在第一信号与第二信号之间呈现出的光程差将导致干设信号，通过该 干设信号可W计算叶片尖端角度。
[0023] 步骤（a)可包括将发出的光信号的频率从第一频率连续地改变成第二频率；并且 步骤化）可包括检测当使频率在第一频率与第二频率之间变化时在第一光信号与第二光 信号之间出现的相长和相消干设所引起的闪烁的干设信号。随后，基于在步骤化）中检测 到的干设信号的特性，在步骤（C)中计算该叶片尖端角度。
[0024]步骤（C)可包括统计当使频率从第一频率转变成第二频率时在干设信号中出现 的闪烁的次数，并且基于统计出的闪烁次数计算叶片尖端角度。每次闪烁均与干设信号的 幅度波峰相关联。因此，能够确定与使频率从第一频率改变成第二频率相关联的波周期数 的变化，通过该变化可W确定总光程差。运能够计算出该叶片尖端角度。
[00巧]作为选择，步骤（C)可包括确定干设信号的闪烁频率，并且基于该闪烁频率计算 该叶片尖端角度。
[00%] 在某些实施例中，步骤（a)包括从第一叶片朝向第二叶片发出光谱；步骤化）包括 在第二叶片处接收光谱的一个或多个频率；W及步骤（C)包括基于检测到的光的频率计算 该尖端角度。相应的频率W从第一叶片朝向第二叶片空间移动的方式传播开。优选地，光 处于可见范围中，并且不同的频率为不同颜色的可见光。叶片之间的间隔距离越大，则频率 的空间辨析度越高，运导致了更加精确的测量。运改善了对于不同光谱分量频率和/或颜 色的检测。
[0027] 步骤（a)可还包括通过采用棱镜使得白色光折射来形成光谱。由于白色光的每个 分量均被折射不同的量，因此能够基于检测到的光的颜色来确定该叶片尖端角度，运是因 为运与该尖端角度成比例。
[0028] 在某些实施例中，该方法还包括：从被沿着第一叶片的长度间隔开的多个发送器 发出光；在第二叶片上的一个或多个接收器处接收来自运多个发送器的光；并且基于接收 到的光的特性来确定沿着第一叶片的扭曲和/或载荷。多个间隔开的发送器和/或接收器 的存在能够根据叶片的长度确定叶片的奖距角。由于该奖距角会受到叶片扭曲和/或载荷 的影响，因此运使得叶片的扭曲和/或载荷在它沿着叶片的长度变化时被确定。该特征可 被用于诊断目的，并且用来确保该叶片在最佳载荷条件下操作，从而降低了结构破裂的可 能性。
[0029] 来自每个发送器的光均由同一接收器或不同的接收器接收。
[0030] 优选地，在来自多个发送器的光均由同一接收器接收的情况下，每个发送器均发 出具有不同于由其它发送器发出的频率的独特的频率或独特的频率范围的光；和/或每个 发送器均可W发出具有不同于由其它发送器发出的光的偏振的独特的偏振的光。运提供了 一种用于在由沿着该叶片位于不同长度处的不同发送器发出的光之间进行区分的手段，从 而便于计算在沿着叶片的长度的特定位置处的叶片尖端角度。
[0