专利名称：用于风力涡轮机的独立传感系统的制作方法
技术领域：
本发明大体涉及旋转装置的运行，例如风力涡轮机的运行。更具 体而言，本发明涉及要求对各种参数进行测量的旋转装置的运行。
背景技术：
近来，风力涡轮机作为环境安全和相对便宜的替代能源已获得更 多的关注。随着这种日益增长的兴趣，人们已做了相当大的努力来发 展可靠而有效的风力涡轮机。
通常，风力涡4仑^/L包括具有多个叶片的转子。转子安装在位于桁 架或者管状塔架顶部的外壳或者机艙里。公用级的风力涡轮机(即，设 计用来向公用电网提供电力的风力涡轮机)可具有大的转子(例如，长
度达到30米或更长)。此外，风力涡轮机典型地安装在至少高达60米 的塔架上。接近和/或监控这些大型风力涡轮机是困难和/或昂贵的， 尤其是在海面上的风力涡轮机安装处。当增加风力涡轮机上的叶片长 度时，需要监控附加的参数来调节叶片以实现最大效率和减少叶片组 件的单位重量成本。有关特定运行参数的信息可以增强风力涡轮机的 运行和/或维护。例如，可测量多个方向上的叶片加速度。加速度信息 可以提供关于运行的一些信息，例如叶片产生的噪声。此外，可测量 的其它运行参数包括气动失速、温度、作用力和/或机械偏转。这些参 数可用于监控叶片、增加能量产额、延长叶片寿命。
过去，测量特定的运行参数包括叶片状况和特性， 一直很困难。 随着风力涡轮机尺寸的增加，需要更长的叶片。为了有效监控和调节 叶片，必须在叶片上和/或在叶片内进行测量。
此外，有线的传感器系统具有雷击可沿着导线传播到更敏感系统的缺陷，造成对风力涡轮机和风力涡轮机系统的损害。采用光纤系统 与传感器通信不容易处理而且昂贵。此外，光纤或电线必须从转子延 伸到叶片上。引入这些导线需要滑环并增加了部件成本以及维护费 用。
因此，需要一种测量风力涡轮机叶片参数和传送数据以便能执行 高效控制和监控的装置、方法和系统，该装置、方法和系统能够经受 与风力涡轮机运行相关的条件，并且包括减少或消除雷击时破坏风力 涡轮机内重要设备的风险，以及增加风力涡轮机的产额。
发明内容
本发明的一个方面包括一种用于风力涡轮机的无线传感装置，其 具有能够测量用于风力涡轮机运行的一个或多个参数的传感器。该传 感装置还包括能够将对应于一个或多个测得参数的一个或多个信号 无线传输至控制器的传输装置。独立电源包括在内，用以向传输装置 和传感器提供电力。
本发明的另 一方面包括一种风力涡轮机监控系统。该系统包括构 造成用以运行风力涡轮机的控制器、风力涡轮机构件以及相对于风力 涡轮机构件安排和布置以感测用于风力涡轮机运行的 一个或多个参 数的无线传感装置。该无线传感装置包括能够测量一个或多个参数的 传感器和能够将对应于一个或多个测得参数的一个或多个信号无线 传输至控制器的传输装置。独立电源包括在内，用以向传输装置和传 感器提供电力。
本发明的另 一方面包括一种用于运行风力涡4仑机的方法。该方法 包括提供构造成用以运行风力涡轮机的控制器、风力涡轮机构件，以 及相对于风力涡轮机构件安排和布置以感测用于风力涡轮机运行的 一个或多个参数的无线传感装置。该无线传感装置包括能够测量用于 风力涡轮机运行的一个或多个参数的传感器、传输装置，以及向传输 装置和传感器提供电力的独立电源。该一个或多个参数采用传感器进行测量并传输至控制器。风力涡轮机利用响应该一个或多个参数的控 制器来运行。
本发明的实施例包括一种基于射频的装置、系统和方法，其具有 独立的电源，允许无线传输在风力涡轮机的构件上或其内由传感器所 获得的测量值。独立电源以及无线传输信息的使用允许无线传感装置 提供有关运行参数的信息，同时防止或消除雷击传播到风力涡轮机重 要的控制装置或构件上，尤其是叶片上。
本发明的一个优点在于包括一种很少甚至不需要维护的监控系统。
此外，该系统便宜且可利用无线通信，这允许在风力涡轮机监控 和运行方面的灵活性。
另外，该系统提供了 一种能够在风力涡轮机运行中考虑叶片参数 以提供高效运行的方法。
根据下文对优选实施例更为详细的描述并结合用于示例性解释 本发明原理的附图，本发明的其它特征和优点将变得更好理解。
图1为根据本发明的实施例的风力涡轮机的侧视图。
图2为根据本发明的实施例的机舱的剖视图。
图3为根据本发明的实施例的风力涡轮机的正视图。
图4为根据本发明的实施例的无线传感装置的示意图。
机抢的剖视图。
只要有可能，在所有视图中，相同的参考标号表示相同或相似的 部件。
具体实施例方式
现在参考图1,风力涡轮机100通常包括容纳发电机(图l未示出)的机抢102。机抢102安装在高塔104的顶部，图1仅示出其一部分。 塔架104的高度根据本领域已知的因素和条件进行选择，其高度可达 100米或以上。风力涡轮机100可安装在任何可以通向具有期望风速 条件的地形上。该地形可极大地变化，并且可包括但不限于山脉地形 或海面位置。风力涡轮机IOO还包括转子106，该转子106包括附接 到旋转轮毂IIO上的一个或多个叶片108。虽然示于图l的风力涡轮 机100包括三个叶片108，但是本发明对转子叶片108的数量要求没 有具体的限制。
如图2所示，各种构件容纳在位于风力涡轮机100的塔架104顶 部的才几舱102中。例如，在风力作用下驱动轮毂110的可变叶片倾釗-(pitch)驱动装置114可控制叶片108(图2中未示出)的倾斜。轮毂IIO 可构造成用以接收三个叶片，但其它构造也可为利用任意数量的叶 片。在有些构造中，叶片108的倾斜分别由叶片倾斜驱动装置114单 独控制。轮穀110和叶片108—起构成风力涡轮机转子106。倾斜齿 轮组件115是由叶片倾斜驱动装置114驱动的环形和小齿轮的齿轮布 置，具有与环形组件137接合的圆形小齿轮组件135。环形组件137 为具有多个轮齿的单个齿轮，这些轮齿以大致弧形布置排列并且以允 许调节叶片108的倾斜的方式而连接到叶片108上。小齿轮组件135 的轮齿与环形组件137的轮齿啮合，并且将由倾斜驱动装置114所提 供的旋转运动通过小齿轮组件135转化为环形组件137的旋转运动， 该旋转运动对应于叶片108的倾斜角。倾斜角调节传递到叶片108和 转子106的风力，从而允许控制旋转速度和转矩。
风力涡轮机的传动系包括经由主轴承130连接到轮毂110上的主 转子轴116(也称作"低速轴，，)，并且(在有些构造中)在轴116的另一 端处连接到齿轮箱118上。在有些构造中，齿轮箱118采用双通路几 何结构来驱动封闭的高速轴。在其它的构造中，主转子轴116直接联 接到发电机120上。高速轴(图2中未示出)用于安装在主构架132上 的驱动发电机120。在有些构造中，转子转矩通过联接器122传递。发电机120可以为任何合适的类型，例如但不限于绕线转子感应发电 机或直接驱动7JCf兹发电机。在一个实施例中，变速系统包括具有电力 /转矩性能的风力涡轮发电机，其联接并将生成的电力供给到电网上。
偏航驱动装置124和偏航曱板(deck) 126提供用于风力涡轮机100 的偏航定位系统，使得风力涡轮机旋转到面向风的位置。气象标杆 (boom)128提供用于涡轮机控制系统的信息，包括风向和/或风速。在 有些构造中，偏航系统安装在塔架104顶部的凸缘上。示于图2中的 构造仅仅是示范性的。本发明不限于图2所示的特定构造。例如，本 发明的风力涡轮机IOO可包括发电机120和齿轮箱118的备选结构， 包括直接驱动系统和不使用齿轮箱118的系统。
如图1和图2所示，风力涡轮机100包括多个旋转装置和构件。 由于单个构件的尺寸和可达性是有限的，对运行参数的监控和/或测量
可以利用根据本发明实施例的无线传感装置300来以无线的方式完 成。
图3示出了根据本发明实施例的风力涡轮机系统的正视图。风力 涡轮机100包括多个绕轮穀104旋转的叶片108。无线传感装置300 安装在叶片108上并测量旋转参数。如文中所用，"运行参数"、"参 数"及其相关语法变化，包括可用于运行风力涡轮机和风电场/风电站 管理系统的参数。合适的运行参数包括但不限于加速度、振动、噪声、 温度、压力、应力、偏转及其组合。无线传感装置300可安装于其上 或其中的构架不限于风力涡轮机叶片108，而是可包括任意旋转装置， 包括低速轴116、轮毂104、齿轮箱118的构件、发电机120或任何 其它旋转构件。无线传感装置300将无线信号305传输到控制器303。 控制器303为能够接收无线信号305并响应无线信号305将运行指令 提供给风力涡轮机100的装置。控制器303可为公知与风力涡轮机一 起使用的任何常规的控制装置，并且可包括为了达到运行和控制目的 而有线或无线联接到风力涡轮机IOO上。例如，控制器303可接收来 自于无线传感装置的无线信号305,该无线信号对应于参数，例如超过预定噪声P艮值的噪声。作为响应，控制器303可发出信号或指令给 风力涡轮机本地控制装置，用以调节叶片108的倾斜角、发电机120 处的转矩设置或其它适于减少噪声的运行参数。
如图4所示，无线传感装置300包括为感测和/或传输参数信息而 提供电力的独立电源403。独立电源403为完全独立地电连接外部构 件上的电源。例如，独立电源403可包括机电功率变换器、电池、光 伏电池、其它适合为无线传感装置300供电的电源，以及它们的组合。 本发明的一个实施例包括机电变换器，其具有能够将线性/振动运动转 化为电流的线性动能变换器。在一个实施例中，可用一个或多个电池 作为机电功率变换器的蓄电池和/或后备电源来补充和/或收集由机电 功率变换器所产生的电力。独立电源403与传输装置405电连通。传 输装置405为能够传送或传送和接收无线信号的装置。尽管不局限于 此，但无线信号305可包括能够传送信息的任何电磁能。例如，无线 信号305可包括射频发送器或收发器或红外线发送器或收发器。此外， 无线信号305可包括射频(RF)无线局域网(WLAN),包括公知用于无 线传输的任何无线协议。此外，传感器407也与传输装置405通信， 其中传感器407为能够感测或测量一个或多个运行参数的装置。例如， 传感器407可测量加速度、振动、噪声、温度、压力、应力、偏转以 及它们的组合。合适传感器407的示例包括但不限于压电传感器、加 速度计、温度计、热电偶、热敏电阻、光传感器、麦克风、电位计/ 电阻器、应变仪、压力传感器或适于测量诸如加速度、振动、噪声、 温度、偏转和应力的参数的任何其它传感器。例如，无线传感装置300 可为单式构件，例如安装在印制电路板上的单个组件，或者可以是线 连接或软焊在一起的单个构件。
图5包括机抢102内的布置，与图2中所示和描述的布置大体相 似。然而，如图5所示，无线传感装置300设置在低速轴116上。无 线传感装置300可构造成用以测量轴116上的作用力和/或偏转。无线 传感装置300安装在旋转轴116上允许在不需要有线通信连接或有线功率连接的情况下监控低速轴116的情况。此外，轴116的旋转允许
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尽管上文关于安装在叶片108和低速轴116上的无线传感装置进 行了描述，但是无线传感装置300可安装在风力涡轮机100内的任何 其它构件上，该构件经受运动并且需要进行构件监控或监控构件所处 的环境条件。具体而言，对于难以维护的构件如大型构件、接近受限 的构件，或者布线困难或不可能布线的运动构件，特别适合使用无线 传感装置300。
尽管本发明参考优选实施例进行了描述，但本领域技术人员将会 理解，在不脱离本发明范围的情况下可作出各种修改或者可用等同物 来代替其元件。此外，在不脱离本发明本质范围的情况下，可作出许 多改动以使特定的情形或材料适于本发明的教导内容。因此，本发明 不限于作为构思成用于实施本发明的最佳模式所披露的特定实施例， 而是本发明包括落入附属权利要求范围内的所有实施例。
权利要求
1. 一种用于风力涡轮机(100)的无线传感装置(300)，包括能够测量用于风力涡轮机运行的一个或多个参数的传感器(407)；能够将对应于所述一个或多个参数的一个或多个信号(305)无线传输到控制器(303)的传输装置(405)；以及用于向所述传输装置(405)和所述传感器(407)提供电力的独立电源(403)。
2. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述无线传感装置 (300)容纳在至少一个风力涡轮机叶片(108)内。
3. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述传感器(407) 选自压电传感器、加速度计、温度计、热电偶、热敏电阻、光传感器、 麦克风、电位计/电阻器、应变仪、压力传感器以及它们的组合所组成 的组。
4. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述传输装置(405) 为射频发送器或收发器。
5. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述独立电源(403) 包括机电变换器。
6，根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述独立电源(403) 包括选自机电变换器、电池以及它们的组合所组成的组的电源。
7. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述一个或多个参 数包括选自加速度、振动、噪声、温度、压力、应力、偏转以及它们 的组合所组成的组的参数。
8. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括气 象标杆(128),所述气象标杆(128)构造成用以提供选自由风向、风速以 及它们的组合所组成的组的信息。
9. 才艮据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述装置还包括构造成用以响应由所述气象标杆(128)提供的信息来调节所述风力涡轮机的偏航驱动装置(124)和偏航曱板(126)。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于 所述无线传感装置容纳在至少一个风力涡轮机叶片(108)内， 其中，所述传感器(407)选自压电传感器、加速度计、溫度计、热电偶、热敏电阻、光传感器、麦克风、电位计/电阻器、应变仪、压力传感器以及它们的组合所组成的组，其中，所述传输装置(405)为射频发送器或收发器，其中，所述独立电源(403)包括选自机电变换器、电池以及它们的组合所纟且成的组的电源，以及其中，所述一个或多个参数包括选自加速度、振动、噪声、温度、压力、应力、偏转以及它们的组合所组成的组的参数。
全文摘要
本发明涉及用于风力涡轮机的独立传感系统。具体而言，一种用于风力涡轮机(100)的无线传感装置(300)，其具有能够测量用于风力涡轮机运行的一个或多个参数的传感器(407)。传感器(407)还包括能够将对应于该一个或多个测得参数的一个或多个信号(305)无线传输到控制器(303)的传输装置(405)。独立电源(403)包括在内，用以向传输装置(405)和传感器(407)提供电力。本发明还公开了一种操作和监控风力涡轮机运行的方法和系统。
文档编号G01M15/00GK101545828SQ20091012881
公开日2009年9月30日 申请日期2009年3月10日 优先权日2008年3月10日
发明者D·门克 申请人:通用电气公司