[发明专利]设置有光学风速测量系统的风力涡轮机叶片

说明书

技术领域

本发明涉及一种包括许多叶片的风力涡轮机，这些叶片包含至少一个从主轴上的轮毂处基本上径向延伸的第一风力涡轮机叶片，所述主轴具有基本上水平的中心轴，叶片和轮毂一起构成了具有转子平面的转子，并且其能通过风进行旋转，且每个叶片具有最内部分和最外部分，最内部分包括叶片的根部区段，最外部分包括叶片的末梢区段，其中风力涡轮机包括光学测量系统，所述光学测量系统包括诸如激光器的光源、光传输部件、光接收部件以及信号处理器。光源被光学地(optically)耦合到光传输部件。光传输部件包括发射点并且适用于从所述发射点沿着探测方向发射光。光接收部件包括接收点和检测器，其中光接收部件适于在接收点处沿着探测方向从探测区域接收光的反射部分，并且将光的所述反射部分引导至检测器，以便基于所接收的被反射的光从检测器产生信号。信号处理器适于从通过光接收部件产生的信号来确定入流(inflow)的至少一个第一速度分量。本发明还涉及一种操作风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机包括许多叶片，所述叶片包含至少一个从主轴上的轮毂处基本上径向延伸的第一风力涡轮机叶片，所述主轴具有基本上水平的中心轴，叶片和轮毂一起构成了具有转子平面的转子，并且其能通过风进行旋转，且每个叶片具有最内部分和最外部分，最内部分包括叶片的根部区段，最外部分包括叶片的末梢区段。

背景技术

现代风力涡轮机用于产生电力。它们通常具有达到并超过60米的叶片的非常大的结构，并且由诸如壳元件等纤维加固聚合体结构制成。这些风力涡轮机设置有控制器件，控制器件可以防止风力涡轮机和叶片在阵风和高风速时过载。如果风速变得过高，也能将这样的控制器件用于使转子慢下来并使其完全停止。除了这些器件之外，涡轮机可以包括被布置成与风力涡轮机的主轴相连通的制动系统。

控制器件可以由俯仰度控制的(pitch-controlled)叶片形成，这些叶片被安装到轮毂上以使得它们能够围绕着它们的纵向轴转动。叶片由此可以被连续地调整成提供产生所期望动力的升力。在所谓失速控制(stall-controlled)的风力涡轮机中，叶片被固定安装到轮毂上，并且由此未能围绕着它们的纵向轴转动。在这种情形下，叶片的失速特性被用来减少空气升力，并且由此减少动力的输出。

风力涡轮机叶片的长度多年来已经增加，并且如之前所提及的现在可以超过60米。长度上的增加也导致来自强风以及来自风中波动的机械载荷的增加。这些载荷主要由局部入流或湍流中的变化引起。这转而引起风力涡轮机叶片表面上方的压力变化，其最终改变了叶片上的载荷。通常，通过使用被安装在叶片上或被嵌入在该叶片的壳结构中的应变仪来测量载荷。这样的应变仪可以例如是电阻式的或是采用光纤的形式，例如设置有布拉格光栅(Bragg gratings)。然而，一旦对载荷的影响被检测，再要完全补偿载荷变化就已经太晚了。为此，需要预先(即在这些入流变化冲击风力涡轮机叶片之前)得知入流或湍流中的变化。这可以例如通过在叶片前缘处布置皮托管(pitot tube)以便探测风速来获得。然而这样的皮托管影响叶片的流动特征，而且皮托管可用作闪电接收器，由此吸引了潜在地破坏风力涡轮机叶片的雷击。可以将光探测和测距(LIDAR，Light Detection And Ranging)系统用于对风力涡轮机逆风的风速进行非侵入式探测，并且已被提议连同对迎角误差(yaw error)或通过使各个风力涡轮机叶片倾斜而保持转子的旋转速率基本上恒定的补偿一起使用。LIDAR系统通常被提议安装在风力涡轮机的机舱顶部上，并且探测位于风力涡轮机前面几百米处的探测区域中的风速。

US6320272描述了在机舱顶部上设置有LIDAR系统的风力涡轮机。该LIDAR系统被用来预测风力涡轮机逆风的风速并且使叶片倾斜，以便获得基本上恒定的转子旋转速率。

US2006140764公开了一种安装在风力涡轮机的轮毂中的LIDAR系统。该LIDAR具有倾斜于旋转轴的视角方向，从而使得轮毂的旋转确保了在转子前面的扫描。

US2007075546公开了一种设置有LIDAR系统的风力涡轮机，该LIDAR系统用于测量在一部分风力涡轮机叶片前面的风速。该LIDAR被安装在轮毂中或塔的底座处。

然而，由于湍流、塔阴影、风切变、迎角误差、伴流影响以及其它因素，在风力涡轮机长度上的风是非均匀的。这种非均匀性导致沿着叶片的变化的力，其转而导致风力涡轮机上的疲劳载荷和极端载荷。随着风力涡轮机叶片变得越来越长，这些现象甚至变得非常显著。为补偿这样的波动，在转子前面几百米处获得的单个测量是不够的。