[发明专利]风力涡轮机光学风力传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种风能动力装置，并且尤其涉及一种风力涡轮机光学风力传感器。

背景技术

图1显示了一种风能动力装置，例如风力涡轮机1。风力涡轮机1包括风力涡轮机塔架2，风力涡轮机机舱3被安装在该塔架2上。包括至少一个风力涡轮机叶片5的风力涡轮机转子4被安装在机毂6上。机毂6通过从机舱前方伸出的低速轴（未示出）而连接到机舱3。图1中所示的风力涡轮机可以是用于家用或者轻型用途的小型风力涡轮机；或者可以是大型风力涡轮机、例如适合于在风电厂上的大规模发电装置中使用的风力涡轮机。在后一种情形下，转子的直径可以达到100米或者更大。

为了安全及有效地从风中获取能量，许多风力涡轮机都包括提供有关入射风速及风向信息的风力计或者风力传感器。这种信息能够用于监测现场可用于能量产生用途的风力大小。知晓风向允许风力涡轮机机舱的偏航进行调节，从而使得转子叶片在能量产生期间完全地面向着入射风。此外，知晓风速允许转子叶片的桨距进行调节，从而使得从入射风中获取的能量大小能够被仔细地控制，从而达到要求以及满足其它运行参数。通常需要使风力涡轮机转子叶片的平面角度转到风之外、或者调节转子叶片的桨距从而使风漏过，从而避免由于风速过高而带来的结构问题或者电力过载。

关于风速和风向的准确信息在风力涡轮机控制及监测系统（例如SCADA系统）中是至关重要的输入。

风力涡轮机风力传感器进行配置的操作环境是严酷的并且通常是许多传感器操作难题的主要成因。机械式风力计的移动部件上灰尘和冰的堆积使其容易损坏。尽管基于电子或者激光的风力传感器（例如基于LIDAR激光雷达的传感器）装置更加能够抵抗灰尘和冰，但是它们更容易在频繁困扰风力涡轮机的雷击中受到损坏，原因是它们在暴雨地点的高度和位置。

避雷针的应用提供了一种将雷击能量转移离开敏感设备的方法。然而，避雷针无法总是充分地保护传感器设备，这是由于所包含的金属部件（例如布线和电路）同样会受到放电以及感应电流的损坏。

由此期望提供一种具有传感器的风能动力装置，该传感器能够准确地提供有关入射风的信息，以用于控制和监测目的，并且尽管遇到上面所述的挑战仍然能够可靠地运行。

发明内容

本发明在下面介绍的独立权利要求中进行限定。有利的特征在从属权利要求中提出。

在第一方面，提供一种风力涡轮机光学风力传感器装置。该风力涡轮机光学风力传感器装置包括：第一光源，其中第一光源被设置成发射出多个光束作为第一传感器光束，该第一传感器光束包括两个或更多个单个光束，以及其中每个单个光束与传感器光束中的至少一个其它单个光束相比具有不同的频率特性；连接到光学传感器用于探测光闪现的第一光接收装置，所述光闪现是由于风中携带物质经过单个光束并且将光向着光接收装置反射所导致的；聚焦装置，用于将多个光束中的单个光束聚焦到第一光接收装置附近的相应焦点，使得单个光束的焦点彼此相邻；以及连接到光学传感器的控制器，用于处理由光学传感器探测到的光闪现，从而确定出所述物质以及携带物质的风的运动的速度和/或方向。

多个光束包括具有不同频率特性的单个光束。这允许控制器从反射光的频率特性确定出光束触发的次序，以及由此确定出风吹动的方向。

优选地，风力涡轮机光学风力传感器装置包括：至少第二光源，其设置成发出多个光束作为至少第二传感器光束，该多个光束包括两个或更多个单个光束，以及其中每个单个光束与至少第二传感器光束中的至少一个其它单个光束相比具有不同的频率特性；聚焦装置，用于将至少第二多个光束中的单个光束聚焦到第一或者至少第二光接收装置附近的相应焦点，使得单个光束的焦点彼此邻近；以及其中第一光源和至少第二光源被设置使得每个多个光束都提供传感器光束，该传感器光束在与其它传感器光束至少部分正交的方向上定向。

通过设置至少部分彼此正交的多个传感器光束，任意风向上的风吹动方向都能够被计算出来。

在一个实施例中，所述风力传感器包括3个光源，所述光源发射出相应的传感器光束，以限定相对彼此成相等角度间隔定向的3个相应传感器轴线。在替换性实施例中，所述风力传感器包括5个光源，所述光源发射出相应的传感器光束，以限定相对彼此成相等角度间隔定向的5个相应传感器轴线。5个传感器轴线允许风向的精确测量而不论其角度如何，沿着两个传感器轴线的测量被用于检验测量结果。仅仅具有3个传感器轴线的实施例获得了类似的测量结果，但是不能够进行交叉检验以及设备成本更低。

在一个实施例中，传感器光束被设置成交叉的，以及风力涡轮机光学风力传感器装置包括在光束交叉点的单个光探测装置。