[发明专利]涉及风力涡轮机的改进

说明书

本发明涉及一种用于在转子的旋转期间确定风力涡轮机转子的叶片的尖端角度的方法及风力涡轮机。该方法包括：(a)从风力涡轮机转子的第一叶片朝向该转子的第二叶片发出光信号；(b)在该转子的第二叶片处接收该光信号；(c)基于接收到的光信号的特性计算该第一叶片或第二叶片的尖端角度。

背景技术

现代实用规模的风力涡轮机具有包括多个非常长的细长叶片的转子。图1示出了典型的风力涡轮机叶片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桨距机构连接于该转子的轮毂，该桨距机构使得叶片围绕纵向桨距轴线L转动以便改变该叶片的桨距。

改变叶片的桨距改变了其迎风角。这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桨距，以便使叶片的能量捕获最大化并且使风力涡轮机的生产率最大化。

风力涡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，对于叶片的外侧的桨距角的精确控制是合乎要求的，以便使涡轮机的输出功率最大化。

现代风力涡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(GFRP)之类的复合材料制成。这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。

虽然该桨距机构能够精确控制叶片根部的角度，但是这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以采用该信息。例如，在桨距控制策略中可以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。这些测量值可以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。

如现在将参照图2a和图2b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。

图2a和2b图示出了风力涡轮机叶片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2b中，叶片10具有第二尖端角度。该尖端角度在图2a和图2b中被标记为θ。纵向轴线L垂直于图2a和图2b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2b中以R表示，这在使该叶片转过2π弧度的角度时，在L-y平面中描绘出圆形。风向在图2a和图2b中被表示为W。在图2a和图2b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，并且可以以不同的角度入射。在图2a中，叶片尖端角度θ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。

图2b图示了相对于x轴线转过角度θ的叶片尖端。

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θ被相对于垂直于叶片的旋转平面(图2a和2b的L-y平面)形成的轴线(图2a和2b的x轴线)限定。但是，将理解的是，该尖端角度可以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。

现代风力涡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，大多数的风力涡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涡轮机叶片上使用金属部件或电气部件，因为这些会优先于该叶片上的雷电接收器吸引雷击，这会导致损坏该叶片。

发明内容