風(fēng)力渦輪機(jī)光學(xué)風(fēng)傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明包括一種風(fēng)力渦輪機(jī)光學(xué)風(fēng)傳感器10，安裝在風(fēng)力渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子4上，或者在葉片5上或者在輪轂5上。所述傳感器包括多個(gè)光源，每一個(gè)都產(chǎn)生由至少兩個(gè)單獨(dú)的平行分量傳感器光束組成的對(duì)應(yīng)傳感器光束。將風(fēng)中攜帶的進(jìn)入至少兩個(gè)分量傳感器光束中的顆粒物質(zhì)的通過(guò)時(shí)間用于提供風(fēng)速和/或垂直風(fēng)速分量的指示中的一個(gè)或多個(gè)。從傳感器接收的數(shù)據(jù)可以用于風(fēng)力渦輪機(jī)的操作的控制過(guò)程中，特別是用于在例如檢測(cè)到垂直陣風(fēng)的不利風(fēng)條件下暫時(shí)俯仰轉(zhuǎn)子葉片。
【專利說(shuō)明】風(fēng)力渦輪機(jī)光學(xué)風(fēng)傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及風(fēng)能發(fā)電廠，具體地，涉及風(fēng)力渦輪機(jī)光學(xué)風(fēng)傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]圖1示出諸如風(fēng)力渦輪機(jī)I的風(fēng)能發(fā)電廠。風(fēng)力渦輪機(jī)I包括風(fēng)力渦輪機(jī)塔2，在其上安裝風(fēng)力渦輪機(jī)機(jī)艙3。包括至少一個(gè)風(fēng)力渦輪葉片5的風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)子4安裝在輪轂6上。輪轂6通過(guò)從機(jī)艙前面延伸的低速軸(未示出)連接到機(jī)艙3。圖1中示出的風(fēng)力渦輪機(jī)可以是意圖用于家庭或輕型用途的小型模型，或者可以是大型模型，諸如適合于在例如風(fēng)力電場(chǎng)上大規(guī)模發(fā)電中使用的那些。在后一情況下，轉(zhuǎn)子的直徑可以達(dá)到100米或以上。
[0003]為了安全且有效地從風(fēng)中提取能量，許多風(fēng)力渦輪機(jī)包括風(fēng)速計(jì)或風(fēng)傳感器，其提供與入射風(fēng)速和方向有關(guān)的信息。這種信息對(duì)于監(jiān)控在現(xiàn)場(chǎng)可獲得的風(fēng)量以用于產(chǎn)能目的以及控制都是有用的。獲知風(fēng)向可實(shí)現(xiàn)風(fēng)力渦輪機(jī)機(jī)艙的偏轉(zhuǎn)角的調(diào)整，以使得轉(zhuǎn)子葉片在產(chǎn)能的時(shí)間過(guò)程中完全面對(duì)入射風(fēng)。此外，獲知風(fēng)速可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子葉片的俯仰(pitch)的調(diào)整，以便可以仔細(xì)控制從入射風(fēng)中提取的能量的量，以滿足需要并滿足其它運(yùn)行參數(shù)。例如常常有必要使得風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的平面與風(fēng)成角度，或者調(diào)整轉(zhuǎn)子葉片的俯仰以漏過(guò)風(fēng)，以避免與風(fēng)速過(guò)高相關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)問(wèn)題或電氣過(guò)載。
[0004]因此，與風(fēng)速和風(fēng)向有關(guān)的準(zhǔn)確信息是諸如SCADA系統(tǒng)的風(fēng)力渦輪機(jī)控制和監(jiān)控系統(tǒng)中至關(guān)重要的輸入。
[0005]風(fēng)力渦輪機(jī)風(fēng)傳感器部署于其中的運(yùn)行環(huán)境會(huì)是嚴(yán)酷的，常常是許多傳感器操作困難的主要原因。例如，機(jī)械風(fēng)速計(jì)隨著在其運(yùn)動(dòng)部件上的灰塵和冰的積聚而易于出現(xiàn)故障。而諸如基于LIDAR (光探測(cè)及測(cè)距)裝置的那些基于電或激光的風(fēng)傳感器更能夠經(jīng)受灰塵和冰，它們更易于受到雷擊的損害，風(fēng)力渦輪機(jī)由于其高度和位置而經(jīng)常受到雷擊的困擾。基于LIDAR的系統(tǒng)在安裝上也相對(duì)昂貴。
[0006]使用避雷器提供了將來(lái)自雷擊的能量從靈敏設(shè)備引出的一個(gè)方式。然而，避雷器并非總是適合于保護(hù)傳感器設(shè)備，由于包括諸如配線和電路的金屬部件，傳感器設(shè)備同樣受到放電和感應(yīng)電流的損害。
[0007]另外，許多風(fēng)力渦輪機(jī)都是在假定與風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片相遇的風(fēng)在轉(zhuǎn)子正面上并在垂直于轉(zhuǎn)子葉片的旋轉(zhuǎn)平面(轉(zhuǎn)子平面)的方向上接近的情況下運(yùn)行的。然而實(shí)際上，由于陣風(fēng)，風(fēng)常常在垂直方向上具有相當(dāng)大的分量。這些會(huì)由于大氣情況和風(fēng)向的變化自發(fā)地發(fā)生，并且有時(shí)由于風(fēng)力渦輪機(jī)所在的地形形狀而被放大。許多風(fēng)力渦輪機(jī)都具有位于機(jī)艙上的風(fēng)速計(jì)，其指示入射風(fēng)速和方向，或者在轉(zhuǎn)子輪轂上的基于LIDAR的系統(tǒng)，其監(jiān)控接近渦輪機(jī)的陣風(fēng)。然而這種系統(tǒng)并非設(shè)計(jì)用于檢測(cè)以強(qiáng)垂直分量接近渦輪機(jī)的陣風(fēng)。如果沒(méi)有預(yù)先檢測(cè)到這種陣風(fēng)，并且如果葉片沒(méi)有相應(yīng)地俯仰以使得風(fēng)的沖擊偏轉(zhuǎn)，它們會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片。
[0008]因此，意識(shí)到需要一種風(fēng)能發(fā)電廠，其具有能夠準(zhǔn)確提供與入射風(fēng)有關(guān)的信息的傳感器，以便于控制和監(jiān)控，并且盡管有以上提及的難題，它也能夠可靠地運(yùn)行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]在要參考的獨(dú)立權(quán)利要求中定義本發(fā)明。在從屬權(quán)利要求中記載了有利的特征。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種風(fēng)力潤(rùn)輪機(jī)光學(xué)風(fēng)傳感器，包括:多個(gè)光源，安裝在風(fēng)力渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子上，以使得在使用中，所述光源圍繞轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)；其中，每一個(gè)光源定位為發(fā)出至少具有與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸正交的第一方向光束分量的傳感器光束，并且其中，每一個(gè)傳感器光束由至少兩個(gè)平行分量傳感器光束組成；多個(gè)光接收器件，安裝在所述轉(zhuǎn)子上，以使得在使用中，所述光源圍繞轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)；并且其中，所述多個(gè)光接收器件定位為使得每一個(gè)傳感器光束與至少第一對(duì)應(yīng)的光接收器件相關(guān)聯(lián)，以檢測(cè)來(lái)自風(fēng)中的通過(guò)至少兩個(gè)分量傳感器光束的顆粒物質(zhì)的光的閃爍；控制器，耦合到所述多個(gè)光接收器件，用于處理檢測(cè)到的光的閃爍，并確定通過(guò)對(duì)應(yīng)的至少兩個(gè)分量傳感器光束的顆粒物質(zhì)的通過(guò)時(shí)間，以及基于檢測(cè)到的通過(guò)時(shí)間，給出風(fēng)中的顆粒物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)速度和/或方向中的一個(gè)或多個(gè)的指示。
[0011]由于傳感器位于風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子上，其可以用于檢測(cè)轉(zhuǎn)子葉片處的風(fēng)速和風(fēng)向的瞬時(shí)變化，并允許控制器采取即時(shí)的動(dòng)作，以確保葉片的安全運(yùn)行。
[0012]在一個(gè)實(shí)施例中，至少兩個(gè)傳感器光束具有第二方向光束分量，其平行于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸；并且其中，所述控制器被配置為:根據(jù)對(duì)應(yīng)的分量傳感器光束的閃爍，確定通過(guò)所述至少兩個(gè)傳感器光束中的每一個(gè)傳感器光束的顆粒物質(zhì)的通過(guò)時(shí)間；比較每一個(gè)傳感器光束對(duì)應(yīng)的通過(guò)時(shí)間；以及針對(duì)風(fēng)向確定垂直速度分量的指示。
[0013]以此方式，控制器可以檢測(cè)會(huì)損害葉片的垂直方向的陣風(fēng)。
[0014]有利地，所述控制器被配置為確定風(fēng)的垂直速度分量的指示是否高于閾值水平，并發(fā)出警報(bào)信號(hào)。
[0015]所述控制器還可以被配置為確定風(fēng)的垂直速度分量的指示是否高于閾值水平，如果是，則使得風(fēng)力渦輪機(jī)葉片俯仰以漏過(guò)風(fēng)。
[0016]在一個(gè)實(shí)施例中，所述傳感器包括取向傳感器，用于確定輪轂、或者一個(gè)或多個(gè)葉片的取向，并且其中，所述控制器針對(duì)每一個(gè)檢測(cè)到的通過(guò)時(shí)間，記錄檢測(cè)到閃爍時(shí)的傳感器光束的取向。這實(shí)現(xiàn)傳感器更可靠地運(yùn)行。
[0017]在一個(gè)實(shí)施例中，所述光源安裝在轉(zhuǎn)子葉片上，以使得所述傳感器光束投射到葉片的縱向方向上和葉片的前面；并且其中，光檢測(cè)器位于轉(zhuǎn)子葉片上，與對(duì)應(yīng)的光源相鄰并定位為檢測(cè)來(lái)自風(fēng)中的通過(guò)所述至少兩個(gè)分量傳感器光束的顆粒物質(zhì)的光的閃爍。
[0018]以此方式，將傳感器定位在它們提供的數(shù)據(jù)最能夠表明轉(zhuǎn)子葉片的運(yùn)行情況的位置。
[0019]傳感器光束以相對(duì)于水平軸10到80度之間的角度投射在轉(zhuǎn)子葉片的前面。更優(yōu)選地，傳感器光束以相對(duì)于水平軸30到60度之間的角度投射在轉(zhuǎn)子葉片的前面。這確保了檢測(cè)到的光的閃爍中良好的信噪比。
[0020]多個(gè)光源和光檢測(cè)器可以位于每一個(gè)轉(zhuǎn)子葉片上。通過(guò)在葉片上安裝傳感器，傳感器可以用于檢測(cè)橫跨轉(zhuǎn)子葉片的整個(gè)半徑的風(fēng)速的垂直分量。
[0021]在進(jìn)一步的實(shí)施例中，光源和光接收器件安裝在轉(zhuǎn)子輪轂上。其優(yōu)點(diǎn)在于易于安裝和維護(hù)，并且意味著傳感器的操作與葉片的俯仰運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。
[0022]一個(gè)或多個(gè)光源和光檢測(cè)器可以安裝在從轉(zhuǎn)子輪轂突出的桿上。這允許適當(dāng)?shù)厝菁{傳感器系統(tǒng)，而無(wú)需考慮輪轂尺寸。桿可以在轉(zhuǎn)子輪轂前面突出，并且安裝為與轉(zhuǎn)子輪轂的旋轉(zhuǎn)軸同軸旋轉(zhuǎn)。
[0023]在這一布置中，順序布置至少兩個(gè)傳感器光束，例如圍繞旋轉(zhuǎn)軸隔開(kāi)180度，因?yàn)檫@使得檢測(cè)效果最大化。
[0024]在一個(gè)實(shí)施例中，由控制器在延長(zhǎng)的時(shí)間段中收集指示對(duì)于風(fēng)向的垂直速度分量的數(shù)據(jù)，并發(fā)送到風(fēng)力渦輪機(jī)組操作者。這允許風(fēng)力渦輪機(jī)組或公用設(shè)備操作者確定風(fēng)力渦輪機(jī)的位置是否傾向于垂直方向上的陣風(fēng)。
[0025]可替換地，光源可以布置在轉(zhuǎn)子輪轂上，以使得與轉(zhuǎn)子平面平行地投射傳感器光束；光接收器件位于轉(zhuǎn)子葉片中。這提供了有優(yōu)勢(shì)的風(fēng)速計(jì)，能夠測(cè)量接近于自由風(fēng)速的風(fēng)速。
[0026]有利地，至少兩個(gè)平行分量傳感器光束具有相對(duì)于彼此不同的光波長(zhǎng)，因此反射具有不同的波長(zhǎng)。這提供了對(duì)通過(guò)時(shí)間更好的檢測(cè)，通過(guò)檢測(cè)哪一個(gè)光束首先被截?cái)嘟o出了風(fēng)向的指示。
[0027]可替換地，至少兩個(gè)平行分量傳感器光束具有相同的波長(zhǎng)，但布置為以不同頻率閃爍。
[0028]每一個(gè)光源可以包括連接到光電子光源的光纖，其中，光電子光源容納在風(fēng)力渦輪機(jī)的電屏蔽部分中。這確保了傳感器可以抗雷擊。
[0029]此外，光接收器件可以連接到容納在風(fēng)力渦輪機(jī)的電屏蔽部分中的光電檢測(cè)器，光接收器件及其到光電檢測(cè)器的耦合是非電敏感的。這確保了傳感器可以抗雷擊。
[0030]為了構(gòu)造的經(jīng)濟(jì)性，每一個(gè)光源的光纖可以連接到相同的光電子光發(fā)射器。
[0031 ] 還提供了用于控制風(fēng)力渦輪機(jī)光學(xué)傳感器的相應(yīng)方法和計(jì)算機(jī)程序。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0032]現(xiàn)在將借助實(shí)例并參考附圖來(lái)更詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，在附圖中:
[0033]圖1是風(fēng)力渦輪機(jī)的示意性外觀圖；
[0034]圖2是根據(jù)本發(fā)明第一示例性實(shí)施例的光學(xué)風(fēng)力渦輪機(jī)傳感器的示意性側(cè)視圖；
[0035]圖3是光學(xué)風(fēng)力渦輪機(jī)傳感器的詳細(xì)示意圖；
[0036]圖4是用于圖2和3的風(fēng)傳感器中的光電子套件(suite)的示意性圖示；
[0037]圖5是在第一實(shí)例中的圖3中所示的光源的第一實(shí)例的簡(jiǎn)化圖；
[0038]圖6是示出檢測(cè)原理的第一圖示；
[0039]圖7是示出檢測(cè)原理的第二圖示；
[0040]圖8是第二實(shí)例中的圖4中所示的光源裝置的簡(jiǎn)化圖；
[0041]圖9是示出當(dāng)從轉(zhuǎn)子平面的前面觀察時(shí)的光束的方向的簡(jiǎn)化圖；
[0042]圖1OA和IOB示出本發(fā)明的示例性實(shí)施例中傳感器光束的布置；
[0043]圖1lAUlB和IlC示意性示出從第一和第二實(shí)施例中的傳感器收集的數(shù)據(jù)；
[0044]圖12示出本發(fā)明的第二示例性實(shí)施例；及
[0045]圖13示出本發(fā)明的第二示例性實(shí)施例?！揪唧w實(shí)施方式】
[0046]概括地說(shuō)，本發(fā)明的示例性實(shí)施例包括具有光學(xué)風(fēng)傳感器的風(fēng)力渦輪機(jī)。傳感器容納在風(fēng)力渦輪機(jī)葉片內(nèi)，并布置為檢測(cè)葉片正前面的氣流。在可替換的示例性實(shí)施例中，傳感器可以容納在位于轉(zhuǎn)子輪轂上的安裝桿(bar)中，或者在轉(zhuǎn)子輪轂自身上。從傳感器接收的數(shù)據(jù)可以用于風(fēng)力渦輪機(jī)的運(yùn)行的控制過(guò)程，例如用于確定偏轉(zhuǎn)角或俯仰角，以及用于在尤其是檢測(cè)到垂直陣風(fēng)的不利風(fēng)力條件臨時(shí)俯仰轉(zhuǎn)子葉片。與包括LIDAR檢測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)不同，所提出的系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)上相對(duì)便宜。
[0047]另外，光學(xué)風(fēng)傳感器利用一個(gè)或多個(gè)傳感器光束，其包括沿相同傳感器軸指向的至少兩個(gè)獨(dú)立的分量光束。至少兩個(gè)平行分量傳感器光束可以具有不同的光波長(zhǎng)，允許傳感器系統(tǒng)檢測(cè)在風(fēng)中的物質(zhì)通過(guò)光束并將光反射回光收集器件時(shí)首先觸發(fā)哪一個(gè)光束。
[0048]第一實(shí)施例
[0049]現(xiàn)在參考圖2、3和4，它們示出本發(fā)明的第一示例性實(shí)施例。
[0050]圖2是風(fēng)力渦輪機(jī)光學(xué)風(fēng)傳感器的側(cè)視圖，其中，檢測(cè)裝置主要容納在葉片中。圖2示出轉(zhuǎn)子輪轂6和在葉片根部5’連接到轉(zhuǎn)子輪轂6的單個(gè)葉片5。在這個(gè)圖示說(shuō)明中，葉片5在向上位置中垂直延伸，同時(shí)為了清楚在圖中省略了定位于輪轂6的其他葉片。
[0051]轉(zhuǎn)子葉片5包括第一光學(xué)風(fēng)傳感器10，其容納在葉片5的內(nèi)部中，并包括光源12和光接收器件或檢測(cè)器14。這些位于葉片的前緣中，或者可替換地在接近于前緣的葉片的受壓側(cè)或吸力側(cè)中，以使得來(lái)自光源的光在葉片的前面投射到迎面而來(lái)的風(fēng)中。在其他實(shí)施例中，傳感器可以構(gòu)造在翅片(fin)中，并在弦向上橫跨葉片表面布置，或者逆風(fēng)觀看，布置在附接到葉片表面或構(gòu)造于其中的容器中。翅片可以與葉片表面一體，或者附接于葉片。應(yīng)理解，也可以在安裝于風(fēng)力渦輪機(jī)葉片上的任何適合形狀的容器中提供傳感器。
[0052]還示出具有相應(yīng)光源12’和光接收器件14’的第二光學(xué)風(fēng)傳感器10’，其從在輪轂6的附接處沿著葉片5的內(nèi)部更遠(yuǎn)地定位。按照需要，更多的光學(xué)風(fēng)傳感器10”、10’’’(未示出)可以容納在葉片5中，并從葉片根部向著葉片尖端沿其縱軸定位。傳感器10也安裝在圖2中未示出的其他轉(zhuǎn)子葉片5中。
[0053]第一 10和第二 10’光學(xué)風(fēng)傳感器由光纖16和16’連接到光電子設(shè)備套件18，在此顯示為容納在轉(zhuǎn)子輪轂6中。這允許單個(gè)設(shè)備套件18從容納在多個(gè)轉(zhuǎn)子葉片5中的各光學(xué)風(fēng)傳感器10收集數(shù)據(jù)?？商鎿Q地，光電子設(shè)備套件18可以容納在機(jī)艙3中，或者在分布式實(shí)施例中，位于轉(zhuǎn)子葉片5中，其中中央處理器位于諸如輪轂6或機(jī)艙3的位置以便于訪問(wèn)。
[0054]每一個(gè)葉片5都優(yōu)選地包括連接到控制器18的取向傳感器19。取向傳感器19提供葉片的縱軸或者葉片尖端所指向的方向，換句話說(shuō)，在諸如水平或垂直的固定參考軸與從葉片的根部至尖端劃出的線之間的角度。在一些實(shí)施例中，盡管不是必需的，獲知葉片5的角位置對(duì)于控制器18利用從光學(xué)風(fēng)傳感器10和10’接收的數(shù)據(jù)是有利的，如以下將說(shuō)明的。
[0055]由于多個(gè)不同取向傳感器是本領(lǐng)域中已知的，在此將不再詳細(xì)說(shuō)明傳感器19的操作。
[0056]現(xiàn)在將參考圖3和4來(lái)更詳細(xì)地說(shuō)明光學(xué)風(fēng)傳感器10。[0057]連接到第一傳感器10的光纖16包括分離的光纖161和162。光纖161的一端連接到容納在光電子設(shè)備套件18中的光電子光源180 (參見(jiàn)圖4)，而另一端端接在葉片表面附近，以便形成光源12的發(fā)光部件。光電子光源180可以包括連接到光纖161的一個(gè)或多個(gè)LED、激光器、齒素或金屬齒化物源。
[0058]由連接到葉片體內(nèi)部的底座120將光纖161固定在光源12中的適當(dāng)位置。光源12還包括光學(xué)兀件122,布置在光纖161的末端前面,用于接收從光纖161輸出的光。光學(xué)元件122可以包括一個(gè)或多個(gè)光學(xué)棱鏡或透鏡，以下將結(jié)合實(shí)例更詳細(xì)地論述。容納在輪轂6中的光電子光源180從而將光發(fā)射到光纖161的一端中，其隨后出現(xiàn)在光源12。從光纖161的末端發(fā)出的光由光學(xué)元件122分為兩束，并經(jīng)由葉片表面中的孔或開(kāi)口 124顯現(xiàn)。光纖161在底座120、光學(xué)棱鏡和開(kāi)口 124中的布置導(dǎo)致發(fā)出的光與葉片表面成一角度而投射到葉片前緣的前面。實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)30到60度的角工作良好，盡管角度也可以在10度到80度的范圍中。根據(jù)以下論述將理解，以較淺角度布置的傳感器通常將導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間的較小變化，其是由入射風(fēng)角度所引起的，并且數(shù)據(jù)會(huì)需要更多的處理以提取風(fēng)向信號(hào)。
[0059]光接收器件14優(yōu)選包括收集透鏡142及相關(guān)聯(lián)的光纖162。收集透鏡142具有用于捕獲光的大孔徑，在本文所述的實(shí)例中，可以具有I到5cm范圍中的尺寸。在其它實(shí)現(xiàn)方式中，可以適當(dāng)?shù)匕幢壤{(diào)整透鏡的尺寸。
[0060]光纖162由底座144固定在葉片5內(nèi)部，定位光纖162以便它可以接收由透鏡142收集的光?？梢栽谑占哥R142與光纖162的末端之間提供附加的聚焦透鏡146，以增大由光纖162捕獲的光的比例。光纖162耦合到光電子套件18中的光檢測(cè)器182。
[0061]現(xiàn)在將參考圖4更詳細(xì)地說(shuō)明光電子套件18。光電子設(shè)備套件18包括一個(gè)或多個(gè)光電子發(fā)光器件180，和一個(gè)或多個(gè)光檢測(cè)器件182?？梢愿淖?cè)?80和檢測(cè)器812各自的數(shù)量以適合于安裝在葉片5中的光學(xué)傳感器10的數(shù)量。單個(gè)發(fā)射器和檢測(cè)器可以用于所有傳感器10，用于每一個(gè)各自的葉片，或者用于每一個(gè)單個(gè)的傳感器。由以下的論述會(huì)清楚，在一些實(shí)施例中，光電子光源180被配置為將至少兩個(gè)波長(zhǎng)的光輸出到光纖161中，用于在葉片表面發(fā)出。
[0062]控制器184連接到發(fā)光器件180、光檢測(cè)器件182和葉片取向傳感器19，并包括存儲(chǔ)器和處理器，在其上存儲(chǔ)控制軟件，用以控制多個(gè)光學(xué)風(fēng)傳感器10，并分析結(jié)果。
[0063]現(xiàn)在將參考圖5到13更詳細(xì)地說(shuō)明第一風(fēng)傳感器的操作。在這個(gè)實(shí)施例中，每一個(gè)傳感器都以相同的方式工作。
[0064]在圖2和3所不的實(shí)例中，每一個(gè)光源12都以兩個(gè)不同波長(zhǎng)輸出光。通過(guò)兩條光纖161a和161b在圖5中示意性地示出，兩條光纖基本上彼此對(duì)準(zhǔn)，并基本上在相同方向上發(fā)出光束。當(dāng)然，不必使每一個(gè)光束都由分離的光纖產(chǎn)生，以下將說(shuō)明每個(gè)光源161僅使用單個(gè)光纖(如上所示的)的實(shí)例。
[0065]將具有各自波長(zhǎng)λ I和λ 2的兩個(gè)光束引導(dǎo)到在光檢測(cè)器14的光收集透鏡142前面的一段距離處的光學(xué)元件122上，在此情況下是透鏡122a，其在焦點(diǎn)區(qū)20聚焦每一個(gè)光束。典型距離是10到30cm。在此實(shí)例中，光束的焦點(diǎn)20的直徑在5mm到20mm范圍中。
[0066]在焦點(diǎn)區(qū)20內(nèi)，每一個(gè)光束都具有分離的焦點(diǎn)22和24。使焦點(diǎn)22和24沿傳感器軸26排列，在每一個(gè)焦點(diǎn)之間具有指定的間隔。例如間隔可以在0.1mm到IOmm范圍中。
[0067]盡管有光束的兩個(gè)分量聚焦的事實(shí)，但為了本論述的目的，在焦點(diǎn)區(qū)20處，將它們稱為平行光束。這旨在強(qiáng)調(diào)兩個(gè)光束是單一合成傳感器光束的單獨(dú)分量的事實(shí)，因此指向基本上相同的方向，并一起用以檢測(cè)顆粒物質(zhì)的通過(guò)。應(yīng)理解，例如聚焦光束的效果僅僅有助于在光接收器件14的檢測(cè)，如果對(duì)于操作無(wú)害，可以省略聚焦裝置122a。在此情況下，未聚焦的分量光束確實(shí)可以是平行的，盡管隨后在光接收器件的檢測(cè)會(huì)不易實(shí)施。在稍后說(shuō)明的實(shí)施例中，不必使得光束聚焦，并且在更嚴(yán)格的意義上光束可以是平行的。
[0068]風(fēng)傳感器通過(guò)從每一個(gè)傳感器光束檢測(cè)光的閃爍來(lái)工作，隨著風(fēng)中攜帶的物質(zhì)的顆粒通過(guò)焦點(diǎn)區(qū)20，并將光從每一個(gè)光束朝向透鏡142反射。假若選擇了適合的光波長(zhǎng)，正常質(zhì)量的空氣通常包括足夠數(shù)量的此類物質(zhì)，可用于檢測(cè)顆粒的通過(guò)。以此方式易于檢測(cè)到水蒸氣、灰塵或花粉的顆粒。
[0069]圖6示出更詳細(xì)的原理。圖6的左側(cè)示出隨顆粒在空氣中沿傳感器軸26行進(jìn)(在此情況下是向上的方向)而出現(xiàn)的，在每一個(gè)光束的焦點(diǎn)22和24處光的閃爍(以X表示)。假定在兩個(gè)光束焦點(diǎn)22與24之間的間隔是幾毫米，那么在焦點(diǎn)22處的閃爍會(huì)略微在焦點(diǎn)24處的閃爍之前發(fā)生。假定風(fēng)速是每秒幾十米，則閃爍之間的時(shí)間會(huì)極低，例如幾分之一秒。如果要了解顆粒及攜帶其的風(fēng)的速度，最終就需要測(cè)量這個(gè)通過(guò)時(shí)間。
[0070]借助具有相同波長(zhǎng)的兩個(gè)光束來(lái)測(cè)量通過(guò)時(shí)間。然而，如果光束具有不同波長(zhǎng)是有利的，因?yàn)檫@有助于檢測(cè)，并提供與顆粒通過(guò)的方向有關(guān)的信息。將會(huì)更詳細(xì)地論述。
[0071]如果每一個(gè)光束的光具有相同的頻率或波長(zhǎng)，那么實(shí)際上從光閃爍可獲得的唯一信息將是通過(guò)的時(shí)間。可以嘗試檢測(cè)首先觸發(fā)哪一個(gè)光束，從而推斷顆粒運(yùn)動(dòng)的方向，但這需要高分辨率設(shè)備和處理，最終導(dǎo)致更大的成本。
[0072]在本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例中通過(guò)使用不同波長(zhǎng)的光束而減輕這些困難。不同波長(zhǎng)允許處理設(shè)備確定首先觸發(fā)哪一個(gè)光束，不是借助于發(fā)生閃爍的空間位置的視覺(jué)分析，而是基于閃爍的波長(zhǎng)，及閃爍發(fā)生的順序。對(duì)于圖6的實(shí)例中從上向下運(yùn)動(dòng)的顆粒，傳感器因此會(huì)發(fā)現(xiàn)波長(zhǎng)λ I和λ 2的兩個(gè)閃爍，并可以從順序λ 2、λ I推斷進(jìn)行的方向。
[0073]在圖7中示出對(duì)該實(shí)例的些許改進(jìn)，其中，第三和第四光束也用于檢測(cè)。在這個(gè)實(shí)例中，增加的光束具有與第一和第二光束相同的波長(zhǎng)，因此可以由一個(gè)或多個(gè)結(jié)合在耦合到光纖161的光學(xué)元件122中的分束器來(lái)生成。
[0074]使用四個(gè)光束的優(yōu)點(diǎn)在于，顆粒的通過(guò)由不同波長(zhǎng)的四個(gè)閃爍來(lái)指示，它們?cè)跁r(shí)間上等間隔的出現(xiàn)。這使得顆粒通過(guò)的信號(hào)比僅有兩個(gè)閃爍的情況要強(qiáng)，因此更易于與背景噪聲區(qū)分開(kāi)。例如，如果四個(gè)中的反射光的一個(gè)閃爍不如其它的強(qiáng)，或前或后的閃爍的存在(假如這些以正確的時(shí)序出現(xiàn))實(shí)現(xiàn)了以一定的確定性來(lái)檢測(cè)顆粒通過(guò)，而不考慮漏過(guò)或減弱的個(gè)別閃爍。僅利用兩個(gè)閃爍，即使僅缺少一個(gè)閃爍的強(qiáng)信號(hào)也會(huì)在檢測(cè)中引入大量不確定性。
[0075]而且，使用四個(gè)光束增大了顆粒必須進(jìn)行的距離，增大了其通過(guò)時(shí)間，并從而改善了顆粒速度的測(cè)量的精度。假如布置不是對(duì)稱的并因此可以用于確定方向，則布置光束的順序并不重要。在此，借助波長(zhǎng)將光束分組在一起是優(yōu)選的，例如圖中所示的λ 1、λ 1、λ 2、λ 2，因?yàn)檫@使得得到的信號(hào)的方向部分更強(qiáng)。當(dāng)然，按照需要，任何數(shù)量的光束都可以用于傳感器中。
[0076]光束的波長(zhǎng)還為傳感器信號(hào)提供更好的信噪比，因?yàn)榉蛛x的顆粒通過(guò)更易于彼此區(qū)分。這是因?yàn)槊恳粋€(gè)通過(guò)事件都會(huì)表示為在時(shí)間上靠近在一起的不同波長(zhǎng)的光的兩個(gè)閃爍。一對(duì)閃爍因此標(biāo)記了每一個(gè)通過(guò)事件的開(kāi)始和結(jié)束。除了這個(gè)區(qū)別，所要檢測(cè)的就是在其他閃爍的背景中的一對(duì)光閃爍。于是表示通過(guò)事件的這一對(duì)閃爍必須簡(jiǎn)單地基于時(shí)序來(lái)彼此區(qū)分(一對(duì)中的兩個(gè)閃爍之間的時(shí)間比相鄰對(duì)中的兩個(gè)閃爍之間的時(shí)間短)。
[0077]圖8示出光源裝置的第二實(shí)例，其在傳感器中使用具有不同波長(zhǎng)的多個(gè)光束的情況下是有利的。光源包括單個(gè)光纖161，如以前一樣連接到光電子光源180。每一個(gè)具有不同的波長(zhǎng)的多個(gè)不同光束輸入到光纖中，并沿其長(zhǎng)度作為合成光束發(fā)送。在從光纖161出現(xiàn)時(shí)，將合成光束引導(dǎo)到包括在光學(xué)兀件122中的光學(xué)棱鏡122b處,光學(xué)棱鏡122b針對(duì)每一個(gè)其各自的分量波長(zhǎng)，將光束分為分離的光束。與以前一樣，光學(xué)棱鏡122b將各個(gè)光束引導(dǎo)到光學(xué)透鏡122a上。使用這個(gè)布置，任何數(shù)量的不同波長(zhǎng)的光束可易于用于傳感器中。
[0078]現(xiàn)在將更詳細(xì)地說(shuō)明由控制器814對(duì)來(lái)自傳感器10的信號(hào)的處理。
[0079]控制器184周期性地查詢?cè)诿恳粋€(gè)葉片上的光學(xué)風(fēng)傳感器10和取向傳感器19，從而將穿過(guò)傳感器光束的每一個(gè)顆粒的通過(guò)時(shí)間讀數(shù)與具體葉片5相關(guān)聯(lián)，并與表示獲得讀數(shù)時(shí)刻的葉片的取向的值相關(guān)聯(lián)。以此方式，隨著每一個(gè)葉片5圍繞轉(zhuǎn)子輪轂6旋轉(zhuǎn)，將連續(xù)收集并存儲(chǔ)針對(duì)每一個(gè)旋轉(zhuǎn)角度的不同傳感器讀數(shù)。盡管這個(gè)過(guò)程對(duì)于三個(gè)葉片5中的每一個(gè)上的傳感器可以同時(shí)出現(xiàn)，但查詢過(guò)程可以是并行的，所有傳感器10同時(shí)發(fā)送回到控制器184，或者是串行的，控制器184依次查詢每一個(gè)傳感器。
[0080]為了簡(jiǎn)單，我們現(xiàn)在設(shè)想一種情況，風(fēng)在正面方向上接近風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子6 (圖2的頁(yè)面中從左向右)，而且三個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)葉片是靜止的。盡管來(lái)自光源12的傳感器光束相對(duì)于葉片的前緣成角度，但應(yīng)理解，當(dāng)從正面方向(從轉(zhuǎn)子輪轂6的前面)觀看葉片5時(shí)，傳感器光束會(huì)呈現(xiàn)為與葉片從輪轂6延伸的方向平行，(在圖2的實(shí)例中)從輪轂略微指向外偵儀盡管同樣它們可以指向內(nèi)側(cè))。因此在轉(zhuǎn)子平面中，由在一個(gè)葉片5中的傳感器10、10’等產(chǎn)生的傳感器光束與在第二轉(zhuǎn)子葉片中的第二傳感器的傳感器光束成120度的角度(假定三個(gè)相等間隔的葉片)。
[0081]在轉(zhuǎn)子平面中，因此如圖9中所示的，情況是對(duì)應(yīng)于120度的角間隔的三個(gè)傳感器光束方向。光束實(shí)際上會(huì)從頁(yè)面射出(由于將光纖安裝在葉片中的角度)，在轉(zhuǎn)子葉片前面構(gòu)成淺錐形。錐形的主要目的是略微在葉片5的前面針對(duì)檢測(cè)的顆粒定位焦點(diǎn)20，以使得安裝在葉片中的光接收器件14可以檢測(cè)到散射的光。
[0082]如圖10所示，傳感器光束相對(duì)于轉(zhuǎn)子葉片成角度的事實(shí)允許傳感器系統(tǒng)檢測(cè)風(fēng)是垂直于轉(zhuǎn)子平面的角度，還是以一定角度接近轉(zhuǎn)子葉片。圖1OA示出風(fēng)垂直于轉(zhuǎn)子葉片接近，并跨過(guò)至少兩個(gè)轉(zhuǎn)子葉片5的傳感器光束(在省略轉(zhuǎn)子輪轂的情況下，在上下半部示出來(lái)自兩個(gè)葉片的傳感器光束)的情況。在此情況下，傳感器光束相對(duì)于垂直方向，或者相對(duì)于轉(zhuǎn)子平面的角度假定為45度。
[0083]由于葉片取向的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，當(dāng)風(fēng)水平吹時(shí)，風(fēng)中的顆粒物質(zhì)通過(guò)每一個(gè)葉片光束所行進(jìn)的距離是相同的。無(wú)論各個(gè)葉片5的取向和光束的取向如何，都是如此。各個(gè)顆粒通過(guò)事件的時(shí)間(由在傳感器10檢測(cè)到的不同波長(zhǎng)光的閃爍之間所經(jīng)過(guò)的時(shí)間來(lái)表示)，因此對(duì)于每一個(gè)葉片一般是相同的，而與葉片取向無(wú)關(guān)。
[0084]然而在圖1OB中，示出風(fēng)向與轉(zhuǎn)子平面不垂直而成角度的情況。在此情況下，顆粒物質(zhì)在傳感器光束中行進(jìn)的距離相差極大。通過(guò)頂部傳感器光束的通過(guò)路徑較短(因?yàn)樵撏ㄟ^(guò)垂直于光束方向)，而對(duì)于底部光束的通過(guò)時(shí)間將長(zhǎng)得多，如果其還能夠作為通過(guò)事件被檢測(cè)到(其在顆粒物質(zhì)垂直通過(guò)焦點(diǎn)軸26a，并且平行的傳感器光束沒(méi)有依次被適時(shí)觸發(fā)的情況下是不可檢測(cè)的)。
[0085]由在傳感器10檢測(cè)的不同波長(zhǎng)的光的閃爍之間所經(jīng)過(guò)的時(shí)間來(lái)表示各個(gè)顆粒物質(zhì)通過(guò)事件的時(shí)間，因此對(duì)于每一個(gè)葉片5會(huì)極為不同，這取決于葉片相對(duì)于輪轂的取向。通過(guò)時(shí)間的這一差異表示風(fēng)以一定角度接近風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，該角度與轉(zhuǎn)子平面不垂直，而是與其成一個(gè)角度。
[0086]結(jié)果，對(duì)于橫跨不同葉片的傳感器光束的顆粒物質(zhì)的通過(guò)時(shí)間的比較用于給出風(fēng)速的垂直分量的指示，即與轉(zhuǎn)子葉片的旋轉(zhuǎn)平面平行或者與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸垂直的分量。相似的通過(guò)時(shí)間的值表示沒(méi)有顯著的垂直分量，而不同時(shí)間表示顯著的垂直分量以及對(duì)于轉(zhuǎn)子的可能危害。
[0087]控制器184因此監(jiān)控從安裝在不同轉(zhuǎn)子葉片5上的傳感器接收的通過(guò)時(shí)間信號(hào)，并根據(jù)通過(guò)時(shí)間分布來(lái)確定垂直風(fēng)分量的指示。圖11A、B和C示出用于上述情況的不同分布。在圖1lA中，從每一個(gè)傳感器10和每一個(gè)葉片5收集通過(guò)時(shí)間，并如所不的相對(duì)于葉片取向繪制在圖上。為了舉例說(shuō)明，將O度的取向假定為對(duì)應(yīng)于風(fēng)力渦輪葉片5直接指向向上的情況。
[0088]圖1lA中所示的平坦分布表示風(fēng)向主要垂直于轉(zhuǎn)子平面，或者平行于旋轉(zhuǎn)軸。另一方面，圖1lB示出風(fēng)與轉(zhuǎn)子平面成角度的情況，風(fēng)在向上方向上吹，(如圖1OB的)風(fēng)沒(méi)有與風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子正面相遇，而是從輪轂下面而來(lái)。在此情況下，由葉片5上的傳感器10指示的通過(guò)時(shí)間在其處于垂直向上位置時(shí)較小(小于圖1lA中的)，因?yàn)轱L(fēng)向沿著或接近垂直于傳感器光束方向的直線，從而以最短路徑切斷傳感器光束。然而，另一取向的葉片5上的傳感器的通過(guò)時(shí)間較長(zhǎng)，因?yàn)閭鞲衅鞴馐x開(kāi)垂直于風(fēng)向的角，并進(jìn)入平行于風(fēng)向的方向。當(dāng)葉片指向垂直向下時(shí)(正負(fù)180度的方向)，通過(guò)時(shí)間基本上無(wú)限，或者實(shí)際上不可檢測(cè)。
[0089]如果風(fēng)來(lái)自圖1OB所示的相反方向上，即來(lái)自風(fēng)力渦輪機(jī)輪轂的頂部并向下成一定角度，那么通過(guò)時(shí)間的分布將如圖1OC所示的。
[0090]如上所述，控制器814使用通過(guò)時(shí)間信息來(lái)確定風(fēng)相對(duì)于垂直軸的方向。在這個(gè)方向上的陣風(fēng)會(huì)造成問(wèn)題，因?yàn)樗鼈兛梢詴?huì)損害風(fēng)力渦輪機(jī)和風(fēng)力渦輪葉片。通過(guò)檢測(cè)風(fēng)何時(shí)偏離水平軸(圖10A)，其在垂直方向上具有顯著的分量，控制器可以發(fā)出警報(bào)信號(hào)，使風(fēng)力渦輪機(jī)采取措施來(lái)保護(hù)自身，例如調(diào)整葉片俯仰以漏過(guò)風(fēng)，或者采取降低渦輪機(jī)上的輸出量，即因此載荷的另一種方式。
[0091]風(fēng)向的改變會(huì)在從小于一秒到幾秒的時(shí)間段中非常迅速地發(fā)生。風(fēng)力渦輪葉片的旋轉(zhuǎn)速度比這些變化慢得多，接近每分鐘5到20次。盡管葉片會(huì)至少耗費(fèi)三秒來(lái)進(jìn)行完整的旋轉(zhuǎn)，但三個(gè)葉片僅會(huì)耗費(fèi)一秒(以高旋轉(zhuǎn)速度)掃過(guò)轉(zhuǎn)子的完整360度。為此，實(shí)踐中，如果控制器184將其分析基于從葉片5連續(xù)收集的通過(guò)時(shí)間是有利的。
[0092]除了這一檢測(cè)技術(shù)以外，控制器184可以收集并分析在較長(zhǎng)時(shí)間段中收集的通過(guò)時(shí)間數(shù)據(jù)，以獲得平均風(fēng)向數(shù)據(jù)。這不會(huì)檢測(cè)到可導(dǎo)致渦輪機(jī)受損的陣風(fēng)，但可以針對(duì)任何給定風(fēng)力渦輪機(jī)指示是否存在風(fēng)從位于水平軸之外的方向與轉(zhuǎn)子相遇的傾向，并因此將指示風(fēng)力渦輪機(jī)是否可能被置于顯著的應(yīng)變下，該顯著的應(yīng)變會(huì)減小其工作壽命。來(lái)自控制器184的這種信息隨后被發(fā)送到風(fēng)力渦輪機(jī)組或公用設(shè)備操作者用于分析并記錄。[0093]可以以每個(gè)風(fēng)力渦輪葉片5僅有單個(gè)傳感器10來(lái)實(shí)現(xiàn)控制器184檢測(cè)偏離水平軸風(fēng)向的操作，如以下在可替換的實(shí)施例中論述的，或者以每個(gè)葉片多個(gè)傳感器10來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，將多個(gè)傳感器沿葉片的縱軸布置允許控制器184在轉(zhuǎn)子的整個(gè)掃描中以距離輪轂測(cè)量的不同半徑來(lái)檢測(cè)垂直風(fēng)力分量。這使得在檢測(cè)到強(qiáng)垂直取向風(fēng)向時(shí)的控制器的警報(bào)指示更靈敏。例如，在葉片根部和輪轂6附近檢測(cè)到的風(fēng)的強(qiáng)垂直分量比在葉片尖端附近的風(fēng)的強(qiáng)垂直分量造成的問(wèn)題小，在葉片尖端情況下造成葉片氣動(dòng)變形并更易彎曲，如果變形過(guò)大會(huì)撞擊機(jī)塔。
[0094]此外，盡管在以上實(shí)例中，由控制器將顆粒物質(zhì)進(jìn)入光束的通過(guò)時(shí)間事件與傳感器光束各自的取向(或者在葉片上，或者稍后如參考第二實(shí)施例所述的在輪轂上)一起進(jìn)行記錄，但取向的檢測(cè)不是必需的，在可替換的實(shí)施例中可以省略。顯然，即使沒(méi)有取向傳感器信息，圖11中所示的曲線也可以隨著從每一個(gè)傳感器接收的數(shù)據(jù)的時(shí)間序列而產(chǎn)生，并隨著傳感器光束旋轉(zhuǎn)總體上呈現(xiàn)周期性?？刂破饕虼嗽谄鋫鞲衅鞴馐鴶?shù)據(jù)的比較中仍可以使用這個(gè)信息，并檢測(cè)出現(xiàn)的偏轉(zhuǎn)誤差。但取向傳感器19的使用通常是優(yōu)選的，因?yàn)槠鋵?shí)現(xiàn)傳感器相對(duì)即時(shí)的操作，不必在延長(zhǎng)的時(shí)間段中累積數(shù)據(jù)。
[0095]現(xiàn)將參考圖12和13來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的進(jìn)一步的示例性實(shí)施例。
[0096]第二實(shí)施例
[0097]圖12示出本發(fā)明的實(shí)例，其中，光發(fā)射器12和光檢測(cè)器14安裝在連接到輪轂6的桿7中。桿按照在輪轂的正面上，以便隨著輪轂6旋轉(zhuǎn)，桿7同軸并圍繞其縱軸及轉(zhuǎn)子4的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。多個(gè)光發(fā)射器12位于桿中，并從桿并與其縱軸成角度地發(fā)出各自的分量傳感器光束對(duì)，形成錐形。錐形可以朝向和遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)子葉片5延伸。光發(fā)射器12圍繞桿的圓周定位，因此在轉(zhuǎn)子平面中以不同角度發(fā)出傳感器光束。如在前圖9中所示的，可以存在圍繞桿的圓周定位的三個(gè)光發(fā)射器，在此情況下，傳感器光束以相對(duì)彼此120度布置。在這個(gè)實(shí)例中，由于光發(fā)射器12和光接收器件14的位置不受轉(zhuǎn)子葉片5的數(shù)量限制，可以提供任意數(shù)量的傳感器光束，例如四個(gè)傳感器光束，在它們之間有90度的角度。
[0098]多個(gè)光接收器件14也位于桿7中，用以檢測(cè)從通過(guò)傳感器光束的顆粒物質(zhì)散射的光，而位于桿中的取向傳感器19也針對(duì)每一個(gè)光發(fā)射器12和光接收器件14指示發(fā)射器一接收器對(duì)的取向。應(yīng)理解，可以在轉(zhuǎn)子輪轂6上而不是在桿7中提供光發(fā)射器12、光接收器14和取向傳感器19中的任意一個(gè)。
[0099]為了確保所有條件下的操作，可以在轉(zhuǎn)子輪轂6或桿7中提供加熱元件(未示出)，以融化聚集的冰。而且，也可以提供包圍光發(fā)射器12和檢測(cè)器14的中空、末端開(kāi)口的蓋和外殼，以避免污垢和其它物質(zhì)的積累。加熱元件優(yōu)選地是不導(dǎo)電的，并由耐用材料制成。
[0100]桿7可以由諸如具有玻璃纖維或碳的纖維強(qiáng)化的塑料之類的材料構(gòu)成。也可以使用其它不導(dǎo)電的、耐受環(huán)境的材料。類似地，可以由相同的材料構(gòu)成蓋，或者由諸如聚合物的可輕微變形的材料構(gòu)成，如橡膠、天然橡膠、聚丙烯、聚乙烯、尼龍、人造橡膠、凱夫拉等。
[0101]在這個(gè)實(shí)施例中，光學(xué)傳感器系統(tǒng)的操作與以上針對(duì)第一實(shí)施例所描述的相同，除了光源12和光接收器件14的物理位置在轉(zhuǎn)子輪轂6上，而不是在葉片上。在可替換的實(shí)施例中，傳感器10可以構(gòu)造在位于輪轂上的小翼(winglet)中，并沿葉片表面向內(nèi)布置。
[0102]這個(gè)實(shí)施例的傳感器系統(tǒng)不易受到葉片的運(yùn)動(dòng)的影響，或者葉片的俯仰的變化的影響。然而，與第一實(shí)施例不同，其不能給出橫跨轉(zhuǎn)子4的整個(gè)半徑的垂直分量的指示。這個(gè)實(shí)施例可以結(jié)合第一實(shí)施例或者單獨(dú)地使用。
[0103]第三實(shí)施例
[0104]圖13示出進(jìn)一步的實(shí)施例，其中，光發(fā)射器12位于轉(zhuǎn)子輪轂6中，光接收器件14位于風(fēng)力渦輪葉片5中。布置光源12以使得它們?cè)谄叫杏谵D(zhuǎn)子平面的方向上并在轉(zhuǎn)子葉片5前面發(fā)出兩個(gè)傳感器光束。在這個(gè)示例性實(shí)現(xiàn)方式中，光發(fā)射器12比在上述實(shí)例中功率強(qiáng)，并且可以包括激光器件，因?yàn)樗鼈儼l(fā)出的光束必須沿光檢測(cè)器14所定位的轉(zhuǎn)子葉片5的長(zhǎng)度行進(jìn)。為此，各個(gè)分量光束不聚焦，而是布置為沿葉片的長(zhǎng)度彼此平行。當(dāng)然，如果僅有單個(gè)光接收器件14位于葉片5上，光束可以聚焦，并且光束要與器件14協(xié)作。
[0105]由于在這個(gè)實(shí)施例中，光束未相對(duì)于葉片成角度，并且不可能以稍早針對(duì)圖11所述的方式確定風(fēng)是從下面還是從上面接近風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)子。然而，這個(gè)實(shí)施例確實(shí)提供了有利的風(fēng)速計(jì)布置，其中通過(guò)光束的顆粒物質(zhì)的通過(guò)時(shí)間用于給出轉(zhuǎn)子處的風(fēng)速的指示(假定風(fēng)向主要水平于轉(zhuǎn)子平面)。由于在轉(zhuǎn)子葉片的前面檢測(cè)風(fēng)速，與風(fēng)速計(jì)位于風(fēng)力渦輪機(jī)機(jī)艙頂部的情況相比，這給出了更接近于自由流風(fēng)速的讀數(shù)。因此為了風(fēng)速計(jì)正確操作，確保風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)子面朝風(fēng)是必需的。用于實(shí)現(xiàn)其的方法和裝置是本領(lǐng)域中公知的，在此將不再說(shuō)明。
[0106]為了補(bǔ)償操作期間轉(zhuǎn)子葉片5的俯仰的變化，光發(fā)射器和檢測(cè)器需要具有寬/平特性，類似具有焦點(diǎn)區(qū)域的橢圓，以便即使當(dāng)葉片俯仰至少幾度時(shí)，檢測(cè)器也可以檢測(cè)到光
[0107]這個(gè)實(shí)施例可以結(jié)合第一和第二實(shí)施例任意一個(gè)或二者，或者單獨(dú)使用。
[0108]在全部三個(gè)實(shí)施例中，應(yīng)理解，傳感器光束具有正交于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸并平行于轉(zhuǎn)子平面的光束分量。
[0109]在上述本發(fā)明的實(shí)例中，光的光學(xué)波長(zhǎng)或頻率用于將一個(gè)單獨(dú)的傳感器光束與另一個(gè)區(qū)分開(kāi)，并隨后提供與風(fēng)的通過(guò)方向有關(guān)的信息。在進(jìn)一步的可替換實(shí)施例中，各個(gè)光束的波長(zhǎng)可以是恒定的，但可以使光束閃爍，并隨后借助其閃爍頻率彼此區(qū)分開(kāi)。
[0110]為了確?？蓹z測(cè)到風(fēng)中的顆粒，即在光束關(guān)閉時(shí)顆粒不通過(guò)光束，閃爍頻率應(yīng)設(shè)定得足夠高。由于感興趣的風(fēng)速可以具有每秒幾十米的數(shù)量級(jí)，并且光束寬度具有毫米的數(shù)量級(jí)，風(fēng)中的顆粒在光束中所耗費(fèi)的時(shí)間可小于50微秒。光的閃爍頻率因此需要具有IMHz或更大的數(shù)量級(jí)，以確?？梢詫?duì)顆粒通過(guò)成像。在實(shí)踐中高于IOOMHz的頻率是有用的。
[0111]在檢測(cè)器處，例如在單個(gè)PIN 二極管的情況下，取決于顆粒與哪個(gè)光束相交及在何時(shí)，來(lái)自各個(gè)單獨(dú)光束的接收光可以相加在一起。然而，取決于其各自的閃爍頻率，來(lái)自每一個(gè)單獨(dú)光束的傳感器信號(hào)具有其自己的特征，允許使用濾波將來(lái)自特定光束的信號(hào)與其它信號(hào)隔離。這樣的濾波可以使用傳統(tǒng)帶通濾波器或更復(fù)雜的數(shù)字光學(xué)電子器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)選擇單獨(dú)光束的頻率時(shí)，應(yīng)注意避免例如當(dāng)一個(gè)光束具有是另一個(gè)光束倍數(shù)的頻率時(shí)會(huì)干擾檢測(cè)的諧波，。示例性地，在IOOMHz范圍上適合的頻率可以是110、120、130、140、150、160、170、180、190、210、230、250、270、290MHZ等等。這允許所有光束連續(xù)工作，但仍實(shí)現(xiàn)檢測(cè)到各個(gè)光束。
[0112]上述的光學(xué)風(fēng)傳感器可以用于控制風(fēng)力渦輪機(jī)的運(yùn)行的系統(tǒng)中，例如俯仰(pitch)和偏轉(zhuǎn)(yaw)控制系統(tǒng)，以及提供數(shù)據(jù)，用以計(jì)算渦輪機(jī)的功率曲線。
[0113]此外，風(fēng)傳感器可以用于檢測(cè)垂直風(fēng)向分量。分量的意思是使風(fēng)向矢量化，并具有三個(gè)分量，一個(gè)平行于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸，兩個(gè)垂直于所述分量，一個(gè)這樣的分量可以使基本上垂直的分量，風(fēng)速超過(guò)預(yù)定閾值，渦輪機(jī)操作降低功率或停止。這樣的情況可以對(duì)應(yīng)于例如當(dāng)嚴(yán)重的偏轉(zhuǎn)誤差出現(xiàn)時(shí)，但代替轉(zhuǎn)子的一側(cè)(當(dāng)在渦輪機(jī)的正視圖中觀察時(shí)，左到右或右到左)比另一側(cè)更多地處于風(fēng)中，會(huì)是轉(zhuǎn)子的下側(cè)或上側(cè)更多地處于風(fēng)中。通常，諸如在山中地點(diǎn)的垂直分量可以是離開(kāi)地面向上的，并且與上側(cè)相比，可以增大轉(zhuǎn)子下側(cè)的載荷。因此，會(huì)存在不想要的偏斜加載情況，從而取決于實(shí)際渦輪機(jī)和地點(diǎn)特定的問(wèn)題，可以設(shè)定閾值，用于降低功率(降低功率輸出，但保持渦輪機(jī)運(yùn)行)或者優(yōu)選地可以停止渦輪機(jī)。
[0114]在以上示例性實(shí)施例中所述的透鏡和光學(xué)元件可以是常規(guī)光學(xué)器件，或者如果優(yōu)選地，是全息的或多向光學(xué)器件。出于舉例說(shuō)明的目的，參考多個(gè)實(shí)例說(shuō)明了本發(fā)明。本發(fā)明不限于這些，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員，在權(quán)利要求書(shū)所提供的定義內(nèi)的變化是顯而易見(jiàn)的。例如，盡管僅說(shuō)明了三個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，但其他數(shù)量的葉片也是可能的。在適當(dāng)情況下，本發(fā)明的實(shí)施例也可以適用于垂直軸風(fēng)力渦輪機(jī)。
【權(quán)利要求】
1.一種風(fēng)力潤(rùn)輪機(jī)光學(xué)風(fēng)傳感器,包括: 多個(gè)光源，安裝在風(fēng)力渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子上，以使得在使用中，所述光源圍繞所述轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)； 其中，每一個(gè)光源定位為發(fā)出至少具有與所述轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸正交的第一方向光束分量的傳感器光束，并且其中，每一個(gè)傳感器光束由至少兩個(gè)平行分量傳感器光束組成； 多個(gè)光接收器件，安裝在所述轉(zhuǎn)子上，以使得在使用中，所述光源圍繞所述轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，并且其中，所述多個(gè)光接收器件定位為使得每一個(gè)傳感器光束與至少第一對(duì)應(yīng)光接收器件相關(guān)聯(lián)，以檢測(cè)來(lái)自風(fēng)中的通過(guò)所述至少兩個(gè)分量傳感器光束的顆粒物質(zhì)的光的閃爍； 控制器，耦合到所述多個(gè)光接收器件，用于處理檢測(cè)到的光的閃爍，并確定通過(guò)對(duì)應(yīng)的至少兩個(gè)分量傳感器光束的顆粒物質(zhì)的通過(guò)時(shí)間，并且基于檢測(cè)到的通過(guò)時(shí)間，給出風(fēng)中的所述顆粒物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)速度和/或方向中的一個(gè)或多個(gè)的指示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，至少兩個(gè)傳感器光束具有平行于所述轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸的第二方向光束分量；并且其中，所述控制器被配置為: 根據(jù)對(duì)應(yīng)的分量傳感器光束的閃爍，確定通過(guò)所述至少兩個(gè)傳感器光束中的每一個(gè)傳感器光束的顆粒物質(zhì)的通過(guò)時(shí)間； 比較每一個(gè)傳感器光束的對(duì)應(yīng)的通過(guò)時(shí)間；以及 針對(duì)風(fēng)向，確定垂直速度分量的指示。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的傳感器，其中，所述控制器被配置為: 確定風(fēng)的垂直速度分量的指示是否高于閾值水平，如果是，則發(fā)出警報(bào)信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的傳感器，其中，所述控制器被配置為: 確定風(fēng)的垂直速度分量的指示是否高于閾值水平，如果是，則使得風(fēng)力渦輪機(jī)葉片俯仰以漏過(guò)風(fēng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4中的任一項(xiàng)所述的傳感器，其中，所述控制器被配置為操作取向傳感器，用以確定輪轂、或者一個(gè)或多個(gè)葉片的取向，并且其中，所述控制器針對(duì)每一個(gè)檢測(cè)到的通過(guò)時(shí)間，記錄檢測(cè)到閃爍時(shí)的傳感器光束的取向。
6.根據(jù)權(quán)利要求2至5中的任一項(xiàng)所述的傳感器，其中，所述光源安裝在轉(zhuǎn)子葉片上，以使得所述傳感器光束投射到所述葉片的縱向方向上和所述葉片的前面；以及 其中，光檢測(cè)器位于所述轉(zhuǎn)子葉片上，與對(duì)應(yīng)的光源相鄰并定位為檢測(cè)來(lái)自風(fēng)中的通過(guò)所述至少兩個(gè)分量傳感器光束的顆粒物質(zhì)的光的閃爍。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的傳感器，其中，所述傳感器光束以相對(duì)于水平軸10到80度之間的角度投射在所述轉(zhuǎn)子葉片的前面。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的傳感器，其中，所述傳感器光束以相對(duì)于水平軸30到60度之間的角度投射在所述轉(zhuǎn)子葉片的前面。
9.根據(jù)權(quán)利要求6至8中的任一項(xiàng)所述的傳感器，其中，多個(gè)光源和光檢測(cè)器位于每一個(gè)轉(zhuǎn)子葉片上。
10.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的傳感器，其中，光源安裝在轉(zhuǎn)子輪轂上，或者接近或位于一個(gè)或多個(gè)葉片的葉片尖端。
11.根據(jù)權(quán)利 要求10所述的傳感器，其中，所述光源和所述光檢測(cè)器中的一個(gè)或多個(gè)安裝在從所述轉(zhuǎn)子輪轂突出的桿上。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的傳感器，其中，所述桿在所述轉(zhuǎn)子輪轂的前面突出，并且安裝為用于與所述轉(zhuǎn)子輪轂的旋轉(zhuǎn)軸同軸旋轉(zhuǎn)。
13.根據(jù)權(quán)利要求10至12中的任一項(xiàng)所述的傳感器，其中，圍繞旋轉(zhuǎn)軸順序布置所述至少兩個(gè)傳感器光束。
14.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的傳感器，其中，指示對(duì)于風(fēng)向的垂直速度分量的數(shù)據(jù)由所述控制器在延長(zhǎng)的時(shí)間段中收集，并發(fā)送到風(fēng)力渦輪機(jī)組操作者。
15.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的傳感器，其中，所述光源布置在所述轉(zhuǎn)子輪轂上，使得與轉(zhuǎn)子平面平行地投射所述傳感器光束；并且所述光接收器件位于轉(zhuǎn)子葉片中。
16.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的傳感器，其中，所述至少兩個(gè)平行分量傳感器光束具有相對(duì)于彼此不同的光波長(zhǎng)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的傳感器，其中，所述不同的波長(zhǎng)對(duì)于人眼是不可見(jiàn)的。
18.根據(jù)權(quán)利要求1至16中的任一項(xiàng)所述的傳感器，其中，所述至少兩個(gè)平行分量傳感器光束具有相同的波長(zhǎng)，但布置為以不同頻率閃爍。
19.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的傳感器，其中，每一個(gè)光源包括連接到光電子光源的光纖，其中，所述光電子光源容納在所述風(fēng)力渦輪機(jī)的電屏蔽部分中。
20.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的傳感器，其中，所述光接收器件傳感器連接到容納在所述風(fēng)力渦輪機(jī)的電屏蔽部分中的光電檢測(cè)器，并且所述光接收器件及其與所述光電檢測(cè)器的耦合是非電敏感的。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的傳感器，其中，每一個(gè)光源的光纖附接到相同的光電子光發(fā)射器。`
22.—種基本如本文并參考附圖所述的裝置。
23.一種風(fēng)力渦輪機(jī)，包括前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的傳感器。
24.一種操作風(fēng)力渦輪機(jī)光學(xué)風(fēng)傳感器的方法，用以確定到達(dá)風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的風(fēng)的速度和/或方向中的一個(gè)或多個(gè)，其中，所述光學(xué)風(fēng)傳感器包括安裝在所述風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子上的多個(gè)光源和光接收器件，以使得在使用中，所述光源和光接收器件圍繞所述轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，所述方法包括: 從每一個(gè)光源發(fā)出至少具有與所述轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸正交的第一方向光束分量的傳感器光束，其中，每一個(gè)傳感器光束由至少兩個(gè)平行分量傳感器光束組成； 借助所述光接收器件接收來(lái)自風(fēng)中的通過(guò)至少兩個(gè)分量傳感器光束的顆粒物質(zhì)的光的閃爍； 處理檢測(cè)到的光的閃爍，以確定通過(guò)對(duì)應(yīng)的至少兩個(gè)分量傳感器光束的顆粒物質(zhì)的通過(guò)時(shí)間；以及 基于檢測(cè)到的通過(guò)時(shí)間，確定風(fēng)中的顆粒物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)速度和/或方向中的一個(gè)或多個(gè)。
25.一種根據(jù)權(quán)利要求24所述的操作風(fēng)力渦輪機(jī)光學(xué)風(fēng)傳感器的方法，用以確定到達(dá)風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的風(fēng)的速度和/或方向中的一個(gè)或多個(gè)，其中，當(dāng)檢測(cè)到垂直風(fēng)向分量并且風(fēng)的速度超過(guò)預(yù)定閾值時(shí)，所述渦輪機(jī)操作降低功率或停止。
26.一種非暫時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，具有存儲(chǔ)在其上的計(jì)算機(jī)代碼，當(dāng)所述計(jì)算機(jī)代碼在處理器上執(zhí)行時(shí)，使所述處理器執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求24或25所述的方法的步驟。
27.—種基本如本文并參考附圖所述的方法。
28.—種基 本如本文并參考附圖所述的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。
【文檔編號(hào)】G01P5/20GK103635812SQ201280033207
【公開(kāi)日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2012年5月3日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月4日
【發(fā)明者】I·S·奧勒森 申請(qǐng)人:維斯塔斯風(fēng)力系統(tǒng)集團(tuán)公司