本發(fā)明涉及風(fēng)力渦輪機以及用于校準風(fēng)力渦輪機的偏航系統(tǒng)的方法和裝置。另外，建議了相符的計算機程序產(chǎn)品和計算機可讀介質(zhì)。

背景技術(shù)：

操作中的風(fēng)力渦輪機并非總是經(jīng)受垂直于轉(zhuǎn)子平面的風(fēng)。當風(fēng)力渦輪機的轉(zhuǎn)子平面（其也被稱為航向（heading））不垂直于風(fēng)時，效率將降低。因此，實際風(fēng)力渦輪機包括被設(shè)計成自動調(diào)整其航向（例如，將轉(zhuǎn)子平面旋轉(zhuǎn)成垂直于進入的風(fēng)）或相對于風(fēng)維持一定角度以使渦輪機轉(zhuǎn)子的表面積（“偏航”）最大化的偏航系統(tǒng)。

通常地，偏航系統(tǒng)是機艙的一部分，所述機艙可參與偏航運動（即，經(jīng)由至少一個偏航軸承可旋轉(zhuǎn)地安裝在塔架的頂部上）。轉(zhuǎn)子附接于機艙的逆風(fēng)側(cè)。轉(zhuǎn)子經(jīng)由傳動系聯(lián)接到裝納在機艙內(nèi)側(cè)的發(fā)電機。轉(zhuǎn)子包括中央轉(zhuǎn)子轂和多個葉片，所述葉片安裝于轉(zhuǎn)子轂并從轉(zhuǎn)子轂徑向地延伸，從而限定轉(zhuǎn)子平面。

對于風(fēng)力發(fā)電廠操作員而言，知道轉(zhuǎn)子平面的實際位置或方向或者相應(yīng)風(fēng)力渦輪機的航向是重要的，所述平面或航向與機艙的實際位置或方向相關(guān)聯(lián)。機艙的實際方向也被稱為偏航方向或偏航位置，或相對于預(yù)先限定的方向（例如，基本方向）被稱為偏航角。替代性地，偏航角可以被限定為機艙相對于進入的風(fēng)的方向的方向。

圖1以示意性俯視圖示出風(fēng)力渦輪機100關(guān)于眾所周知的方位基點或羅經(jīng)點（在圖1的背景中被指示為羅經(jīng)盤）的示例性情形。轉(zhuǎn)子轂120安裝在機艙110的逆風(fēng)側(cè)處，所述轉(zhuǎn)子轂120包括限定轉(zhuǎn)子平面140的多個葉片130。根據(jù)圖1的情形，風(fēng)力渦輪機100的實際偏航方向150（其也被稱為“羅經(jīng)航向”），即，機艙110的實際方向指向基本方向“東北”或“ne”。如圖1中示例性地示出的，絕對偏航角“θ偏航角”相對于朝向基本方向“北”或“n”的風(fēng)力渦輪機參考實際偏航方向150。絕對偏航角θ偏航角由箭頭160指示，其中，θ偏航角=45°。

關(guān)于偏航方向的信息是用于分析關(guān)于風(fēng)力渦輪機的數(shù)據(jù)或執(zhí)行扇形件（sector）管理控制的常用基礎(chǔ)，其中所述扇形件管理控制比如例如：

–關(guān)于風(fēng)型的現(xiàn)場風(fēng)測繪和歷史數(shù)據(jù)收集，

–通過避免在噪音生成過度的風(fēng)向中操作來限制風(fēng)力渦輪機噪音，

–自動減縮（curtailment）和調(diào)節(jié)處于可能存在顯著的風(fēng)湍流的偏航角下的風(fēng)力渦輪機，

–針對在日間的某些時間和某些偏航角下的附近居民或商戶預(yù)防陰影閃爍/光污染，

–遠程手動控制風(fēng)力渦輪機偏航位置，

–有效測試及風(fēng)力渦輪機功率曲線確認，或

–在有冰情況期間當維修組靠近時安全地定位轉(zhuǎn)子。

為了確定例如絕對偏航角，風(fēng)力渦輪機可裝備有偏航編碼器，所述偏航編碼器測量相對于靜止物體（比如，例如固定于地平面處的地基的塔架）的相對偏航方向。通常，在風(fēng)力渦輪機安裝結(jié)束之后通過確定參考偏航方向或參考偏航角來校準偏航編碼器（也被稱為“初始校準”）。

在一些情形中，由于應(yīng)用粗略的估計或經(jīng)驗法則以確定作為用于偏航角校準的基礎(chǔ)或參考的基本方向，因此偏航角的初始校準是不正確的或較不準確。

偏航角校準不準確的另一原因是風(fēng)力渦輪機安裝基于包括強大的永磁體的設(shè)計，從而消除了應(yīng)用磁羅經(jīng)以確定偏航方向或偏航角的可能性。作為另一個通常的缺點，磁羅經(jīng)本身包括不準確性，特別是在位于高地理緯度的安裝設(shè)施處。

替代性地，已應(yīng)用基于gps（全球定位系統(tǒng)）或其它基于衛(wèi)星的定位系統(tǒng)的羅經(jīng)來確定風(fēng)力渦輪機的參考偏航方向。然而，這些系統(tǒng)會需要專用維修組的專業(yè)技能，并且維修時間局限于具體測試和測量應(yīng)用。

更進一步地，前述系統(tǒng)可承受具體偏航位置或偏航方向偏移在風(fēng)力渦輪機配置（比如，例如軟件參數(shù)列表）中可以被覆寫或刪除的風(fēng)險。還可以存在偏航傳感器在損傷維修期間被改變的風(fēng)險。在這種狀況中，可能存在偏航位置未被恰當校準和可能讀出錯誤的偏航位置的風(fēng)險。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

因此，目標是克服前述缺點，且具體地提供用于優(yōu)化風(fēng)力渦輪機的偏航系統(tǒng)的改進方法。

根據(jù)獨立權(quán)利要求的特征解決該問題。另外的實施例由從屬權(quán)利要求產(chǎn)生。

為了克服這個問題，提供一種用于校準風(fēng)力渦輪機的偏航系統(tǒng)的方法，其包括以下步驟：

–關(guān)于風(fēng)力渦輪機的位置確定真實太陽位置，

–基于以下各項校準偏航系統(tǒng)：

–基于真實太陽位置；以及

–基于渦輪機專用信息。

確定太陽的真實位置意指獲取表示太陽在天空中的實際位置的信息。該信息還可表示太陽位置向量，即，表示關(guān)于例如風(fēng)力渦輪機的地理位置朝向真實太陽位置的方向的信息。

校準意指基于例如太陽位置信息來確定參考偏航方向或參考偏航角。作為示例，可基于所提議的解決方案將基本方向“北”確定為參考偏航方向。

所提議的解決方案提供一種用于校準或重新校準風(fēng)力渦輪機的偏航系統(tǒng)的經(jīng)濟的且特別地價格合理的方法。

所呈現(xiàn)的本發(fā)明的一個方面在于，在校準偏航系統(tǒng)期間，可以使用真實太陽位置作為可靠及絕對的方向指示。

在實施例中，渦輪機專用信息包括以下各項中的至少一項：

–表示風(fēng)力渦輪機的地理位置的信息，

–日歷信息，

–校準信息。

可通過使用地理坐標系來限定地理位置。作為示例，可根據(jù)以下各項來限定地理位置：

–地理緯度和經(jīng)度坐標系，或

–通用橫軸墨卡托（utm）坐標系，或

–通用極球面（ups）坐標系。

日歷信息可以是根據(jù)單個風(fēng)力渦輪機的地理位置的當?shù)厝掌诤彤數(shù)貢r間。

校準信息可以是已經(jīng)存在的信息，例如

-表示偏航系統(tǒng)的當前配置，和/或

-表示在過去執(zhí)行的校準步驟的結(jié)果，其中，所述校準步驟的結(jié)果已儲存在風(fēng)力渦輪機的存儲器中。

作為示例，可將前述渦輪機專用信息分配于儲存在風(fēng)力渦輪機的存儲器中的查找表。

在另一實施例中，所述方法包括：

–基于偏航系統(tǒng)的當前配置關(guān)于風(fēng)力渦輪機的位置確定估計的太陽位置，

–用真實太陽位置驗證估計的太陽位置，

–基于驗證的結(jié)果校準偏航系統(tǒng)。

在實施例中，在至少一個太陽位置傳感器的幫助下確定真實太陽位置。

在另一實施例中，

-至少一個太陽位置傳感器包括

-測量光的強度的至少一個光敏傳感器，以及

-至少一個陰影發(fā)出（shadowemitting）元件，

-其中，至少一個太陽位置傳感器被布置成使得至少一個光敏傳感器測量光的強度，所述強度取決于太陽的實際位置以及取決于至少一個陰影發(fā)出元件的單個設(shè)計和取向。

在下一個實施例中，

-至少一個太陽位置傳感器被布置在機艙頂部上或風(fēng)力渦輪機的轉(zhuǎn)子轂前方，

-根據(jù)表示估計的太陽位置的偏航方向使機艙偏航，

-在太陽位置傳感器的幫助下用真實太陽位置驗證偏航方向，

-基于驗證的結(jié)果校準偏航系統(tǒng)。

還有一個實施例是在機艙的解纜（unwind）程序期間執(zhí)行所述方法。

依據(jù)另一個實施例，在確定真實太陽位置期間，最小化或去除干擾效應(yīng)。

干擾效應(yīng)可為在風(fēng)力渦輪機的正常操作期間的葉片陰影效應(yīng)以及通過使用適當算法或過濾器得以去除或最小化的黑夜和云效應(yīng)。

上文所陳述的問題也由風(fēng)力渦輪機解決，所述風(fēng)力渦輪機包括：

-偏航系統(tǒng)，

-處理單元，其被布置成用于：

–關(guān)于風(fēng)力渦輪機的位置確定真實太陽位置，

–基于以下各項校準偏航系統(tǒng)：

–基于真實太陽位置；以及

–基于渦輪機專用信息。

上文所陳述的問題也由一種裝置解決，所述裝置包括處理器單元和/或硬連線電路和/或邏輯裝置，和/或與處理器單元和/或硬連線電路和/或邏輯裝置相關(guān)聯(lián)，所述處理器單元和/或硬連線電路和/或邏輯裝置被布置成使得能夠在其上執(zhí)行如本文中所描述的方法。

所述處理單元可包括以下各項中的至少一項：處理器、微控制器、硬連線電路、asic、fpga、邏輯裝置。

本文中所提供的解決方案進一步包括能夠直接加載于數(shù)字計算機的存儲器中的計算機程序產(chǎn)品，其包括用于執(zhí)行如本文中所描述的方法的步驟的軟件代碼部分。

另外，上文所陳述的問題由計算機可讀介質(zhì)（例如，任何種類的儲存裝置）解決，所述計算機可讀介質(zhì)具有計算機可執(zhí)行指令，所述指令適應(yīng)于引起計算機系統(tǒng)執(zhí)行如本文中所描述的方法。

本文中所提供的解決方案進一步包括用于確定太陽的真實或?qū)嶋H位置的至少一個太陽位置傳感器，所述至少一個太陽位置傳感器包括：

-測量光的強度的至少一個光敏傳感器，以及

-至少一個陰影發(fā)出元件，

其中，至少一個太陽位置傳感器被布置成使得至少一個光敏傳感器測量光的強度，所述強度取決于太陽的實際位置并且取決于至少一個陰影發(fā)出元件的單個設(shè)計和取向。

附圖說明

在以下附圖中示出和說明了本發(fā)明的實施例：

圖1以示意性俯視圖示出風(fēng)力渦輪機關(guān)于眾所周知的方位基點的示例性情形；

圖2a和圖2b以示意圖示出太陽位置傳感器的一個可能的實施例；

圖3a和圖3b形象化如圖2中所示的太陽位置傳感器200取決于太陽的位置的兩種可能的情形；

圖4a和圖4b形象化根據(jù)所提議的解決方案的太陽位置傳感器的替代性實施例；

圖5以俯視圖示出如圖4中所示的太陽位置傳感器的若干示例性操作情形；

圖6以框圖示出實現(xiàn)所提議的解決方案的示例性信號流程圖。

具體實施方式

圖2以示意圖示出可根據(jù)所提議的解決方案使用的太陽位置傳感器200的一個可能的實施例。由此，圖2a形象化太陽位置傳感器200的俯視圖，并且圖2b形象化太陽位置傳感器200的透視圖。太陽位置傳感器200包括接地板210連同固定的第一陰影發(fā)出（shadowemitting）元件220和第二陰影發(fā)出元件225，每個陰影發(fā)出元件均呈被布置成正交于接地板210的半圓板的形式。由此，陰影發(fā)出元件220、225被布置以便提供沿接地板210延伸入縱向方向或軸線245中的通道（由箭頭240指示），其適合于導(dǎo)引從源通過通道240發(fā)出的光。在通道240的特定中心中（即，在兩個陰影發(fā)出元件220、225的布置的中心中），光敏傳感器230被布置在接地板210上。

光敏傳感器230的一個可能的實施例是光敏電阻。

替代性地，可使用ccd傳感器（電荷耦合裝置）。

接地板210可進一步包括與縱向軸線245對齊的標記250，所述標記250指示太陽位置傳感器200的當前方向（也被稱為“取向”）。在圖2a中，太陽位置傳感器200的當前方向/取向由箭頭255指示。

根據(jù)所提議的解決方案，能夠根據(jù)以垂直于接地板200的方式布置的旋轉(zhuǎn)軸線使太陽位置傳感器200旋轉(zhuǎn)。在圖2b中，所述旋轉(zhuǎn)軸線由箭頭270指示。

圖3形象化如圖2中所示的太陽位置傳感器200取決于太陽位置傳感器200相對于光源位置（比如，例如太陽位置）的當前取向的兩種可能情形。在圖3中，主要使用與如圖2中所示的附圖標記相同的附圖標記。在圖3的情形中，由假想太陽發(fā)射的光由箭頭310指示。換句話說，太陽的真實位置與發(fā)射的光310相關(guān)。

根據(jù)如圖3a中所示的情形，太陽位置傳感器200與太陽310的真實位置完全對齊，即，太陽位置傳感器200的取向255確切地指向太陽的位置。因此，陰影發(fā)出元件220、225未朝向通道240發(fā)射陰影，即，最大量的光被導(dǎo)引通過兩個陰影發(fā)出元件220、225之間的通道240。因此，由光敏傳感器230測量或記錄光的最大量或光的最大強度。對應(yīng)地，由光敏傳感器230測量或記錄“陰影強度”的最小量。

相比之下，根據(jù)如圖3b中所示的示例性情形，由于太陽位置傳感器200的示例性逆時針旋轉(zhuǎn)，太陽位置傳感器200的取向255與太陽310的真實位置之間存在失準。所述失準由角度“α”（由箭頭320指示）指示。由于該失準，陰影發(fā)出元件220朝向通道240發(fā)出陰影330。由于陰影330覆蓋光敏傳感器230，因此由光敏傳感器230測得的光的測得強度小于圖3a的測得的光強度。

取決于太陽位置傳感器200的取向的測得的或記錄的光強度的差異是用于根據(jù)所提議的解決方案確定太陽的真實位置的基礎(chǔ)。

根據(jù)所提議的解決方案的一個可能的實施例，如圖2和圖3中所示的太陽位置傳感器200安裝在風(fēng)力渦輪機的機艙頂部上。由此，以一定方式安裝太陽位置傳感器200，使得太陽位置傳感器200的取向255與風(fēng)力渦輪機的航向或偏航方向一致。

可以應(yīng)用以下步驟以便根據(jù)所提議的解決方案校準風(fēng)力渦輪機的偏航位置：

在第一步驟中，可基于風(fēng)力渦輪機的當前配置信息/數(shù)據(jù)估計太陽的位置（“估計的太陽位置”）。這些配置數(shù)據(jù)還可以包括當前校準數(shù)據(jù)，其可以是由在過去執(zhí)行的在先校準步驟產(chǎn)生的信息。

在第二步驟中，根據(jù)估計的太陽位置使風(fēng)力渦輪機偏航，即，以一定方式使包括風(fēng)力渦輪機的轉(zhuǎn)子轂的機艙偏航，使得風(fēng)力渦輪機的航向或偏航方向與估計的太陽位置一致。因此，由于固定的附接，太陽位置傳感器200的取向相應(yīng)地改變。

在第三步驟中，通過分析所記錄的由太陽位置傳感器200測量的光的強度，用真實太陽位置驗證估計的太陽位置。為此，進一步運動（即，使機艙沿兩個可能的偏航方向偏航）可以是必須的，以確定測得的光的強度的最大值或確定覆蓋光敏傳感器230的陰影的最小值。通過識別光強度的最大值（替代性地，陰影強度的最小值），可以確定光的真實位置。

在太陽的估計位置與真實位置之間存在失準的情況下，可在第四步驟期間發(fā)起偏航系統(tǒng)的新校準或重新校準。

圖4形象化根據(jù)所提議的解決方案的太陽位置傳感器400的替代性實施例。由此，圖4a示出太陽位置傳感器400的俯視圖，并且圖4b示出太陽位置傳感器400的側(cè)視圖。在接地板410（其可為環(huán)形）上，根據(jù)環(huán)狀布置放置一圈若干光敏傳感器430。此外，環(huán)形陰影發(fā)出元件420（比如，例如圓盤或板）被布置成使得當在等軸視圖中從頂部直接向下觀察時，所有光敏傳感器430的光敏區(qū)域的某一部分均被覆蓋或遮蔽。根據(jù)圖4a的示例，光敏傳感器430中的每一個的光敏區(qū)域的大約50%被圓盤420覆蓋或遮蔽。該圈光敏傳感器430以及圓盤420由固定到緊固板455的半球形透明頂蓋450覆蓋。

太陽位置傳感器400的組成或設(shè)計使得在太陽在天空上運動和/或風(fēng)力渦輪機偏航時，由圓盤420發(fā)射或投射的陰影將至少部分地覆蓋某一數(shù)量的光敏傳感器430的光敏區(qū)域，同時其余的光敏傳感器430將完全暴露于陽光?；谶@種可用的信息（即，哪些光敏傳感器430由單個百分比的陰影（“陰影覆蓋率”）所覆蓋），可能通過數(shù)據(jù)處理來獲取指示朝向太陽的真實位置的方向的航向向量（“太陽位置向量”）。

進一步的信息對于準確地確定太陽的真實位置可以是必要的，比如，例如以下各項中的至少一項：

-表示風(fēng)力渦輪機的地理位置的信息，

-日歷信息（例如，日期和當?shù)貢r間），

-當前校準信息。

根據(jù)先進的實施例，連續(xù)測量（即，對光敏傳感器430的陰影覆蓋率的連續(xù)分析）將允許對結(jié)果求平均值且因此提供對太陽的真實位置的非常準確的獲取。

圖5以俯視圖示出如圖4中所示的太陽位置傳感器400的若干示例性操作情形。由此，假設(shè)太陽位置傳感器400被安裝在面向北的風(fēng)力渦輪機的機艙頂部上，并且所述風(fēng)力渦輪機在地理上位于地球的北半球。

圖5a的示例性操作情形表示大約中午時的時序的狀況（chronologicalsituation）。由于陰影通常由圓盤420發(fā)射，所以在中午時分第一數(shù)量（由附圖標記430a指示）的光敏傳感器至少部分地由陰影（由箭頭520指示）覆蓋，并且第二數(shù)量（由附圖標記430b指示）的光敏傳感器未被陰影520覆蓋。基于由光敏傳感器430提供的各個測量信號，能夠獲取指向太陽的真實位置的實際太陽位置向量（由箭頭530指示）。

進一步地，如上文已經(jīng)解釋的那樣，能夠基于可用的（例如，所儲存的）風(fēng)力渦輪機專用信息來確定估計的太陽位置。

在真實太陽位置與估計的太陽位置之間存在失準的情況下，能夠發(fā)起偏航系統(tǒng)的新校準或重新校準。

圖5b中示出兩個另外的示例性情形，其中，早晨時分的對應(yīng)“陰影情形”由箭頭550指示，且夜晚時分的對應(yīng)“陰影情形”由箭頭560指示。

作為優(yōu)點，通過使用安裝在機艙頂部上的如圖4和圖5中所示的太陽位置傳感器400，對于確定太陽的真實位置，不必要使風(fēng)力渦輪機偏航。因此，可以在不切換到不同操作模式（比如，例如切換到渦輪機專用校準模式）的情況下在風(fēng)力渦輪機的正常操作期間執(zhí)行所提供的解決方案。

根據(jù)所提供的解決方案的另一可能的實施例（未示出），如圖4和圖5中所示的太陽位置傳感器可布置在轉(zhuǎn)子轂前方，具體地可以固定在轉(zhuǎn)子轂的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動體（spinner）（“轉(zhuǎn)動體安裝式傳感器”）上，以在安裝期間避免可能的方向失準。在轉(zhuǎn)子轂的旋轉(zhuǎn)期間連續(xù)地掃描光的強度并與方位角和太陽位置相關(guān)聯(lián)，可以獲取精確的偏航方向。相比于如圖2和圖3中所示的情形，無需精確定位太陽位置傳感器，因為收集到的總是軸對稱數(shù)據(jù)。作為相對圖2和圖3的太陽位置傳感器200的另一優(yōu)點，轉(zhuǎn)動體安裝式傳感器能夠以比當僅指向太陽時的角度更寬的角度操作。

所提議的解決方案的所有可能的實施例的基本原理是基于對環(huán)境光強度的測量。因此，在處理所得的測量信號期間，必須區(qū)分正常日光、電光源與直射陽光，其中，光的強度是用以控制風(fēng)力渦輪機操作的期望的參數(shù)。

另外的干擾效應(yīng)可由與電線（與傳感器相關(guān)聯(lián)）有關(guān)的發(fā)光引起。可通過使用例如光纖電纜來避免這些干擾效應(yīng)。

圖6以框圖示出實現(xiàn)所提議的解決方案的示例性信號流程圖。

框610表示通過使用根據(jù)所提議的解決方案的太陽位置傳感器測量當前光強度的操作步驟。向處理步驟（由框620表示）提供所得的測量信號615，所述處理步驟應(yīng)用算法以便過濾或去除干擾效應(yīng)（比如，例如葉片陰影效應(yīng)、黑夜和云效應(yīng)）。

將所得的信號625（例如，表示所獲取的真實太陽位置）轉(zhuǎn)發(fā)到由框640指示的另一操作步驟。

另一框630表示基于以下各項確定估計的太陽位置的操作步驟：例如

-風(fēng)力渦輪機的地理信息，和/或

-當?shù)厝掌?、當日的當?shù)貢r間，和/或

-當前偏航位置和/或當前偏航校準。

向操作步驟640提供估計的太陽位置635，所述操作步驟640表示計算所提供的真實太陽位置625與所提供的估計的太陽位置635之間的可能失準的操作步驟。由此，在太陽位置625、635兩者之間存在計算出的失準的情況下，操作步驟640也表示基于計算出的失準進行的另一校準步驟或重新校準步驟。

盡管已經(jīng)以優(yōu)選實施例及對其所作的變型的形式公開了本發(fā)明，但將理解的是，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，能夠?qū)ζ渥鞒鲈S多額外的改型和變型。