具有光纖風力傳感器的風力渦輪機部件的制作方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及具有光纖風力傳感器的風力渦輪機部件和用于操作傳感器的對應方法。
【背景技術(shù)】
[0002]當操作風力渦輪機時，為了控制和安全性目的，需要知道入射風速。在常規(guī)操作中，例如，獲知風速允許渦輪機操作員利用功率曲線來監(jiān)控產(chǎn)電，以及將風力渦輪機效率反饋給監(jiān)控和控制程序。
[0003]而且，在強風下，操作風力渦輪機可能不安全且可能需要使得渦輪機停機。替代地，可能期望將風力渦輪機葉片隔開，以使得風溢出且加載在葉片上的相關的風不超過最大安全操作閾值。
[0004]至今，用于確定入射風速的傳感器遇到許多劣勢。許多傳感器依靠通常被定位在風力渦輪機的機艙上的杯形風速計。這些系統(tǒng)通常不給出風速的準確測量，因為它們位于風力渦輪機轉(zhuǎn)子的后方(下風)，并且在轉(zhuǎn)子葉片轉(zhuǎn)動時受到轉(zhuǎn)子葉片的激發(fā)影響。
[0005]其他傳感器依靠安裝在機艙或轉(zhuǎn)子輪轂上且有賴于轉(zhuǎn)子測量遙遠場地風速的LIDAR(光檢測和搜索)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)普遍昂貴且需要定期維護以保持它們無累積的塵埃或冰。如同杯形風速計，LIDAR不提供在風力渦輪機上的局部風速的準確信息，僅提供入射風的更廣泛的測量。
[0006]已經(jīng)提出利用光纖的其他傳感器系統(tǒng)用于測量局部風速，S卩，靠近風力渦輪機部件的風速。這些傳感器系統(tǒng)設置成如LIDAR系統(tǒng)那樣操作，但是在附近場地工作。光從嵌入風力渦輪機部件或風力渦輪機葉片中的光纖輸出且從入射風中的顆粒或浮粒反射。反射光能夠在風力渦輪機中收集且能夠受到處理。這種系統(tǒng)優(yōu)于遙遠場地LIDAR系統(tǒng)的完全復雜性，但是通常也要求復雜的處理以給出可靠的信號。
[0007]因此已經(jīng)理解的是，期望提供具有操作容易且安裝便宜的光纖傳感器系統(tǒng)的風力渦輪機部件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]現(xiàn)在參考獨立權(quán)利要求限定本發(fā)明。有利的特征在從屬權(quán)利要求中列出。
[0009]在本發(fā)明的第一方面，提供一種風力渦輪機部件，包括:光纖，其具有感應部分，感應部分從風力渦輪機部件表面伸入鄰近風力渦輪機部件表面的氣流，以使得光纖感應部分由于由氣流施加的力而彎曲；光源，其用于將光信號輸入光纖的至少一端，光信號具有通過光信號穿過光纖的傳遞和光纖彎曲的量來改變的光學特征；光檢測器，其用于從光纖的感應部分接收光信號；和控制器，其聯(lián)接到光檢測器以從接收的光信號的光學特征確定風速。
[0010]用于檢測光纖彎曲的系統(tǒng)有利地提供低成本風速傳感器，所述風速傳感器不易于吸弓I雷擊或累積塵?；虮?br>[0011]在一個實施方式中，光纖感應部分的彎曲被限制到第一軸向方向。這對于來自傳感器的測量提供方向敏感性，以簡化風速的測量，所述風速在層流流動狀況下能夠假設為很大程度上是跨過風力渦輪機部件的單向的。
[0012]有利的是，光纖感應部分的彎曲具有由最大值和最小值限定的范圍，最小值對應于無風狀況或中間值對應于無風狀況。因此，傳感器能夠用于提供方向指示及速度指示。
[0013]感應部分的第一端固定在風力渦輪機部件的表面，且感應部分的第二端在氣流中自由移動。光源和光檢測器然后可聯(lián)接到感應部分的第一端，并且感應部分的第二端具有用于在光纖內(nèi)進行內(nèi)部反射光的鏡面。這允許光纖傳感器也用作用于風力渦輪機葉片的失速傳感器。
[0014]在一個實施方式中，光學特性是接收的光的強度，并且其中，光纖感應部分的表面具有設置成允許光從光纖離開的一個或多個光損部分，從光纖離開的光量取決于光損部分的彎曲的量。光強度的測量直接實施。而且，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)強度測量對于光纖的熱膨脹或縮小具有非常低的敏感性。
[0015]光損部分可包括在光纖的覆蓋層中的切口，并且還可包括具有進入芯體或覆蓋層中的鋸齒部的切口。鋸齒部或切口增加在光損部分的暴露面積上的彎曲的作用。
[0016]在另一實施方式中，感應部分附連到也伸入氣流的彈性支撐部件。彈性支撐部件能夠用于將第二光纖安裝到風力渦輪機部件上以給出方向性測量，或替代地可以用于提供附加剛性或提供對于單一光纖的支撐。
[0017]光纖感應部分可具有一個或多個光柵，光柵的間距由于感應部分的彎曲而改變。
[0018]光纖可具有兩個感應部分，并且光纖原路折回自身，以使得感應部分鄰近彼此，并且光纖在兩個位置從風力渦輪機部件的表面延伸。
[0019]在本發(fā)明的另一方面，提供失速傳感器以用于包括以上提及的風力渦輪機部件的風力渦輪機葉片。
[0020]在本發(fā)明的另一方面，提供滯留點傳感器以用于包括以上提及的風力渦輪機部件的風力渦輪機葉片。
[0021]本發(fā)明的另一方面提供對應方法和用于執(zhí)行所述方法的計算機程序。
【附圖說明】
[0022]現(xiàn)在將通過示例且參考附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，在所述附圖中:
[0023]圖1是用于檢測風速的第一光纖傳感器構(gòu)型的示意圖；
[0024]圖2是穿過圖1中示出的光纖的橫截面；
[0025]圖3是示出從光纖接收的光信號(轉(zhuǎn)換成電壓)和光纖的偏轉(zhuǎn)之間的關系的示意圖；
[0026]圖4是示出用于操作第一光纖傳感器構(gòu)型的設備的圖表；
[0027]圖5是用于檢測風速的第二光纖傳感器構(gòu)型的示意圖；
[0028]圖6是示出從光纖接收的光信號(基于接收頻率)和光纖的偏轉(zhuǎn)之間的關系的示意圖；
[0029]圖7示出局部風速傳感器中的傳感器實施方式的使用；
[0030]圖8示出差動風速傳感器中的傳感器實施方式的使用；
[0031]圖9和10示出失速傳感器中的傳感器實施方式的使用；以及
[0032]圖11示出滯留點傳感器中的傳感器實施方式的使用。
【具體實施方式】
[0033]現(xiàn)在將開始參考圖1、2和3更加詳細地描述本發(fā)明的示例性實施方式。這些圖示出安裝在風力渦輪機部件上的光纖傳感器的第一構(gòu)型，風力渦輪機部件諸如風力渦輪機葉片、輪轂、機艙或塔架。光纖設置成提供具有光學特征的光信號，光學特征取決于光纖彎曲的量而變化。彎曲是光纖被定位在風力渦輪機部件上方風流中的結(jié)果，并且受到來自風的力的影響。彎曲因此是局部風速的函數(shù)。較慢的風速導致較小的光纖彎曲，且較高的風速導致較大的光纖彎曲。
[0034]本發(fā)明的實施方式將由光纖傳感器檢測的彎曲的量轉(zhuǎn)換成風速的指示。取決于傳感器的位置，受測風速可以是跨過風力渦輪機葉片的空氣動力表面的局部風速、或整體入射到風力渦輪機機艙上的風的風速。這些傳感器參數(shù)然后可以在用于控制風力渦輪機的過程或用于指示局部狀況或操作策略的反饋數(shù)據(jù)的過程中使用。
[0035]在以下討論的更特定的示例中，受測風速是跨過風力渦輪機葉片的空氣動力表面的局部風速。這個測量值能夠在光纖失速傳感器中和在光纖滯留點傳感器中用于確定葉片的撞擊角度。
[0036]雖然光纖可以安裝在風力渦輪機部件上以使得光纖伸入風流，但是光纖也可以安裝在布置在風流中的彈性支撐部件上。
[0037]現(xiàn)在參照圖1，示出光纖偏轉(zhuǎn)或彎曲傳感器10。傳感器包括具有芯體12和覆層13的光纖11。光纖在鏡面部分14處終止，以使得沿光纖傳播的光(沿從光纖的底部到頂部的方向，例如，如圖1所示)在內(nèi)部反射回去(從光纖的頂部到底部)。
[0038]傳感器10的光纖11具有使得覆層13更透光的部分。這能夠通過從光纖整體或部分地移除覆層實現(xiàn)。這個部分然后形成芯體12暴露的光損部分15，以允許在光纖芯體12中傳播的光離開。暴露表面可以是平滑的、或選擇性地可以是如圖1示出的由脊部或鋸齒部16構(gòu)成的波紋形。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)波紋部16增加從光損部分15到芯體12外側(cè)的光損量。
[0039]圖2示出穿過光纖11的剖視圖，以進一步示意光損部分15。如能夠從橫截面看見的，光損部分僅存在于光纖的一側(cè)上，雖然在其他實施方式中，另一獨立光損部分可以被定位在光纖的周邊上(諸如，在例如與第一光損部分角度隔開120度或90度的位置)。光損部分在光纖的僅一側(cè)上的作用是生成傳感器軸線21，S卩，光纖位置的變化引起光纖中的光信號的光學特征的較大變化的彎曲方向。
[0040]芯體12和覆層13可選擇性地由光吸收材料17覆蓋。雖然在圖2中，芯體12示出為在光損部分15處整體無覆層13，但是一些覆層可能保留。如果覆層13保留，則從芯體12損失的光量不那么多，但是傳感器仍能夠操作。
[0041]如在圖1中最清楚示出的，光纖傳感器10從風力渦輪機部件(諸如風力渦輪機葉片)的表面18延伸一小段距離。以這種方式，隨著風移動跨過部件的表面18，風使得光纖傳感器取決于風力強度和方向而彎曲或偏轉(zhuǎn)。光纖傳感器10優(yōu)選設置在風力渦輪機部件上，以使得由于風引起的彎曲的方向與傳感器軸線21對齊。在例如風力渦輪機葉片上，空氣將在層流狀況下跨過表面從前邊緣流到后邊緣。光纖傳感器因此放置成使得傳感器軸線點平行于穿過葉片的弦線。
[0042]光纖11的從風力渦輪機部件的表面18延伸的部分形成光纖的感應部分。
[0043]現(xiàn)在將更