專利名稱：組合式環境監測和電力供應設備的制作方法
技術領域：
本公開通常涉及適于檢測環境條件的環境監測裝置。具體而言，本公開涉及適于
測量風力渦輪機附近的風力條件的環境監測裝置，該風力渦輪機適于將風能，即自然能轉 換成電能。
背景技術：
風力渦輪機用于將風能轉換成電輸出能，其中，風力渦輪機包括塔架、機械外罩以 及具有多個轉子葉片和一個輪轂的轉子(rotor)，并能夠根據到來的風向進行調整。被布置 在塔架的頂部上的機械外罩可繞著諸如塔架軸線的垂直軸線旋轉。 為了使機械外罩繞著塔架軸線旋轉，向相對于到來的風向而旋轉機械外罩的致動 器(actuator)提供能量。在電網故障的情況下，例如，在只能提供很少外部能量或不能提 供外界能量的情況下，機械外罩的這種主動調整是不可能的。由于電網故障，導致不能提供 電能。因此不可能向到來的風向偏轉，無法引導風力渦輪機的輪轂朝向到來的風。
發明內容
有鑒于此，提供了一種適于檢測至少一種環境條件的環境監測裝置，該環境監測 裝置包括適于將所檢測的環境條件轉換成電檢測信號的傳感器設備(transducer device) 和適于將環境所提供的能量轉換成電輸出能的轉換器設備(converter device)，其中，傳 感器設備和轉換器設備形成為聯合單元(associated unit)。 根據另一方面，提供了一種風力渦輪機，其包括塔架、機械外罩以及轉子，該轉子 具有多個轉子葉片和一個輪轂，所述風力渦輪機還包括適于檢測環境條件的至少一個環境 監測裝置，該環境監測裝置具有適于將所檢測的環境條件轉換成電檢測信號的傳感器設備 和適于將環境所提供的能量轉換成電輸出能的轉換器設備，其中，傳感器設備和轉換器設 備形成為聯合單元。 根據又一方面，提供了用于測量風速矢量(風速和風向的量級)的風速感測器 設備(wind speed sensor device)，所述風速傳感器設備包括風速計裝置(anemometer means)和用于分析風速計輸出信號的信號處理裝置，所述風速感測器設備還包括適于將風 力所提供的機械能(mechanical energy)轉換成電能的裝置，其中，為電氣設備提供電能以 作為輔助電力供應。 根據又一方面，提供一種包括塔架、機械外罩以及轉子的風力渦輪機，該轉子具有 多個轉子葉片和一個輪轂，所述風力渦輪機還包括至少一個風速感測器設備，該風速感測 器設備具有風速計裝置和適于分析風速計輸出信號的信號處理裝置，其中，該至少一個風 速感測器設備包括適于向風力渦輪機的電氣設備供應輔助電力的輔助電力發電機，其中，
該風速計裝置適于驅動輔助電力發電機。 根據又一方面，提供一種用于測量風力渦輪機的環境條件的方法，該風力渦輪機 包括塔架、機械外罩以及轉子，該轉子具有多個轉子葉片和一個輪轂，所述方法還包括步驟通過傳感器設備來檢測風力渦輪機的環境條件，通過轉換器設備來向風力渦輪機的電 氣設備供應輔助電力，其中，傳感器設備和轉換器設備形成為聯合單元。
在包括對附圖的參照的說明書的剩余部分中，向本領域的普通技術人員更具體地
闡明了本發明的全面且允許的公開，包括其最佳模式。 圖1圖示了風力渦輪機的示意構成； 圖2是圖1所示的風力渦輪機的頂視圖； 圖3是圖1所示的風力渦輪機的截面圖，其中，在機械外罩上布置有聯合的傳感器 /轉換器設備； 圖4圖示了包括相關輸入和輸出信號的聯合的傳感器/轉換器設備的方框圖； 圖5是根據一個典型實施例的具有安裝在機械外罩的頂部上的第一和第二傳感 器/轉換器設備的風力渦輪機的截面頂視圖； 圖6是根據另一個典型實施例的具有第一和第二傳感器/轉換器設備的風力渦輪 機的截面頂視圖；以及 圖7是圖示了根據另一個典型實施例的用于測量風力渦輪機的環境條件的方法 的圖。 符號說明 100:風力渦輪機 101 :轉子葉片 102 :塔架 103 :機械外罩 104 :輪轂 105 :風向 106 :偏轉角 107 :塔架軸線 108 :轉子軸線 109 :傳動箱 200 :聯合的傳感器/轉換器設備 201 :第一傳感器/轉換器設備 202 :第二傳感器/轉換器設備 301 :環境條件 302 :電檢測信號 303 :環境能 304:輸出能 305:已處理的檢測信號 401 :傳感器設備 402 :轉換器設備 403 :處理器單元
4CN 101726762 A
說明書
3/6頁
具體實施例方式
現在將詳細地參照各種示范性的實施例，附圖中圖示了其中一個或者多個示例。 各個示例以說明的方式提供而不作為限定。例如，作為一個實施例部分而圖示或描述的特 征可以被繼續使用或接合其他實施例以產生又一個實施例。本公開將包括這類修改和變 型。 下面將解釋許多實施例。在此情況下，相同的結構特征由附圖中的相同的參考符 號標記。附圖中所顯示的結構沒有被真實地按比例描述而僅用于更好地理解實施例。
圖1是具有塔架102、機械外罩103以及轉子的風力渦輪機100的構成的說明性的 方框圖，其中，轉子具有多個轉子葉片101和一個輪轂104。 機械外罩103適于繞塔架軸線107旋轉預定的量，例如，偏轉角106。機械外罩103 還包括傳動箱109(gear box)，該傳動箱109用于將轉子的主軸連接至適于供應電輸出能 的發電機。 為了提高能量轉換效率，可以相對于到來的風向105而調整轉子軸線108。具體而
言，可以調整轉子軸線108以指向到來的風向105，如圖2中更清楚地所示。 圖2是圖1所示的風力渦輪機100的頂視圖。如圖2所示，調整風力渦輪機的外
罩103朝向到來的風向105，例如，使得轉子軸線108的方向與到來的風的方向105 —致。
如上所述，機械外罩103可以繞塔架軸線107偏轉，以實現圖2所示的情況。這種偏轉消耗
由電網或者輔助能源提供的電能。 這里應注意，在電網損耗(grid loss)的情況下需要調整外罩103以承受可能的 風暴。由于當風從正面來時風暴負荷較小，因此在風暴期間引導該外罩朝向到來的風。
圖3是圖1所示的風力渦輪機100的截面側視圖。具有轉子葉片101、輪轂104的 轉子繞轉子軸線108旋轉。在機械外罩103的頂部布置有聯合的傳感器/轉換器設備200。 聯合的傳感器/轉換器設備200本身可以是尺寸比風力渦輪機100小的風力渦輪機。
這里應注意，術語"聯合"也包括"集成"的含義。此外，"集成"意味著本領域中已 知的任何布置，以減少成本，或增加電力輸出，或規劃構件間的效率，而不一定意味著機械 地聯接，盡管機械連接是一個典型實施例且可以包含次優選的配置兩個構件彼此隔開預 定的距離，但在彼此非機械聯接或電聯接時共享構件，或者連接點、數據或其它集成關系。 "集成"可以包含這樣的配置傳感器具有殼體(housing)，轉換器具有第二殼體，且構件簡 單地共享更大的殼體，或者共享連接點，或者集成以簡單地共享數據。次優選地，構件可以 簡單地布置以相對于彼此共享至少一個功能或空間的關系。 具體而言，該聯合的傳感器/轉換器設備可以用于提供電輸出能，該電輸出能用 于對蓄電器單元(accumulator unit)(電池系統，儲能系統)進行充電，該蓄電器單元然后 在電網故障的情況下能夠提供充足的電力以使機械外罩103繞塔架軸線107偏轉。此外， 該聯合的傳感器/轉換器設備可以被用作適于檢測該風力渦輪機的環境條件的環境監測裝置。 聯合的傳感器/轉換器設備200可以布置成相對于機械外罩103可繞大致垂直的 軸線旋轉，從而引導聯合的傳感器/轉換器設備200朝向到來的風向。可以通過安裝在聯 合的傳感器/轉換器設備200上的太陽能電池(solar cell)來供應這種旋轉所需要的能
5量。此外，聯合的傳感器/轉換器設備200可以是自對準的。聯合的傳感器/轉換器設備 200可以是風速計裝置。 圖4是顯示了被用作感測器和能量轉換器的聯合的傳感器/轉換器設備的方框 圖。聯合的傳感器/轉換器設備200包括傳感器設備401和轉換器設備402。傳感器設備 401適于檢測環境條件301和提供取決于所檢測的環境條件301的電檢測信號302。
由聯合的傳感器/轉換器設備200的傳感器設備401輸出的電檢測信號302被 供給至處理器單元403，該處理器單元403適于處理電檢測信號302以提供處理檢測信號 305。該處理檢測信號305可以用于測量圖1所示的風力渦輪機100的環境條件，例如風向、 風速或諸如光強的其它環境條件。可以從隨時間解析的風速測量得到風的湍流強度。
根據一個典型實施例，聯合的傳感器/轉換器設備包括轉換器設備402，該轉換器 設備402將由風力渦輪機100的環境提供的環境能303轉換成電輸出能304。輸入到聯合 的傳感器/轉換器設備200的轉換器設備402的環境能303可以是風能(即機械能)或光 能(光強)。由聯合的傳感器/轉換器設備的轉換器設備402輸出的輸出能304可以被用 作能量以提供機械外罩103繞塔架軸線107的偏轉。 此外，能夠(雖然在圖4中未顯示)提供儲能元件即電池，以儲存由轉換器設備 402提供的能量。此外，輸出能304可以作為用于風力渦輪機100的電氣設備的輔助電力供 應。電輸出能304可以用于例如加熱風力渦輪機的轉子的轉子葉片101以防止結冰。
根據圖3和圖4所示的典型實施例，聯合的傳感器/轉換器設備被設計成組合單 元，其中，包括用于環境感測的傳感器設備和用于能量轉換的轉換器設備。
在圖3所示的典型實施例中，這些環境條件可以包括風速、風向和/或風的湍流。
這里應注意，聯合的傳感器/轉換器設備不限于用于測量風力條件的傳感器設 備。除風力條件的測量之外，還能夠監測光強，其中，傳感器設備是光強感測器，轉換器設備 是太陽能電池。 在圖3所示的典型實施例中，聯合的傳感器/轉換器設備包括風速和風向感測器， 轉換器設備包括發電機。 此外，該風速和風向感測器適于檢測風的湍流。 據估計，對典型的風力渦輪機100來說，使風力渦輪機100的外罩103向到來的風 向105偏轉所需要的偏轉電力是6kW，峰值為llkW。 該電力的量可以由使用輔助電力供應而被長時間充電的蓄電器單元或電池系統 提供。在偏轉期間，儲存的能量在相對短的時間內被消耗。 圖5是風力渦輪機100的頂視圖，其中，兩個傳感器/轉換器設備被布置在機械外 罩103的頂部。第一傳感器/轉換器設備201被布置成使其軸線平行于轉子軸線108。第 二傳感器/轉換器設備202被布置在機械外罩的頂部，其中，第二傳感器/轉換器設備202 的軸線被布置成大致與轉子軸線108正交。因此，即使機械外罩103沒有被精確地向到來 的風向105引導，也能夠將風能轉換成電能。該兩個傳感器/轉換器設備201、202的布置 使得該兩個傳感器/轉換器設備201 、202中的至少一個被大致向到來的風向引導。
此外，即使環境條件變化得很快，也可以測量諸如風向和風的湍流等的環境條件。
圖6是圖1所示的風力渦輪機100的頂視圖，其中，根據另一個典型實施例，第一 和第二聯合的傳感器/轉換器設備201和202分別被布置在機械外罩103的頂部。
第一和第二傳感器/轉換器設備201和202被布置成使它們的軸線彼此大致正 交且相對于轉子軸線108成約45。的角度。因此，可以測量不同的風向，并且，即使到來的 風向105與轉子軸線108不一致，也可以將風能轉換成電能。該兩個傳感器/轉換器設備 201、202的布置使得該兩個傳感器/轉換器設備201、202中的至少一個被大致向到來的風 向引導。因此，可能的是，根據圖5和圖6所示的典型實施例，即使到來的風向改變，也可以 轉換風能。 這里應注意，多于兩個的聯合的傳感器/轉換器設備200、201、202可以被布置在 風力渦輪機100。此外，可能的是，除了將至少一個聯合的傳感器/轉換器設備200布置在 機械外罩的頂部之外，還可以將至少一個聯合的傳感器/轉換器設備200直接布置在塔架 102上。在此情況下，至少一個聯合的傳感器/轉換器設備不與機械外罩一起繞水平塔架軸 線107旋轉。 傳感器設備401和轉換器設備402形成為聯合單元。此外，傳感器設備401，轉換 器設備402以及處理器單元403可以形成為聯合單元。至少兩個傳感器/轉換器設備201、 202被布置在機械外罩上，且其檢測軸線定向成彼此大致正交。 假如將圖4中描述的傳感器設備401設計成風速和風向感測器，那么，該感測器可 以適于檢測風的湍流。 用于測量風速矢量的風速感測器設備可以包括風速計裝置和用于分析風速計輸 出信號的信號處理裝置。風速感測器設備還可以包括用于將風力所提供的機械能轉換成電 能的裝置，其中，電能作為輔助電力供應而被提供給電氣設備。 風力渦輪機100可以至少包括風速計裝置和用于分析風速計輸出信號的信號處
理裝置。 圖7是圖示了根據另一個典型實施例的用于測量風力渦輪機的環境條件的方法 的圖。 風力渦輪機包括塔架、機械外罩以及轉子，該轉子具有多個轉子葉片和一個輪轂， 用于測量風力渦輪機的環境條件的方法包括步驟通過傳感器設備來檢測風力渦輪機的環 境條件，并通過轉換器設備來向風力渦輪機的電氣設備供應輔助電力，其中，傳感器設備和 轉換器設備形成為聯合單元。 可以獨立地進行檢測風力渦輪機100的環境條件的步驟和向風力渦輪機100的電 氣設備供應輔助電力的步驟。除此之外，還可以以交叉的方式進行檢測風力渦輪機的環境 條件的步驟和向風力渦輪機的電氣設備供應輔助電力的步驟。 此外，可以同時進行檢測風力渦輪機100的環境條件的步驟和向風力渦輪機的電 氣設備供應輔助電力的步驟。 作為一個示例，輔助電力可以用于偏轉和/或傾斜風力渦輪機的轉子葉片。
可以在不同模式下進行偏轉，這些模式包括不同的偏轉速度、針對最大允許電纜 扭轉(cable twist)和最大允許偏轉誤差(misalignment)的不同設定中的至少一個。可 以基于諸如以前和目前的風速、蓄電器能級、偏轉誤差、電網可用性等各種輸入來選擇這些 模式。 根據附圖中顯示的實施例描述了本發明，且從這些實施例顯出了進一步的優點和 修改。然而，本發明不限于具體術語中描述的實施例，反而可以以適當的方式進行修改和變型。以適當的方式將一個實施例的個別特征和組合特征與另一個實施例的特征和組合特征 進行組合以得到進一步的實施例是屬于本發明的范圍內的。基于本文中的教導，本領域的 技術人員將清楚在不脫離所公開的本發明及其更廣泛的方面的情況下，可以進行變化和修 改。即，本文中所闡明的所有的示例旨在示范和非限制。
權利要求
一種環境監測裝置，適于檢測至少一種環境條件，包括傳感器設備(401)，適于將所檢測的環境條件轉換成電檢測信號(302)；以及轉換器設備(402)，適于將所述環境所提供的能量轉換成電輸出能，其中，所述傳感器設備(401)和所述轉換器設備(402)形成為聯合單元(200)。
2. 根據權利要求l所述的環境監測裝置，其特征在于，所述傳感器設備(401)是風速和 風向感測器，所述轉換器設備(402)是發電機。
3. 根據權利要求2所述的環境監測裝置，其特征在于，所述風速和風向感測器適于檢 測隨時間變化的風速以得到風的湍流。
4. 根據權利要求l所述的環境監測裝置，其特征在于，所述傳感器設備(401)是光強感 測器，所述轉換器設備(402)是太陽能電池。
5. 根據權利要求l所述的環境監測裝置，其特征在于，提供處理器單元(403)，以處理 所述電檢測信號(302)。
6. —種風力渦輪機，包括根據上述權利要求中任一項所述的至少一個環境監測裝置，其中，兩個傳感器/轉換 器設備(201,202)被布置在所述風力渦輪機(100)的機械外罩(103)上，且它們的檢測軸 線定向成彼此大致正交。
7. 一種風力渦輪機(100)，包括:至少一個風速感測器設備，包括風速計裝置和適于分析風速計輸出信號的信號處理裝 置，其中，所述至少一個風速感測器設備包括適于向所述風力渦輪機的電氣設備供應輔助電力 的輔助電力發電機，其中，所述風速計裝置適于驅動所述輔助電力發電機。
8. 根據權利要求7所述的風力渦輪機，其特征在于，兩個傳感器/轉換器設備(201， 202)被布置在所述風力渦輪機(100)的機械外罩(103)上，且它們的檢測軸線定向成彼此 大致正交。
9. 根據權利要求8所述的風力渦輪機，其特征在于，至少一個傳感器/轉換器設備適于 可繞大致垂直的軸線旋轉，以引導所述風速計裝置朝向所述到來的風向，其中，通過安裝在 所述風速計裝置上的太陽能電池來供應所述旋轉所需要的能量。
10. —種用于測量風力渦輪機的環境條件的方法，包括 通過傳感器設備來檢測所述風力渦輪機的環境條件，以及 通過轉換器設備來向所述風力渦輪機的電氣設備供應輔助電力，其中， 所述傳感器設備和所述轉換器設備形成為聯合單元。
全文摘要
本發明涉及一種包括塔架、機械外罩以及轉子的風力渦輪機，該轉子具有多個轉子葉片和一個輪轂。此外，風力渦輪機包括至少一個風速感測器設備，該風速感測器設備具有用于檢測至少一種環境條件的至少一個環境監測裝置，該環境監測裝置包括用于將所檢測的環境條件轉換成電信號的傳感器設備和用于將環境所提供的能量轉換成電輸出能的轉換器設備。傳感器設備和轉換器設備形成為聯合單元。
文檔編號G01W1/00GK101726762SQ20091017948
公開日2010年6月9日 申請日期2009年10月9日 優先權日2008年10月10日
發明者J·J·涅斯, L·G·A·克伯爾 申請人:通用電氣公司