專利名稱：用于提高風機運行效率的測風裝置及其風力發(fā)電機組的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及風力發(fā)電技術領域，具體涉及一種用于提高風機效率的測風裝置及應用該測風裝置的風力發(fā)電機組。
背景技術：
在風力發(fā)電機組的工作過程中，為保證其發(fā)電功率的穩(wěn)定性，需要根據(jù)風速對葉輪的槳距角進行及時調整。因此，對風速的準確測量就顯得尤為重要。目前，常采用一種機械式測風裝置實現(xiàn)上述風速測量過程。該裝置類似于氣象監(jiān)測中所使用的葉輪式風速測量裝置，其原理為空氣流動同時帶動葉輪旋轉，且葉輪的轉速與風速具有正比關系，從而根據(jù)葉輪的轉速即可獲知此時的風速。然而，采用上述風速測量方式的風力發(fā)電機組在實際應用中存在下述缺點。首先， 由于上述測風裝置采用機械結構的測量方式，其測量精度容易受到外部環(huán)境和機械磨擦等因素的影響而產生誤差，從而降低風機變槳的調節(jié)精度，最終將影響風機的發(fā)電效率及穩(wěn)定性。而且，由于上述測風裝置多被安裝在葉輪后方的機艙外部，空氣在流動過程中會首先經(jīng)過葉輪并損失一定的動能后才會經(jīng)過該測風裝置，因此將該位置處所測量的風速值用于對風機葉輪進行變槳控制勢必產生一定的誤差，同樣會影響風機的變槳精度。為此，技術人員試圖采用發(fā)電機轉速作為變槳系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)，具體是根據(jù)發(fā)電機轉速的變化對槳距角進行調整，然而該方案具有一定的滯后性，從而使風機的輸出功率不斷波動，不僅會降低風機的實際發(fā)電量，而且還會增加葉輪系統(tǒng)所受的載荷，進而影響風機的使用壽命。
發(fā)明內容發(fā)明目的本實用新型提供一種用于提高風機運行效率的測風裝置及其風力發(fā)電機組，其目的是解決以往的風速測量方式效果不理想的問題。技術方案本實用新型是通過以下技術方案實現(xiàn)的—種用于提高風機運行效率的測風裝置，其特征在于所述測風裝置包括非接觸式測量探頭、測量控制單元和輸出單元；非接觸式測量探頭連接測量控制單元，測量控制單元連接輸出單元。非接觸式測量探頭內設置有測量波發(fā)射模塊和測量波接收模塊，測量波發(fā)射模塊連接至測量波接收模塊，測量波接收模塊連接至測量控制單元。測量控制單元包括放大器、頻率比較器以及計算器，放大器一方面與非接觸式測量探頭連接，另一方面連接至頻率比較器，頻率比較器連接計算器，計算器連接輸出單元。測量波發(fā)射模塊內設置有激光發(fā)射器，測量波接收模塊內設置有激光接收器，在非接觸式測量探頭內還設置有將激光發(fā)射器所發(fā)出的激光中的一部分直接反射給激光接收器的分光模塊。所述測量波發(fā)射模塊內設置有超聲波發(fā)射器，所述測量波接收模塊內設置有超聲波接收器，在非接觸式測量探頭內還設置有將超聲波發(fā)射器所發(fā)出的超聲波中的一部分直
3接反射給超聲波接收器的超聲波分流模塊。該裝置還包括將非接觸式測量探頭、測量控制單元和輸出單元固定在風力發(fā)電機組的機艙外部或風力發(fā)電機組附近的地面上的支架。應用上述的用于提高風機運行效率的測風裝置的風力發(fā)電機組，包括機艙和葉輪，葉輪伸進機艙內，與機艙內的發(fā)電機連接，葉輪連接至風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)，其特征在于該風力發(fā)電機組還包括有用于提高風機運行效率的測風裝置，該測風裝置包括非接觸式測量探頭、測量控制單元和輸出單元；非接觸式測量探頭連接測量控制單元，測量控制單元連接輸出單元，輸出單元連接至風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)。非接觸式測量探頭內設置有測量波發(fā)射模塊和測量波接收模塊，測量波發(fā)射模塊連接至測量波接收模塊，測量波接收模塊連接至測量控制單元；測量控制單元包括放大器、 頻率比較器以及計算器，放大器一方面與非接觸式測量探頭連接，另一方面連接至頻率比較器，頻率比較器連接計算器，計算器連接輸出單元。測量波發(fā)射模塊內設置有激光發(fā)射器，測量波接收模塊內設置有激光接收器，在非接觸式測量探頭內還設置有將激光發(fā)射器所發(fā)出的激光中的一部分直接反射給激光接收器的分光模塊。所述測量波發(fā)射模塊內設置有超聲波發(fā)射器，所述測量波接收模塊內設置有超聲波接收器，在非接觸式測量探頭內還設置有將超聲波發(fā)射器所發(fā)出的超聲波中的一部分直接反射給超聲波接收器的超聲波分流模塊。優(yōu)點及效果本實用新型提供一種用于提高風機運行效率的測風裝置，其特征在于所述測風裝置包括非接觸式測量探頭、測量控制單元和輸出單元；非接觸式測量探頭連接測量控制單元，測量控制單元連接輸出單元。本實用新型提供的用于提高風機運行效率的測風裝置包括非接觸式測量探頭、測量控制單元及輸出單元。其中，上述非接觸式測量探頭用于向葉輪前方發(fā)射特定頻率的測量波，并對經(jīng)過空氣粒子反射回來的測量波進行接收；測量控制單元根據(jù)反射回來的測量波相對于在測量波發(fā)射初始時的頻率變化計算出葉輪前方的風速值；輸出單元將上述葉輪前方的風速值傳輸至風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)。由上述過程可知，本實用新型提供的用于提高風機運行效率的測風裝置，借助測量波而實現(xiàn)對風速的非接觸式測量，該方式相對于現(xiàn)有技術中的機械式測風裝置而言，不會受到外部環(huán)境和機械磨擦等因素的干擾，從而具有更高的測量精度。并且，本實用新型提供的測風裝置能夠測量一定距離之外的任意點的風速值，從而可測量風機葉輪之前的風速，由于該風速與風機葉輪所在位置處的風速基本相同，從而相對于現(xiàn)有技術中所測量的風機葉輪后方的風速而言，能夠為風機控制系統(tǒng)提供更加準確的控制參數(shù)。顯然，當風力發(fā)電機組根據(jù)本實用新型提供的測風裝置所測得的風速進行運行狀態(tài)的調節(jié)時，能夠盡可能的降低其運行誤差，從而有效降低風機葉輪載荷的波動，延長其使用壽命；同時，基于同樣的理由，風力發(fā)電機組還能夠有效降低風機輸出功率的波動性，從而提高風能轉化效率，即有效提高發(fā)電效率。本實用新型能夠準確測量風機葉輪前方的風速并將所測得的風速作為風機的控制參數(shù)傳輸至風機的控制系統(tǒng)，從而為風機運行提供準確的控制參數(shù)，進而提高風機的發(fā)電效率和運行穩(wěn)定性。風力發(fā)電機組借助本實用新型的測風裝置所測得的準確的風速參數(shù)，能夠在實現(xiàn)穩(wěn)定運行的同時，獲得較高的發(fā)電效率。


圖1為本實用新型的結構框圖；圖2為本實用新型測量波采用激光形式時的結構框圖；圖3為本實用新型的風力發(fā)電機組的結構示意圖。
具體實施方式
如圖1所示，本實用新型提供一種用于提高風機運行效率的測風裝置，所述測風裝置包括非接觸式測量探頭、測量控制單元和輸出單元；非接觸式測量探頭連接測量控制單元，測量控制單元連接輸出單元。非接觸式測量探頭用于向風力發(fā)電機組葉輪前方發(fā)射特定頻率的測量波，并對經(jīng)過空氣粒子反射回來的所述測量波進行接收；這里，所述葉輪前方是指風力發(fā)電機組的葉輪迎向氣流的方向。測量控制單元根據(jù)反射回來的測量波相對于測量波發(fā)射初始時的頻率變化計算出葉輪前方的風速值；輸出單元將所述葉輪前方的風速值傳輸至風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)，以便于風力發(fā)電機組根據(jù)該風速值提前作出調整，從而提高發(fā)電效率。所述測量控制單元具體根據(jù)多普勒效應的原理計算出葉輪前方的風速值。非接觸式測量探頭內設置有測量波發(fā)射模塊和測量波接收模塊，測量波發(fā)射模塊連接至測量波接收模塊，測量波接收模塊連接至測量控制單元。測量波發(fā)射模塊用以向葉輪前方發(fā)射測量波；測量波接收模塊用以接收經(jīng)過空氣粒子反射回來的測量波。測量控制單元包括放大器、頻率比較器以及計算器，放大器一方面與非接觸式測量探頭連接，另一方面連接至頻率比較器，頻率比較器連接計算器，計算器連接輸出單元。 放大器連接測量波接收模塊。放大器用以將測量波接收模塊所接收到的測量波進行放大； 頻率比較器用以將反射回來的測量波的頻率與發(fā)射初始時的測量波的頻率進行比較，并得出二者頻率的變化量；計算器用以根據(jù)所述變化量計算葉輪前方的風速值。本實用新型所測量的波分為激光和超聲波，采用上述兩種不同測量波的測量原理和過程基本相同。當測量的波為激光時，非接觸式測量探頭的結構如下，如圖2所示測量波發(fā)射模塊內設置有激光發(fā)射器，測量波接收模塊內設置有激光接收器，在非接觸式測量探頭內還設置有分光模塊，分光模塊的作用是將激光發(fā)射器所發(fā)出的激光中的一部分直接反射給激光接收器，這樣，激光接收器就能夠同時接收到經(jīng)過空氣粒子反射回來的激光和由激光發(fā)射器直接發(fā)出的激光。當測量的波為超聲波時，非接觸式測量探頭的結構如下所述測量波發(fā)射模塊內設置有超聲波發(fā)射器，所述測量波接收模塊內設置有超聲波接收器，在非接觸式測量探頭內還設置有超聲波分流模塊，非接觸式測量探頭的結構如下，用于將超聲波發(fā)射器所發(fā)出的超聲波中的一部分直接反射給超聲波接收器，從而使超聲波接收器同時接收到經(jīng)過空氣粒子反射回來的超聲波和由超聲波發(fā)射器直接發(fā)出的超聲波。[0038]該裝置還包括有支架，用于將包括非接觸式測量探頭、測量控制單元和輸出單元在內的整個裝置固定在風力發(fā)電機組的機艙外部或風力發(fā)電機組附近的地面上。圖4中的 A點顯示的為本實用新型固定的在風力發(fā)電機組上的其中一個位置。上述兩種安裝方式所產生的測量精度和用途略有不同，具體為當把測風裝置安裝于機艙外部時，能夠使本實用新型隨機艙偏航從而始終測量葉輪平面正前方的風速，這種方式的測量精度高但成本也會相應提高；當把測風裝置安裝于風力發(fā)電機組附近的地面上時，同一臺測風裝置能夠同時為處于該裝置一定距離范圍內的多臺風力發(fā)電機組提供風速數(shù)據(jù)，這種方式的測量精度會有所降低但能夠節(jié)約大量的設備成本。關于具體采用何種安裝及測量方式可以在綜合考慮成本預算及測量精度等的要求之后而決定。上述支架的結構可以借鑒目前常用的固定技術中的各種機械結構，只要保證在一定強度的風力作用下，能夠維持測風裝置的主體裝置的安全和穩(wěn)固即可。另外本實用新型還提供一種應用上述測風裝置的風力發(fā)電機組，包括機艙和葉輪，葉輪伸進機艙內，與機艙內的發(fā)電機連接，葉輪連接至風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)，該風力發(fā)電機組還包括有用于提高風機運行效率的測風裝置，該測風裝置包括非接觸式測量探頭、測量控制單元和輸出單元；非接觸式測量探頭連接測量控制單元，測量控制單元連接輸出單元，輸出單元連接至風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)，所述風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)根據(jù)葉輪前方的風速對風機葉輪的運行狀態(tài)進行實時調整。該風力發(fā)電機組中的用于提高風機運行效率的測風裝置的結構同以上所述的相同，在這里不再贅述。本實用新型工作時，葉輪在風力作用下旋轉并帶動所述機艙內的發(fā)電機進行發(fā)電，與此同時，非接觸式測量探頭向葉輪前方發(fā)射特定頻率的測量波，并對經(jīng)過空氣粒子反射回來的測量波進行接收；然后將接收后的信號傳遞至測量控制單元，測量控制單元根據(jù)反射回來的測量波相對于測量波發(fā)射初始時的頻率變化計算出葉輪前方的風速值；然后再經(jīng)過輸出單元將葉輪前方的風速值傳輸至風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)，風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)則根據(jù)上述風速對諸如風機葉輪等的運行狀態(tài)進行實時調整，從而提高發(fā)電效率。而以下具體的對測量波分別為激光和超聲波時的工作過程進行描述當測量波為激光時首先，將風機葉輪正前方的某一位置設定為風速的測量位置， 并使非接觸式測量探頭中的激光發(fā)射器和激光接收器均對準該位置；之后，啟動測風裝置的激光發(fā)射器和激光接收器，向測量位置發(fā)射激光，部分激光被上述測量位置處的空氣粒子反射回來并被激光接收器所接收；同時，一部分激光被分光模塊直接反射至激光接收器； 這樣，在激光接收器上即可同時獲得發(fā)射初始時的激光和經(jīng)由測量位置處的空氣粒子反射回的激光，并且上述兩種不同頻率的激光在激光接收器內被轉化為電信號，繼而被傳輸至后續(xù)的各個模塊進行處理；接下來，放大器對上述電信號進行放大以防止信號在后續(xù)處理中失真；經(jīng)放大處理后的電信號被傳輸至頻率比較器，頻率比較器可以對上述來自發(fā)射初始時的激光所轉換的電信號的頻率以及來自測量位置反射回來的激光所轉換的電信號的頻率進行比較，從而得到二者頻率的變化量，也就得到了上述經(jīng)空氣粒子反射回來的激光頻率與發(fā)射初始的激光頻率的變化量；根據(jù)多普勒效應的原理，計算器便可根據(jù)上述激光頻率的變化量準確計算出測量位置處的風速值；最后，由輸出模塊將所得出的風速輸出給風力發(fā)電機組。當上述激光發(fā)射器連續(xù)地向測量位置發(fā)射激光時，即可實現(xiàn)對該位置風速的連續(xù)測量。[0043]對于采用超聲波作為測量波而進行的風速測量過程與上述激光測量過程相同，因而不再贅述。通過上述描述可知，本實用新型提供的測風裝置借助諸如激光或超聲波等的測量波對預先設定的位置進行風速測量，例如，對風機葉輪前方一定距離的位置處的風速進行精確的非接觸式的測量，從而能夠有效保證所測風速的準確性，并且不會受到機械磨擦及環(huán)境等因素的影響，當然，也可以同時采用激光和超聲波進行測量。因此，本實用新型提供的測風裝置能夠為風力發(fā)電機組的運行控制提供精確的風速參數(shù)，從而在保證風機運行穩(wěn)定性的同時，有效提高風力發(fā)電機組的發(fā)電效率。由于本實用新型提供的用于提高風機運行效率的測風裝置能夠準確測量風機葉輪前方的風速，所以本實用新型提供的風力發(fā)電機組能夠獲得更加準確的運行控制參數(shù)， 從而提高其運行穩(wěn)定性及發(fā)電效率。
權利要求1.一種用于提高風機運行效率的測風裝置，其特征在于所述測風裝置包括非接觸式測量探頭、測量控制單元和輸出單元；非接觸式測量探頭連接測量控制單元，測量控制單元連接輸出單元。
2.根據(jù)權利要求1所述的用于提高風機運行效率的測風裝置，其特征在于非接觸式測量探頭內設置有測量波發(fā)射模塊和測量波接收模塊，測量波發(fā)射模塊連接至測量波接收模塊，測量波接收模塊連接至測量控制單元。
3.根據(jù)權利要求1所述的用于提高風機運行效率的測風裝置，其特征在于測量控制單元包括放大器、頻率比較器以及計算器，放大器一方面與非接觸式測量探頭連接，另一方面連接至頻率比較器，頻率比較器連接計算器，計算器連接輸出單元。
4.根據(jù)權利要求2所述的用于提高風機運行效率的測風裝置，其特征在于測量波發(fā)射模塊內設置有激光發(fā)射器，測量波接收模塊內設置有激光接收器，在非接觸式測量探頭內還設置有將激光發(fā)射器所發(fā)出的激光中的一部分直接反射給激光接收器的分光模塊。
5.根據(jù)權利要求2所述的用于提高風機運行效率的測風裝置，其特征在于所述測量波發(fā)射模塊內設置有超聲波發(fā)射器，所述測量波接收模塊內設置有超聲波接收器，在非接觸式測量探頭內還設置有將超聲波發(fā)射器所發(fā)出的超聲波中的一部分直接反射給超聲波接收器的超聲波分流模塊。
6.根據(jù)權利要求1所述的用于提高風機運行效率的測風裝置，其特征在于該裝置還包括將非接觸式測量探頭、測量控制單元和輸出單元固定在風力發(fā)電機組的機艙外部或風力發(fā)電機組附近的地面上的支架。
7.應用權利要求1所述的用于提高風機運行效率的測風裝置的風力發(fā)電機組，包括機艙和葉輪，葉輪伸進機艙內，與機艙內的發(fā)電機連接，葉輪連接至風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)，其特征在于該風力發(fā)電機組還包括有用于提高風機運行效率的測風裝置，該測風裝置包括非接觸式測量探頭、測量控制單元和輸出單元；非接觸式測量探頭連接測量控制單元， 測量控制單元連接輸出單元，輸出單元連接至風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)。
8.根據(jù)權利要求7所述的風力發(fā)電機組，其特征在于非接觸式測量探頭內設置有測量波發(fā)射模塊和測量波接收模塊，測量波發(fā)射模塊連接至測量波接收模塊，測量波接收模塊連接至測量控制單元；測量控制單元包括放大器、頻率比較器以及計算器，放大器一方面與非接觸式測量探頭連接，另一方面連接至頻率比較器，頻率比較器連接計算器，計算器連接輸出單元。
9.根據(jù)權利要求8所述的風力發(fā)電機組，其特征在于測量波發(fā)射模塊內設置有激光發(fā)射器，測量波接收模塊內設置有激光接收器，在非接觸式測量探頭內還設置有將激光發(fā)射器所發(fā)出的激光中的一部分直接反射給激光接收器的分光模塊。
10.根據(jù)權利要求8所述的風力發(fā)電機組，其特征在于所述測量波發(fā)射模塊內設置有超聲波發(fā)射器，所述測量波接收模塊內設置有超聲波接收器，在非接觸式測量探頭內還設置有將超聲波發(fā)射器所發(fā)出的超聲波中的一部分直接反射給超聲波接收器的超聲波分流模塊。
專利摘要本實用新型提供一種用于提高風機運行效率的測風裝置，其特征在于所述測風裝置包括非接觸式測量探頭、測量控制單元和輸出單元；非接觸式測量探頭連接測量控制單元，測量控制單元連接輸出單元。由于本實用新型提供的用于提高風機運行效率的測風裝置能夠準確測量風機葉輪前方的風速，所以本實用新型提供的風力發(fā)電機組能夠獲得更加準確的運行控制參數(shù)，從而提高其運行穩(wěn)定性及發(fā)電效率。
文檔編號G01P5/26GK202221433SQ20112030951
公開日2012年5月16日 申請日期2011年8月24日 優(yōu)先權日2011年8月24日
發(fā)明者儲德海, 吳賽男, 林軍, 桂虹, 鄭飛, 金豐 申請人:中電投東北節(jié)能技術有限公司