专利名称：用于提高风机运行效率的测风装置及其风力发电机组的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及风力发电技术领域，具体涉及一种用于提高风机效率的测风装置及应用该测风装置的风力发电机组。
背景技术：
在风力发电机组的工作过程中，为保证其发电功率的稳定性，需要根据风速对叶轮的桨距角进行及时调整。因此，对风速的准确测量就显得尤为重要。目前，常采用一种机械式测风装置实现上述风速测量过程。该装置类似于气象监测中所使用的叶轮式风速测量装置，其原理为空气流动同时带动叶轮旋转，且叶轮的转速与风速具有正比关系，从而根据叶轮的转速即可获知此时的风速。然而，采用上述风速测量方式的风力发电机组在实际应用中存在下述缺点。首先， 由于上述测风装置采用机械结构的测量方式，其测量精度容易受到外部环境和机械磨擦等因素的影响而产生误差，从而降低风机变桨的调节精度，最终将影响风机的发电效率及稳定性。而且，由于上述测风装置多被安装在叶轮后方的机舱外部，空气在流动过程中会首先经过叶轮并损失一定的动能后才会经过该测风装置，因此将该位置处所测量的风速值用于对风机叶轮进行变桨控制势必产生一定的误差，同样会影响风机的变桨精度。为此，技术人员试图采用发电机转速作为变桨系统的输入参数，具体是根据发电机转速的变化对桨距角进行调整，然而该方案具有一定的滞后性，从而使风机的输出功率不断波动，不仅会降低风机的实际发电量，而且还会增加叶轮系统所受的载荷，进而影响风机的使用寿命。
发明内容发明目的本实用新型提供一种用于提高风机运行效率的测风装置及其风力发电机组，其目的是解决以往的风速测量方式效果不理想的问题。技术方案本实用新型是通过以下技术方案实现的—种用于提高风机运行效率的测风装置，其特征在于所述测风装置包括非接触式测量探头、测量控制单元和输出单元；非接触式测量探头连接测量控制单元，测量控制单元连接输出单元。非接触式测量探头内设置有测量波发射模块和测量波接收模块，测量波发射模块连接至测量波接收模块，测量波接收模块连接至测量控制单元。测量控制单元包括放大器、频率比较器以及计算器，放大器一方面与非接触式测量探头连接，另一方面连接至频率比较器，频率比较器连接计算器，计算器连接输出单元。测量波发射模块内设置有激光发射器，测量波接收模块内设置有激光接收器，在非接触式测量探头内还设置有将激光发射器所发出的激光中的一部分直接反射给激光接收器的分光模块。所述测量波发射模块内设置有超声波发射器，所述测量波接收模块内设置有超声波接收器，在非接触式测量探头内还设置有将超声波发射器所发出的超声波中的一部分直
3接反射给超声波接收器的超声波分流模块。该装置还包括将非接触式测量探头、测量控制单元和输出单元固定在风力发电机组的机舱外部或风力发电机组附近的地面上的支架。应用上述的用于提高风机运行效率的测风装置的风力发电机组，包括机舱和叶轮，叶轮伸进机舱内，与机舱内的发电机连接，叶轮连接至风力发电机组的控制系统，其特征在于该风力发电机组还包括有用于提高风机运行效率的测风装置，该测风装置包括非接触式测量探头、测量控制单元和输出单元；非接触式测量探头连接测量控制单元，测量控制单元连接输出单元，输出单元连接至风力发电机组的控制系统。非接触式测量探头内设置有测量波发射模块和测量波接收模块，测量波发射模块连接至测量波接收模块，测量波接收模块连接至测量控制单元；测量控制单元包括放大器、 频率比较器以及计算器，放大器一方面与非接触式测量探头连接，另一方面连接至频率比较器，频率比较器连接计算器，计算器连接输出单元。测量波发射模块内设置有激光发射器，测量波接收模块内设置有激光接收器，在非接触式测量探头内还设置有将激光发射器所发出的激光中的一部分直接反射给激光接收器的分光模块。所述测量波发射模块内设置有超声波发射器，所述测量波接收模块内设置有超声波接收器，在非接触式测量探头内还设置有将超声波发射器所发出的超声波中的一部分直接反射给超声波接收器的超声波分流模块。优点及效果本实用新型提供一种用于提高风机运行效率的测风装置，其特征在于所述测风装置包括非接触式测量探头、测量控制单元和输出单元；非接触式测量探头连接测量控制单元，测量控制单元连接输出单元。本实用新型提供的用于提高风机运行效率的测风装置包括非接触式测量探头、测量控制单元及输出单元。其中，上述非接触式测量探头用于向叶轮前方发射特定频率的测量波，并对经过空气粒子反射回来的测量波进行接收；测量控制单元根据反射回来的测量波相对于在测量波发射初始时的频率变化计算出叶轮前方的风速值；输出单元将上述叶轮前方的风速值传输至风力发电机组的控制系统。由上述过程可知，本实用新型提供的用于提高风机运行效率的测风装置，借助测量波而实现对风速的非接触式测量，该方式相对于现有技术中的机械式测风装置而言，不会受到外部环境和机械磨擦等因素的干扰，从而具有更高的测量精度。并且，本实用新型提供的测风装置能够测量一定距离之外的任意点的风速值，从而可测量风机叶轮之前的风速，由于该风速与风机叶轮所在位置处的风速基本相同，从而相对于现有技术中所测量的风机叶轮后方的风速而言，能够为风机控制系统提供更加准确的控制参数。显然，当风力发电机组根据本实用新型提供的测风装置所测得的风速进行运行状态的调节时，能够尽可能的降低其运行误差，从而有效降低风机叶轮载荷的波动，延长其使用寿命；同时，基于同样的理由，风力发电机组还能够有效降低风机输出功率的波动性，从而提高风能转化效率，即有效提高发电效率。本实用新型能够准确测量风机叶轮前方的风速并将所测得的风速作为风机的控制参数传输至风机的控制系统，从而为风机运行提供准确的控制参数，进而提高风机的发电效率和运行稳定性。风力发电机组借助本实用新型的测风装置所测得的准确的风速参数，能够在实现稳定运行的同时，获得较高的发电效率。


图1为本实用新型的结构框图；图2为本实用新型测量波采用激光形式时的结构框图；图3为本实用新型的风力发电机组的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型提供一种用于提高风机运行效率的测风装置，所述测风装置包括非接触式测量探头、测量控制单元和输出单元；非接触式测量探头连接测量控制单元，测量控制单元连接输出单元。非接触式测量探头用于向风力发电机组叶轮前方发射特定频率的测量波，并对经过空气粒子反射回来的所述测量波进行接收；这里，所述叶轮前方是指风力发电机组的叶轮迎向气流的方向。测量控制单元根据反射回来的测量波相对于测量波发射初始时的频率变化计算出叶轮前方的风速值；输出单元将所述叶轮前方的风速值传输至风力发电机组的控制系统，以便于风力发电机组根据该风速值提前作出调整，从而提高发电效率。所述测量控制单元具体根据多普勒效应的原理计算出叶轮前方的风速值。非接触式测量探头内设置有测量波发射模块和测量波接收模块，测量波发射模块连接至测量波接收模块，测量波接收模块连接至测量控制单元。测量波发射模块用以向叶轮前方发射测量波；测量波接收模块用以接收经过空气粒子反射回来的测量波。测量控制单元包括放大器、频率比较器以及计算器，放大器一方面与非接触式测量探头连接，另一方面连接至频率比较器，频率比较器连接计算器，计算器连接输出单元。 放大器连接测量波接收模块。放大器用以将测量波接收模块所接收到的测量波进行放大； 频率比较器用以将反射回来的测量波的频率与发射初始时的测量波的频率进行比较，并得出二者频率的变化量；计算器用以根据所述变化量计算叶轮前方的风速值。本实用新型所测量的波分为激光和超声波，采用上述两种不同测量波的测量原理和过程基本相同。当测量的波为激光时，非接触式测量探头的结构如下，如图2所示测量波发射模块内设置有激光发射器，测量波接收模块内设置有激光接收器，在非接触式测量探头内还设置有分光模块，分光模块的作用是将激光发射器所发出的激光中的一部分直接反射给激光接收器，这样，激光接收器就能够同时接收到经过空气粒子反射回来的激光和由激光发射器直接发出的激光。当测量的波为超声波时，非接触式测量探头的结构如下所述测量波发射模块内设置有超声波发射器，所述测量波接收模块内设置有超声波接收器，在非接触式测量探头内还设置有超声波分流模块，非接触式测量探头的结构如下，用于将超声波发射器所发出的超声波中的一部分直接反射给超声波接收器，从而使超声波接收器同时接收到经过空气粒子反射回来的超声波和由超声波发射器直接发出的超声波。[0038]该装置还包括有支架，用于将包括非接触式测量探头、测量控制单元和输出单元在内的整个装置固定在风力发电机组的机舱外部或风力发电机组附近的地面上。图4中的 A点显示的为本实用新型固定的在风力发电机组上的其中一个位置。上述两种安装方式所产生的测量精度和用途略有不同，具体为当把测风装置安装于机舱外部时，能够使本实用新型随机舱偏航从而始终测量叶轮平面正前方的风速，这种方式的测量精度高但成本也会相应提高；当把测风装置安装于风力发电机组附近的地面上时，同一台测风装置能够同时为处于该装置一定距离范围内的多台风力发电机组提供风速数据，这种方式的测量精度会有所降低但能够节约大量的设备成本。关于具体采用何种安装及测量方式可以在综合考虑成本预算及测量精度等的要求之后而决定。上述支架的结构可以借鉴目前常用的固定技术中的各种机械结构，只要保证在一定强度的风力作用下，能够维持测风装置的主体装置的安全和稳固即可。另外本实用新型还提供一种应用上述测风装置的风力发电机组，包括机舱和叶轮，叶轮伸进机舱内，与机舱内的发电机连接，叶轮连接至风力发电机组的控制系统，该风力发电机组还包括有用于提高风机运行效率的测风装置，该测风装置包括非接触式测量探头、测量控制单元和输出单元；非接触式测量探头连接测量控制单元，测量控制单元连接输出单元，输出单元连接至风力发电机组的控制系统，所述风力发电机组的控制系统根据叶轮前方的风速对风机叶轮的运行状态进行实时调整。该风力发电机组中的用于提高风机运行效率的测风装置的结构同以上所述的相同，在这里不再赘述。本实用新型工作时，叶轮在风力作用下旋转并带动所述机舱内的发电机进行发电，与此同时，非接触式测量探头向叶轮前方发射特定频率的测量波，并对经过空气粒子反射回来的测量波进行接收；然后将接收后的信号传递至测量控制单元，测量控制单元根据反射回来的测量波相对于测量波发射初始时的频率变化计算出叶轮前方的风速值；然后再经过输出单元将叶轮前方的风速值传输至风力发电机组的控制系统，风力发电机组的控制系统则根据上述风速对诸如风机叶轮等的运行状态进行实时调整，从而提高发电效率。而以下具体的对测量波分别为激光和超声波时的工作过程进行描述当测量波为激光时首先，将风机叶轮正前方的某一位置设定为风速的测量位置， 并使非接触式测量探头中的激光发射器和激光接收器均对准该位置；之后，启动测风装置的激光发射器和激光接收器，向测量位置发射激光，部分激光被上述测量位置处的空气粒子反射回来并被激光接收器所接收；同时，一部分激光被分光模块直接反射至激光接收器； 这样，在激光接收器上即可同时获得发射初始时的激光和经由测量位置处的空气粒子反射回的激光，并且上述两种不同频率的激光在激光接收器内被转化为电信号，继而被传输至后续的各个模块进行处理；接下来，放大器对上述电信号进行放大以防止信号在后续处理中失真；经放大处理后的电信号被传输至频率比较器，频率比较器可以对上述来自发射初始时的激光所转换的电信号的频率以及来自测量位置反射回来的激光所转换的电信号的频率进行比较，从而得到二者频率的变化量，也就得到了上述经空气粒子反射回来的激光频率与发射初始的激光频率的变化量；根据多普勒效应的原理，计算器便可根据上述激光频率的变化量准确计算出测量位置处的风速值；最后，由输出模块将所得出的风速输出给风力发电机组。当上述激光发射器连续地向测量位置发射激光时，即可实现对该位置风速的连续测量。[0043]对于采用超声波作为测量波而进行的风速测量过程与上述激光测量过程相同，因而不再赘述。通过上述描述可知，本实用新型提供的测风装置借助诸如激光或超声波等的测量波对预先设定的位置进行风速测量，例如，对风机叶轮前方一定距离的位置处的风速进行精确的非接触式的测量，从而能够有效保证所测风速的准确性，并且不会受到机械磨擦及环境等因素的影响，当然，也可以同时采用激光和超声波进行测量。因此，本实用新型提供的测风装置能够为风力发电机组的运行控制提供精确的风速参数，从而在保证风机运行稳定性的同时，有效提高风力发电机组的发电效率。由于本实用新型提供的用于提高风机运行效率的测风装置能够准确测量风机叶轮前方的风速，所以本实用新型提供的风力发电机组能够获得更加准确的运行控制参数， 从而提高其运行稳定性及发电效率。
权利要求1.一种用于提高风机运行效率的测风装置，其特征在于所述测风装置包括非接触式测量探头、测量控制单元和输出单元；非接触式测量探头连接测量控制单元，测量控制单元连接输出单元。
2.根据权利要求1所述的用于提高风机运行效率的测风装置，其特征在于非接触式测量探头内设置有测量波发射模块和测量波接收模块，测量波发射模块连接至测量波接收模块，测量波接收模块连接至测量控制单元。
3.根据权利要求1所述的用于提高风机运行效率的测风装置，其特征在于测量控制单元包括放大器、频率比较器以及计算器，放大器一方面与非接触式测量探头连接，另一方面连接至频率比较器，频率比较器连接计算器，计算器连接输出单元。
4.根据权利要求2所述的用于提高风机运行效率的测风装置，其特征在于测量波发射模块内设置有激光发射器，测量波接收模块内设置有激光接收器，在非接触式测量探头内还设置有将激光发射器所发出的激光中的一部分直接反射给激光接收器的分光模块。
5.根据权利要求2所述的用于提高风机运行效率的测风装置，其特征在于所述测量波发射模块内设置有超声波发射器，所述测量波接收模块内设置有超声波接收器，在非接触式测量探头内还设置有将超声波发射器所发出的超声波中的一部分直接反射给超声波接收器的超声波分流模块。
6.根据权利要求1所述的用于提高风机运行效率的测风装置，其特征在于该装置还包括将非接触式测量探头、测量控制单元和输出单元固定在风力发电机组的机舱外部或风力发电机组附近的地面上的支架。
7.应用权利要求1所述的用于提高风机运行效率的测风装置的风力发电机组，包括机舱和叶轮，叶轮伸进机舱内，与机舱内的发电机连接，叶轮连接至风力发电机组的控制系统，其特征在于该风力发电机组还包括有用于提高风机运行效率的测风装置，该测风装置包括非接触式测量探头、测量控制单元和输出单元；非接触式测量探头连接测量控制单元， 测量控制单元连接输出单元，输出单元连接至风力发电机组的控制系统。
8.根据权利要求7所述的风力发电机组，其特征在于非接触式测量探头内设置有测量波发射模块和测量波接收模块，测量波发射模块连接至测量波接收模块，测量波接收模块连接至测量控制单元；测量控制单元包括放大器、频率比较器以及计算器，放大器一方面与非接触式测量探头连接，另一方面连接至频率比较器，频率比较器连接计算器，计算器连接输出单元。
9.根据权利要求8所述的风力发电机组，其特征在于测量波发射模块内设置有激光发射器，测量波接收模块内设置有激光接收器，在非接触式测量探头内还设置有将激光发射器所发出的激光中的一部分直接反射给激光接收器的分光模块。
10.根据权利要求8所述的风力发电机组，其特征在于所述测量波发射模块内设置有超声波发射器，所述测量波接收模块内设置有超声波接收器，在非接触式测量探头内还设置有将超声波发射器所发出的超声波中的一部分直接反射给超声波接收器的超声波分流模块。
专利摘要本实用新型提供一种用于提高风机运行效率的测风装置，其特征在于所述测风装置包括非接触式测量探头、测量控制单元和输出单元；非接触式测量探头连接测量控制单元，测量控制单元连接输出单元。由于本实用新型提供的用于提高风机运行效率的测风装置能够准确测量风机叶轮前方的风速，所以本实用新型提供的风力发电机组能够获得更加准确的运行控制参数，从而提高其运行稳定性及发电效率。
文档编号G01P5/26GK202221433SQ20112030951
公开日2012年5月16日 申请日期2011年8月24日 优先权日2011年8月24日
发明者储德海, 吴赛男, 林军, 桂虹, 郑飞, 金丰 申请人:中电投东北节能技术有限公司