CN108226570B - 风向测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种风向测量装置及方法，该装置包括：固设在风力发电机组塔筒内的激光发射装置、激光接收装置和信号处理装置；其中，所述激光发射装置和所述激光接收装置在竖直方向上相对设置，且所述激光发射装置在所述激光接收装置上的激光投射位置，随着所述塔筒摆动方向的不同而不同；所述信号处理装置与所述激光接收装置电连接，用于根据所述激光发射装置在所述激光接收装置上的激光投射位置，相对于坐标原点的方向确定风向，其中，所述坐标原点为无风条件下，所述激光发射装置在所述激光接收装置上的激光投射位置。本发明实施例提供的风向测量装置及方法能够用于对风场的风况进行测量。

Description

风向测量装置及方法

技术领域

本发明实施例涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种风向测量装置及方法。

背景技术

当前，以煤、石油、天然气为主的常规能源不仅资源有限，而且造成了严重的大气污染。随着世界工业化进程的不断加快，使得能源消耗逐渐增加，全球工业有害物质的排放量与日俱增，从而造成了气候异常、灾害增多、恶性疾病多发等问题。因此，对可再生清洁能源的开发利用，特别是风能的开发利用，已经受到世界各国的高度重视。

现有技术中，风力发电机组是风力发电的主要设备。在风力发电机组的运行过程中，为了实现风能的最大化利用，需要通过风向测量装置实时的对风场的风向进行测量，当风向与风力发电机组的朝向不一致时，需要风力发电机组执行偏航操作，以使风力发电机组始终能够朝着来风方向运行。但是现有的风向测量装置都是安装在风力发电机组的机舱外部的，这些装置在大风、台风等恶劣条件下容易损坏并失去测量功能。

发明内容

本发明实施例提供一种风向测量装置及方法，用以对风场的风况进行测量，解决现有风力发电机组测风装置容易受外部天气环境影响，而失去测风功能的问题。

本发明实施例第一方面提供一种风向测量装置，该装置包括：

固设在风力发电机组塔筒内的激光发射装置、激光接收装置和信号处理装置；

其中，所述激光发射装置和所述激光接收装置在竖直方向上相对设置，且所述激光发射装置在所述激光接收装置上的激光投射位置，随着所述塔筒摆动方向的不同而不同；

所述信号处理装置与所述激光接收装置电连接，用于根据所述激光发射装置在所述激光接收装置上的激光投射位置，相对于坐标原点的方向确定风向，其中，所述坐标原点为无风条件下，所述激光发射装置在所述激光接收装置上的激光投射位置。

本发明实施例第二方面提供一种风向测量方法，该方法适用于一种风向测量装置，该装置包括固设在风力发电机组塔筒内的激光发射装置、激光接收装置和信号处理装置，其中，所述激光发射装置和所述激光接收装置在竖直方向上相对设置，且所述激光发射装置在所述激光接收装置上的激光投射位置，随着所述塔筒摆动方向的不同而不同，该方法包括：

所述信号处理装置获取所述激光发射装置在所述激光接收装置上的激光投射位置，并根据所述激光投射位置相对于坐标原点的方向确定风向，其中，所述坐标原点为无风条件下，所述激光发射装置在所述激光接收装置上的激光投射位置。

本发明实施例，通过在风力发电机组的塔筒内固设一组在竖直方向上相对设置的激光发射装置和激光接收装置，使得激光发射装置在激光接收装置上的激光投射位置随着塔筒的摆动而产生相应的位置偏移，进而根据激光发射装置在激光接收装置上的激光投射位置的偏移方向确定风向。由于本发明实施例中，激光发射装置和激光接收装置都是设置在塔筒内的，通过塔筒的遮挡能够使得激光发射装置和激光接收装置免于外部天气环境的影响，因此，能够解决现有风向测量装置易受外部天气环境影响，而失去测风功能的问题。并且，由于激光投射具有较高的精确度和灵敏度，因此，通过激光投射的位置偏移确定风向具有较高的准确定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的风向测量装置的结构图；

图2为本发明一实施例提供的激光发射装置11在激光接收装置12上的投射位置示意图；

图3为本发明实施例三提供的风向测量方法的流程示意图；

图4为本发明实施例四提供的风向测量方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤的过程或结构的装置不必限于清楚地列出的那些结构或步骤而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程或装置固有的其它步骤或结构。

图1为本发明实施例一提供的风向测量装置的结构图，如图1所示，该装置包括：

固设在风力发电机组塔筒内的激光发射装置11、激光接收装置12和信号处理装置13。

其中，激光发射装置11，用于发出激光射线；激光接受装置12，与激光发射装置11在塔筒的竖直方向上相对设置，用于接收激光发射装置11发射的激光，且在无风状态下激光发射装置在激光接收装置上的激光投射位置位于激光接收装置的坐标原点上。信号处理装置13与激光接收装置12电连接，用于根据激光发射装置11在激光接收装置12上的激光投射位置，相对于坐标原点的方向确定风向。

实际应用中，激光接收装置12和激光发射装置11之间的上下位置可以根据具体需要具体设置，例如可以将激光接收装置12设置在激光发射装置11的上方，也可以将激光发射装置11设置在激光接收装置12的上方。激光接收装置12与激光发射装置11之间的距离，可以根据风力发电机组所在地理位置的风场特性进行设定，例如，可以根据风力发电机组所在地理位置的年风力强度平均值来设定激光接受装置12和激光发射装置11之间的距离，当风力发电机组所在地理位置的年风力强度平均值较小时，可以将借光接收装置12和激光发射装置11之间的距离设置的大一些，从而通过距离的设定来达到增大激光发射装置11在激光接收装置12上的位移距离的目的，进而减小信号处理装置13识别来风方向的难度，提高信号处理装置的识别准确度。当风力发电机组所在地理位置的年风力强度平均值较大时，由于风力发电机组的塔筒在来风的作用下，摆动的幅度较大，因此，激光发射装置11在激光接收装置12上的位移距离较明显，因此，可以将激光发射装置11和激光接收装置12之间的距离设置的相对小一些，以节约塔筒的内部空间。当然此处仅为示例说明，而并不是对本发明的唯一限定。

在安装过程中，激光接收装置和激光发射装置均可通过设置在塔筒筒壁上的固定件设置在塔筒的内部。比如，可以在塔筒的内壁上设置两个在竖直方向上相互平行的固定件，即第一固定件14和第二固定件15，通过第一固定件14和第二固定件15分别将激光发射装置11和激光接收装置12固定在塔筒的中心轴上，其中，激光发射装置11设置在第一固定件14朝向第二固定件15的一侧上，激光接收装置12设置在第二固定件15朝向第一固定件14的一侧上。

实际应用中，考虑到激光发射装置投射在激光接收装置上的位移的大小，以及识别来风方向的准确度，也可以将激光接收装置和激光发射装置中的任意一个通过设置在塔筒筒壁上的固定件设置在塔筒内部，而另一个则通过独立于塔筒的固定件固定在塔筒内，而不跟随塔筒的摆动而摆动。

以激光接收装置12在激光发射装置11的上方为例，实际应用中，可以设置一表面平滑的安装板，使得该安装板的边缘通过焊接或卡接等方式固定在塔筒的内壁上，并通过安装板将激光接收装置12固定在塔筒内。而激光发射装置11由固定在地面上的支持杆与激光接收装置相对固定在塔筒的内部。当塔筒在来风的作用下发生摆动时，激光接收装置12跟随塔筒摆动，使得激光发射装置11投射在激光接收装置12上的为位置发生变化，进而根据该位置的变化即可确定来风的方向。比如，激光发射装置11投射在激光接收装置12上的位置相对于初始位置向正西方向偏移，则可确定来风方向为正东方向。当然此仅为示例说明，而不是对本发明的唯一限定。

进一步的，为了利用本实施例的风向识别结果进行控制，本实施例提供的测风装置还可以包括控制器，其中，信号处理装置13可以是独立于控制器之外的实体装置，也可以是集成在控制器之内的实体装置或虚拟装置(例如执行程序)。当信号处理装置13为实体装置时，控制器与信号处理装置13电连接。

具体的，当信号处理装置完成风向识别后，将识别结果发送给控制器，控制器根据风力发电机组当前的对风方向，以及当前的来风方向来确定偏航的方向以及偏航角度，进而根据该偏航方向和偏航角度进行偏航控制，例如，信号处理装置识别当前的风向为正东方向，而风力发电机组当前的对风方向为东北45度的方向，则风力发电机的偏航方向为向东偏航45度。当然此仅为示例说明，而不是对本发明的唯一限定。

实际应用中，考虑到抗大风，台风的需求，本实施例提供的测风装置还可以对风力强度进行测量，当测量值超过预设阈值时，触发控制器进行大风警报。具体的，根据物理经验，风场的风力强度越大风力发电机组的塔筒的摆动幅度越大，而在本实施例提供的风向测量装置上的体现则为激光发射装置投射在激光接受装置上的位移距离越大。因此，本实施例中，信号处理装置13可以先确定激光发射装置投射在激光接收装置上的激光投射位置与坐标原点之间的位移量，再根据该位移量来确定当前风场的风力强度。比如，实际应用中可以根据不同风力强度下塔筒的摆动幅度，以及不同塔筒摆动幅度对应的激光发射装置11投射在激光接收装置12上的位移量，预先设定风力强度与激光发射装置11投射在激光接受装置12上的位移量的映射关系。并根据该映射关系来判断风场的风力强度。当然此处仅为举例说明，而不是对本发明的唯一限定。

图2为本发明一实施例提供的激光发射装置11在激光接收装置12上的投射位置示意图，如图2所示，图2中的坐标系为根据实际地理方位设置的坐标系。坐标原点为无风条件下激光发射装置11在激光接收装置12上的投射位置。坐标点m为当前风场下，激光发射装置11在激光接收装置12上的投射位置，投射位置的坐标为(x,y)，则信号处理装置13根据该投射位置的坐标确定投射位置距离坐标原点的距离为

以及投射位置相对于坐标原点的方向为

由于m位于第一象限，因此，塔筒的摆动方向为东北方向

度，根据来风方向与塔筒摆动方向相反的原则，即可确定来风方向为西南方向

度。即图2中所指的风向。进一步的，假设风力发电机组当前的对风方向为正西方向，控制器根据投射位置的方向即可确定风力发电机组的偏航角度为向西南方向偏移

度。将投射位置与坐标原点之间的距离与预设的范围进行对比，即可确定当前风力强度位于哪一强度范围内。当然此处即为示例说明，并不是对本发明的唯一限定。

本实施例，通过在风力发电机组的塔筒内固设一组在竖直方向上相对设置的激光发射装置和激光接收装置，使得激光发射装置在激光接收装置上的激光投射位置随着塔筒的摆动而产生相应的位置偏移，进而根据激光发射装置在激光接收装置上的激光投射位置的偏移方向确定风向。由于本实施例中，激光发射装置和激光接收装置都是设置在塔筒内的，通过塔筒的遮挡能够使得激光发射装置和激光接收装置免于外部天气环境的影响，因此，能够解决现有风向测量装置易受外部天气环境影响，而失去测风功能的问题。并且，由于激光投射具有较高的精确度和灵敏度，因此，通过激光投射的位置偏移确定风向具有较高的准确定。

本发明实施例二提供一种风向测量装置，该装置在图1所示结构的基础上，还可以包括设置在风力发电机组塔筒外部的风向标。该风向标与信号处理装置13或风力发电机组的控制器电连接。

特别的，当风向标与信号处理装置13连接时，信号处理装置13，还用于对风向标的工作状态进行检测。该检测可以是周期性的，也可以是实时的，本实施例中不做具体限定。当信号处理装置13检测到风向标工作异常或停止工作时，则触发激光接收装置11和激光发射装置12工作。从而使得在风向标故障，或在外部天气环境影响下，风向标失去测风功能时，风力发电机组也能够通过设置在塔筒内部的测风装置进行测风。并能够在大风、台风条件下，做出有效预警，提高风力发电机组的可靠性。当风向标与风力发电机组的控制器连接时，通过控制器检测风向标的工作状态是否正常，并在工作状态不正常时，触发信号处理装置13、激光发射装置11与激光接收装置12工作。

图3为本发明实施例三提供的风向测量方法的流程示意图，该方法适用于一种风向测量装置，该风向测量装置包括固设在风力发电机组塔筒内的激光发射装置、激光接收装置和信号处理装置，其中，所述激光发射装置和所述激光接收装置在竖直方向上相对设置，且所述激光发射装置在所述激光接收装置上的激光投射位置，随着所述塔筒摆动方向的不同而不同，如图3所示，该方法包括：

S101、所述信号处理装置获取所述激光发射装置在所述激光接收装置上的激光投射位置。

S102、根据所述激光投射位置相对于坐标原点的方向确定风向，其中，所述坐标原点为无风条件下，所述激光发射装置在所述激光接收装置上的激光投射位置。

以图2为例，图2为本发明一实施例提供的激光发射装置在激光接收装置上的投射位置示意图，如图2所示，图2中的坐标系为根据实际地理方位设置的坐标系。坐标原点为无风条件下激光发射装置在激光接收装置上的投射位置。坐标点m为当前风场下，激光发射装置在激光接收装置上的投射位置，投射位置的坐标为(x,y)，则信号处理装置根据该投射位置的坐标确定投射位置距离坐标原点的距离为

以及投射位置相对于坐标原点的方向为

由于m位于第一象限，因此，塔筒的摆动方向为东北方向

度，根据来风方向与塔筒摆动方向相反的原则，即可确定来风方向为西南方向

度。此时风力发电机组的控制器根据该来风方向以及当前机头的朝向可以对风力发电机组的偏航角度和方向进行确定。其方法与现有技术类似，在这里不再赘述。进一步的，根据预先设定的偏离距离与风力强度之间的映射关系，即可确定距离z对应的风力强度，其中所述偏离距离为激光投射位置偏离坐标原点的距离。并且为了实现大风报警，当检测到风力强度大于预设的风力阈值时，则信号处理装置触发风力发电机组的控制器发出风力警报。

本实施例提供的方法适用于图1所示的装置，其执行方式和有益效果类似，在这里不再赘述。

图4为本发明实施例四提供的风向测量方法的流程示意图，如图4所示，该方法包括：

S201、所述信号处理装置检测风向标的工作状态是否正常，若不正常，则执行S202。

需要说明的是，在实际应用中S201的执行主体也可以是风力发电机组的控制器，即通过风力发电机组的控制器对风向标的工作状态进行检测。且当执行主体为控制器时，信号处理装置为设置在控制器中的实体或虚拟装置。

S202、触发所述激光发射装置与所述激光接收装置工作。

S203、所述信号处理装置获取所述激光发射装置在所述激光接收装置上的激光投射位置。

S204、根据所述激光投射位置相对于坐标原点的方向确定风向，其中，所述坐标原点为无风条件下，所述激光发射装置在所述激光接收装置上的激光投射位置。

本实施例提供的方法适用于实施例二提供的装置，其执行方式和有益效果类似，在这里不再赘述。

最后需要说明的是，本领域普通技术人员可以理解上述实施例方法中的全部或者部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可存储于一计算机可读存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可以为磁盘、光盘、只读存储记忆体(ROM)或随机存储记忆体(RAM)等。

本发明实施例中的各个功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独的物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现，并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读存储介质中。上述提到的存储介质可以是只读存储器、磁盘或光盘等。

以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种风向测量方法，该方法适用于一种风向测量装置，其特征在于，该风向测量装置包括固设在风力发电机组塔筒内的激光发射装置、激光接收装置、信号处理装置和设置在风力发电机组机舱外部的风向标，其中，所述激光发射装置和所述激光接收装置在竖直方向上相对设置，且所述激光发射装置在所述激光接收装置上的激光投射位置，随着所述塔筒摆动方向的不同而不同，所述激光发射装置与所述激光接收装置之间的距离根据风力发电机组所在地理位置的年风力强度平均值确定，所述距离在风力发电机组所在地理位置的年风力强度平均值小的取值大于在风力发电机组所在地理位置的年风力强度平均值大的取值；所述方法包括：

信号处理装置检测所述风向标的工作状态是否正常，并在所述工作状态不正常时，触发所述激光发射装置与所述激光接收装置工作；或者，风力发电机组的控制器检测所述风向标的工作状态是否正常，并在所述工作状态不正常时，触发所述信号处理装置、激光发射装置与激光接收装置工作；

所述信号处理装置获取所述激光发射装置在所述激光接收装置上的激光投射位置，并根据所述激光投射位置相对于坐标原点的方向，确定风向，其中，所述坐标原点为无风条件下，所述激光发射装置在所述激光接收装置上的激光投射位置；

所述信号处理装置确定所述激光发射装置在所述激光接收装置上的激光投射位置与所述坐标原点之间的距离；并根据预先设定的偏离距离与风力强度之间的映射关系，确定所述距离对应的风力强度，其中，所述偏离距离为激光投射位置偏离坐标原点的距离。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述风向测量装置还包括风力发电机组的控制器,所述方法还包括：所述控制器根据所述信号处理装置确定的风向进行偏航控制，或者/并且，用于在所述信号处理装置确定的风力强度大于预设的风力阈值时进行风力警报。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述信号处理装置设置在风力发电机的控制器中。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信号处理装置根据表达式：

确定所述激光投射位置相对于坐标原点的方向；

或者/并且，

根据表达式：

确定所述激光发射装置在所述激光接收装置上的激光投射位置与所述坐标原点之间的距离；

其中，x为所述激光投射位置相对于所述坐标原点的横坐标，y为所述激光投射位置相对于所述坐标原点的纵坐标。

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