CN1505734A - 监测风力发电设备的荷载 - Google Patents

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Abstract

一种利用至少一个传感器来监测风力发电设备的装置，所述传感器用于对测量值进行监测，本发明还涉及一种对风力发电设备进行监测的方法，在这种方法中：a)利用至少一个传感器来监测测量值；b)所述测量值被转换成代表该测量值的信号；c)根据预定的方法来存储和/或处理所述信号。为了提供能对风力发电设备的塔架上的荷载进行可靠监测的设备和方法，本发明提供了至少一个用于对塔架(10)上的荷载进行监测的传感器(20)，该传感器(20)被设置在塔架的基部区域中。此外，从代表由传感器确定的测量值的信号来确定出风力发电设备上的瞬时荷载。

Description

监测风力发电设备的荷载
技术领域
本发明涉及一种风力发电设备，这种风力发电设备具有一监测装置，该监测装置利用至少一个传感器来监测测量值，本发明还涉及一种对风力发电设备进行监测的方法，在这种方法中，a)利用至少一个传感器来监测测量值，b)所述测量值被转换成代表该测量值的信号，c)根据一预定的方法来存储和/或处理所述信号。
背景技术
这种装置和方法在现有技术中是已知的。在2000年7月发表的期刊‘可再生能量’中的第38页，在题为‘转子击打塔架(The rotor roughs up thepylon)’的文章中提到了利用加速度测量来监测振动。
在所述期刊的第5/2000期中，在第37页第2段中，描述了当今由若干个制造商所提供的一些振动监测器，这些振动监测器涉及到加速度采集器。此外，在其中还描述了一种方法，在这种方法中，利用一电子***来对一些危险的频率进行特意地、专门地放大。
现有技术可以在特定的频率范围内对塔架顶部的振动进行监测。所述这些振动构成作用在塔架上的荷载的一部分。在这一方面，在塔架的使用寿命例如20年期间，针对预定的总的荷载来设计塔架。
每个荷载都是造成材料疲劳的因素。因此，很容易理解，在具有大量的高荷载的位置处的材料疲劳进展要比在那些具有少量的低荷载的位置处的材料疲劳进展更快。
因此，对于设计的使用时间相同的塔架来说，会具有不同的‘机械’寿命。在这个方面，当曾经受到较低荷载作用的塔架在达到塔架的服务年限20年时，在机械方面可能只达到经历了15年后所经历的荷载，这是相对于荷载的设计值而言的，从而，这种塔架仍然能继续工作。应当知道，也可以理解在相反的情况中，塔架只使用了15年后，塔架却已经达到了20年的机械年限。
采用已前的结构时，还不能对塔架的机械服务年限进行足够的监测，从而，最终只能得出作为风力发电设备中的最重要的部分之一的塔架的服务寿命的模糊估算值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种设备和一种方法，这种方法可以对风力发电设备上的荷载进行可靠地监测，并且可以对风力发电设备的重要部分进行可靠的估算。
本发明的目的是利用具有权利要求1中的特征的风力发电设备来实现的。在从属的权利要求中描述了一些进一步改进的技术方案。
本发明基于这样一种认识，即，在风力发电设备上产生的全部荷载作用于该风力发电设备的塔架上。如果塔架基部受到荷载总和的一半，那么，其它一些部件例如叶片、机器载运器、塔架顶部、塔架等所受到的荷载几乎不会占荷载总和的很大一部分。
最终，塔架基部的荷载不能与涉及风速例如4米/秒的情况相符，而其它部件上的荷载则与例如8米/秒的风速相符。因此，通过对塔架上的荷载进行监测，就可以得出风力发电设备在它所在位置总体上受到的荷载情况。
由于风力发电设备可以被简化地看作是一端被固定住的一根杆，因此，就可以在塔架基部对作用在风力发电设备上的所有荷载的总和进行监测。在塔架的基部设置至少一个传感器，从而可以对风力发电设备上的荷载进行可靠的监测。同时，可以无需帮助、也不会花很大成本、简单地就可以接触到所述传感器。
在本发明的一个优选实施例中，利用基于电阻应变仪(RSG)的传感器来对荷载进行监测。通过这种传感器，利用已被考验测试的技术，就能可靠地对荷载进行监测，并且具有足够的精度。
由电阻应变仪测得的测量值最好被转换成代表这些测量值的模拟或数字信号。这些信号能被传送并且能以一种简单的方式被进一步处理。
所述这种进一步的处理可以是依次与极限值进行比较，以便能获得荷载最大值，或者确定何时达到或超过可预定的荷载极限值。此外，测量值能被累积和存储，以便用于后面的处理或估算。
应当知道，累积的结果还能依次与一可预定的极限值相比较。这样，就可以考虑风力发电设备上的荷载与设计荷载之间的关系，从而对风力发电设备的机械服务年限进行估算。
此外，在本说明书的开头部分中所提到的方法是以这样一种方式来进行的，即，从来自传感器的信号来确定出作用在风力发电设备上的瞬时荷载。由于在风力发电设备的原型上进行了广泛的测试，也确定出了在风力发电设备的不同部件处的荷载的相互关系，因此，可以获得一些数据，这样就可以从塔架基部的荷载得出关于其它部件上的荷载的情况。通过累积全部的经确定的荷载，就可以确定出风力发电设备上的总荷载，从而也就可以确定出风力发电设备的机械服务年限。
根据瞬时荷载与瞬时风的相互关系，就可以检查风力发电设备上的瞬时荷载是否与近似期望数量级相符合。根据本发明通过这种方式，就可以来监测所述设备的工作满意情况。
在风力发电设备的一控制装置中还可以以这样一种方式来对测得的荷载数据作进一步的处理，即，当发生过载时，所述控制装置就采取一些措施来减小荷载。例如，通过调节转子叶片(偏离风向)或通过减小风力发电设备的转子的转速来减小荷载。此外，还可以使风力发电设备的整个转子转动偏离一给定角度，从而来减小所述荷载。
根据本发明的方法，可以获得到现在为止所述风力发电设备相对于设计荷载已经受的荷载总量的详细情况。此外，在风力发电设备中，所述相互关系、单独的测量值和/或累积荷载还能被存储和/或处理。此外，这些数据还能被定期地传送到遥远的地方，例如传送到遥控***，或者被调用。
附图说明
下面将通过例子并参照附图来描述本发明。在附图中：
图1是风力发电设备的简化的示意图；
图2是表示出了一些传感器的布局示意图；
图3表示出了根据本发明的方法的流程图。
具体实施方式
图1表示出了一风力发电设备的一塔架10，该塔架10与一地基12相连接。在塔架10的顶部安装有一个短舱14，该短舱14具有一转子，该转子具有一些转子叶片16。在这个图中，箭头表示风向。
为了产生电能，一方面，风使转子转动，从而使风力发电设备的机械连接的部件随着转动。另一方面，塔架10也同时受到风压的作用，并且带有转子的短舱14也会沿风向发生倾斜。于是，在塔架10上产生弯曲力矩，该塔架在塔架长度的杆臂上在地基12处的一端固定。
作用在塔架上的作用力会在塔架的整个长度上产生一种作用力模式，从而，交替的荷载或振动会造成相应的材料疲劳效应。
图2表示出了在塔架的基部区域中两个传感器20的布局情况。这两个传感器20能基于一些电阻应变仪(RSG)进行操作，并监测塔架基部的应力。利用这个应力就可以精确地得出在风力发电设备上的总应力。在某些情况中有利的是，不是只布置两个传感器，而是围绕塔架基部周边依次布置多个传感器，使得这些传感器能监测多个主要风向，并且所采用的布置方式使得这些传感器能确定出作用在塔架基部的各个最大拉伸力/压缩力荷载。
此外，由传感器确定出的信号/数据在风力发电设备的一控制装置(图中未示出)中被以这样一种方式进一步处理，即，当预定的最大值被超过一次、多次或以时间的方式(time-wise)被超过时，就利用一个程序来减小作用在风力发电设备上的总荷载，从而使得例如风力发电设备的转子的转速被一控制***减小和/或使单独的转子叶片从风中转动出一给定的角度，这样就可减小因转子或所作用的风力的影响而产生的荷载。
第二装置40能监测电信号并对这些电信号进行估算或处理。例如，测量值可与第一极限值进行比较，所述第一极限值表示一预定的荷载极限。如果测量值达到或超过所述第一极限值，那么，就可以产生一个信号，该信号能明确地显示出这种情况。
如果这个极限值，在本实施例中也就是一荷载极限，以那样的方式重复地被达到/超过，那么，就可以得出这样的结论，即，与先前所作出的荷载假定值有***偏差。于是，就可以限制导致这种***偏差的原因，例如，风力发电设备的不正确控制或根据发电设备的地点的极端情况，从而就可以在相应的方面进行补救。
通过连续地累积记录以及连续地与设计荷载进行对比，就能不断地监测塔架的机械老化情况。
存储这些荷载数据还具有这样的好处，即，在风力发电设备的塔架可能发生损坏的情况下，能更容易地获得证据，以便证明是否发生了给定的过载阶段以及是否发生了最大荷载。
最后，如果集中获得风力发电设备的测得的荷载数据，以及如果测得的荷载数据频繁地或不断地超过一给定的最大值，那么，还具有这样的好处，即，操作员能及时地执行测量，以便防止塔架的过早地机械老化。例如，根据测量情况，可以对风力发电设备的某些元件包括例如塔架，进行加固。
如果不采用电阻应变仪来监测荷载，那么也可以采用任何其它装置来监测荷载，利用这些装置能监测出风力发电设备的塔架中尤其是塔架顶部中的拉伸力和/或压缩力和/或扭力和/或振动或其振动幅度。
图3表示出了根据本发明的方法的流程图。这个过程从步骤50开始，然后在步骤51中对测量值进行监测。在步骤52中，把监测到的测量值与第一极限值进行比较。如果测量值超过所述第一极限值，那么，在步骤53中准确地显示出这种情况。如果测量值未超过所述第一极限值，那么，就跳过步骤53。
在步骤54中，测量值被累积，从而确定出风力发电设备迄今为止所受到的总荷载。在步骤55中，确定出总荷载与设计荷载之间的关系。从中就可以了解机械服务年限，也就是说，可以了解风力发电设备已经经受的荷载总和与设计荷载总和之间的关系。在步骤56中表示出这种关系，然后，在步骤57中来结束这个过程。
这种表示可以在数据传送之后在中央遥测站或在风力发电设备的操作员处进行，这种表示也可以采用条形图、图形分析图或其它任何适合的表示方式来实现。

Claims (13)

1、一种风力发电设备，具有用于监测作用在风力发电设备的部件上或作用在整个风力发电设备上的荷载的监测装置，其特征在于：该监测装置最好被设置在风力发电设备的塔架的基部区域，特别是，该监测装置具有测量装置，所述测量装置能在塔架的基部区域中测量塔架上的荷载。
2、根据权利要求1所述的风力发电设备，其特征在于：用于在监测塔架基部区域中监测作用在塔架上的荷载的监测装置是基于电阻应变仪的传感器。
3、根据前述权利要求之一所述的风力发电设备，其特征在于：所述风力发电设备具有一控制装置，该控制装置对测得的数据进行处理，来监测塔架上的荷载，并且以这样的方式来控制所述风力发电设备，即，当测得的数据超过一给定的最大值一次、多次和/或超过一定的时间时，通过调节转子叶片来减小风力发电设备的转子的转速和/或减小风力发电设备上的荷载。
4、一种监测风力发电设备的方法，其中，通过测量值数据采集来监测风力发电设备上的荷载数据，根据一预定的方法对所述测量值数据进行存储和/或处理，从这些测量值数据确定出整个风力发电设备上的瞬时荷载。
5、根据前述权利要求之一所述的风力发电设备，其特征在于：具有第一装置(30)，该第一装置用于把监测到的测量值(由传感器(20)监测到的)转换成模拟式或数字式的电信号，这些电信号可代表所述这些测量值。
6、根据权利要求5所述的设备，其特征在于：具有第二装置(40)，该第二装置用于监测所述电信号，把由该信号所代表的测量值与至少一个可预定的第一极限值进行比较，并且当所述极限值被达到或被超过时用于显示这种情况；和/或存储和/或累积由电信号所代表的测量值。
7、根据前述权利要求之一所述的设备，其特征在于：具有一装置，该装置用于传输这样一些信号，即，这些信号代表单独的测量值和/或累积的测量值和/或累积的测量值与一可预定的第二极限值之间的关系。
8、一种监测风力发电设备的方法，其中：
(a)利用至少一个传感器(20)来监测测量值；
(b)将所述测量值转换成代表该测量值的信号；
(c)根据一预定的方法来存储和/或处理所述信号；
其特征在于：从所述信号确定出风力发电设备的塔架基部的瞬时荷载。
9、根据权利要求8所述的方法，其特征在于：确定出的瞬时荷载被累积。
10、根据权利要求8所述的方法，其特征在于：确定出的瞬时荷载与被瞬时测量的风相关。
11、根据权利要求8至10之一所述的方法，其特征在于：把测量值与一可预定的第一极限值相比较，并且显示出是达到所述极限值还是超过所述极限值。
12、根据权利要求9至11之一所述的方法，其特征在于：所述累积的测量值与一可预定的第二极限值相关。
13、根据权利要求12所述的方法，其特征在于：表示出累积的测量值与第二极限值之间的相互关系。
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