风力发电设备及其监测方法

1、一种风力发电设备，具有塔架和布置在塔架的基部区域中用于探测 作用在风力发电设备的至少部分上的荷载的传感器，其特征在于：该风力 发电设备具有控制装置，该控制装置对传感器确定的数据进行处理，并且 该控制装置以这样一种方式来控制所述风力发电设备，即，当测得的数据 超过给定的最大值一次、多次或一定的时间时，通过调节转子叶片来减小 风力发电设备的转子的转速或减小风力发电设备上的荷载。
2、根据权利要求1所述的风力发电设备，其特征在于：布置在塔架基 部区域中传感器是基于电阻应变仪的。
3、根据权利要求1所述的风力发电设备，其特征在于：具有第一装置 (30)，该第一装置用于把由传感器(20)监测到的测量值转换成模拟式或 数字式的电信号，这些电信号代表所述测量值。
4、根据权利要求3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，并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。
5、根据权利要求1至4其中之一所述的设备，其特征在于：具有用于 传输信号的装置，所述信号代表单独的测量值和/或累积的测量值和/或累积 的测量值与可预定的第二极限值之间的关系。
6、一种监测风力发电设备的方法，所述风力发电设备具有塔架，转子 和至少一个转子叶片，所述方法包括如下步骤：
通过测量数据采集方式来探测风力发电设备上的荷载，所述测量数据 采集方式是在塔架基部的区域中测量风力发电设备的塔架上的荷载；
存储并处理所述测量数据；
从所述测量数据确定作用在整个风力发电设备上的瞬时荷载；和
控制风力发电设备，从而如果测得的数据超过给定的最大值一次、多 次或一定的时间时，通过调节转子叶片来减小风力发电设备的转子的转速 或减小风力发电设备上的荷载。
7、根据权利要求6所述的方法，其特征在于：累积确定出的瞬时荷载。
8、根据权利要求6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。
9、根据权利要求6所述的方法，其特征在于：把测量值与可预定的第 一极限值相比较，并且将达到或是超过所述极限值显示出来。
10、根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述累积的测量值与 可预定的第二极限值相关。
11、根据权利要求10所述的方法，其特征在于：将累积的测量值与第 二极限值之间的关系表示出来。

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 the pylon)’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，利用一电子系统来对一 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。
本发明的目的是这样实现的，即提供一种风力发电设备，具有塔架和 布置在塔架的基部区域中用于探测作用在风力发电设备的至少部分上的荷 载的传感器，其中，该风力发电设备具有控制装置，该控制装置对传感器 确定的数据进行处理，并且该控制装置以这样一种方式来控制所述风力发 电设备，即，当测得的数据超过给定的最大值一次、多次或一定的时间时， 通过调节转子叶片来减小风力发电设备的转子的转速或减小风力发电设备 上的荷载。
根据本发明的另一方面，提供一种监测风力发电设备的方法，所述风 力发电设备具有塔架，转子和至少一个转子叶片，所述方法包括如下步骤： 通过测量数据采集方式来探测风力发电设备上的荷载，所述测量数据采集 方式是在塔架基部的区域中测量风力发电设备的塔架上的荷载；存储并处 理所述测量数据；从所述测量数据确定作用在整个风力发电设备上的瞬时 荷载；和控制风力发电设备，从而如果测得的数据超过给定的最大值一次、 多次或一定的时间时，通过调节转子叶片来减小风力发电设备的转子的转 速或减小风力发电设备上的荷载。
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)来实现前述的荷载 减小，从而减小风力发电设备的转子的转速或减小风力发电设备上的荷载。 此外，还可以使风力发电设备的整个转子转动偏离风向一足够的角度，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，例如传送到遥控系统，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，就减小作用在风力发电 设备上的总荷载。例如，通过控制装置，使单独的转子叶片从风中转动出 一足够的角度，风力发电设备的转子的转速可被减小，这样就可减小因转 子或作用在其上的风荷载而产生的风力发电设备上的荷载。
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 载假定值有系统偏差。于是，就可以限制导致这种系统偏差的原因，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。