CN102735333A - 用于风力涡轮发电机的使用太阳辐射传感器的冰检测方法和*** - Google Patents

Abstract

本发明描述了旨在测量风力涡轮发电机所接收的直接太阳光辐射以检测结冰的***和方法。测量值随后与理论辐射曲线相比较，其中，在多云日子的测量值将适当地低于理论曲线。冰检测的做出考虑到云的存在情况和温度。测量的参数优选是直接太阳辐射透射率和环境温度。

Description

用于风力涡轮发电机的使用太阳辐射传感器的冰检测方法和***

技术领域

本发明涉及在风力涡轮发电机中，尤其在涡轮机叶片上，使用太阳直接辐射传感器检测结冰的***和方法。

背景技术

由于在严寒地区存在有风力电厂，有时需要实施一种能够检测发电量曲线异常的***和方法，所述发电量曲线异常由冰或霜在涡轮机转子叶片和其他主要部件上凝结造成。

在严寒气候地区，风力涡轮机上冰的堆积造成一个主要问题是其降低了所产生的能量的输出并减短了主要风力涡轮机部件的预计寿命。风力涡轮机可能受到几种类型冰例如霜冻、冻雨、湿雪和雾凇等的影响。

还有另外一个问题，不只在严寒气候中遇到，还可能发生在无数不同的条件下。结冰可能发生在沿海区域，主要是高纬度区域，以及多山地区。在多山区域或接近丘陵顶部处的主要问题是当云层的底部在高度或海拔上比风力涡轮机轮毂或吊舱低时冰的凝结。这样的事件被称之为云内结冰。雪雨是结冰的另一个常见形式。这两种情况的共同点是通常出现多云情况。换而言之，已经被证实的是当天空晴朗时不会出现结冰。

例如准则ISO 12494的已知标准定义了几种类型的冰和它们形成的气象条件。根据经验而来的变量包括对于风力涡轮机的风速、风向、温度和位于云内情况的持续时间。这些***通常使用湿度计。其以云内的水蒸气非常接近或高于饱和蒸汽压的原理为基础。这表示相对湿度通常高于95％。然而，所述***并不是完全可靠的。在沿海地区和海面上的风力电厂中，相对湿度值可能一直都很高，即使没有任何云存在。

所述***中的一种***记载在专利文献US7086834中。用于检测转子叶片上的冰的方法包括监控气象条件并监控可能造成转子叶片之间巨大不均衡的风力涡轮机的物理特征。

现有***的另外一个问题出现在湿度计自身上。当所述水为液体形态时，如果刻度因为水蒸气饱和压力的值而受到影响，则其在温度低于0℃时可能导致获得错误的相对湿度读数。

因此，本发明的一个目的是提出一种能够检测风力电厂中的云量情况而不具有现有技术的缺点的***和方法，并向以一种精确的方式将信号添加到用于冰检测的控制算法中。

本发明的另一个目的是提出一种简单、可靠且不会形成刻度问题的替代***和方法。

发明内容

本发明旨在测量风力涡轮发电机所接收的太阳光辐射，以检测结冰。测量值随后与理论辐射曲线相比较，其中，在多云日子的测量值将适当地低于(well below)理论曲线。冰检测的做出优选地考虑到云的存在情况和低温。

本发明限定了一种用于风力涡轮发电机的冰检测***，该冰检测***包括用于表示所述风力涡轮发电机所处位置的环境温度的信号的温度输入，并包括位于所述风力涡轮发电机处或之上的直接太阳辐射传感器，还包括透射率计算装置，该透射率计算装置用于基于测量的直接太阳辐射值和预定的参照值计算与直接太阳辐射透射率值相关的参数，以及包括冰检测装置，该冰检测装置用于基于所述透射率值和风力涡轮发电机所处位置的所述环境温度产生冰检测信号。

优选地，直接太阳辐射传感器包括部分地或全部地暴露于直接太阳辐射的太阳辐射温度传感器，其中所述透射率计算装置以所述太阳辐射温度传感器所测量的测量值与环境温度之间的差额为基础。

有利地，所述预定参照值是以无云日子时风力涡轮机上或风力涡轮机位置处所接收的直接太阳辐射值为基础。而且，所述预定参照值可以是以Hottel方程式为基础。优选地，所述直接太阳辐射传感器可以是辐射强度计。

本发明优选地用在一控制***中，所述控制***用于风力涡轮发电机并且包括用于从所述冰检测***接收警报和输出信号的输入装置，以及用于以所述警报和输出信号为基础控制风力涡轮机运行的致动装置。

此外，本发明优选地用在一风力电厂中，其中所述冰检测***安置在与位于风力电厂内的风力涡轮机轮毂或吊舱大体上相同的高度。有利地，冰检测***安置在位于风力电厂内的风力涡轮发电机的吊舱上。

本发明还包括一种用于风力涡轮机的冰检测方法，所述冰检测方法包括步骤：提供表示所述风力涡轮发电机所处位置的环境温度的信号，测量所述风力涡轮发电机处或之上的直接太阳辐射，基于测量的直接太阳辐射值和预定的参照值计算与直接太阳辐射透射率值相关的参数，以及基于所述透射率值和风力涡轮发电机所处位置的所述环境温度产生冰检测信号。

优选地，在本发明的冰检测方法中，所述测量所述风力涡轮发电机处或之上的直接太阳辐射的步骤包括测量至少部分地暴露于直接太阳辐射的传感器的温度的步骤，而且所述计算与直接太阳辐射透射率值相关的参数的步骤是以至少部分地暴露于直接太阳辐射的传感器的温度与环境温度之间的差额为基础。

附图说明

图1a描绘了表示太阳入射辐射相对于时间的曲线图，其比较了Hottel模型和在天空晴朗日子所获得的实验数据；

图1b描绘了表示太阳入射辐射相对于时间的曲线图，其比较了Hottel模型和在天空多云日子所获得的实验数据；

图2示出风力涡轮机吊舱上两个温度传感器的位置。

具体实施方式

本发明的一个实施例是以热辐射强度计(thermal pyranometer)的使用为基础的。所述仪器能够测量在地球表面特定位置的入射辐射(5)。众所周知的是，太阳在每单位时间从其表面发射或辐射出巨大量的能量。当以垂直于入射太阳辐射(5)的平面而论时，所述值在大气层顶部大约为1367W/m2。然而，在海平面接收的该辐射量大幅削减，所考虑的理由是太阳辐射表面的倾斜，另一个主要因素是被大气层吸收，这种吸收主要是由于在大气层中云层和悬浮微粒的存在。

本发明旨在测量风力涡轮发电机(4)所接收的太阳光辐射并将所述值与结冰的可能性相关联，以检测结冰。测量值与理论辐射曲线相比较，其中多云天气下的测量值将适当地低于(well below)理论曲线。较佳实施例使用热辐射强度计的傅里叶定律(Furier law)，其中，温度被测量并被进行比较。一个温度计至少部分地暴露于直接太阳辐射，然而另一个温度计避开太阳辐射并测量环境温度(2)。傅里叶定律可以表达如下：

$\stackrel{\·}{Q}c=-K\·(T1-T2)$

其中，

代表传导通过桥架上述两个温度计的金属条的热通量，且其中K代表所述金属条的导热系数，且其中T1和T2为两个温度计所测量的温度。

由此可见，温度差额与两个温度计或温度传感器所接收的能量差额直接相关；总之，此能量是接收到的太阳光辐射。

用于每个发电机(4)的热辐射强度计可以被用来关联接收到的太阳辐射和温度差额。然而，作为一个简单实施例的示例，能够看出有可能使用理论和实验辐射曲线而不需要辐射强度计。所述方法学产生的结果在实验上在测量值方面表现出小于5％的误差。这种曲线中的一个由Hottel以下面的等式限定：

${\mathrm{\τ}}_b=a_0+a_{1_1}{\mathrm{\θ}}^{-\frac{K}{\cos \left(\mathrm{\θz}\right)}}$

其中，等式的首项是太阳辐射透射率，τ_b，且其中θz是太阳天顶角，a₀、a₁、K是由每个位置和海拔或高度所确定的常量。所述透射系数表示到达地球表面的太阳辐射相对于到达大气层外壳的太阳辐射的分数。

值得注意的是太阳天顶角θz是在地球表面上的一位置太阳与天顶或竖直方向之间的角度。

等式的常量，即a₀、a₁和K是相对于标准大气根据实验标定的，在不同类型的气候中，所述标准大气具有大约23千米的能见度。所述常量根据相对于海平面的海拔和高度而变化。值得注意的是标准大气是基于没有污染物的平均纬度为依据，此外，其是与臭氧层厚度相独立的。然后所述常量采用如下值：

a₀＝0.4237-0.00821(6-A)²

a₁＝0.5051+0.0059(6.5-A)²

k＝0.2711+0.01858(2.5-A)²

其中A是从作出观测的地点以千米计算的海拔或高度。

此外，Hottel曲线可以应用于由5千米能见度限定的标准大气。新的常量，也就是a₀*、a₁*、k*必须被计算。为了简化计算，校正系数被应用，r₀＝a₀/a₀*、r₁＝a₁/a₁*和r_k＝k/k*等同于表格1中如下的值。

表格1.Hottel模型

气候类型	r0	r1	rk
				热带	0.95	0.98	1.02
夏季(平均纬度)	0.97	0.99	1.02
				冬季(平均纬度)	1.03	1.01	1.00
亚北极夏季	0.99	0.99	1.01

因此对于标准大气压的辐射透射率可以预先确定，对于天顶角或竖直或法线方向。这用数学表达为：

G_abn＝G_onτ_b

G_abn是由辐射传感器测量的直接辐射；且

G_on是在垂直于辐射的平面上所测量的地球外辐射，且

τ_b是直接的太阳光透射率。

晴朗日子的水平分量换算如下：

G_ab＝G_onτ_bcos(θz)

G_ab是直接太阳光辐射的水平面分量。

图1a和1b示出了计算的和实际实验数据的叠加。

图1a对应于天空晴朗日子，然而图1b描绘出了多云日子相对应的曲线图。如前所述，进入大气层的一定分数或一定百分比的太阳辐射没有到达地球表面，其中的一些被反射或被吸收。在其转向处(at its turn)，这些被吸收的辐射中的一些被重新发射，或者返回太空或者作为散射辐射。直接和散射辐射均到达地面。在天空晴朗日子，如果与直接辐射相比较，散射辐射的百分比是非常小的。然而，在多云日子，吸收扮演了重要的角色。云层吸收直接太阳辐射并且用一个确定的波长(长波长)将其以散射辐射的形式朝向地球重新发射。根据云层的厚度和其底部的高度，到达地球表面的辐射的数量将主要是以直接或散射的方式。

为了本发明的目的，主要影响(main interest)的云层被认为是低的云层，优选地是其底部处于0-2千米之间的海拔，特别影响(special interest)的是那种具有高含水量的云层或者跨度广且增加的海拔范围的云层。简而言之，这些是对直接太阳辐射来说不透性更高的云层。当风力电厂发现其被这些云层中的一个覆盖时，所接收直接太阳辐射将基本上为零，且大部分所接收的辐射将是散射的。理论值与所测量的直接太阳辐射之间的比较，有可能推论出风力涡轮机被云层围绕并且因而有结冰的倾向。

为了在实验上证实Hottel曲线，使用了位于加泰罗尼亚(Catalunya)的几个气象站的辐射数据。这个信息是可以从一个叫做XEMA的自动气象站的网络上自由获取的。

表格2示出一个图表，其具有所接收的实时数据，并对应于Hottel模型。所选择的气象站位于赫罗纳市波特博(Port Bou，Girona)镇内。地理坐标是42.46N，3.13E，海拔高度26米，所选择的日期为2010年7月25日。测量值参照格林威治时间，需要增加两小时来得到当地的时间。

表格2

结果显示出提议的模型令人满意地接近于所测量的实验数据。气象站的数据给出了总的直接的和散射的辐射值。这在很多模型中是可接受的。然而，本发明的一个实施例分离了散射的和直接的辐射。

为了估计水平表面上的散射辐射，参照如下透射率等式(刘和乔丹，1960)

τ_d＝0.2710-0.2939τ_b

τ_b是起因于散射辐射的透射率，且

τ_b是起因于直接辐射的透射率。

用于每个位置和对应于兴趣选择(interest chosen)的天气季节的参数的理论曲线一旦被证实，与风力涡轮发电机(4)上的辐射关联或相关的系数和太阳/阴影温度差额可以被确定。这个系数可以被输入到控制电路。该控制电路可以将云量情况和温度相关联来确定结冰的风险。倾向于叶片(6)结冰的信号、警报和风险记录的次数可以被输出。

为了使入射辐射和太阳/阴影温度差额相关联，所述温度测量优选地在天空晴朗日子进行。温度传感器将有利地受到防风保护。这可以通过用对太阳辐射透明的材料覆盖所述传感器来实现。可选择地，如果需要温度传感器暴露于风中时，考虑到风速的几个范围，这可以在Hottel模型上作出补偿和修正。

暴露于太阳辐射的温度传感器的周围区域也可以被涂成黑色以使太阳和阴影侧边之间的温度差额最大化。

在实施冰检测器时，希望每个风力涡轮发电机(4)可以具有传感器和控制装置以输出它们自己单独的警报信号。这需要每个风力发电机(4)装备有单独的***。另一个实施例预见了用于整个风力电厂的公共气象站塔楼中的传感器***的实施。该塔楼与风力电厂中风力涡轮机轮毂或吊舱处于相同的高度。在复杂且多山的地域，高度可能是变化的，而且在广阔的风力电厂中，从一个区域到另一个区域的云层情况可能是不同的。在所述情况中，可以实施一个以上的气象站塔楼，并将它们布置在不同的高度。也有可能在每个独立的风力涡轮机中实施所述***之前，在气象塔楼上或控制台中安装检测***。

Claims (11)

1.一种用于风力涡轮发电机(4)的冰检测***，所述冰检测***包括：

至少一个温度输入，其用于表示所述风力涡轮发电机(4)所处位置的环境温度(2)的信号，其特征在于，

位于所述风力涡轮发电机(4)处或之上的至少一个直接太阳辐射传感器(1)，

透射率计算装置，其用于基于测量的直接太阳辐射值(5)和预定的参照值计算与直接太阳辐射透射率值相关的参数，以及

冰检测装置，其用于基于所述透射率值和风力涡轮发电机(4)所处位置的所述环境温度(2)产生冰检测信号。

2.根据权利要求1所述的冰检测***，其中，所述直接太阳辐射传感器(1)包括至少部分地暴露于直接太阳辐射(5)的直接太阳辐射温度传感器，且所述透射率计算装置以所述太阳辐射温度传感器所测量的测量值与所述环境温度(2)之间的差额为基础。

3.根据权利要求1所述的冰检测***，其中，所述预定参照值是以无云日子时风力涡轮机上或风力涡轮机位置处所接收的直接太阳辐射值(5)为基础。

4.根据权利要求3所述的冰检测***，其中，所述预定参照值是以Hottel方程式为基础。

5.根据权利要求1所述的冰检测***，其中，位于所述风力涡轮发电机(4)处或之上的所述直接太阳辐射传感器(1)包括至少一个辐射强度计。

6.根据权利要求1所述的冰检测***，其包括：

用于测量所述风力涡轮机所处位置的环境温度(2)的至少一个环境温度(2)传感器，以及

用于将所述测量的环境温度(2)值发送到所述环境温度(2)输入的装置。

7.用于具有根据权利要求1所述的冰检测***的风力涡轮发电机(4)的控制***，所述控制***包括：

用于从所述冰检测***接收警报和输出信号的输入装置，以及

用于以所述警报和输出信号为基础控制风力涡轮机运行的致动装置。

8.具有根据权利要求1所述的冰检测***的风力电厂，其中，所述冰检测***安置在与位于风力电厂内的风力涡轮机轮毂或吊舱(3)大体上相同的高度。

9.具有根据权利要求1所述的冰检测***的风力电厂，其中，所述冰检测***安置在位于风力电厂内的风力涡轮发电机的至少一个吊舱上。

10.一种用于风力涡轮机的冰检测方法，所述冰检测方法包括如下步骤：

提供至少一个表示所述风力涡轮发电机(4)所处位置的环境温度(2)的信号，其特征在于，

测量所述风力涡轮发电机(4)处或之上的直接太阳辐射，

基于测量的直接太阳辐射值和预定的参照值计算与直接太阳辐射透射率值相关的参数，以及

基于所述透射率值和风力涡轮发电机(4)所处位置的所述环境温度(2)产生冰检测信号。

11.根据权利要求10所述的冰检测方法，其中，所述测量所述风力涡轮发电机(4)处或之上的直接太阳辐射的步骤包括测量至少部分地暴露于直接太阳辐射的传感器的温度的步骤，

所述计算与直接太阳辐射透射率值相关的参数的步骤是以至少部分地暴露于直接太阳辐射的传感器的温度与环境温度(2)之间的差额为基础。

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