用於風力渦輪發電機的使用太陽輻射傳感器的冰檢測方法和系統的製作方法

2023-12-03 18:45:11 1

專利名稱：用於風力渦輪發電機的使用太陽輻射傳感器的冰檢測方法和系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及在風カ渦輪發電機中，尤其在渦輪機葉片上，使用太陽直接輻射傳感器檢測結冰的系統和方法。
背景技術：
由於在嚴寒地區存在有風カ電廠，有時需要實施ー種能夠檢測發電量曲線異常的系統和方法，所述發電量曲線異常由冰或霜在渦輪機轉子葉片和其他主要部件上凝結造成。在嚴寒氣候地區，風カ渦輪機上冰的堆積造成ー個主要問題是其降低了所產生的 能量的輸出並減短了主要風カ渦輪機部件的預計壽命。風カ渦輪機可能受到幾種類型冰例如霜凍、凍雨、溼雪和霧凇等的影響。還有另外一個問題，不只在嚴寒氣候中遇到，還可能發生在無數不同的條件下。結冰可能發生在沿海區域，主要是高緯度區域，以及多山地區。在多山區域或接近丘陵頂部處的主要問題是當雲層的底部在高度或海抜上比風カ渦輪機輪轂或吊艙低時冰的凝結。這樣的事件被稱之為雲內結冰。雪雨是結冰的另ー個常見形式。這兩種情況的共同點是通常出現多雲情況。換而言之，已經被證實的是當天空睛朗時不會出現結冰。例如準則ISO 12494的已知標準定義了幾種類型的冰和它們形成的氣象條件。根據經驗而來的變量包括對於風カ渦輪機的風速、風向、溫度和位於雲內情況的持續時間。這些系統通常使用溼度計。其以雲內的水蒸氣非常接近或高於飽和蒸汽壓的原理為基礎。這表示相対溼度通常高於95%。然而，所述系統並不是完全可靠的。在沿海地區和海面上的風カ電廠中，相対溼度值可能一直都很高，即使沒有任何雲存在。所述系統中的ー種系統記載在專利文獻US7086834中。用於檢測轉子葉片上的冰的方法包括監控氣象條件並監控可能造成轉子葉片之間巨大不均衡的風カ渦輪機的物理特徵。現有系統的另外一個問題出現在溼度計自身上。當所述水為液體形態時，如果刻度因為水蒸氣飽和壓カ的值而受到影響，則其在溫度低於0°C時可能導致獲得錯誤的相對溼度讀數。因此，本發明的ー個目的是提出一種能夠檢測風力電廠中的雲量情況而不具有現有技術的缺點的系統和方法，並向以一種精確的方式將信號添加到用於冰檢測的控制算法中。本發明的另ー個目的是提出一種簡單、可靠且不會形成刻度問題的替代系統和方法。

發明內容
本發明g在測量風カ渦輪發電機所接收的太陽光輻射，以檢測結冰。測量值隨後與理論福射曲線相比較，其中，在多雲日子的測量值將適當地低於(well below)理論曲線。冰檢測的做出優選地考慮到雲的存在情況和低溫。本發明限定了一種用於風力渦輪發電機的冰檢測系統，該冰檢測系統包括用於表示所述風力渦輪發電機所處位置的環境溫度的信號的溫度輸入，並包括位於所述風力渦輪發電機處或之上的直接太陽輻射傳感器，還包括透射率計算裝置，該透射率計算裝置用於基於測量的直接太陽輻射值和預定的參照值計算與直接太陽輻射透射率值相關的參數，以及包括冰檢測裝置，該冰檢測裝置用於基於所述透射率值和風力渦輪發電機所處位置的所述環境溫度產生冰檢測信號。優選地，直接太陽輻射傳感器包括部分地或全部地暴露於直接太陽輻射的太陽輻射溫度傳感器，其中所述透射率計算裝置以所述太陽輻射溫度傳感器所測量的測量值與環境溫度之間的差額為基礎。有利地，所述預定參照值是以無雲日子時風力渦輪機上或風力渦輪機位置處所接收的直接太陽輻射值為基礎。而且，所述預定參照值可以是以Hottel方程式為基礎。優選地，所述直接太陽輻射傳感器可以是輻射強度計。 本發明優選地用在一控制系統中，所述控制系統用於風力渦輪發電機並且包括用於從所述冰檢測系統接收警報和輸出信號的輸入裝置，以及用於以所述警報和輸出信號為基礎控制風力渦輪機運行的致動裝置。此外，本發明優選地用在一風力電廠中，其中所述冰檢測系統安置在與位於風力電廠內的風力渦輪機輪轂或吊艙大體上相同的高度。有利地，冰檢測系統安置在位於風力電廠內的風力渦輪發電機的吊艙上。本發明還包括一種用於風力渦輪機的冰檢測方法，所述冰檢測方法包括步驟提供表示所述風力渦輪發電機所處位置的環境溫度的信號，測量所述風力渦輪發電機處或之上的直接太陽輻射，基於測量的直接太陽輻射值和預定的參照值計算與直接太陽輻射透射率值相關的參數，以及基於所述透射率值和風力渦輪發電機所處位置的所述環境溫度產生冰檢測信號。優選地，在本發明的冰檢測方法中，所述測量所述風力渦輪發電機處或之上的直接太陽輻射的步驟包括測量至少部分地暴露於直接太陽輻射的傳感器的溫度的步驟，而且所述計算與直接太陽輻射透射率值相關的參數的步驟是以至少部分地暴露於直接太陽輻射的傳感器的溫度與環境溫度之間的差額為基礎。


圖Ia描繪了表示太陽入射輻射相對於時間的曲線圖，其比較了 Hottel模型和在天空晴朗日子所獲得的實驗數據；圖Ib描繪了表示太陽入射輻射相對於時間的曲線圖，其比較了 Hottel模型和在天空多雲日子所獲得的實驗數據；圖2示出風力渦輪機吊艙上兩個溫度傳感器的位置。
具體實施例方式本發明的一個實施例是以熱福射強度計(thermal pyranometer)的使用為基礎的。所述儀器能夠測量在地球表面特定位置的入射輻射(5)。眾所周知的是，太陽在每単位時間從其表面發射或輻射出巨大量的能量。當以垂直於入射太陽輻射(5)的平面而論吋，所述值在大氣層頂部大約為1367W/m2。然而，在海平面接收的該輻射量大幅削減，所考慮的理由是太陽輻射表面的傾斜，另ー個主要因素是被大氣層吸收，這種吸收主要是由於在大氣層中雲層和懸浮微粒的存在。本發明g在測量風カ渦輪發電機(4)所接收的太陽光輻射並將所述值與結冰的可能性相關聯，以檢測結冰。測量值與理論輻射曲線相比較，其中多雲天氣下的測量值將適當地低於(well below)理論曲線。較佳實施例使 用熱福射強度計的傅立葉定律(Furierlaw)，其中，溫度被測量並被進行比較。ー個溫度計至少部分地暴露於直接太陽輻射，然而另ー個溫度計避開太陽輻射並測量環境溫度(2)。傅立葉定律可以表達如下^c= -K-Jl - 72}其中，取代表傳導通過橋架上述兩個溫度計的金屬條的熱通量，且其中K代表所述金屬條的導熱係數，且其中Tl和T2為兩個溫度計所測量的溫度。由此可見，溫度差額與兩個溫度計或溫度傳感器所接收的能量差額直接相關；總之，此能量是接收到的太陽光輻射。用於每個發電機(4)的熱輻射強度計可以被用來關聯接收到的太陽輻射和溫度差額。然而，作為ー個簡單實施例的示例，能夠看出有可能使用理論和實驗輻射曲線而不需要輻射強度計。所述方法學產生的結果在實驗上在測量值方面表現出小於5%的誤差。這種曲線中的ー個由Hottel以下面的等式限定'.m. i Cu - G0 十 Ctj1 f- '其中，等式的首項是太陽輻射透射率，Tb，且其中02是太陽天頂角，％、&1、1(是由每個位置和海抜或高度所確定的常量。所述透射係數表示到達地球表面的太陽輻射相對於到達大氣層外殼的太陽輻射的分數。值得注意的是太陽天頂角e Z是在地球表面上的一位置太陽與天頂或豎直方向之間的角度。等式的常量，即％、B1和K是相對於標準大氣根據實驗標定的，在不同類型的氣候中，所述標準大氣具有大約23千米的能見度。所述常量根據相對於海平面的海抜和高度而變化。值得注意的是標準大氣是基於沒有汙染物的平均緯度為依據，此外，其是與臭氧層厚度相獨立的。然後所述常量採用如下值 a0 = 0. 4237-0. 00821 (6_A)2B1 = 0. 5051+0. 0059 (6. 5_A)2k = 0. 2711+0. 01858(2. 5-A)2其中A是從作出觀測的地點以千米計算的海抜或高度。此外，Hottel曲線可以應用於由5千米能見度限定的標準大氣。新的常量，也就是Bc^a1=Kk*必須被計算。為了簡化計算,校正係數被應用，ち=a0/a0t^r1 = B1Ai1=^Prk=k/k*等同於表格I中如下的值。表格I. Hottel 模型
權利要求
1.一種用於風カ渦輪發電機(4)的冰檢測系統，所述冰檢測系統包括 至少ー個溫度輸入，其用於表示所述風カ渦輪發電機(4)所處位置的環境溫度(2)的信號，其特徵在幹， 位於所述風カ渦輪發電機(4)處或之上的至少ー個直接太陽輻射傳感器(1)， 透射率計算裝置，其用於基於測量的直接太陽輻射值(5)和預定的參照值計算與直接太陽輻射透射率值相關的參數，以及 冰檢測裝置，其用於基於所述透射率值和風カ渦輪發電機(4)所處位置的所述環境溫度(2)產生冰檢測信號。
2.根據權利要求I所述的冰檢測系統，其中，所述直接太陽輻射傳感器(I)包括至少部 分地暴露於直接太陽輻射(5)的直接太陽輻射溫度傳感器，且所述透射率計算裝置以所述太陽輻射溫度傳感器所測量的測量值與所述環境溫度(2)之間的差額為基礎。
3.根據權利要求I所述的冰檢測系統，其中，所述預定參照值是以無雲日子時風カ渦輪機上或風カ渦輪機位置處所接收的直接太陽輻射值(5)為基礎。
4.根據權利要求3所述的冰檢測系統，其中，所述預定參照值是以Hottel方程式為基礎。
5.根據權利要求I所述的冰檢測系統，其中，位於所述風カ渦輪發電機(4)處或之上的所述直接太陽輻射傳感器(I)包括至少ー個輻射強度計。
6.根據權利要求I所述的冰檢測系統，其包括 用於測量所述風カ渦輪機所處位置的環境溫度(2)的至少ー個環境溫度(2)傳感器，以及 用於將所述測量的環境溫度(2)值發送到所述環境溫度(2)輸入的裝置。
7.用於具有根據權利要求I所述的冰檢測系統的風カ渦輪發電機(4)的控制系統，所述控制系統包括 用於從所述冰檢測系統接收警報和輸出信號的輸入裝置，以及 用於以所述警報和輸出信號為基礎控制風カ渦輪機運行的致動裝置。
8.具有根據權利要求I所述的冰檢測系統的風カ電廠，其中，所述冰檢測系統安置在與位於風カ電廠內的風カ渦輪機輪轂或吊艙(3)大體上相同的高度。
9.具有根據權利要求I所述的冰檢測系統的風カ電廠，其中，所述冰檢測系統安置在位於風カ電廠內的風カ渦輪發電機的至少ー個吊艙上。
10.一種用於風カ渦輪機的冰檢測方法，所述冰檢測方法包括如下步驟 提供至少ー個表示所述風カ渦輪發電機(4)所處位置的環境溫度(2)的信號，其特徵在於， 測量所述風カ渦輪發電機(4)處或之上的直接太陽輻射， 基於測量的直接太陽輻射值和預定的參照值計算與直接太陽輻射透射率值相關的參數，以及 基於所述透射率值和風カ渦輪發電機(4)所處位置的所述環境溫度(2)產生冰檢測信號。
11.根據權利要求10所述的冰檢測方法，其中，所述測量所述風カ渦輪發電機(4)處或之上的直接太陽輻射的步驟包括測量至少部分地暴露於直接太陽輻射的傳感器的溫度的步驟， 所述計算與直接太陽輻射透射率值相關的參 數的步驟是以至少部分地暴露於直接太陽輻射的傳感器的溫度與環境溫度(2)之間的差額為基礎。
全文摘要
本發明描述了旨在測量風力渦輪發電機所接收的直接太陽光輻射以檢測結冰的系統和方法。測量值隨後與理論輻射曲線相比較，其中，在多雲日子的測量值將適當地低於理論曲線。冰檢測的做出考慮到雲的存在情況和溫度。測量的參數優選是直接太陽輻射透射率和環境溫度。
文檔編號G01J1/00GK102735333SQ20121008917
公開日2012年10月17日 申請日期2012年3月29日 優先權日2011年3月30日
發明者因馬庫拉達·戈麥斯·魯法斯, 安赫爾·岡薩雷斯·帕拉西奧斯, 巴勃羅·馬丁·拉莫斯 申請人:歌美颯創新技術公司