CN101796294B - 风轮机的阴影控制 - Google Patents

Abstract

风轮机(1)的转子可能会将间歇性的阴影(5)投射到风轮机附近的物体(7)上。阴影控制系统(18)基于与阴影相关的关闭条件而停止风轮机。所述条件基于在直射光的强度与间接光的强度之间进行比较的结果超过直射光对间接光阈值(T1关)。一组光传感器(9E、9W)测量直射光的强度和间接光的强度。传感器在被太阳照射时测量直射光的强度，而在不被太阳照射时测量间接光的强度。用以提供用于比较的、所测量出的直射光的强度和间接光的强度的该组光传感器包括两个传感器：朝东的传感器(9E)和朝西的传感器(9W)。

Description

风轮机的阴影控制

技术领域

本发明一般涉及风轮机的阴影控制，例如涉及风轮机的阴影控制系统，其中，该风轮机具有转子，当转子旋转且太阳处在某一位置的时候，该转子可将间歇性的阴影投射到该风轮机附近的物体上；阴影控制系统被设置成基于与阴影相关的关闭条件而使得风轮机停止，从而使得间歇性阴影不会投射到物体上。

背景技术

风轮机的转子在旋转时可能会将间歇性的阴影投射到邻近的地面区域上。生活在此区域内的居民往往觉得这样的间歇性阴影令人讨厌。该问题可能会使得难以在对间歇性阴影“敏感”的物体(诸如居住的房屋)附近架设或操作风轮机。

关于这点，在DE 199 28 048A1中提出：当风轮机附近的对于阴影敏感的物体(例如，房屋)会置于由风轮机的转子所产生的间歇性阴影下时，风轮机被关闭。关闭条件包括通过“与”而逻辑上相结合的两个子条件：第一子条件是太阳的当前位置使得阴影理论上能够被投射到物体上。第二子条件与阴影的“性质和数量”有关，即，太阳的光照射是否会使得阴影实际产生。第二子条件基于对直射光的强度和间接光的强度的测量以及这些强度的比较结果为在给定的阈值以上。

在US 6,661,111中描述了类似的阴影控制。然而，关闭条件仅基于直射光测量以及所测量到的直射光强度是否在阈值以上。当满足所提到的条件时，风轮机不是立即关闭，而是在例如五分钟的延时(这样的延时可被认为是与所提及的其它子条件相“与”的第三子条件)之后关闭。在风轮机已停止、但关闭条件已不满足(例如，因为太阳运动而使得不会再有阴影被投射到物体上，或所测量到的强度已降到阈值以下)的情况下，恢复风轮机的操作。再次，不是立即恢复操作，而是在例如两分钟的延时之后恢复操作。延时防止过于频繁地开启和关闭风轮机，例如防止当光强度在阈值附近波动的情况下过于频繁地开启和关闭风轮机。

US 2006/0267347A1涉及与DE 199 28 048A1中的阴影控制系统类似的阴影控制系统。为测量直射光的强度和间接光的强度，设置三个光传感器。它们按照120°的相对角排列，并且它们的孔径角(即，它们的感光开度角)为至少120°，以确保所述传感器中始终有至少一个传感器采集太阳光的直射光线，而至少另一个传感器不暴露于太阳光的直射光线下。

发明内容

本发明的第一方面涉及一种风轮机的阴影控制系统，该风轮机具有转子，当转子旋转且太阳处于特定位置的时候，该转子可能将间歇性的阴影投射到风轮机附近的物体上。该阴影控制系统被布置成基于与阴影相关的关闭(shut down)条件而使得风轮机停止，从而使得间歇性的阴影不被投射到物体上。所述关闭条件包括直射光强度与间接光强度之间的比较结果超过直射光对间接光阈值。该阴影控制系统进一步包括一组光传感器，以提供测量出的直射光强度和间接光强度用于比较目的，光传感器能够在被太阳照射时测量直射光的强度以及在不被太阳照射时测量间接光的强度。提供测量出的直射光强度和间接光强度以用于比较的该组光传感器仅具有两个光传感器：一个朝东的光传感器和一个朝西的光传感器。

根据另一个独立的方面，提供一种风轮机的阴影控制系统。该风轮机具有转子，当转子旋转且太阳处于特定位置时，该转子可能将间歇性的阴影投射到风轮机附近的物体上。该阴影控制系统被布置成基于与阴影相关的关闭条件而使得风轮机停止，从而使得间歇性的阴影不被投射到物体上。该阴影控制系统还被配制成基于与阴影相关的操作恢复条件而使得风轮机的操作恢复。关闭条件包括光测量的结果超过第一阈值，而操作恢复条件包括光测量的结果回到第二阈值。在所述阈值方面存在滞后，使得引起关闭的光测量的结果不足以使得操作恢复。

根据另一个独立的方面，提供一种风轮机的阴影控制系统。风轮机具有转子，当转子旋转且太阳处于特定位置的时候，该转子可能将间歇性的阴影投射到风轮机附近的物体上。该阴影控制系统被布置成基于与阴影相关的关闭条件而使得风轮机停止，从而使得间歇性的阴影不被投射到物体上。关闭条件包括光测量的结果超过阈值。提供至少一个光传感器以测量光的强度。所述至少一个光传感器的响应是温度相关的。该阴影控制系统包括至少一个温度测量设备，或者该阴影控制系统被布置成接收温度测量信号。基于所测量出的温度，对光传感器信号进行温度补偿。

根据另一个独立的方面，提供一种风轮机的阴影控制系统。风轮机具有转子，当转子旋转且太阳处于特定位置的时候，该转子可能将间歇性的阴影投射到风轮机附近的物体上。该阴影控制系统被布置成基于与阴影相关的关闭条件而使得风轮机停止，从而使得间歇性的阴影不被投射到物体上。关闭条件包括光测量的结果超过阈值。提供至少一个光传感器以测量光的强度。所述至少一个光传感器装备有加热设备，以保持传感器不具有冰。

其它的特征是所公开的方法和产品的固有特征，或者通过以下详细描述的实施例及其附图，本领域技术人员将会理解其它的特征。

附图说明

下面将通过示例并参照附图来描述本发明的实施例，附图中：

图1为一天中由风轮机所投射的阴影的总体情形的示例；

图2为安装在杆上的光传感器组的侧视图；

图3为图2所示的光传感器组的俯视图；

图4为与图3类似的另一个实施例的俯视图，但光传感器的朝向不同；

图5为阴影控制系统的功能图，示出直至生成关闭信号的信号处理；

图6为与图5相似的局部功能图，但示出了操作恢复信号的生成；

图7为示出具有滞后功能的实施例的示图；

图8示出光传感器的温度相关性；

图9示出具有光强度测量的温度补偿的实施例；

图10为被加热的光传感器的实施例的示意性横截面。

附图以及对附图的描述为本发明实施例，而非本发明本身。

具体实施方式

图1示出由风轮机所投射的阴影的总体情形。但是在进一步具体描述图1之前，先讨论实施例的几项内容。

实施例关于具有转子的风轮机，当转子旋转且太阳处于某一位置的时候，该转子可将间歇性的阴影投射到风轮机附近的物体上。风轮机装备有阴影控制系统，该阴影控制系统被布置成基于与阴影相关的关闭条件而使得风轮机停止，使得这样的间歇性阴影不被投射到物体上。关闭条件可以由多个子条件的逻辑组合组成。在一些实施例中，第一子条件是太阳的当前位置是否使得阴影理论上能够被投射到“对阴影敏感的”物体上。在一些实施例中，这是通过不停地计算太阳的当前位置和风轮机转子会投射阴影的位置以及此阴影是否会被投射到对阴影敏感的物体上而确定的。在其它的实施例中，太阳的位置或者所产生的转子阴影的位置被预先确定(例如，被预先计算出)，且以作为日期和时间的函数的形式存储在表中，并且从该表中读出而不是被不停地计算出。在另外的实施例中，比较的结果，即间歇性阴影是否投射在对阴影敏感的物体上，被预先确定(例如，被预先计算出)，并且以作为日期和时间的函数的形式存储在表中。在上述实施例中的后者中，例如，阴影控制器周期性读出存储在该表中的、与当前的日期和时间相关的“是/否”(或“真/假”)值。

又一子条件与阴影的性质和数量有关，即，当前的太阳照射是否会使得阴影实际产生。例如，当天气为多云或有雾时，太阳照射将会是漫射的(即，光将会自不同的方向)，使得转子不会产生明显的阴影。这样的“半影(half-shadow)”不是(或者不是非常)清晰可见的，使得在这样的情况下通常不需要关闭风轮机。通过对直射光的强度和间接光的强度的比较可以量化阴影的性质和数量：如果直射光的强度和间接光的强度差别很大，则会存在明显的阴影，但如果它们相近，则不会存在阴影，或者仅存在半影。因此，在实施例中，第二关闭条件基于对直射光的强度和间接光的强度的测量、以及基于直射光的强度和间接光的强度的比较结果是否超过直射光对间接光阈值(direct-to-indirectlight threshold)。如果两个子条件均满足，则阴影控制系统使得风轮机关闭。所提及的两个子条件不是排他的；例如，在一些实施例中，由直射光的强度在直射光的阈值以上作为额外的第三子条件。此外，在一些实施例中，存在与延时相关的子条件，即，在其它条件满足的情况下不是立即启动关闭，而是在一定的延时之后启动关闭。

存在如何进行直射光的强度与间接光的强度的比较的不同的实施例：在一些实施例中，“比较”包含(或包括)确定直射光的强度与间接光的强度之间的差，这通常得到正值。可替选地，“比较”包含(或包括)确定相反的差(即，间接光的强度与直射光的强度之间的差)，这通常得到负值。在其它的实施例中，“比较”包含(或包括)确定直射光的强度与间接光的强度之间的比，通常得出大于或等于1的正值，或者相反地，确定间接光的强度与直射光的强度之间的比，通常得出小于或等于1的正值。

直射光对间接光阈值的大小和属性(即，“超过阈值”的含义)与直射光的强度与间接光的强度进行比较的方式配应：在所提及的第一种情形中(直射光的强度与间接光的强度之间的差)，如果结果大于阈值，则关闭风轮机(当然，假设其它的子条件满足)。在所提及的第二种情形中(间接光的强度与直射光的强度之间的差)，如果(负的)结果值降到阈值以下，则关闭风轮机。在所提及的第三种情形中(直射光的强度与间接光的强度之间的比)，如果该比值在一定的(正的)阈值以上，则关闭风轮机。最后，在第四种情形中(间接光的强度与直射光的强度之间的比)，如果该结果降到(正的)阈值以下，则关闭风轮机。在晴天，直射光的强度可以达到约100,000勒克斯(当然，取决于某些参数，诸如风轮机所处的纬度、季节等)，而在阴天，直射光的强度通常只能达到约20,000勒克斯。典型的阴影光强度可以是10,000勒克斯。直射光对间接光阈值的典型值可以是——对于第一种情形：5,000勒克斯，对于第二种情形：-5,000勒克斯，对于第三种情形：1.33，以及对于第四种情形：0.75(当然，这些阈值仅仅是示例性的，实际上对具体阈值的选择还将依赖风轮机所处的纬度、行政法规和法律规定、风轮机所有者与可能受到间歇性阴影作用的居民之间的协定等)。

在一些实施例中，光传感器虽然测量的是不同的实体(直射光的强度或间接光的强度)，但实际上具有同样的传感器构造和类型，并且每个光传感器能够在面向太阳(且因此被太阳照射)时测量直射光的强度或者在不面向太阳(且因此不被太阳照射)时测量间接光的强度。由于太阳的移动，两个传感器可以互换它们的角色：例如，在白天的某一时间，第一传感器面向太阳并且担当直射光传感器的角色，而未面向太阳的第二传感器则担当间接光传感器的角色；在白天的较晚的时间，当太阳运动后，第二传感器可能面向太阳并继而担当直射光传感器的角色，而第一传感器(其不再面向太阳)则担当间接光传感器的角色。

一般来说，对阴影敏感的物体不置于距风轮机一定的最小距离内。因此，转子的间歇性阴影通常仅在太阳的仰角小时才投到对阴影敏感的物体上。已经认识到，干扰阴影通常仅在早上或傍晚才投到对阴影敏感的物体上(因为只有在早上或傍晚太阳的仰角才小)。基于这点，进一步认识到无需具有遍布360°的传感器覆盖范围(也无需遍布180°)，而包括两个扇区(东边的扇区和西边的扇区)的传感器覆盖范围已足够。在早上，东边的传感器将面向太阳并且担当直射光传感器的角色，而不面向太阳的第二个传感器将担当间接光传感器的角色；在傍晚，这两个角色颠倒。在白天的其它时间，这样的“倾向性的”传感器布置将不能确定阴影的数量和性质，但是，由于不会影响对阴影敏感的物体，所以在这些时间实际上不需要这样的确定。因此，在实施例中，提供仅具有两个传感器(朝东的传感器和朝西的传感器¹)的一组光传感器，以测量直射光的强度和间接光的强度，用于比较这两个强度。

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¹仅在特殊的情况下，该倾向性的传感器布置才可能不足以在需要时始终确定阴影的性质和数量，例如，在风轮机位于很北的纬度的情形下，在冬天时，太阳的最大仰角可能太小而使得在太阳位于南边时也可能产生干扰阴影。对于这样的具体的情形，当风轮机在北半球上时可以提供第三个传感器(例如朝南的传感器)。然而，这不是本发明的主题。

在一些实施例中，例如对应于一天中的当前时间，光传感器的角色分配是明确的。在早上，认为朝东的传感器所提供的信号代表直射光的强度，而认为朝西的传感器所提供的信号代表间接光的强度；在傍晚，这样的分配被颠倒。然而，在其它的实施例中存在一种仅基于测量结果的隐式的动态分配：不考虑处在一天中的什么时间，也不考虑其它的参数，认为强度较大的信号代表直射光的强度，而认为强度较小的信号代表间接光的强度。如下面将要阐释的那样，这可以通过计算两个信号的差的绝对值，以数学上的简单方式来处理。

光传感器具有孔径角(即，光传感器对于源自一定角度范围的光源敏感)。在一些实施例中，光传感器被定向成使得东向和西向分别在朝东的光传感器和朝西的光传感器的孔径角之内。

在一些实施例中，光传感器的轴直接与东方和西方对齐。在可替选的实施例中，所述轴向东和西对齐，然而具有朝南的分量(这例如应用于安装在北半球上的风轮机——如果在所提及的可替选的实施例中，风轮机安装在南半球上，所述轴向东面和西面对齐，然而具有朝北的分量)。光传感器的轴相对于南/北方向优选是对称朝向的，但是这不是强制性的。

由于已认识到仅在早上和傍晚执行这种阴影控制通常已是足够，所以实际上不需要180°的完全覆盖范围(北半球上的东-南-西，或者南半球上的东-北-西)。而是在一些实施例中，光传感器具有小于90°的孔径角，并且光传感器被定向成使得它们的组合的孔径角不完全覆盖它们之间的包括南向的角度范围(在北半球上；此范围还被称为“包括南方的范围”)、或者包括北向的角度范围(在南半球上；此范围还被称为“包括北方的范围”)。

在一种简单形式的用于风轮机的阴影控制系统(其不是根据本发明的阴影控制系统)中，光传感器可能安装在每个对阴影敏感的物体上，并且，如果其中一个传感器检测到间歇性的阴影，将使得风轮机停止。然而，这需要将传感器安装在所有对阴影敏感的物体上，并且需要传感器经过相当大的距离连接到中央风轮机控制器。

相比之下，根据本发明的“集中式”阴影控制系统不需要使每个物体具有一个传感器，也不用相当长的信号线来传输所有的传感器信号。“集中式”传感器组(包括朝东的传感器和朝西的传感器)可被安装在代表风轮机位置处的光照条件的任何地方(即，距风轮机不太远)，并且没有其它物体能将阴影投射在该地方(例如，不应将传感器组安装到在早上或傍晚会将阴影投射到该传感器组上的物体的西面或东面)。例如，在一些实施例中，将传感器组安装在杆上，该杆为数米高并且在风轮机塔的南面(在北半球上)或北面(在南半球上)数米处。

在其它的实施例中，将传感器组直接安装在风轮机塔上，例如在塔的数米高处，转子不能将阴影投射到该高度处。朝东的传感器和朝西的传感器分别安装在塔的东侧和西侧。

现如今，常常将多个风轮机组合在一起以形成风场，例如具有耦合到电网的公共点；通常还将风轮机的一些控制功能集中起来并由风场控制设施接管。在一些实施例中，虽然阴影控制系统最终使得单独的风轮机的操作停止或恢复，但是对于整个风场或者对于风场的风轮机的子集而言，阴影控制系统是部分或全部集中式的。例如，对于整个风场只提供一个集中式的光传感器组。原则上，可以构想在风轮机之一将阴影投射到对阴影敏感的物体上的情况下，统一关闭风场的所有风轮机。然而，即使阴影控制是基于风场处所安装的单个光传感器组，从经济的角度而言，当所讨论的风场的单独的风轮机将阴影投射到其附近的对阴影敏感的物体上时，优选地也是单独地关闭和重启风场的单独的风轮机。

光传感器信号的处理可以以模拟的和/或数字的方式实现；例如，数字实施方案可以基于数字信号处理器。在一些实施例中，阴影控制系统是负责风轮机主控制功能的风轮机主控制器的主要部分。在其它的实施例中，阴影控制系统是通过少量信号的通信(诸如与阴影相关的关闭信号和恢复操作信号)而仅仅链接到风轮机控制器的分立模块。

用以在接收到这样的关闭信号时实际停止风轮机所采取的步骤由风轮机的主控制器按照通常的方式控制，例如，通过将叶片定位到标记位置、中断转子使之静止以及使具有转子的机舱避开风来进行；在此过程期间，到电网的电连接通常也中断。在接收到操作恢复信号时，风轮机的主控制器原则上以相反的顺序执行同样的步骤(然而，重新连接到电网更为复杂，因为需要执行同步等)。

如上所述，关闭的决定基于直射光的强度与间接光的强度之间比较的结果超过直射光对间接光阈值。根据操作员所选择的具体的阈值设置，直射光对间接光阈值还隐含了直射光阈值(这是因为如果将直射光对间接光阈值设置成相对大的值，则只有在直射光的强度值足够大的情况下才能超过该阈值)。然而，如果操作员将直射光对间接光阈值设置成相对小的值，则在绝对光的强度小时，即使那时所投射的阴影是可接受的，也可能超过该阈值。因而，在一些实施例中，在至此所提及的子条件上添加又一子条件，即，直射光强度测量的结果超过直射光阈值。直射光的强度也可以从所述两个传感器的组得到；例如，直射光的强度为两个传感器所提供的两个光强度信号中的最大值(可替选地，还可以提供额外的第三个传感器来独立地测量直射光的强度；然而，这样的第三个传感器不认为是传递用于比较直射光强度和间接光强度的信号的传感器组的一部分)。

如在开始时所述的那样，现有技术中已知可以引入关闭延时和操作恢复延时来使得阴影控制较不“过分灵敏”，以及避免过于频繁的操作变化。因此，在一些实施例中使用这样的延时(如以上所阐释的那样，可以将延时认为是进一步的子条件)。

然而，在其它的实施例中，用于关闭和恢复风轮机的操作的阈值是不同的；在这些阈值方面存在滞后，使得刚好引起关闭的直射光强度对间接光强度的值不足以致使操作恢复；直射光强度对间接光强度需要更大或更小(取决于数学上定义直射光强度对间接光强度所遵照的具体方式)，以致使操作恢复。例如，如果将直射光强度对间接光强度被定义为所测量到的直射光的强度与间接光的强度之差，并且用于关闭的相应的直射光对间接光阈值为5,000勒克斯，则用于操作恢复的相应的阈值更小以提供滞后功能，例如为2,500勒克斯。这意味着，例如，在有许多漫射光的阴天，如果直射光强度对间接光强度一度超过该阈值并且风轮机相应地被关闭后，如果光变得更为漫射一些，从而直射光强度对间接光强度减小一些，例如减小到4,000勒克斯，则操作不会恢复。相反地，漫射的增强需要更加显著，例如，使得直射光强度对间接光强度降到2,500勒克斯的阈值以下。

此滞后方案的效果在于阴影控制也较不过分灵敏，但特性与已知的延时方案不同：延时不考虑光照条件变化的显著程度而始终是一样的，但滞后方案却考虑到光照条件变化的显著程度。例如，如果光强度条件的改变不显著，则风轮机的当前操作毫不改变，这将对应于非常长的(甚至是无限长的)延时。然而，如果光强度条件的改变是显著的(例如，由于云遮住了太阳等)，则有效的延时很短(可以几乎为零)。因此，虽然两个方案类似，但认为滞后方案由于考虑到强度改变的显著性而优于延时方案。

因此，滞后方案本身是一种发明，而与所述决定是基于相对的强度测量还是绝对的强度测量或者光传感器的配置和朝向如何无关。因此，滞后方案也作为独立权利要求来要求保护，该独立权利要求不包括权利要求1的某些限定，特别是与所进行的强度测量的属性以及光传感器的数量和朝向有关的限定。

在一些实施例中，滞后方案和延时方案结合，即，用于关闭的阈值和用于操作恢复的阈值是不同的，并且在此基础上应用关闭和/或操作恢复延时。这意味着光强度条件的改变不仅需要是显著的，而且还需要持续一段时间(例如，在风轮机关闭的情况下，迅速通过太阳的小的云不会致使操作恢复)。

另一方面与光强度测量的温度相关性有关。一些已知的光敏元件，诸如光敏二极管和光敏晶体管，不呈现显著的温度相关性。然而，其它的光敏元件诸如光敏电阻(LDR)呈现显著的温度相关性。例如，LDR中的电子不仅通过光来释放，还通过热来释放。因此，LDR的阻抗通常随着温度的升高而减小(换言之，LDR通常具有负的温度系数)。在温度传感器例如基于LDR的一些实施例中，对该温度相关性进行温度补偿。为此，阴影控制系统包括至少一个温度测量设备，所述温度测量设备测量光传感器中主要的温度。在其它的实施例中，温度测量设备不是阴影控制系统的一部分，而是在阴影控制系统的外部；于是阴影控制系统被布置成从外部的温度测量设备接收温度测量信号。这样的外部信号可以大致代表光传感器处的温度。于是基于所测量出的温度对光传感器信号进行温度补偿。在一些实施例中，通过传感器组件级的模拟电路来实施温度补偿，使得由具有温度补偿电路的传感器所传递的信号基本上是与温度无关的。在其它的实施例中，以数字的方式(例如，以存储有温度补偿值的查找表的形式)来实施温度补偿。所测量出的温度和所测量出的光强度是用以从查找表中读出各自的温度补偿后的光强度值、或者要与所测量出的强度信号相乘的校正因子的索引变量。

再者，温度补偿方面本身是有益的，因为它提高了关闭决定和操作恢复决定的可靠性。因此，此方面也在独立权利要求中要求保护，该独立权利要求不包括权利要求1的某些特征；例如，它不包括与光传感器的数量和朝向有关的限定，或者与是否以及如何进行不同的光强度测量之间的比较有关的限定。

另一方面涉及防止光传感器结冰。例如，在冬天，冰和雪可能覆盖传感器的工作区，或者光能够通过以进入传感器的窗。这会使光强度测量失真。为避免这样的失真，在一些实施例中，光传感器装备有加热设备，该加热设备被布置成保持传感器在被加热时不具有冰和雪。例如，加热设备的尺寸被确定成能够保持传感器表面或窗在被加热时处于最低+5℃。

再者，此措施改善了光强度测量的可靠性，从而改善了关闭决定和操作恢复决定的可靠性。因此，此方面也在又一独立权利要求中被要求保护，该独立权利要求不包括权利要求1的某些特征，类似于上述的与光传感器的温度补偿有关的内容。

下面参照图1，图1示出一天中由北半球上的风轮机1的转子2所投射的阴影5的总体情形(以下的详细描述在“南”和“北”的角色互换的情况下也类似适用于安装在南半球上的风轮机)。太阳3在一天中沿着路径4在地平线上方移动。从太阳3所处的当前位置来看，转子2在地面上的投影限定了由转子2所投射的阴影5的位置。随着太阳3在地平线上方移动，转子2所投射的阴影5也会移动；由于太阳的移动而移动的阴影5在地面上方的路径被称为阴影路径6。由于太阳的位置在早上和傍晚(在太阳光分别来自东向和西向时)低而在中午(当太阳光来自南向时)高，地面上的阴影5的路径6形成椭圆的一部分。从风轮机1到阴影路径6的距离D在东向和西向上比在北向上的相应距离d大许多。在距风轮机1的距离大约为D处示出三个对阴影敏感的物体7。物体7W(在风轮机1的东面)和7E(在风轮机1的西面)在阴影路径6上，因此分别在傍晚(当太阳位于3W时)或早上(当太阳位于3E时)置于间歇性的阴影下，而物体7S(在风轮机1的北面)不被任何阴影投射中，因为在中午时转子的阴影更靠近风轮机1。

光传感器组8安装在杆10上，杆10例如位于风轮机1的南边。在其它的实施例中，光传感器组8直接安装在风轮机1的塔10a上，在地面以上数米处，其中，转子2的叶片不会遮住光传感器9E、9W。

虽然图1中仅示出一个风轮机1，但是往往将多个风轮机组合在一起以形成风场。对于风场中的每个风轮机，需要绘制与图1相似的图(风轮机相应地被移位)。然而，某些组件，例如光传感器组8，对于整个风场或者风场中的风轮机的子集可以是共用的。

图2更详细地示出安装在杆10上的光传感器组8。该光传感器组8包括两个光传感器9：朝东的光传感器9E和朝西的光传感器9W。所述光传感器9具有处于传感器壳12中的光敏元件11(例如，LDR、光敏二极管或光敏晶体管)，传感器壳12具有与光敏元件11的光敏表面相对的透明窗13。在其它的实施例中，杆10实际上是风轮机的塔10a的较低的部分。在一些实施例中，传感器9E、9W稍微向上方倾斜。传感器9E、9W的光谱灵敏度与人眼的光谱灵敏度相似。

图3为光传感器组8的俯视图。每个光传感器9具有孔径角14，该孔径角14例如由窗13的尺寸(因为窗13的周围边缘形成射到传感器壳12上的光线的孔径)、元件11的光敏表面的尺寸以及窗13与光敏表面之间的距离来限定。例如，孔径角14可以是30°。传感器的轴15位于孔径角14的中间。在图3的实施例中，传感器9E、9W分别朝向东向和西向(用E和W指示)。在图4的可替选的实施例中，传感器9E、9W被朝南转动，使得传感器轴15具有朝南的分量。

在图3和图4所示的两个实施例中，东向和西向在孔径角14内；在图3中，东向和西向位于孔径角的中心，而在图4中，东向和西向在孔径角的边缘。

虚拟的“包括南边的范围”16可以被定义为：开始于朝东的传感器9E的孔径角14的外侧边界，并且延伸通过南边直到朝西的光传感器9W的孔径角14的外侧边界。可以看出，在图3和图4这两个图中，组合的孔径角14未覆盖全部的“包括南边的范围”16。而是留有未被覆盖的范围17，范围17在图3的示例中为约60°，在图4的示例中为约30°(假设示范性的孔径角14为30°)。换言之，图3和图4中的传感器布置在中午将不能测量直射光的强度。

图5为阴影控制系统18的功能图，示出直到生成由阴影引起的关闭信号“32关”的信号处理。该功能图由用于生成代表所测量出的光强度(IE、IW)的信号的光传感器组8和用于处理这些信号的阴影控制器19组成。阴影控制器19例如为数字信号处理器。然而，图5中所示的模块化仅仅是示范性的，因为它实际上没有具体的功能含义。例如，它可以是用于控制风轮机主要功能(诸如叶片调节、风轮机的机舱的风跟踪、中断等)的风轮机控制器的整体的一部分，而不是分立的控制器。另一方面，在一些实施例中，图5中作为阴影控制器功能的一些功能可以直接在光传感器组8执行；这样的功能例如可以是传感器信号的数字化和/或直接基于所测量出的传感器信号(诸如，由朝东的传感器9E和朝西的传感器9W所测量出的强度之差、和/或这两个强度中的最大值等)来确定某些实体。

阴影控制器19具有数个分支。第一个分支负责确定阴影5(图1)在一天中的当前时间是否理论上能够被投射到对阴影敏感的物体7(图1)上。为此，阴影控制器19具有用于输出一天中的当前时间的时钟21(或者被布置成用于接收相应的外部时钟信号)。时钟还具有日历功能，即，它还输出一年中的当前日期(日和月)。具有预定内容的表22存储在阴影控制器19中，表22指示在一年中每个短的时间间隔(例如，一分钟的时间间隔)上，风轮机的转子2(图1)是否理论上能够将阴影5投射到风轮机1附近的任何对阴影敏感的物体7(图1)上。物体7的高度和延展度也被考虑在内。计算这样的阴影出现的可能性的方式如在DE 199 28 048A1中所述。在其它的实施例中，不预先确定表22；而是基于当前日期和时间以及所存储的关于对阴影敏感的物体所在的位置的信息，以及(如果有必要的话)基于所存储的关于对阴影敏感的物体的高度和延展度，不断计算阴影5是否能够被投射到对阴影敏感的物体7上的问题(这样的可替选的不断的实施的细节也可以从DE 199 28 048A1中得到)。时钟21的输出寻址至表22，而表22输出作为第一子条件(SC1)的逻辑值(在图5中示为是/否)。该子条件SC1被输入到用于确定关闭条件“24关”的逻辑组合器中。

阴影控制器19的第二个分支涉及作为输入被接收的相对光强度的处理，信号IE和IW代表由朝东的光传感器9E和朝西的光传感器9W所测量出的东面的光强度和西面的光强度。在此阶段，两个光传感器9E、9W中的哪一个光传感器当前测量直射光的强度以及哪一个光传感器当前测量间接光的强度是未确定的。所述未确定在随后的两个阶段予以处理：在25处，计算两个传感器信号IE与IW之差ΔI。结果可能是负的或正的，取决于两个传感器中的哪个当前担当直射光传感器的角色。在26处，计算ΔI的绝对值；结果|ΔI|与传感器的角色分配无关。在“27关”处，测试|ΔI|是否大于关于直射光强度对间接光强度的关闭阈值“T1关”(在其它的实施例中，测试ΔI的绝对值是否大于或等于“T1关”)。所得出的逻辑信号为第二子条件“SC2关”，“SC2关”也被输入到关闭条件“24关”中。

与提供给第二个分支的输入信号相同的信号还被输入给涉及绝对光强度处理(不比较直射光的强度与间接光的强度)的第三个分支。与第二个分支一样，两个传感器信号IE、IW中的哪个是直射光强度的信号在开始是未确定的。为此，在29处，确定IE和IW中的最大值。在“30关”处，测试该最大值是否大于(在其它的实施例中为大于或等于)第二关闭阈值“T2关”。结果为第三子条件“SC3关”，“SC3关”被输入到关闭条件“24关”中。

关闭条件“24关”形成三个子条件SC1、“SC2关”和“SC3关”的逻辑与。结果为逻辑关闭信号“32关”。这意味着，只有在三个子条件SC1、“SC2”、“SC3”均为真的情况下，所得出的关闭信号“32关”才为真。信号“32关”被转发给风轮机控制器，使得风轮机控制器关闭风轮机1。

图6为局部功能图，示出与阴影相关的操作恢复信号的生成。它没有重复图5中的所有元件，而是仅示出与图5不同的元件。

在第二个分支中，在“27开”处测试来自26处(图5)的信号是否小于(在一些实施例中为小于或等于)第一操作恢复阈值“T1开”。在第三个分支中，在“30开”处测试来自29处(图5)的信号是否小于(在一些实施例中为小于或等于)第二操作恢复阈值“T2开”。所得出的子条件“SC2开”、“SC3开”(以及SC1，与图5中那样)被输入到操作恢复条件“24开”中。在“24开”处，确定SC1、“SC2开”、“SC3开”中的每一个的“非”，并对非(SC1)、非(SC2开)、非(SC3开)(即，NOT(SC1开)、NOT(SC2开)、NOT(SC3开))进行或运算。这意味着，在子条件SC1、“SC2开”、“SC3开”中的任一个为不真的情况下，所得出的操作恢复信号“32开”为真。操作恢复信号“32开”被传输给风轮机控制器，而风轮机控制器使得风轮机恢复操作(当然，在没有命令风轮机不操作的其它条件诸如不合适的风条件、电网故障等的情况下才能恢复操作；在这样的情形下，仅基于操作恢复信号“32开”将不会使得风轮机开始操作)。

图7为示例了在第二个分支的相对强度处理中的滞后功能性的示图。在其它的实施例中，除了在第二个分支中的滞后之外，在图5和图6所示的第三个分支中的绝对强度处理的框架中也使用类似的滞后；其它的具有滞后的实施例仅依赖绝对强度处理(即，它们没有第二个分支)。图7示出所测量出的光强度的差的绝对值|ΔI|(在图5的26处计算出)随时间的示范性的变化。还示出两个阈值“T1关”(图5)和“T1开”(图6)。假设风轮机在t₀时处于操作中，并且其它分支的子条件SC1和“SC3”为真，即，开启和关闭风轮机此时仅由第二个分支的子条件“SC2关”/“SC2开”来管理。

操作恢复阈值“T1开”小于关闭阈值“T1关”；这使得在关闭强度和操作恢复强度之间引起滞后33。例如，在图7中，|ΔI|从小于两个阈值的小的值开始增加，并超过操作恢复阈值“T1开”。这对于当前的操作状态没有影响。只有当|ΔI|超过关闭阈值“T1关”时(在t₁时)，阴影控制系统18才使得风轮机关闭。随后，在t₁之后，|ΔI|再次减小，并且再次降到关闭阈值“T1关”以下。然而，由于滞后33的原因，这不会使得阴影控制系统18产生操作恢复信号“32开”。这样，风轮机1仍然不操作。只有当|ΔI|还降到操作恢复阈值“T1开”之下时(在t₂时)，风轮机才再次启动。在图7的示例中，|ΔI|超过和向下穿过阈值数次——如果每次超过和向下穿过都触发相应的关闭动作或操作恢复动作的话，会导致过分灵敏的活动。然而，由于滞后33原因，“过分灵敏”被平复并且风轮机仅关闭和开启一次。

图8示例了由示范性的光敏元件(此处为LDR)所产生的光强度信号的温度相关性。在图8中，假设光强度信号与LDR的阻抗成反比。在LDR中，电子不仅通过光来释放，也通过热来释放。因而，LDR的阻抗随着温度的增加而减小。所以，光强度信号不是恒定的，而是随着温度而增加。此外，此效果在光强度低时比在光强度高时更明显，从而一族曲线描述了光强度信号的温度相关性，如图8所示。然而，实际上所期望的是温度补偿后的传感器信号，该信号不表现出这样的温度相关性，而是在图8中由虚线恒定地示出。

在一些实施例中，相应的温度补偿应用于来自光传感器9的光强度信号IE、IW，图9中示出了这样的示例。为此，提供温度传感器34。例如，温度传感器34可以与相应的光传感器9热接触。在其它的实施例中，假设光传感器34大致具有周围空气的温度；从而，温度信号也可以由空气温度传感器来提供，空气温度传感器不需要与光传感器9热接触。温度补偿器35可以是阴影控制器19的整体的一部分，或者可以附着到光传感器9，或者可以是分立的模块。温度传感器35接收来自温度传感器34的温度信号和来自光传感器9的光强度信号作为输入。在图9中所示的示范性的数字化实施方案中，温度补偿器35存储有二维的预定的表36，该表36将这些输入值映射到补偿因子，当补偿因子在37处乘以未进行补偿的光强度信号时，提供温度修正后的光强度信号，温度修正后的光强度信号如图8中的虚线所示。随后，该温度修正后的光强度信号例如可以被用作图5中的框25和框29的输入信号。

图10为装备有加热装置以保持孔径窗13不具有冰和雪的传感器9的实施例的示意性的横截面。玻璃窗格37以透光的方式覆盖孔径窗13。玻璃窗格37与电阻加热器38热接触。例如，加热器38被布置在玻璃窗格37的周围。在其它的实施例中，电的带状线被附着到玻璃窗格37的内侧；带状线的宽度和跨度足够小，以使得窗格37的透明度不会显著降低。提供能够以合适的电压向加热器38供给电流的电源，以使得玻璃窗格37的温度能够维持在诸如5℃以上。这确保了玻璃窗格上的冰和雪不断地被融掉，使得保持孔径窗口13不受影响。玻璃窗格上的冰和雪可能会妨碍要测量的光进入，并因而会损害传感器9的正确的功能。在一些实施例中，对加热器38的控制还考虑周围的温度。例如，如果周围温度在5℃以上则不提供加热器38。

这样，所述实施例提供了可靠的阴影控制系统。

本说明书中所提及的所有公开均通过引用并入本文。

虽然本文中对根据本发明的教导所构建的某些方法和产品进行了描述，但是本专利的覆盖范围不限于此。相反地，本专利涵盖在字面上或在等同内容的启示下合理落入所附权利要求范围内的所有本发明的教导的实施例。

Claims (18)

1.一种风轮机（1）的阴影控制系统（18），

该风轮机（1）具有转子（2），当该转子旋转并且太阳（3）处于特定位置（3E、3W）时，该转子将间歇性的阴影（5E、5W）投射到所述风轮机（1）附近的物体（7E、7W）上，

该阴影控制系统（18）被配置成基于与阴影相关的关闭条件（24关）促使风轮机（1）停止，使得间歇性的阴影（5E、5W）不被投射到所述物体（7E、7W）上，

其中，关闭条件（24关）包括直射光强度（IE、IW）与间接光强度（IW、IE）之间的比较结果（26）超过第一直射光对间接光阈值（31关），

其中，阴影控制系统（18）包括一组（8）光传感器（9E、9W），用以提供测量出的直射光强度和间接光强度（IE、IW）以用于比较，所述光传感器（9E、9W）能够在被太阳（3）照射时测量直射光强度（IE或IW）以及在未被太阳（3）照射时测量间接光强度（IW或IE），

其特征在于，

用以提供测量出的直射光强度和间接光强度（IE、IW）以用于比较的该组（8）光传感器（9E、9W）仅具有两个光传感器：朝东的光传感器（9E）和朝西的光传感器（9W），并且

其中所述阴影控制系统在操作方面具有滞后，使得低于所述第一直射光对间接光阈值的光测量结果不足以引起操作恢复。

2.如权利要求1所述的阴影控制系统（18），其中，所述光传感器（9E、9W）具有孔径（14）角，并且，其中光传感器（9E、9W）被定向成使得东向（E）和西向（W）分别在朝东的光传感器（9E）的孔径（14）角和朝西的光传感器（9W）的孔径（14）角内。

3.如权利要求1所述的阴影控制系统（18），其中，所述光传感器（9E、9W）具有轴（15）和孔径（14）角，并且轴（15）向东和向西对齐，具有朝南或朝北方向上的分量，并且，其中光传感器（9E、9W）被定向成使得东向（E）和西向（W）分别在朝东的光传感器（9E）的孔径（14）角和朝西的光传感器（9W）的孔径（14）角内。

4.如权利要求1或2所述的阴影控制系统（18），其中，所述光传感器（9E、9W）具有轴（15），并且，其中光传感器（9E、9W）的轴（15）相对于南向（S）是对称朝向的。

5.如权利要求1至3中的任一权利要求所述的阴影控制系统（18），其中，所述光传感器（9E、9W）具有小于90°的孔径（14）角并且在光传感器（9E、9W）之间限定了包括南向（S）的角度范围（16），或者限定了包括北向的角度范围，并且，其中光传感器（9E、9W）被定向成使得它们的组合的孔径（14）分别未完全覆盖所述包括南向（S）的角度范围（16）或者所述包括北向的角度范围。

6.如权利要求1或2所述的阴影控制系统（18），其中，所述光传感器（9E、9W）具有轴（15），并且轴（15）与东（E）和西（W）对齐。

7.如权利要求1至3中的任一权利要求所述的阴影控制系统（18），其中，朝东的光传感器和朝西的光传感器（9E、9W）安装在杆（10）上。

8.如权利要求1至3中的任一权利要求所述的阴影控制系统（18），其中，关闭条件（24关）还包括直射光强度测量的结果大于直射光阈值（30关）。

9.如权利要求1至3中的任一权利要求所述的阴影控制系统（18），其特征在于，该阴影控制系统（18）还被布置成基于与阴影相关的操作恢复条件（24开）而促使风轮机（1）的操作恢复，

其中，所述操作恢复条件（24开）包括在直射光强度与间接光强度（IE、IW）之间的比较结果回到第二直射光对间接光阈值（T1开），

所述第二直射光对间接光阈值（T1开）低于所述第一直射光对间接光阈值。

10.如权利要求1至3中的任一权利要求所述的阴影控制系统（18），其中所述光传感器的响应是温度相关的，

该阴影控制系统（18）包括至少一个温度测量设备（34），或者被布置成接收温度测量结果，

基于所测量出的温度，对光传感器信号（IE、IW）进行温度补偿。

11.如权利要求1至3中的任一权利要求所述的阴影控制系统，其中，

所述光传感器装备有加热设备以保持传感器不具有冰。

12.如权利要求1至3中的任一权利要求所述的阴影控制系统（18），其中，

所述一组（8）光传感器中的至少一个光传感器（9）的响应是温度相关的，

该阴影控制系统（18）包括至少一个温度测量设备（34），或者被布置成接收温度测量信号，

基于所测量出的温度，对光传感器信号进行温度补偿。

13.根据权利要求1至3中的任一权利要求所述的阴影控制系统（18），其中，

所述一组（8）光传感器中的至少一个光传感器（9）装备有加热设备（38）来保持传感器（9）不具有冰。

14.一种风轮机（1）的阴影控制系统（18），

该风轮机（1）具有转子（2），当该转子旋转并且太阳（3）处于特定位置（3E、3W）时，该转子将间歇性的阴影（5E、5W）投射到风轮机（1）附近的物体（7E、7W）上，

该阴影控制系统（18）被布置成基于与阴影相关的关闭条件（24关）促使风轮机（1）停止，使得间歇性的阴影（5E、5W）不被投射到物体（7E、7W）上，

该阴影控制系统（18）还被配置成基于与阴影相关的操作恢复条件（24开）促使风轮机（1）的操作恢复，

其中，关闭条件（24关）包括光测量结果（26、29）超过第一阈值（T1关、T2关），以及

其中，操作恢复条件（24开）包括光测量结果（26、29）回到第二阈值（T1开、T2开），

其特征在于，

所述第一阈值（T1关、T2关）是关闭阈值，而所述第二阈值（T1开、T2开）是操作恢复阈值，并且所述操作恢复阈值小于所述关闭阈值，从而在阈值（T1关、T2关；T1开、T2开）方面存在滞后（33），使得引起关闭的光测量结果（26、29）不足以促使操作恢复。

15.一种风轮机（1），装备有如权利要求1所述的阴影控制系统（18）。

16.一种风轮机（1），装备有如权利要求14所述的阴影控制系统（18）。

17.一种风场，装备有如权利要求1所述的阴影控制系统（18）。

18.一种风场，装备有如权利要求14所述的阴影控制系统（18）。

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