CN110869610A - 用于检测风力涡轮机的阴影条件的方法和装置 - Google Patents

用于检测风力涡轮机的阴影条件的方法和装置 Download PDF

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Abstract

提供了一种用于检测来自风力涡轮机的阴影条件的方法以及一种用于检测阴影条件的系统。由大气条件检测器检测到的大气条件与阈值进行比较。根据该比较来确定该大气条件产生阴影。使用所述确定来检测阴影条件。

Description

用于检测风力涡轮机的阴影条件的方法和装置
技术领域
本发明总体上涉及用于检测风力涡轮机的阴影的方法和装置。
背景技术
阴影是当光源被物体阻挡时投射到表面上的暗区。阴影闪烁是由间歇性阴影产生的脉动光。当例如风力涡轮机叶片之类的旋转设备周期性地将阴影投射到表面上时，引起“阴影闪烁（shadow flicker）”。该脉动光是由风力涡轮机叶片在太阳与阴影所投射的表面之间的通过引起的。当阴影闪烁经由例如窗户之类的开口进入到建筑物中时，该脉动光可能成为不适的来源。
根据直射光测量结果的强度超过阈值来检测阴影条件是已知的。该测量结果通过布置在风力涡轮机处或附近或者布置在出现阴影的位置处的光传感器获得。在阴影条件持续一段时间之后，例如持续5分钟之后，风力涡轮机被关闭。
将传感器布置在风力涡轮机周围的位置处，例如以120%的间隔布置，使得第一传感器可检测到直射光，并且第二传感器将处于阴影区域中。如果第一传感器和第二传感器间的光强度之间的差大于预定值，则满足阴影条件。
目前，阴影检测方法、设备和系统可从改进中受益。
发明内容
公开了用于阴影检测的方法和装置的各种实施例。
例如，提供了一种检测来自风力涡轮机的阴影条件的方法。所述方法包括：确定有效地在关注位置处产生阴影的几何条件存在；将由大气条件检测器检测到的大气条件与阈值比较；根据所述比较来确定所述大气条件产生阴影；以及响应于确定为在所述关注位置处产生阴影的所述几何条件，以及响应于确定为产生阴影的所述大气条件，来检测阴影条件。
另一示例，一种阴影检测系统包括：大气条件检测器，其以一定距离与风力涡轮机分开；以及控制器，其通过网络通信地耦接到所述风力涡轮机，并且构造成用于：确定有效地在关注位置处产生阴影的几何条件存在；将由大气条件检测器检测到的大气条件与阈值比较；根据所述比较来确定所述大气条件产生阴影；以及响应于确定为在所述关注位置处产生阴影的所述几何条件，以及响应于确定为产生阴影的所述大气条件，来检测阴影条件。
另一个示例包括风力涡轮机场（wind turbine farm）。所述风力涡轮机场包括：多个风力涡轮机；以及阴影检测系统，其用于检测所述多个风力涡轮机中的每一个的阴影。所述阴影检测系统的大气条件检测器可在距所述多个风力涡轮机中的至少一个一定距离处远程地定位。
前面已相当广泛地概述了本公开的技术特征，使得本领域技术人员可更好地理解下面的详细描述。下文中将描述形成权利要求的主题的本公开的另外的特征和优点。本领域技术人员将理解的是，他们可容易地将所公开的概念和特定实施例用作修改或设计用于实现本公开的相同目的的其他结构的基础。本领域技术人员还将认识到，这样的等同构造并未脱离本公开在其最广泛形式上的精神和范围。
此外，在进行下面的具体实施方式之前，应当理解的是，贯穿全文提供了某些用语和措辞的各种定义，并且本领域普通技术人员将会理解，这样的定义在许多（如果不是大多数）情况下适用于这样定义的用语和措辞的先前以及未来的使用。虽然某些术语可包括各种各样的实施例，但是所附权利要求可明确地将这些术语限于特定的实施例。
附图说明
图1图示了相对于建筑物的风力涡轮机装置。
图2图示了根据一个实施例的风力系统的平面图。
图3图示了根据一个实施例的操作风力涡轮机的方法。
具体实施方式
为了便于理解本公开的实施例、原理和特征，在下文中参考说明性实施例中的实施方式来解释它们。然而，本公开的实施例不限于在所描述的系统或方法中使用。
在下文中描述为构成各种实施例的部件和材料意在是说明性的而非限制性的。将执行与本文中所描述的材料相同或相似的功能的许多合适的部件和材料意在被包含在本公开的实施例的范围内。
本领域技术人员将认识到，基于阴影产生元件、来自光源的光发射和阴影位置之间的关系，阴影可出现在一个特定位置或范围或多个特定位置处。为了有助于特定示例，该阴影产生元件可被称为叶片，光发射可被称为太阳光，光源可被称为太阳，并且特定位置或位置范围可被称为关注位置。例如，阴影可通过太阳和叶片产生，但是为了使阴影出现在关注位置处，必须发生太阳、叶片与关注位置之间的对准。
基于太阳、叶片和关注位置之间的对准的影响待投射在关注位置处的阴影的任何条件在本文中被定义为几何条件。例如，太阳的定位在白天期间和全年都会变化。如此，太阳、叶片和关注位置之间的对准改变，使得阴影不会一直出现在关注位置处。叶片的位置随着涡轮机的偏航角的改变而改变，这可能会影响几何条件。该几何条件可包括例如太阳、叶片和关注位置之间的位置关系之类的条件中的一种或多种。该几何条件还可通过叶片尺寸、关注位置或其一部分、风力涡轮机与建筑物之间的距离、涡轮机偏航角、叶片桨距、风力涡轮机叶片的高度以及关注位置的高度来限定。
太阳光的存在促使产生阴影。即使当几何条件使得阴影可能出现在关注位置处时，太阳光也可能不会有效地产生阴影。例如，阳光可能被云阻挡。
作为示例，图1图示了相对于建筑物20的风力涡轮机装置。风力涡轮机10以距离d与建筑物20分开。阴影可由风力涡轮机10投射，使得阴影30的位置取决于太阳32相对于风力涡轮机10的定位34、36。当太阳32处于第一定位34时，例如在地平线上位置低时，阴影30可从风力涡轮机10投射到第一位置37上。例如，阴影30投射到建筑物20上。当太阳32处于第二定位36时，例如在天空中比第一定位34高时，阴影30可从风力涡轮机10投射到第二位置38上，例如投射到地面上。相对于例如塔架16之类的静止物体，当阴影30由例如风力涡轮机10的叶片12之类的移动物体产生时，可产生阴影闪烁。该阴影闪烁当投射在建筑物20上和/或经由开口22投射到建筑物20中时可能会引起不适。
图2图示了根据一个实施例的阴影检测系统100的平面图。阴影检测系统100包括风力涡轮机10，如图1中所示。该系统包括大气条件检测器130和控制器140。
大气条件检测器130检测大气条件。例如，大气条件检测器130可检测以下大气条件中的一项或多项：气溶胶的量、气溶胶的形成（aerosol formation）、气溶胶的高度、云量、云的形成、云的高度、大气的结构、大气的成分、降水（precipitation）、气体存在、气体浓度、风湍流、风速、风况变化以及风流。大气条件检测器130可通过反射（reflection）来计算大气条件。例如，云的高度的计算可包括三角测量和/或传播时间。
大气条件检测器130包括发射器132和接收器134。发射器132发射能量。例如，可发射光、无线电波或声波。接收器134接收来自例如云的大气颗粒150的能量反馈。将会理解的是，该反馈也可能来自其他大气颗粒，例如灰尘、花粉、雾和火山气溶胶。根据该反馈，大气条件检测器130能够检测一种或多种大气条件。
在一个实施例中，大气条件检测器130发射光作为能量。例如，大气条件检测器130可包括发射光束或激光的云高仪，一种类型的LIDAR。云高仪已被气象和航空业使用。
在一个实施例中，大气条件检测器130发射无线电波作为能量。例如，大气条件检测器130可包括雷达。雷达已被气象和航空业使用。
在一个实施例中，大气条件检测器130发射声波作为能量。例如，大气条件检测器130可包括声纳。
控制器140是控制至少一个操作的任何设备、系统或其一部分，无论这样的设备是以硬件、固件、软件还是它们的任何组合来实现。应当注意的是，与任何特定控制器相关联的功能都可以是集中式或分布式的，无论本地还是远程。处理器和存储器可被包含在控制器中。此外，控制器可对应于所描述的数据处理系统或者操作以控制至少一个操作的任何其他硬件电路。例如，可编程逻辑控制器（PLC）可被用作控制器。
存储器可对应于内部或外部易失性存储器（例如，主存储器、CPU高速缓存和/或RAM），其被包含在控制器中和/或与控制器操作地连接。这样的存储器还可对应于与控制器操作地连接的非易失性存储器（例如，闪速存储器、SSD、硬盘驱动器或其他存储设备或非暂时性计算机可读介质）。
在一个实施例中，阴影检测系统100包括网络160，以使得能够实现控制器140和大气条件检测器130之间的通信。控制器140可与大气条件检测器130并置或者远离大气条件检测器130定位。控制器140可包括监督控制和数据采集系统（supervisory control anddata acquisition，SCADA）。
阴影检测系统100可包括网络161，以使得能够实现控制器140和风力涡轮机10之间的通信。
术语“网络”及其派生词表示通信地耦接用于数据传送。例如，可使用如本领域技术人员已知的任何本地、广域、远程、私有和/或公共数据处理系统网络或网络的组合，包括Internet。可通过适于数据传输的任何硬件、有线或无线介质来促进数据传送。例如，该介质可以是金属、空气、以太网、同轴电缆、光纤或Wi-Fi。
图1和图2被用于促进对如图3中所示的检测风力涡轮机的阴影条件的方法的描述。该方法300包括：确定有效地在关注位置处产生阴影的几何条件存在301；将由大气条件检测器检测到的大气条件与阈值比较302；根据该比较来确定该大气条件产生阴影303；以及响应于确定为在关注位置处产生阴影的几何条件以及响应于确定为产生阴影的大气条件，来检测阴影条件304。
该关注位置可包括不希望阴影的位置的全部或任何部分。例如，可能不希望阴影投射在建筑物的窗户上。响应于检测到阴影条件，风力涡轮机可被关闭305。该关注位置可包括除了不希望阴影的位置以外的更多位置，或者可排除不希望阴影的位置。例如，关闭风力涡轮机的操作可能不在检测到时立即发生，所述关注位置可包括除了不希望阴影的位置以外的更多位置，使得关闭到阴影将被投射在不希望的位置上的时候发生。
太阳的可产生阴影的定位在本文中称为阈值定位。本领域技术人员已知叶片扫过区域为叶片经过的区域。所述几何条件是有效地在关注位置处产生阴影的光源、阴影产生元件和关注位置的任何对准。使用关注位置的定位和叶片扫过区域的定位，可计算在关注位置处产生阴影的太阳的定位。该计算可被预先计算并存储在控制器140中。相反，该计算也可通过控制器140来实时计算。
确定有效地在关注位置处产生阴影的几何条件的存在可包括确立太阳的当前位置处于阈值定位内。确立太阳的当前位置可包括纵向信息（longitudinal information）、一天中的时间、一年中的时间。此外，确立当前位置可包括实时计算。所述确立当前位置可包括存储在控制器140中的预先计算的查找值。类似地，所述阈值定位可包括由控制器140提供的实时计算。
检测大气条件可包括经由发射器132发射能量并且经由接收器134接收来自大气中的颗粒的能量反射。大气条件会影响光源产生阴影的能力。大气条件可用于确定阴影何时可通过光源产生。
晴朗（低）→少云→疏云→碎云→阴天（高）。
其中，每个范围值可指示以下云量。该范围从云量最少的晴朗开始，增加到云量最多的阴天。
晴朗：没有或几乎没有检测到云。
少云：检测到少量的云。
疏云：检测到的云不一定群集在一起。
碎云：覆盖量很大，但未完全覆盖。
阴天：检测到的云覆盖中没有间断或实质性间断。
在一个实施例中，范围值被检测为大气条件并与阈值比较。响应于该范围值低于阈值，确定大气条件是产生阴影的。例如，该阈值可以是阴天。晴朗、少云、疏云或碎云的范围值的任何检测结果将低于阴天的阈值，并且将确定大气条件是产生阴影的。将会理解的是，该阴天的阈值仅是示例，并且任何范围值都可被用作阈值。例如，该阈值可以是碎云的范围值。
除了云量之外或不包括云量，可使用任何其他大气条件。例如，可使用反向散射的量。与云量类似，反向散射量可具有从低到高的范围。在高反向散射量下，光源可能无法产生阴影。响应于所确定的反向散射量低于阈值的比较，开始所述关闭。
可使用云高度或气溶胶高度。在特定阈值高度处可能会产生阴影，但在其他阈值高度处将不会产生阴影。
使用大气条件来检测阴影条件消除了对待安装在例如建筑物之类的关注位置上的用于检测光或阴影的传感器的需求。这缓解了风力涡轮机的操作者无法接近建筑物或没有建筑物的合法权利时的状况。
使用大气条件来检测阴影条件消除了对待安装到风力涡轮机上的用于检测光或阴影的传感器的需求。此外，检测大气条件还消除了以下任何需求，即：定位传感器，以确保其能够检测光质（light quality），或者确保多个传感器定位成检测不同的光质。
再次参考图2，大气条件检测器130可相对于风力涡轮机10布置在任何地方。例如，大气条件检测器130可相对风力涡轮机10远程布置。“远程”及其派生词在本文中被定义为未直接安装或间接安装在风力涡轮机上。图2图示了将大气条件检测器130与风力涡轮机10分开的距离d'。在一个实施例中，大气条件检测器130与风力涡轮机的距离小于10千米。在另一实施例中，该距离小于或等于5千米。在另一个实施例中，该距离小于或等于3千米。
来自单个大气条件检测器130的检测可用于多个风力涡轮机10。当来自单个大气条件检测器130的检测被用于多个风力涡轮机10时，与每个传感器位置形成对比，对这种检测的维护被减少到单个大气条件检测器130的位置。
所述方法可包括响应于检测到阴影条件304而开始风力涡轮机的关闭。该开始可包括向风力涡轮机发送控制消息。在一个实施例中，该控制消息由控制器140发送。可设置网络161以用于控制器140和风力涡轮机10之间的通信。
在关闭开始之后，可响应于未检测到阴影条件或者在不再检测到阴影条件的指定时间段之后发生的是，开始风力涡轮机的启动。
虽然已采用示例性的形式公开了本公开的实施例，但是对于本领域技术人员将显而易见的是，在其中可以作出许多修改、添加和删除，而不脱离如所附权利要求中所阐述的本发明及其等同物的精神和范围。

Claims (20)

1.一种检测来自风力涡轮机的阴影条件的方法，所述方法包括：
确定有效地在关注位置处产生阴影的几何条件存在；
将由大气条件检测器检测到的大气条件与阈值比较；
根据所述比较来确定所述大气条件产生阴影；以及
响应于确定为在所述关注位置处产生阴影的所述几何条件，以及响应于确定为产生阴影的所述大气条件，来检测阴影条件。
2.根据权利要求1所述的检测阴影条件的方法，
其特征在于，所述大气条件是云量，
所述大气条件响应于所述云量低于所述阈值的比较而被确定为产生阴影。
3.根据权利要求2所述的检测阴影条件的方法，
其特征在于，所述阈值是阴天。
4.根据权利要求2所述的检测阴影条件的方法，
其特征在于，所述阈值是碎云。
5.根据权利要求1所述的检测阴影条件的方法，
响应于检测到阴影条件而开始所述风力涡轮机的关闭。
6.根据权利要求4所述的检测阴影条件的方法，
所述开始包括向所述风力涡轮机发送控制消息。
7.根据权利要求1所述的检测阴影条件的方法，包括：
确定所述几何条件包括确立太阳的位置并且确定所确立的位置处于阈值定位内。
8.根据权利要求1所述的检测阴影条件的方法，
其特征在于，所述大气条件检测器包括LIDAR。
9.根据权利要求1所述的检测阴影条件的方法，
其特征在于，所述大气条件检测器包括雷达。
10.根据权利要求1所述的检测阴影条件的方法，
其特征在于，所述大气条件检测器包括声纳。
11.根据权利要求1所述的检测阴影条件的方法，
其特征在于，所述大气条件检测器是云高仪。
12.根据权利要求1所述的检测阴影条件的方法，
其特征在于，所述大气条件包括云或气溶胶的高度。
13. 一种阴影检测系统，包括：
大气条件检测器，其以一定距离与风力涡轮机分开；以及
控制器，其通过网络通信地耦接到所述风力涡轮机，并且构造成用于：
确定有效地在关注位置处产生阴影的几何条件存在；
将由大气条件检测器检测到的大气条件与阈值比较；
根据所述比较来确定所述大气条件产生阴影；以及
响应于确定为在所述关注位置处产生阴影的所述几何条件，以及响应于确定为产生阴影的所述大气条件，来检测阴影条件。
14.根据权利要求13所述的阴影检测系统，
其特征在于，所述大气条件是云量，
所述大气条件响应于所述云量低于所述阈值的比较而被确定为产生阴影。
15.根据权利要求14所述的阴影检测系统，
其特征在于，所述阈值是阴天。
16.根据权利要求14所述的阴影检测系统，
其特征在于，所述阈值是碎云。
17.根据权利要求13所述的阴影检测系统，
其特征在于，所述大气条件检测器在距所述风力涡轮机一定距离处远程地定位。
18.根据权利要求13所述的阴影检测系统，
其特征在于，所述大气条件检测器是云高仪。
19. 一种风力涡轮机场，包括：
多个风力涡轮机；以及
根据权利要求13所述的阴影检测系统，其用于检测所述多个风力涡轮机中的每一个的阴影。
20.根据权利要求19所述的风力涡轮机场，
其特征在于，所述大气条件检测器在距所述多个风力涡轮机中的至少一个一定距离处远程地定位。
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