CN112555097B - 一种避免风电机组光影污染居民住所的方法 - Google Patents

一种避免风电机组光影污染居民住所的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种避免风电机组光影污染居民住所的方法，包括以下步骤：(1)、在以风电机组塔筒中心为原点，以该原点经线为Y轴、纬线为X轴的平面直角坐标系中，建立表征风电机组风轮光影的数学模型；
Figure DDA0002823344570000011
(2)、实测居民住所在上述平面直角坐标系中的坐标值(x,y)，带入上述数学模型进行计算，当计算值T<＝1时，表示当前时刻点A(x0,y0)在椭圆内部，此时居民住所将受风机光影影响；当计算值T>1时，表示当前时刻点A(x0,y0)在椭圆外部，居民不会受到风机光影影响；(3)、当居民住所将受风机光影影响时，由风机控制系统及时参与风机偏航控制，缩小光影产生范围，风电机组基于获得的叶轮偏航和转速控制指令完成控制响应，既尽量减少光影污染，又尽量缩减停机时间以提升发电量。

Description

一种避免风电机组光影污染居民住所的方法
技术领域
本发明属于风电技术领域，涉及一种避免风电机组光影污染居民住所的方法。
背景技术
风电机组叶片不停转动，在太阳光线照射下，投影到一定范围内的居民区即可产生一种闪烁的光影，通常称之为光影影响。光影属于光污染的一种，当居民长期处于风机不断闪烁变化的光影范围内时，会对视觉和神经系统造成不良影响。随着分散式风电的快速发展，风电机组更靠近负荷中心，愈加接近居民住所。因此，如何对风机光影精准评估，有效控制，最大程度的减少光影污染已显得尤为重要。为了减轻风机光影对居民住所的光污染，通常采用调整风机的偏航角度、尽量缩小光影的覆盖面积，使居民住所不受光影影响，在调整风机偏航角度仍不能避免光影覆盖时，则只好停机，待光影覆盖时段过后再重新开机。但是，目前调整风机偏航角度及停机完全是凭经验操作，毫无规范，无法实现精准调整偏航角度及开停机，防光污染的效果不好。
发明内容
本发明的目的在于使太阳光线下的风电机组根据所处地理位置和偏航角度，利用椭圆的计算方程精准判断风机光影覆盖范围，并通过风电机组姿态调整尽量避开风机光影覆盖区域，从而减少光影污染，最大程度缩减风电机组停机时间，提升发电量。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种避免风电机组光影污染居民住所的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)、在以风电机组塔筒中心为原点，以该原点经线为Y轴、纬线为X轴的平面直角坐标系中，建立表征风电机组风轮光影的数学模型，该模型为斜椭圆标准方程：
Figure BDA0002823344550000011
(2)、实测居民住所在上述平面直角坐标系中的坐标值(x,y)，带入上述数学模型进行计算，当计算值T<＝1时，表示当前时刻点A(x0,y0)在椭圆内部，此时居民住所将受风机光影影响；当计算值T>1时，表示当前时刻点A(x0,y0)在椭圆外部，居民不会受到风机光影影响；
(3)、当居民住所将受风机光影影响时，由风机控制系统及时参与风机偏航控制，缩小光影产生范围，风电机组基于获得的叶轮偏航和转速控制指令完成控制响应，既尽量减少光影污染，又尽量缩减停机时间以提升发电量。
所述建立表征风电机组风轮光影的数学模型的具体步骤是：
步骤1：以风电机组机位所在地经纬度坐标、当前日期和时刻(北京时间)、风机叶尖距离地面最高点(L)、叶轮直径(D)、轮毂中心高(H)、机舱长度(N)为已知条件；设风机偏航角度正对太阳时为0度,机组顺时针偏航一周为360度；风电机组在太阳光照射下，旋转的三支叶片在地面闪烁形成光影覆盖范围为斜椭圆形；
步骤2：通过对时装置获取当前日期和时刻，结合风机经纬度坐标计算获得太阳高度角和太阳方位角；设风机所在地为赤道北端，其中太阳方位角以正南方为0度，顺时针旋转360度为正方向，即一天当中太阳从东方升起至西方落日，太阳方位角运行的范围为270度至360度、0度至90度；
步骤3：利用太阳高度角和风机叶尖距离地面最高点(L)计算得到风机叶轮地面光影最远处到风机塔筒中心的距离L1；利用太阳高度角和轮毂中心高度(H)计算得到轮毂中心地面光影到风机塔筒中心的距离L2；L2减去L1为斜椭圆长轴长度的一半，即椭圆长轴长度a＝2×(L2-L1)；
步骤4：利用步骤2得到的太阳方位角，当太阳方位角在270度至360度之间时，由太阳方位角减去180度即为风机光影椭圆中心轴的方位；当太阳方位角在0度至90度之间时，由太阳方位角加上180度即为风机光影椭圆中心轴的方位；但是需要值得注意的是，现在得到的光影椭圆中心轴方位是以正南方为0得到的角度值，设该角度值为ω；
步骤5：由风电机组叶轮直径、风机当前偏航角度作为椭圆短轴长度计算的输入参数；
步骤6：建立风机所在位置为原点(0,0)坐标的平面直角坐标系X-Y，其中风机正东方向为X轴正方向，风机正北方向为Y轴正方向；将步骤4中的ω变换用于该平面直角坐标系，设β为光影椭圆中心轴方位与X轴正方向的夹角，则β＝270-ω；
步骤7：设当前时刻偏航角度风机轮毂中心正对太阳、椭圆中心点坐标为(m,n)，其中m＝(L2-L1)×cosβ，n＝(L2-L1)×sinβ；结合步骤3得到的椭圆长轴长度、步骤5得到的椭圆短轴长度以及椭圆中心点坐标(m,n)确定椭圆标准方程参数；
步骤8：如步骤1所述风机偏航角度由0至360度变化，在风机偏航过程中地面椭圆中心点坐标(m,n)将进行一定偏移，偏移的距离与机舱长度(N)有关，设偏航角度为г，则m的取值范围为[m-1/2×N,m+1/2×N]；
步骤9：将步骤6建立的平面直角坐标系进行平移和旋转，建立适用于风机叶轮光影椭圆标准方程：
Figure BDA0002823344550000021
式中：m、n为椭圆中心点坐标；
其中椭圆标准方程参数a和b通过如下计算方式取得：
|a|＝2×(L1-L2)，
Figure BDA0002823344550000031
式中：D为叶轮直径；
L1为光影最远处到风机塔筒中心的距离；
L2为轮毂中心地面光影到风机塔筒中心的距离；
将椭圆标准方程进行极坐标转换，得到的风机叶轮光影在地面所产生的斜椭圆计算公式；
Figure BDA0002823344550000032
其中，c2＝a2-b2，
Figure BDA0002823344550000033
为旋转后坐标系x轴正方向与原x轴正方向的夹角。
所述风机偏航时椭圆的短轴长度和椭圆中心位置将发生变化，计算方法如下：
当轮毂中心正对太阳时，风机叶轮光影在地面呈现的是以叶轮扫风直径D为宽度、2|a|为长轴长度的椭圆。当风机偏航时，椭圆的宽度将发生变化。设风机轮毂中心正对太阳角度为0，如果风机顺时针偏航Υ角，则地面光影椭圆短轴长度ω为：ω＝D*cosΥ(Υ≠90°且Υ≠270°)；当Υ＝90°或Υ＝270°时，在地面呈现的是叶片本身在地面的投影；同时，当风机偏航时，轮毂中心的投影即地面椭圆中心将产生偏移；由于风机偏航为360度旋转，则地面椭圆中心将在平面直角坐标系中以风机机舱总长度一半的范围向东或者向西偏移。
本发明的有益效果：
利用风电机组风轮光影的数学模型精准判断风机光影覆盖范围，使风电机组姿态调整(即偏航调整)由仅凭经验的盲目调整变为精准调整，能够快速、准确地避开风机光影覆盖区域，从而减少光影污染，且能最大程度缩减风电机组停机时间，提升发电量。
附图说明
图1是监测方法计算流程图
图2是一天中的风机光影分布图(图中：灰色为叶轮光影，黑色为塔筒光影)
图3是某天上午10点30分，偏航角度0°地面产生的风机光影图(图中：黑点为房子位置，黑色直线为塔筒光影)
图4是某天上午10点30分，偏航角度120°地面产生的风机光影图(图中：黑点为房子位置，黑色直线为塔筒光影)
图5是居民房屋在13:30分受到风机光影影响图(图中：黑点为房子位置，灰色为叶轮光影)
图6是居民房屋在15:00分受到风机光影影响图(图中：黑点为房子位置，灰色为叶轮光影)
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加的清晰明了，下面结合附图对本发明进行了详细的描述。
首先建立表征风电机组风轮光影的数学模型，具体步骤是：
步骤1：以风电机组机位所在地经纬度坐标、当前日期和时刻(北京时间)、风机叶尖距离地面最高点(L)、叶轮直径(D)、轮毂中心高(H)、机舱长度(N)为已知条件；设风机偏航角度正对太阳时为0度,机组顺时针偏航一周为360度；风电机组在太阳光照射下，旋转的三支叶片在地面闪烁形成光影覆盖范围为斜椭圆形；
步骤2：通过对时装置获取当前日期和时刻，结合风机经纬度坐标计算获得太阳高度角和太阳方位角；设风机所在地为赤道北端，其中太阳方位角以正南方为0度，顺时针旋转360度为正方向，即一天当中太阳从东方升起至西方落日，太阳方位角运行的范围为270度至360度、0度至90度；
步骤3：利用太阳高度角和风机叶尖距离地面最高点(L)计算得到风机叶轮地面光影最远处到风机塔筒中心的距离L1；利用太阳高度角和轮毂中心高度(H)计算得到轮毂中心地面光影到风机塔筒中心的距离L2；L2减去L1为斜椭圆长轴长度的一半，即椭圆长轴长度a＝2×(L2-L1)；
步骤4：利用步骤2得到的太阳方位角，当太阳方位角在270度至360度之间时，由太阳方位角减去180度即为风机光影椭圆中心轴的方位；当太阳方位角在0度至90度之间时，由太阳方位角加上180度即为风机光影椭圆中心轴的方位；但是需要值得注意的是，现在得到的光影椭圆中心轴方位是以正南方为0得到的角度值，设该角度值为ω；
步骤5：由风电机组叶轮直径、风机当前偏航角度作为椭圆短轴长度计算的输入参数；
步骤6：建立风机所在位置为原点(0,0)坐标的平面直角坐标系X-Y，其中风机正东方向为X轴正方向，风机正北方向为Y轴正方向；将步骤4中的ω变换用于该平面直角坐标系，设β为光影椭圆中心轴方位与X轴正方向的夹角，则β＝270-ω；
步骤7：设当前时刻偏航角度风机轮毂中心正对太阳、椭圆中心点坐标为(m,n)，其中m＝(L2-L1)×cosβ，n＝(L2-L1)×sinβ；结合步骤3得到的椭圆长轴长度、步骤5得到的椭圆短轴长度以及椭圆中心点坐标(m,n)确定椭圆标准方程参数；
步骤8：如步骤1所述风机偏航角度由0至360度变化，在风机偏航过程中地面椭圆中心点坐标(m,n)将进行一定偏移，偏移的距离与机舱长度(N)有关，设偏航角度为г，则m的取值范围为[m-1/2×N,m+1/2×N]；
步骤9：将步骤6建立的平面直角坐标系进行平移和旋转，建立适用于风机叶轮光影椭圆标准方程：
Figure BDA0002823344550000051
式中：m、n为椭圆中心点坐标；
其中椭圆标准方程参数a和b通过如下计算方式取得：
|a|＝2×(L1-L2)，
Figure BDA0002823344550000052
式中：D为叶轮直径；
L1为光影最远处到风机塔筒中心的距离；
L2为轮毂中心地面光影到风机塔筒中心的距离；
将椭圆标准方程进行极坐标转换，得到的风机叶轮光影在地面所产生的斜椭圆计算公式；
Figure BDA0002823344550000053
其中，c2＝a2-b2，
Figure BDA0002823344550000054
为旋转后坐标系x轴正方向与原x轴正方向的夹角。
所述风机偏航时椭圆的短轴长度和椭圆中心位置将发生变化，计算方法如下：
当轮毂中心正对太阳时，风机叶轮光影在地面呈现的是以叶轮扫风直径D为宽度、2|a|为长轴长度的椭圆。当风机偏航时，椭圆的宽度将发生变化。设风机轮毂中心正对太阳角度为0，如果风机顺时针偏航Υ角，则地面光影椭圆短轴长度ω为：ω＝D*cosΥ(Υ≠90°且Υ≠270°)；当Υ＝90°或Υ＝270°时，在地面呈现的是叶片本身在地面的投影；同时，当风机偏航时，轮毂中心的投影即地面椭圆中心将产生偏移；由于风机偏航为360度旋转，则地面椭圆中心将在平面直角坐标系中以风机机舱总长度一半的范围向东或者向西偏移。
实测居民住所在上述平面直角坐标系中的坐标值(x,y)，带入上述数学模型进行计算，当计算值T<＝1时，表示当前时刻点A(x0,y0)在椭圆内部，此时居民住所将受风机光影影响；当计算值T>1时，表示当前时刻点A(x0,y0)在椭圆外部，居民不会受到风机光影影响；
当居民住所将受风机光影影响时，由风机控制系统及时参与风机偏航控制，缩小光影产生范围，风电机组基于获得的叶轮偏航和转速控制指令完成控制响应，既尽量减少光影污染，又尽量缩减停机时间以提升发电量。
下面以一个实施例具体说明。
本方法计算流程图见图1，方法如下：
某一风电场早10点至晚17点光照较为强烈。其中12号风机附近有一居民房屋，通过编制计算机程序，按上述计算方法测算12号风机对居民房屋的光影影响。
1、输入条件：
(1)12号风机叶尖最高点距地面164m，机舱总长度为10m，叶轮扫风直径109m；
(2)风机经纬度坐标为东经100°10'，北纬45°79'；
(3)风机偏航间隔角度为30°；
(4)以风机所在地面为平面直角坐标系，12号风机坐标为(0,0)，居民窗户中心坐标为(50,150)。
2、根据计算得出，2020年12月21日冬至日当天12号风机产生的风机地面光影分布见图2。
3、某时刻风机偏航光影图
2020年12月21日冬至日当天上午10点30分，风机偏航角度在0°和120°时，地面产生的光影见图3和图4。
说明：当前时间为上午10点30分，太阳高度角和太阳方位角不变，因此风机光影覆盖距离L到风机的距离不变；当前时刻，地面呈现的光影只与机组偏航位置有关：
(1)当轮毂中心正对太阳即风机偏航角度为0°时，风机在地面形成的光影椭圆最宽，宽度等于叶轮直径109m；
(2)偏航角度为120°时，风机在地面形成的光影椭圆宽度有所缩短；
(3)椭圆中心即轮毂光影中心在地面坐标随偏航动作而有所偏移，最远偏移距离为半个机舱长度即5m。
4、居民受到影响的光影图
图5至图6表示随机选取了经过计算得出的结果，即某两个时刻不同偏航位置，居民房屋(黑点位置)受到光影影响，此时风机应进行状态调整或停机以减少光影污染。
用上述方法检测、调整风机周围所有建筑的光影状况，每天自动打印光影影响周边建筑、居民和/或牲畜的时刻和影响范围报表，完成光影分布范围可视化图像和文字分析。

Claims (1)

1.一种避免风电机组光影污染居民住所的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：以风电机组机位所在地经纬度坐标、当前北京时间日期和时刻、风机叶尖距离地面最高点(L)、叶轮直径(D)、轮毂中心高(H)、机舱长度(N)为已知条件；设风机偏航角度正对太阳时为0度,机组顺时针偏航一周为360度；风电机组在太阳光照射下，旋转的三支叶片在地面闪烁形成光影覆盖范围为斜椭圆形；
步骤2：通过对时装置获取当前日期和时刻，结合风机经纬度坐标计算获得太阳高度角和太阳方位角；设风机所在地为赤道北端，其中太阳方位角以正南方为0度，顺时针旋转360度为正方向，即一天当中太阳从东方升起至西方落日，太阳方位角运行的范围为270度至360度、0度至90度；
步骤3：利用太阳高度角和风机叶尖距离地面最高点(L)计算得到风机叶轮地面光影最远处到风机塔筒中心的距离(L1)；利用太阳高度角和轮毂中心高度(H)计算得到轮毂中心地面光影到风机塔筒中心的距离(L2)，则|a|＝2×(L1-L2)；
步骤4：利用步骤2得到的太阳方位角，当太阳方位角在270度至360度之间时，由太阳方位角减去180度即为风机光影椭圆中心轴的方位；当太阳方位角在0度至90度之间时，由太阳方位角加上180度即为风机光影椭圆中心轴的方位；现在得到的光影椭圆中心轴方位是以正南方为0得到的角度值，设该角度值为ω；
步骤5：由风电机组叶轮直径、风机当前偏航角度作为椭圆短轴长度计算的输入参数；
步骤6：建立风机所在位置为原点(0,0)坐标的平面直角坐标系X-Y，其中风机正东方向为X轴正方向，风机正北方向为Y轴正方向；将步骤4中的ω变换用于该平面直角坐标系，设β为光影椭圆中心轴方位与X轴正方向的夹角，则β＝270-ω；
步骤7：设当前时刻偏航角度风机轮毂中心正对太阳、椭圆中心点坐标为(m,n)，其中m＝(L2-L1)×cosβ，n＝(L2-L1)×sinβ；结合步骤3得到的椭圆长轴长度、步骤5得到的椭圆短轴长度以及椭圆中心点坐标(m,n)确定椭圆标准方程参数；
步骤8：如步骤1所述风机偏航角度由0至360度变化，在风机偏航过程中地面椭圆中心点坐标(m,n)将进行一定偏移，偏移的距离与机舱长度(N)有关，m的取值范围为[m-1/2×N,m+1/2×N]；
步骤9：将步骤6建立的平面直角坐标系进行平移和旋转，建立适用于风机叶轮光影椭圆标准方程：
首先根据上述相关参数建立椭圆标准方程：
Figure FDA0003356804190000021
式中：m、n为椭圆中心点坐标；
其中椭圆标准方程参数a和b通过如下计算方式取得：
|a|＝2×(L1-L2)，
Figure FDA0003356804190000022
式中：D为叶轮直径；
L1为光影最远处到风机塔筒中心的距离；
L2为轮毂中心地面光影到风机塔筒中心的距离；
其次，将椭圆标准方程进行极坐标转换，得到的风机叶轮光影在地面所产生的斜椭圆计算公式：
Figure FDA0003356804190000023
其中，c2＝a2-b2，
Figure FDA0003356804190000024
为旋转后坐标系x轴正方向与原x轴正方向的夹角；
当轮毂中心正对太阳时，风机叶轮光影在地面呈现的是以叶轮扫风直径(D)为宽度、2|a|为长轴长度的椭圆；当风机偏航时，椭圆的宽度将发生变化；设风机轮毂中心正对太阳角度为0，如果风机顺时针偏航Υ角，则地面光影椭圆短轴长度为:D*cosΥ(Υ≠90°且Υ≠270°)；当Υ＝90°或Υ＝270°时，在地面呈现的是叶片本身在地面的投影；同时，当风机偏航时，轮毂中心的投影即地面椭圆中心将产生偏移；由于风机偏航为360度旋转，则地面椭圆中心将在平面直角坐标系中以风机机舱总长度一半的范围向东或者向西偏移；
最后，将公式作为以风电机组塔筒中心为原点，以该原点经线为Y轴、纬线为X轴的平面直角坐标系中建立的表征风电机组风轮光影的数学模型；
步骤10：实测居民住所在上述平面直角坐标系中的坐标值(x,y)，带入上述数学模型进行计算，当计算值T<＝1时，表示当前时刻点A(x0,y0)在椭圆内部，此时居民住所将受风机光影影响；当计算值T>1时，表示当前时刻点A(x0,y0)在椭圆外部，居民不会受到风机光影影响；
步骤11：当居民住所将受风机光影影响时，由风机控制系统及时参与风机偏航控制，缩小光影产生范围，风电机组基于获得的叶轮偏航和转速控制指令完成控制响应。
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