TWI460430B - 利用光學雷達測量風速與風向之方法及用以控制風力發電機之方法 - Google Patents

利用光學雷達測量風速與風向之方法及用以控制風力發電機之方法 Download PDF

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Description

利用光學雷達測量風速與風向之方法及用以控制風力發 電機之方法
本發明係有關於一種利用光學雷達測量風速與風向之方法及用以控制風力發電機之方法，特別是指可以隨時偵測任一待偵測空間中之風向及風速之數據的變化量，並可以預先作為風力發電機之控制及污染物、幅射量之監測，以便提早作因應及預防。
目前一般所使用的風力發電機係安裝於戶外，並恆保持朝向迎風方向，但由於風力發電機必需在一定的風速下才能轉動，並產生足夠的發電量，如果風速太小則發電機效率不好，風速太大則無法運作。但如果有瞬間強風，發電機葉片來不及調整葉片方向，則會使發電機損毀。因此，必需隨時根據不同的風速調整其葉片迎風的方向，並且在風速過大時，使其葉片與離合器脫離，藉以確保風力發電機之完好。
因此有如中華民國99年3月11日所公告之新型第M375772號「可偏航式風力發電裝置」專利案，其主要係包括有：基柱、發電機組、風輪及偏航控制機構，發電機組樞接在基柱且具有呈水平 擺設的一轉軸；風輪具有複數葉片，且其連接於轉軸，而各葉片則與轉軸呈垂直配置；偏航控制機構包含連接於發電機組後端的一尾舵構件、樞接於尾舵構件的偏擺組件及控制組件，偏擺組件包括偏擺板，控制組件固定於尾舵構件並對應偏擺板之一端配置，用以控制偏擺板作啟閉的動作；當風速超過限定值時控制組件將被啟動，偏擺板透過風力吹動而產生偏擺，並帶動發電機組及風輪相對於來風方向作傾斜角度偏航。藉此，可利用來風吹動偏擺板的偏擺使發電機組及風輪不對正來風而產生偏航。惟，如此之控制方式，僅能根據不同的風向而轉向，由於無法事先預警風速及風向，因此當突然產生過大的風速時，則同樣會有因葉片來不及轉向以及無法承受過大風力，而導致發電機裝置損壞之缺點產生。
另有中華民國96年12月11日所公告之發明第I290975號「具有轉速監控功能的自然力發電裝置」專利案，其係包含：至少一發電機、一電源轉換電路及一轉速監控裝置組成；該發電機與一自然力旋轉裝置連結，得到發電機所需的旋轉動力源，將發電機所產生的電力輸出至該電源轉換電路，將交流電力轉換為穩定的交流或直流電力輸出。又，除了電源轉換電路外，還可設置一自動轉速監控裝置，以檢知該自然力發電裝置的轉速，而作為自動調整轉速之用，當轉速超出設定範圍值時，會自動增加或減少自然力發電裝置的轉軸的阻力，令發電機轉速維持在一穩定範圍，讓輸出電力達到最佳化，確保設備運轉時的安全。但，如此之構造，並無法根據不同的風速而轉向，同樣也無法事先預測風向及風速而作防範，故其使用效果仍不盡理想。
爰此，有鑑於目前所需要取得的風向及風速等數據，均不容易於預先偵測得知，故無法作為預警系統使用，故本發明提供一種利用光學雷達測量風速與風向之方法，係包括有：A.利用光學雷達對一待偵測空間中發射至少二道雷射光束，使該等雷射光束在該待偵測空間之一高度位置構成一多點式之測量區；B.偵測該測量區內氣膠濃度之變化量；C.根據測得之氣膠濃度變化量獲得一風速或/與風向之數據。
進一步包含一步驟D.偵測該待偵測空間中之複數個高度位置，以形成多個多點式之測量區，並重複步驟B與步驟C，以取得該待偵測空間中三維的風速或/與風向之數據。
上述步驟A多點式之測量區中係以雷射光束指向該測量區形成中之一中心點與至少一座標點，以供量測之用。
上述步驟A多點式之測量區係以雷射光束指向該測量區之一中心點，另以雷射光束指向位於該中心點之不同的四個方位之四個座標點，使該四個座標點與該中心點構成一平面的測量區。
上述四個座標點與該中心點分別相距一定之距離，其所形成之平面的測量區係平行於地面且距離該地面有一適當之高度。
上述步驟B係以雷射光束指向上述之測量區，量測該測量區內中不同位置之氣膠的背向散射訊號，根據背向散射訊號之強弱而得知氣膠的分佈特性。
上述步驟C係計算光學雷達掃瞄每一方向隨高度變化之標準差值，該標準差值之定義為由光學雷達方程式定義(RSCS)： RSCS=P R * z 2；式中P R 為接收到的雷射光強度，Z為高度；每個高度的RSCS隨時間擾動所計算出的標準差為： 式中N為樣本數，每個樣本為10(20Hz，200個laser shots)秒鐘 所累積的RSCS訊號強度；為所有樣本數的 平均累積訊號強度；以每5個樣本(50秒)為一組計算其擾動標準 差；風速可表示為，其中n為整數1n，2n，3n…； n=量測一個循環中心點及座標點，距離R為中心點到任一座標點 之距離；最小之風速解析度，最大之風速解析度；比較 某一高度哪個方向的值與中心點的相關度高，即可知道風由中心 點吹往哪個方向，其中相關係數之定義為，x 為X變量的離差(deviation)，y為Y變量的離 差，σx為X的標準差(standard deviation) ，σy為Y的標準差；該中心點將其周圍的座標點分別與其進行 相關度分析，找到相關係數最大值rmax出現的位置並計算中心點與這點之距離R，光學雷達取數據的時間間格△t是固定， 從中心點到四個方位中任一座標點所經過的時間為t=n*△t(n=1,2,3...)；求得風速=距離/時間 ()。
本發明亦可為一種利用光學雷達測量風速與風向之方法而用以控制風力發電機之方法，包括：A.利用光學雷達對一待偵測空間中發射至少二道雷射光束，使該等雷射光束在該待偵測空間之一高度位置構成一多點式之測量區；偵測該測量區內氣膠濃度之變化量；根據測得之氣膠濃度變化量獲得一風速之數據；B.在一風力發電機設置一離合器與一葉片連結；C.以一電腦連結該光學雷達與該離合器；D.根據步驟A所測得風速，由電腦輸出一控制訊號以控制該離合器之離合，使風速過大時，該葉片與離合器脫離而停止運轉。
本發明亦可為一種利用光學雷達測量風速與風向之方法而用以控制風力發電機之方法，包括：A.利用光學雷達對一待偵測空間中發射至少二道雷射光束，使該等雷射光束在該待偵測空間之一高度位置構成一多點式之測量區；偵測該測量區內氣膠濃度之變化量；根據測得之氣膠濃度變化量獲得一風向之數據；B.在一風力發電機設置一葉片指向調整單元；C.以一電腦連結該光學雷達與該葉片指向調整單元；D.根據步驟A所測得之風向，由電腦輸出一控制訊號以控制該葉片指向調整單元，以使一葉片面向該風向。
本發明具有下列之優點：
1.本發明利用現有的光學雷達設備，即可以隨時作為偵測任一待偵測空間中的風向及風速等數據的變化，以便可以供一預警系統使用。
2.本發明係可供應用於風力發電機之控制，當測得風向改變時，可以自動調整該風力發電機之葉片轉向，又當風速過大時，則自動使其葉片與離合器脫離以停止運轉，藉以避免造成風力發電機的損壞。
3.又本發明亦可供作為一空間中的污染物、幅射量之飄散方向及速度的監測，而可以提早作因應及預防。
(1)‧‧‧光學雷達
(2)‧‧‧風力發電機
(21)‧‧‧離合器
(22)‧‧‧葉片
(23)‧‧‧葉片指向調整單元
(3)‧‧‧電腦
(C)‧‧‧中心點
(F)‧‧‧測量區
(G)‧‧‧核電廠
(E)、(W)、(S)、(N)‧‧‧座標點
(R)‧‧‧距離
(z)‧‧‧高度
第一圖係為本發明測量步驟之流程圖。
第二圖係為本發明光學雷達於一待偵測空間中發射雷射光束之示意圖。
第三圖係為本發明於一測量區內發射雷射光束之移動示意圖。
第四圖係為本發明於不同方位發射雷射光束之相關性對比圖。
第五圖係為本發明根據風速大小而控制風力發電機之離合器作動的使用示意圖。
第六圖係為本發明用以控制風力發電機之葉片指向調整單元的使用示意圖。
第七圖係為本發明根據風向不同而控制葉片指向調整單元使 葉片轉向的使用示意圖。
第八圖係為本發明用於監測核電廠的污染物或輻射量飄散之使用示意圖。
首先，請參閱第一圖、第二圖及第三圖所示，本發明係為一種利用光學雷達測量風速與風向之方法，其係包含有下列之步驟：
A.利用光學雷達對一待偵測空間中發射至少二道雷射光束，使該等雷射光束在該待偵測空間之一高度位置構成一多點式之測量區：其係利用一光學雷達(1)先朝向一待偵測空間發射出第一道雷射光束，該第一道雷射光束係為一中心點(C)，再於該中心點(C)之東、西、南、北四個方位分別再發射四道座標點(E)、(W)、(S)、(N)的雷射光束，使該四個座標點(E)、(W)、(S)、(N)與該中心點(C)分別相距一定之距離(R)，並均處於同一平面之高度位置上，且平行於地面，而距離地面具有一適當之高度(z)，經重覆依序指向該中心點(C)與該四個座標點(E)、(W)、(S)、(N)之雷射光，藉以經多次循環發射雷射光，則可以構成一多點式之測量區(F)，該測量區(F)係距離該光學雷達(1)十公里以內。
B.偵測該測量區內氣膠濃度〔空氣中的懸浮微粒濃度〕之變化量：利用該光學雷達(1)測量風速與風場，係可以利用得知的背向散射訊號正比於氣膠濃度，當雷射量測粒子濃度高之區域其背向散射訊號強，反之亦然，由於受風之影響氣膠會隨風移動， 因藉由不斷對於上述之測量區(F)發射雷射光束，量測該待偵測空間中不同位置氣膠的背向散射訊號，就能得知氣膠的分佈特性，亦即得知該待偵測空間中風向與風速之資訊。
C.根據測得之氣膠濃度變化量獲得一風速或/與風向之數據：以雷射光束指向該測量區(F)中依序在5點位置處掃瞄，分別為中心點(C)與該四個座標點(E)、(W)、(S)、(N)重覆循環發射，計算光學雷達(1)掃瞄每一方向隨高度變化之標準差值(standard deviation)，此標準差值之定義為由光學雷達方程式定義Range-Squared-Corrected-Signal(RSCS)：RSCS=P R * z 2 式中P R 為接收到的雷射光強度，Z為高度。因此每個高度的RSCS隨時間擾動所計算出的標準差為： ，式 中N為樣本數，每個樣本為10(20Hz，200個laser shots)秒鐘所 累積的RSCS訊號強度。為所有樣本數的平均累積訊 號強度。因此以每5個樣本(50秒)為一組計算其擾動標準差。
此標準差值可代表在量測期間內，個別量測方向上氣膠受風擾動影響之訊號。
因此風速可表示為，其中n為整數1n，2n，3n… 。n=量測一個循環中心點(C)及座標點(E)、(N)、(W)、(S)， 距離(R)為中心點(C)到任一座標點(E)、(N)、(W)、(S)之距離。在數據採樣間隔時間△t一定的情況下距離(R)值將決定計算風 速值之精確度。最小之風速解析度，最大之風速解析度 。
最後比較某一高度哪個方向的值與中心點(C)的相關度高即可知道風由中心點(C)吹往哪個方向，其中相關係數之定義為 ，x為X變量的離差(deviation) ，y為Y變量的離差，σx為 X的標準差(standard deviation)，σy為Y的標準差。
設定該中心點(C)，將其周圍的座標點(E)、(N)、(W)、(S)分別與其進行相關度分析，找到相關係數最大值rmax出現的位置並計算中心點(C)與這點之距離(R)，由於光學雷達取數據的時間間格△t是固定，所以系統知道從中心點(C)到四個方位中任一座標點(E)、(N)、(W)、(S)所經過的時間t=n*△t(n=1,2,3...)。因此由間距和時間間格後就可以求得風速=距離/時間 ()。
請參閱第四圖所示，假設在約第21個量測環循時，該中心點 (C)和座標點(E)有最大的相關度，說明氣膠由中心點(C)之位置往座標點(E)的方向飄移，故可判斷得知當時風向為何，而其風 速計算則為，故可得知當時之風 速為何。
D.偵測該待偵測空間中之複數個高度位置，以形成多個多點式之測量區，並重複步驟B與步驟C，以取得該待偵測空間中三維的風速或/與風向之數據：利用光學雷達(1)於不同的高度位置，分別偵測其測量區(F)內的風向及風速，集合複數個高度位置而形成多個多點式之測量區(F)，持續重複上述步驟B與步驟C，再綜合每一個測量區(F)之風向及風速的變化量，而可以取得該待偵測空間中三維的風速與風向之數據，以便可以供一預警系統使用；如果風向改變時，則可以調整該風力發電機之葉片轉向，又如果是風速過大時，則使其葉片與離合器脫離之參考依據，或者是作為該空間中之污染物、幅射量之飄散方向及速度的監測，而可以提早作為因應及預防。
本發明係為一種控制風力發電機之方法，如第五圖所示，包括有：A.利用光學雷達(1)對一待偵測空間中發射至少二道雷射光束，使該等雷射光束在該待偵測空間之一高度位置構成一多點式之測量區；偵測該測量區內氣膠濃度之變化量；根據測得之氣膠濃度變化量獲得一風速；B.在一風力發電機(2)設置一離合器(21)與一葉片(22)連結 ；C.以一電腦(3)連結該光學雷達(1)與該離合器(21)；D.根據步驟A所測得風速，由電腦(3)輸出一控制訊號以控制該離合器(21)之離合，當風速過大時，使該葉片(22)與離合器(21)脫離而停止運轉；藉以避免造成風力發電機(2)之損壞。
本發明係為一種控制風力發電機之方法，如第六圖所示，包括有：A.利用光學雷達(1)對一待偵測空間中發射至少二道雷射光束，使該等雷射光束在該待偵測空間之一高度位置構成一多點式之測量區；偵測該測量區內氣膠濃度之變化量；根據測得之氣膠濃度變化量獲得一風向；B.在一風力發電機(2)設置一葉片指向調整單元(23)；C.以一電腦(3)連結該光學雷達(1)與該葉片指向調整單元(23)；D.根據步驟A所測得之風向，由該電腦(3)輸出一控制訊號以控制該葉片指向調整單元(23)，以使一葉片(22)〔如第七圖所示〕面向該風向。
本發明亦可供作為污染物或輻射量之飄散監測的預警系統使用，如第八圖所示，例如一般核電廠(G)係背山面海建立，因此利用多個光學雷達(1)分別發射出一個中心點(C)及四個座標點(N)、(S)的雷射光束，藉以偵測該核電廠(G)所在待偵測空間中各個不同高度位置的測量區(F)，而根據不同測量區(F)中的氣膠 濃度之變化量，而可以取得該待偵測空間中有關於風向及風速之數據，以供隨時監測該待偵測空間中之污染物、幅射量的飄散方向及速度，而可以提早預警，並作人員疏散或因應處置。
惟，以上所述僅為本發明其中之一最佳實施例，當不能以此限定本發明之申請專利保護範圍，舉凡依本發明之申請專利範圍及說明書內容所作之簡單的等效變化與替換，皆應仍屬於本發明申請專利範圍所涵蓋保護之範圍內。

Claims (8)

  1. 一種利用光學雷達測量風速與風向之方法，包括下列步驟：A.利用光學雷達對一待偵測空間中發射至少二道雷射光束，使該等雷射光束在該待偵測空間之一高度位置構成一多點式之測量區；B.偵測該測量區內氣膠濃度之變化量；C.根據測得之氣膠濃度變化量獲得一風速或/與風向之數據：係計算光學雷達掃瞄每一方向隨高度變化之標準差值，該標準差值之定義為由光學雷達方程式定義(RSCS)：(RSCS)：RSCS=P R * z 2；式中P R 為接收到的雷射光強度，Z為高度；每個高度的RSCS隨時間擾動所計算出的標準差為： ，式中N為樣本數，每個樣本為10(20Hz，200個laser shots)秒 鐘所累積的RSCS訊號強度；為所有樣本數的平 均累積訊號強度；以每5個樣本(50秒)為一組計算其擾動標準差 ；風速可表示為，其中n為整數1n，2n，3n… ；n=量測一個循環中心點及座標點，距離R為中心點到任一座標 點之距離；最小之風速解析度，最大之風速解析度 ；比較某一高度哪個方向的值與中心點的相關度高，即 可知道風由中心點吹往哪個方向，其中相關係數之定義為 ，x為X變量的離差(deviation) ，y為Y變量的離差 ，σx為X的標準差(standard deviation)，σy為Y的標準 差；該中心點將其周圍的座標點分別與其進行相關度分析，找到相關係數最大值rmax出現的位置並計算中心點與這點之距離R，光學雷達取數據的時間間格△t是固定，從中心點到四個方位中任一座標點所經過的時間為t=n*△t(n=1,2,3...)；求得風速=距離/時間 ()。
  2. 如申請專利範圍第1項所述利用光學雷達測量風速與風向之方法，進一步包含一步驟D.偵測該待偵測空間中之複數個高度位置，以形成多個多點式之測量區，並重複步驟B與步驟C，以取得該待 偵測空間中三維的風速或/與風向之數據。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述利用光學雷達測量風速與風向之方法，其中，步驟A多點式之測量區中係以雷射光束指向該測量區中之一中心點與至少一座標點，以供量測之用。
  4. 如申請專利範圍第3項所述利用光學雷達測量風速與風向之方法，其中，步驟A多點式之測量區係以雷射光束指向該測量區之一中心點，另以雷射光束指向位於該中心點之不同的四個方位之四個座標點，使該四個座標點與該中心點構成一平面的測量區。
  5. 如申請專利範圍第4項所述利用光學雷達測量風速與風向之方法，其中，該四個座標點與該中心點分別相距一定之距離，其所形成之平面的測量區係平行於地面且距離該地面有一適當之高度。
  6. 如申請專利範圍第1或2項所述利用光學雷達測量風速與風向之方法，其中，步驟B係以雷射光束指向上述之測量區，量測該測量區內中不同位置之氣膠的背向散射訊號，根據背向散射訊號之強弱而得知氣膠的分佈特性。
  7. 一種以申請專利範圍第1項所述利用光學雷達測量風速與風向之方法而用以控制風力發電機之方法，包括：A.利用光學雷達對一待偵測空間中發射至少二道雷射光束，使該等雷射光束在該待偵測空間之一高度位置構成一多點式之測量區；偵測該測量區內氣膠濃度之變化量；根據測得之氣膠濃度變化量獲得一風速之數據；B.在一風力發電機設置一一離合器與一葉片連結；C.以一電腦連結該光學雷達與該離合器；D.根據步驟A所測得風速，由電腦輸出一控制訊號以控制該離合器之離合，使風速過大時，該葉片與離合器脫離而停止運轉。
  8. 一種以申請專利範圍第1項所述利用光學雷達測量風速與風向之方法而用以控制風力發電機之方法，包括：A.利用光學雷達對一待偵測空間中發射至少二道雷射光束，使該等雷射光束在該待偵測空間之一高度位置構成一多點式之測量區；偵測該測量區內氣膠濃度之變化量；根據測得之氣膠濃度變化量獲得一風向之數據；B.在一風力發電機設置一葉片指向調整單元；C.以一電腦連結該光學雷達與該葉片指向調整單元；D.根據步驟A所測得之風向，由電腦輸出一控制訊號以控制該葉片指向調整單元，以使一葉片面向該風向。
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