专利名称：用于风力涡轮发电机的使用太阳辐射传感器的冰检测方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及在风カ涡轮发电机中，尤其在涡轮机叶片上，使用太阳直接辐射传感器检测结冰的系统和方法。
背景技术：
由于在严寒地区存在有风カ电厂，有时需要实施ー种能够检测发电量曲线异常的系统和方法，所述发电量曲线异常由冰或霜在涡轮机转子叶片和其他主要部件上凝结造成。在严寒气候地区，风カ涡轮机上冰的堆积造成ー个主要问题是其降低了所产生的 能量的输出并减短了主要风カ涡轮机部件的预计寿命。风カ涡轮机可能受到几种类型冰例如霜冻、冻雨、湿雪和雾凇等的影响。还有另外一个问题，不只在严寒气候中遇到，还可能发生在无数不同的条件下。结冰可能发生在沿海区域，主要是高纬度区域，以及多山地区。在多山区域或接近丘陵顶部处的主要问题是当云层的底部在高度或海抜上比风カ涡轮机轮毂或吊舱低时冰的凝结。这样的事件被称之为云内结冰。雪雨是结冰的另ー个常见形式。这两种情况的共同点是通常出现多云情況。换而言之，已经被证实的是当天空睛朗时不会出现结冰。例如准则ISO 12494的已知标准定义了几种类型的冰和它们形成的气象条件。根据经验而来的变量包括对于风カ涡轮机的风速、风向、温度和位于云内情况的持续时间。这些系统通常使用湿度计。其以云内的水蒸气非常接近或高于饱和蒸汽压的原理为基础。这表示相対湿度通常高于95%。然而，所述系统并不是完全可靠的。在沿海地区和海面上的风カ电厂中，相対湿度值可能一直都很高，即使没有任何云存在。所述系统中的ー种系统记载在专利文献US7086834中。用于检测转子叶片上的冰的方法包括监控气象条件并监控可能造成转子叶片之间巨大不均衡的风カ涡轮机的物理特征。现有系统的另外一个问题出现在湿度计自身上。当所述水为液体形态时，如果刻度因为水蒸气饱和压カ的值而受到影响，则其在温度低于0°C时可能导致获得错误的相对湿度读数。因此，本发明的ー个目的是提出一种能够检测风力电厂中的云量情况而不具有现有技术的缺点的系统和方法，并向以一种精确的方式将信号添加到用于冰检测的控制算法中。本发明的另ー个目的是提出一种简单、可靠且不会形成刻度问题的替代系统和方法。

发明内容
本发明g在測量风カ涡轮发电机所接收的太阳光辐射，以检测结冰。測量值随后与理论福射曲线相比较，其中，在多云日子的测量值将适当地低于(well below)理论曲线。冰检测的做出优选地考虑到云的存在情况和低温。本发明限定了一种用于风力涡轮发电机的冰检测系统，该冰检测系统包括用于表示所述风力涡轮发电机所处位置的环境温度的信号的温度输入，并包括位于所述风力涡轮发电机处或之上的直接太阳辐射传感器，还包括透射率计算装置，该透射率计算装置用于基于测量的直接太阳辐射值和预定的参照值计算与直接太阳辐射透射率值相关的参数，以及包括冰检测装置，该冰检测装置用于基于所述透射率值和风力涡轮发电机所处位置的所述环境温度产生冰检测信号。优选地，直接太阳辐射传感器包括部分地或全部地暴露于直接太阳辐射的太阳辐射温度传感器，其中所述透射率计算装置以所述太阳辐射温度传感器所测量的测量值与环境温度之间的差额为基础。有利地，所述预定参照值是以无云日子时风力涡轮机上或风力涡轮机位置处所接收的直接太阳辐射值为基础。而且，所述预定参照值可以是以Hottel方程式为基础。优选地，所述直接太阳辐射传感器可以是辐射强度计。 本发明优选地用在一控制系统中，所述控制系统用于风力涡轮发电机并且包括用于从所述冰检测系统接收警报和输出信号的输入装置，以及用于以所述警报和输出信号为基础控制风力涡轮机运行的致动装置。此外，本发明优选地用在一风力电厂中，其中所述冰检测系统安置在与位于风力电厂内的风力涡轮机轮毂或吊舱大体上相同的高度。有利地，冰检测系统安置在位于风力电厂内的风力涡轮发电机的吊舱上。本发明还包括一种用于风力涡轮机的冰检测方法，所述冰检测方法包括步骤提供表示所述风力涡轮发电机所处位置的环境温度的信号，测量所述风力涡轮发电机处或之上的直接太阳辐射，基于测量的直接太阳辐射值和预定的参照值计算与直接太阳辐射透射率值相关的参数，以及基于所述透射率值和风力涡轮发电机所处位置的所述环境温度产生冰检测信号。优选地，在本发明的冰检测方法中，所述测量所述风力涡轮发电机处或之上的直接太阳辐射的步骤包括测量至少部分地暴露于直接太阳辐射的传感器的温度的步骤，而且所述计算与直接太阳辐射透射率值相关的参数的步骤是以至少部分地暴露于直接太阳辐射的传感器的温度与环境温度之间的差额为基础。


图Ia描绘了表示太阳入射辐射相对于时间的曲线图，其比较了 Hottel模型和在天空晴朗日子所获得的实验数据；图Ib描绘了表示太阳入射辐射相对于时间的曲线图，其比较了 Hottel模型和在天空多云日子所获得的实验数据；图2示出风力涡轮机吊舱上两个温度传感器的位置。
具体实施例方式本发明的一个实施例是以热福射强度计(thermal pyranometer)的使用为基础的。所述仪器能够测量在地球表面特定位置的入射辐射(5)。众所周知的是，太阳在每単位时间从其表面发射或辐射出巨大量的能量。当以垂直于入射太阳辐射(5)的平面而论吋，所述值在大气层顶部大约为1367W/m2。然而，在海平面接收的该辐射量大幅削減，所考虑的理由是太阳辐射表面的傾斜，另ー个主要因素是被大气层吸收，这种吸收主要是由于在大气层中云层和悬浮微粒的存在。本发明g在測量风カ涡轮发电机(4)所接收的太阳光辐射并将所述值与结冰的可能性相关联，以检测结冰。测量值与理论辐射曲线相比较，其中多云天气下的測量值将适当地低于(well below)理论曲线。较佳实施例使 用热福射强度计的傅里叶定律(Furierlaw)，其中，温度被測量并被进行比较。ー个温度计至少部分地暴露于直接太阳辐射，然而另ー个温度计避开太阳辐射并测量环境温度(2)。傅里叶定律可以表达如下^c= -K-Jl - 72}其中，取代表传导通过桥架上述两个温度计的金属条的热通量，且其中K代表所述金属条的导热系数，且其中Tl和T2为两个温度计所测量的温度。由此可见，温度差额与两个温度计或温度传感器所接收的能量差额直接相关；总之，此能量是接收到的太阳光辐射。用于每个发电机(4)的热辐射強度计可以被用来关联接收到的太阳辐射和温度差額。然而，作为ー个简单实施例的示例，能够看出有可能使用理论和实验辐射曲线而不需要辐射强度计。所述方法学产生的结果在实验上在测量值方面表现出小于5%的误差。这种曲线中的ー个由Hottel以下面的等式限定'.m. i Cu - G0 十 Ctj1 f- '其中，等式的首项是太阳辐射透射率，Tb，且其中02是太阳天顶角，％、&1、1(是由每个位置和海抜或高度所确定的常量。所述透射系数表示到达地球表面的太阳辐射相对于到达大气层外壳的太阳辐射的分数。值得注意的是太阳天顶角e Z是在地球表面上的一位置太阳与天顶或竖直方向之间的角度。等式的常量，即％、B1和K是相对于标准大气根据实验标定的，在不同类型的气候中，所述标准大气具有大约23千米的能见度。所述常量根据相对于海平面的海抜和高度而变化。值得注意的是标准大气是基于没有污染物的平均纬度为依据，此外，其是与臭氧层厚度相独立的。然后所述常量采用如下值 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是从作出观测的地点以千米计算的海抜或高度。此外，Hottel曲线可以应用于由5千米能见度限定的标准大气。新的常量，也就是Bc^a1=Kk*必须被计算。为了简化计算,校正系数被应用，ち=a0/a0t^r1 = B1Ai1=^Prk=k/k*等同于表格I中如下的值。表格I. Hottel 模型
权利要求
1.一种用于风カ涡轮发电机(4)的冰检测系统，所述冰检测系统包括 至少ー个温度输入，其用于表示所述风カ涡轮发电机(4)所处位置的环境温度(2)的信号，其特征在干， 位于所述风カ涡轮发电机(4)处或之上的至少ー个直接太阳辐射传感器(1)， 透射率计算装置，其用于基于测量的直接太阳辐射值(5)和预定的參照值计算与直接太阳辐射透射率值相关的參数，以及 冰检测装置，其用于基于所述透射率值和风カ涡轮发电机(4)所处位置的所述环境温度(2)产生冰检测信号。
2.根据权利要求I所述的冰检测系统，其中，所述直接太阳辐射传感器(I)包括至少部 分地暴露于直接太阳辐射(5)的直接太阳辐射温度传感器，且所述透射率计算装置以所述太阳辐射温度传感器所测量的测量值与所述环境温度(2)之间的差额为基础。
3.根据权利要求I所述的冰检测系统，其中，所述预定參照值是以无云日子时风カ涡轮机上或风カ涡轮机位置处所接收的直接太阳辐射值(5)为基础。
4.根据权利要求3所述的冰检测系统，其中，所述预定參照值是以Hottel方程式为基础。
5.根据权利要求I所述的冰检测系统，其中，位于所述风カ涡轮发电机(4)处或之上的所述直接太阳辐射传感器(I)包括至少ー个辐射强度计。
6.根据权利要求I所述的冰检测系统，其包括 用于测量所述风カ涡轮机所处位置的环境温度(2)的至少ー个环境温度(2)传感器，以及 用于将所述测量的环境温度(2)值发送到所述环境温度(2)输入的装置。
7.用于具有根据权利要求I所述的冰检测系统的风カ涡轮发电机(4)的控制系统，所述控制系统包括 用于从所述冰检测系统接收警报和输出信号的输入装置，以及 用于以所述警报和输出信号为基础控制风カ涡轮机运行的致动装置。
8.具有根据权利要求I所述的冰检测系统的风カ电厂，其中，所述冰检测系统安置在与位于风カ电厂内的风カ涡轮机轮毂或吊舱(3)大体上相同的高度。
9.具有根据权利要求I所述的冰检测系统的风カ电厂，其中，所述冰检测系统安置在位于风カ电厂内的风カ涡轮发电机的至少ー个吊舱上。
10.一种用于风カ涡轮机的冰检测方法，所述冰检测方法包括如下步骤 提供至少ー个表示所述风カ涡轮发电机(4)所处位置的环境温度(2)的信号，其特征在于， 測量所述风カ涡轮发电机(4)处或之上的直接太阳辐射， 基于测量的直接太阳辐射值和预定的參照值计算与直接太阳辐射透射率值相关的參数，以及 基于所述透射率值和风カ涡轮发电机(4)所处位置的所述环境温度(2)产生冰检测信号。
11.根据权利要求10所述的冰检测方法，其中，所述测量所述风カ涡轮发电机(4)处或之上的直接太阳辐射的步骤包括測量至少部分地暴露于直接太阳辐射的传感器的温度的步骤， 所述计算与直接太阳辐射透射率值相关的參 数的步骤是以至少部分地暴露于直接太阳辐射的传感器的温度与环境温度(2)之间的差额为基础。
全文摘要
本发明描述了旨在测量风力涡轮发电机所接收的直接太阳光辐射以检测结冰的系统和方法。测量值随后与理论辐射曲线相比较，其中，在多云日子的测量值将适当地低于理论曲线。冰检测的做出考虑到云的存在情况和温度。测量的参数优选是直接太阳辐射透射率和环境温度。
文档编号G01J1/00GK102735333SQ20121008917
公开日2012年10月17日 申请日期2012年3月29日 优先权日2011年3月30日
发明者因马库拉达·戈麦斯·鲁法斯, 安赫尔·冈萨雷斯·帕拉西奥斯, 巴勃罗·马丁·拉莫斯 申请人:歌美飒创新技术公司