СПОСОБ И ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ О МОЛНИИ
METHOD AND WIND ENERGY INSTALLATION FOR LIGHTNING WARNING

Изобретение относится к способу предупреждения о молнии множеством ветроэнергетических установок, в частности частью ветрового парка и к ветроэнергетической установке и ветровому парку, а также сети из ветроэнергетических установок и/или ветровых парков для предупреждения о молнии и к применению системы для прогноза погоды, в частности для предупреждения о грозе и/или молнии.
Энергия ветра и сила ветра занимают все большую долю и, таким образом, важное положение в глобальном генерировании электрического тока. Но по мере увеличения числа ветроэнергетических установок и ветровых парков также одновременно возрастают затраты и время на техническое обслуживание ветроэнергетических установок и ветровых парков. Высокие затраты на техническое обслуживание связано с высокими издержками и высоким логистическим планированием технического обслуживания и обслуживающего персонала. Важным фактором при планировании технического обслуживания является предотвращение ненужных простоев, при которых работы по техническому обслуживанию из-за погодных условий, в частности, во время гроз с ударами молний в ветроэнергетических установках прерываются. Особенно в ветроэнергетических установках существует повышенная вероятность удара молнии, так как они, ввиду своей конструкции, часто образуют наивысшую точку в окрестности и, следовательно, являются предпочтительной точкой для атмосферных разрядов.
Для предупреждения о молнии и/или грозе, как правило, используются общедоступные прогнозы погоды, которые локально, в частности что касается определенного местоположения ветроэнергетической установки, являются очень неточными или вообще не обеспечивают возможности прогноза молний.
Прогноз для удара молнии на ветроэнергетической установке, в частности, в течение длительности работ по техническому обслуживанию должен, однако, быть очень надежным, так как в случае реального удара молнии существует высокий риск безопасности и даже угроза жизни для обслуживающего персонала. С другой стороны, прерывание работ по техническому обслуживанию должно осуществляться только тогда, когда на самом деле существует достаточная вероятность для удара молнии, чтобы не прерывать без реальной необходимости работы по техническому обслуживанию.
Поэтому было бы желательно обеспечить способ и устройство, с помощью которых можно заблаговременно предсказывать или распознавать молнию, в частности удар молнии в определенной ветроэнергетической установке и выдавать соответствующее предупредительное оповещение, так что обслуживающий персонал может прервать работы по техническому обслуживанию, и/или ветроэнергетическая установка может быть отключена. После того как опасность удара молнии проходит, работы по техническому обслуживанию могут быть возобновлены, и/или ветроэнергетическая установка будет снова включена. В частности, было бы желательно предсказывать потенциальное место и время удара молнии точным и надежным образом.
Известно, что для прогноза погоды, в частности для прогноза гроз, из прошлого и текущего метеосостояния атмосферы выводят или предсказывают состояние атмосферы на будущее, используя известные физические правила. При этом применяют так называемые нелинейные уравнения, в которых даже небольшие изменения в начальных условиях приводят к значительной вариации результатов, в данном случае прогноза погоды. Это явление известно также под ключевым выражением «эффект бабочки».
Начальные условия или данные, в частности измеренные данные или измеренные значения для условий окружающей среды и/или атмосферных условий, которые дают информацию о текущем состоянии атмосферы, регистрируются сетью наземных измерительных станций. При этом измерительные станции, как правило, регистрируют скорость ветра, температуру, давление воздуха, влажность воздуха и количество осадков. Только если имеется достаточное количество измерительных станций, которые собирают метеоданные, возможен надежный прогноз погоды.
Однако известные из уровня техники измерительные станции часто размещаются вблизи земли, так что зарегистрированные (погодные) данные измерений, в частности параметры окружающей среды, могут быть искажены эффектами земной поверхности, например, действием тепла или холода, накопленного в почве. Однако искаженные данные измерений не позволяют обеспечить надежный прогноз погоды для конкретного места. Кроме того, известные измерительные станции не собирают данные об электрических или электромагнитных полях, так что прогнозирование молний практически невозможно.
Немецкое ведомство по патентам и товарным знакам в результате поиска выявило следующие источники предшествующего уровня техники: DE 10 2012222973 A1, АТ 389012 В и brieselang.net (веб-сайт для превентивной защиты от молнии).
Задачей настоящего изобретения является предоставить усовершенствованный способ и усовершенствованное устройство и/или усовершенствованную систему для прогноза погоды, в частности для предупреждения о грозах и молниях, которая/-ые усовершенствованы по отношению к уровню техники, но по меньшей мере направлены на решение одной из указанных выше проблем. В частности, задачей настоящего изобретения является предоставление способа и устройства для предупреждения о молниях множеством ветроэнергетических установок.
Эта задача в соответствии с изобретением решается способом предупреждения о молниях множеством ветроэнергетических установок, в частности частью ветрового парка, и ветроэнергетической установкой и/или ветровым парком и/или сетью из ветроэнергетических установок и/или сетью из ветровых парков и применением ветроэнергетической установки и/или ветрового парка и/или сети из ветроэнергетических установок и/или сети из ветровых парков для формирования системы для прогноза погоды.
Изобретение основано на идее способа предупреждения о молниях множеством ветроэнергетических установок, в частности частью ветрового парка, причем большинство ветроэнергетических установок находятся соответственно в одном местоположении, и каждая из множества ветроэнергетических установок имеет узел датчиков для регистрации параметра окружающей среды, содержащий по меньшей мере анемометр, датчик температуры и/или датчик влажности, причем узел датчиков содержит дополнительный датчик, в частности измеритель электрического поля, для регистрации электрических полей, и способ включает в себя следующие этапы: регистрацию по меньшей мере одного значения для параметра окружающей среды, по меньшей мере включающего в себя электрическое поле, с помощью датчиков узла датчиков множеством ветроэнергетических установок; и оценку по меньшей мере одного значения для параметра окружающей среды для прогнозирования предупреждения о молниях для местоположений множества ветроэнергетических установок.
Изобретение также основывается на идее ветроэнергетической установки и/или ветрового парка с множеством ветроэнергетических установок и/или сети из ветроэнергетических установок и/или сети из ветровых парков, для предупреждения о молниях, причем ветроэнергетическая установка и множество ветроэнергетических установок находятся соответственно в некотором местоположении и каждая из ветроэнергетических установок имеет узел датчиков для регистрации параметра окружающей среды, содержащий по меньшей мере анемометр, датчик температуры и/или датчик влажности, и узел датчиков включает в себя дополнительный датчик, в частности измеритель электрического поля для регистрации электрического поля; и устройство предупреждения о молниях с блоком оценки для оценки по меньшей мере одного значения для параметра окружающей среды, по меньшей мере включающего в себя электрическое поле, и для прогнозирования предупреждения о молниях для местоположений ветроэнергетических установок.
Кроме того, изобретение включает в себя применение ветроэнергетической установки и/или ветрового парка и/или сети из ветроэнергетических установок и/или сети из ветровых парков для формирования системы для прогноза погоды, в частности грозового предупреждения и/или предупреждения о молнии, причем система сконфигурирована для выполнения способа согласно настоящему изобретению.
Ниже концепция изобретения описывается в качестве примера, при этом без ограничения настоящего изобретения. Изобретение предусматривает применение ветроэнергетических установок, в частности нескольких ветроэнергетических установок ветрового парка, в качестве метеорологических измерительных станций для прогноза погоды, в частности для прогноза гроз и/или предупреждения о молниях. При этом, таким образом, применяется некоторое число i ветроэнергетических установок в качестве метеорологических измерительных станций, причем i может принимать числовое значение, i=1, 2, …, n. Ветроэнергетические установки в качестве метеорологических измерительных станций имеют то преимущество, что они уже содержат несколько различных датчиков, таких как анемометры, термометры, барометры и/или датчики влажности. Кроме того, датчики ветроэнергетических установок расположены на большой высоте до 200 метров, так что данные измерений не будут подвергаться влиянию или искажению эффектами земной поверхности. Также в одной только Германии уже имеется большое число порядка более 23000 отдельных ветроэнергетических установок, которые являются подходящими для использования в качестве потенциальных метеорологических измерительных станций для соответствующего изобретению способа, так что параметры окружающей среды могут регистрироваться плотной сетью из измерительных станций.
Далее, согласно концепции изобретения, предусматривается оснащать ветроэнергетические установки дополнительным датчиком для регистрации электрических полей, в частности магнитных и/или электромагнитных полей. Регистрация электрических полей, в частности напряженности электрического поля в атмосфере в окрестности ветроэнергетической установки, может быть использована для точного прогнозирования молний и ударов молний. При этом изобретение учитывает идею, что во время грозы в атмосфере, в частности в грозовых облаках, происходит разделение зарядов, которое локально (в горизонтальном и вертикальном направлении) приводит к различным по силе напряженностям электрического поля и/или к сильным падениям электрического потенциала. Эти электрические поля/напряженности электрического поля и/или распределение напряженности электрического поля могут быть измерены с помощью узла датчиков отдельных ветроэнергетических установок, в частности дополнительного датчика для регистрации электрических полей. Если напряженность электрического поля превышает, например, (предварительно) определенное критическое значение для удара молнии, то выдается предупреждение о молнии. В частности, можно посредством регистрации и оценки нескольких параметров окружающей среды, таких как давление воздуха, температура и напряженность электрического поля, определить вероятность удара молнии в определенной ветроэнергетической установке.
Кроме того, концепция изобретения предусматривает объединение в единую сеть ветроэнергетических установок и/или ветровых парков и/или сетей ветроэнергетических установок и/или ветровых парков и, таким образом, предоставление системы для прогноза погоды, в частности для грозовых предупреждений и/или предупреждений о молниях.
Эти и другие предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения и конкретизируют как способ, так и узел для предупреждения о молниях. В частности, предпочтительные дальнейшие развития являются предметом зависимых пунктов формулы и детализируют предпочтительные возможности того, каким образом описанные выше способ и устройство для предупреждения о молниях могут быть реализованы или выполнены в рамках постановки задачи, а также в отношении дополнительных преимуществ.
Предпочтительно вариант осуществления предусматривает, что множество ветроэнергетических установок соединены с сервером, в частности с сервером ветрового парка, и способ дополнительно включает в себя следующие этапы: передачу по меньшей мере одного значения для параметра окружающей среды от множества ветроэнергетических установок на сервер; составление карты с по меньшей мере одним значением для параметра окружающей среды и местоположений множества ветроэнергетических установок; и оценивание карты для прогноза предупреждения о молнии для местоположений множества ветроэнергетических установок. При этом отдельные ветроэнергетические установки соединены через соединительные линии с сервером, в частности с сервером ветрового парка, так что параметры окружающей среды, зарегистрированные с помощью узла датчиков соответствующей ветроэнергетической установки, могут быть переданы на сервер. Вместе с зарегистрированными значениями для параметра(ов) окружающей среды на сервер также передаются информации о соответствующем местоположении регистрирующей ветроэнергетической установки, так что север, в частности соответственно выполненный процессорный элемент, способен из зарегистрированных параметров окружающей среды и местоположений ветроэнергетических установок составить карту, на которой отображаются, в зависимости от их расположения, значения для параметра окружающей среды, в частности их интенсивность. Затем составленная карта может оцениваться для прогнозирования удара молнии, в частности для прогнозирования удара молнии в определенном местоположении определенной ветроэнергетической установки. Для оценки зарегистрированных параметров окружающей среды или составленной карты могут применяться, например, стандартные модели, известные в данной области техники из метеорологических исследований и прогноза погоды.
В целесообразном выполнении может быть предусмотрено, что по меньшей мере одно и/или несколько регистрируемых значений для параметра окружающей среды выбраны из следующей группы значений: сила ветра, направление ветра, температура, влажность воздуха, давление воздуха, напряженность электрического поля, напряженность магнитного поля и/или напряженность электромагнитного поля. В этом варианте осуществления предусмотрено, что регистрируются текущие параметры окружающей среды атмосферы, в частности, в окрестности регистрирующей ветроэнергетической установки. Из зарегистрированного(-ых) значения(-ий) для параметра окружающей среды может быть определено текущее состояние для текущих погодных условий, в частности текущее метеосостояние атмосферы, из которого затем с применением известных физических правил для прогноза погоды может быть выведено или спрогнозировано состояние атмосферы на будущее, в частности, для удара молнии или грозового предупреждения. Например, при этом также предусматривается, что параметры окружающей среды регистрируются в течение длительного периода и постоянно сравниваются с прогнозом, в частности прогнозируемыми параметрами окружающей среды, и при необходимости корректируется. Из изменения во времени параметров окружающей среды, то есть истории регистрируемых параметров окружающей среды, можно тогда определить прогноз для будущего изменения для регистрируемого параметра окружающей среды.
2
Предпочтительное дальнейшее развитие предусматривает, что по меньшей мере одно значение для параметра окружающей среды сравнивается с контрольным значением. В этом варианте осуществления предусмотрено, что зарегистрированные параметры окружающей среды сравниваются с контрольными значениями. В качестве контрольных значений могут, например, служить эмпирические значения из метеорологических исследований, в частности эмпирические значения для возникновения удара молнии. Например, при наличии определенного давления воздуха, определенной влажности воздуха и определенной напряженности электрического поля может быть сделан вывод о состоянии грозы, в частности о возможном ударе молнии. Критическое значение напряженности электрического поля для весьма вероятного возникновения молнии при нормальном давлении (р=101,325 Па =101,325 Н/м) и нормальной температуре (Т=0°С) соответствует напряженности поля около 3000 кВ/м. В зависимости от других параметров окружающей среды, таких, как сила ветра, температура, влажность воздуха и/или давление воздуха может произойти электрический пробой с образованием молнии даже при более низких напряженностях поля, в диапазоне от 300 до 400 кВ/м. Еще одним фактором или толчком для образования молнии является наличие высокоэнергетических электронов из космического излучения, которые могут вызвать молнию уже при напряженностях поля от 150 до 300 кВ/м. Возможное контрольное значение для напряженности электрического поля, таким образом, составляет 150 кВ/м, при котором существует значительная опасность удара молнии.
В одном предпочтительном варианте осуществления может быть предусмотрено, что при оценивании карты определяется минимальное значение, максимальное значение и/или градиент. Этот вариант осуществления позволяет простым способом определять экстремумы текущих погодных условий в ветроэнергетической установке. Например, удар молнии преимущественно возникает в ветроэнергетической установке, у которой электромагнитное поле является наиболее сильным. Наряду с этим, определенную роль может также играть влажность воздуха. При оценке и прогнозе принимаются во внимание оба параметра окружающей среды, в частности их максимальные и минимальные значения. При определении минимальных и/или максимальных значений также относительно просто можно распознавать экстремальные погодные условия, например, сильные порывы ветра или ветровые фронты. В частности, изменения погоды во времени можно хорошо распознавать путем регистрации изменений во времени в минимальных и максимальных значениях параметров окружающей среды. Также можно определять градиент в качестве меры для направления самого крутого подъема или изменения параметра окружающей среды.
Предпочтительное дальнейшее развитие предусматривает, что каждым узлом датчиков множества ветроэнергетических установок регистрируются несколько значений для параметров окружающей среды, и с несколькими значениями параметров окружающей среды составляется и оценивается несколько карт. При этом особым образом предусматривается, что регистрируется не только одно значение параметра окружающей среды, например, сила ветра, но несколько параметров окружающей среды, таких как сила ветра, направление ветра, температура, влажность воздуха, давление воздуха и напряженность электрического, магнитного и/или электромагнитного поля. В частности, комбинация из направления ветра и напряженности поля позволяет осуществить хороший прогноз относительно того, в каком направлении и насколько быстро развивается распределение напряженности поля.
Дальнейшее развитие может предусматривать, что несколько карт комбинируется друг с другом. В частности, комбинация из различных значений для параметров окружающей среды позволяет осуществить улучшенное прогнозирование для определенного состояния погоды, в частности для грозового предупреждения или предупреждения о молниях.
В частности, предусмотрено, что каждая из множества ветроэнергетических установок ветрового парка имеет узел датчиков для регистрации множества параметров окружающей среды, и каждый из узлов датчиков включает в себя: датчик силы ветра, датчик направления ветра, датчик температуры, датчик влажности воздуха, датчик давления воздуха и датчик напряженности электрического поля. В частности, датчик напряженности электрического поля может включать в себя датчик напряженности магнитного поля и/или напряженности электромагнитного поля. Результаты датчиков могут быть запечатлены на одной или нескольких картах для региона множества ветроэнергетических установок.
На основе ветроэнергетических установок, распределенных по этому региону, может осуществляться надежное прогнозирование молний, но в любом случае надежное предупреждение о молниях при оценке составленной карты или карт. Число измеряемых параметров окружающей среды на территории региона делает возможным при оценке составленной карты или карт указание условий и тенденций для данной территории региона.
В частности, может быть составлена база данных библиотек для ветроэнергетической установки на территории региона, которая индивидуально для каждой энергетической установки на территории региона указывает те параметры окружающей среды, которые релевантны для того, когда следует ожидать возникновения молнии для конкретной ветроэнергетической установки на территории региона. В качестве информационной базы предпочтительно служит множество ветроэнергетических установок ветрового парка из ветроэнергетических установок ветрового парка, к которому принадлежит индивидуальная ветроэнергетическая установка. В частности, база данных библиотек может быть реконфигурируемой, и может осуществляться передача параметров, относящаяся к параметрам окружающей среды, в диспетчерскую. Таким образом, особенно предпочтительным образом возможно индивидуально составлять параметрическую кривую параметров окружающей среды, релевантную для ветроэнергетической установки, которая указывает, в каком диапазоне параметров окружающей среды для этой ветроэнергетической установки следует выводить предупреждение о молнии, в частности может прогнозироваться возникновение молнии. Это приводит к высокой степени надежности предупреждения о молнии и/или прогнозирования молнии для этой индивидуальной ветроэнергетической установки и, тем самым, к особенно надежной защите обслуживающего персонала при планировании расходов в связи с прерыванием деятельности по оказанию услуг. Это приводит к особенно выгодному использованию ветроэнергетической установки в качестве станции для предупреждения о молнии и/или прогнозирования молнии, в частности для формирования особенно предпочтительной системы для предупреждения о молниях и/или прогнозирования молний множеством ветроэнергетических установок ветрового парка. Предпочтительно, ветроэнергетическая установка может использоваться в качестве метеорологической станции, и/или ветровой парк может использоваться в качестве системы для прогноза погоды.
Предпочтительно, один вариант осуществления предусматривает, что на основе оценивания карт, для местоположений множества ветроэнергетических установок выполняется сопоставление с вероятностями удара молнии, в частности для удара молнии в определенной ветроэнергетической установке. При этом предусматривается, в частности, что текущие зарегистрированные параметры окружающей среды, в частности сила ветра, направление ветра, температура, влажность воздуха, давление воздуха и напряженность электрического, магнитного и/или электромагнитного поля у определенной ветроэнергетической установки либо для определенного местоположения ветроэнергетической установки оценивают и вычисляют таким образом, что определяется вероятность удара молнии, которую ставят в соответствие ветроэнергетической установке или местоположению ветроэнергетической установки. Также можно для этого учитывать изменение во времени зарегистрированных параметров окружающей среды. Например, вероятность удара молнии повышается, когда напряженность электрического, магнитного и/или электромагнитного поля резко возрастает в течение короткого времени. Для определения вероятностей можно, например, обращаться к стандартной модели и/или эмпирическим значениям из метеорологических исследований/прогноза погоды.
Предпочтительный вариант осуществления относится к способу, в котором определенные вероятности для удара молнии сравниваются с предельными вероятностями, и выдается предупреждение о молнии для местоположения множества ветроэнергетических установок, для которых вероятность удара молнии превышает предельную вероятность. В частности, если вероятность удара молнии больше 50%, предпочтительно больше 70% и наиболее предпочтительно больше 90%, то выдается предупреждение о молнии для соответствующего местоположения ветроэнергетических установок или нескольких местоположений.
Предпочтительный вариант осуществления относится к способу, в котором предупреждение о молнии выдается в форме предупредительного сообщения, в частности, для определенной ветроэнергетической установки из множества ветроэнергетических установок, причем предупредительное сообщение может быть выведено как акустическое оповещение и/или посредством сигнальной лампы. При этом предусматривается - в случае предупреждения о молнии - его выдача в форме автоматического предупредительного сообщения, например, через динамики внутри башни, так что обслуживающий персонал будет предупрежден и может отменить возможные работы по техническому обслуживанию. Также может быть предусмотрено, что автоматически включается сигнальная лампа, которая предупреждает о возможном ударе молнии. Также может быть предусмотрено, что в случае предупреждения о молнии соответствующая ветроэнергетическая установка выключается.
Используемая в рамках особенно предпочтительного дальнейшего развития способа метеорологическая модель предусматривает, что не только электрическое поле, но и другие параметры окружающей среды, такие, как вышеупомянутые сила ветра, направление ветра, температура, влажность воздуха используются для обеспечения возможности предупреждения о молнии, в частности прогнозирования молнии. Метеорологическая модель для использования параметров электрического поля для регистрации напряженностей электрического поля базируется в простейшем случае на следующем физическом механизме образования молнии. Физический механизм в простейшем случае предусматривает, без ограничения этим, стечение теплых, влажных воздушных масс, которые, когда они поднимаются, конденсируют водяной пар и при некоторых внешних условиях образуют накапливающееся кучевое облако. Чем выше такое кучевое облако, тем выше вероятность того, что внутри него образуются заряды за счет трения и распыления частиц воды. Это, в частности, имеет место тогда, когда в верхней холодной части кучевого облака кристаллы льда заряжаются положительно, а в нижней части кучевого облака капли заряжаются отрицательно. Такой преобладающий в верхней части кучевого облака положительный заряд по отношению к преобладающему в нижней части кучевого облака отрицательному заряду в зависимости от высоты кучевого облака (до нескольких километров) может стимулировать возрастание электрических полей, которые приводят к возникновению напряжений свыше нескольких сотен миллионов вольт.
Разряд этого разделения зарядов первоначально в облаке может привести к так называемому лидирующему разряду в направлении к земле, который, при необходимости, с формированием встречного разряда на земле или на выступающих местах на земле, таких как ветроэнергетическая установка, приведет к образованию ионизированного разрядного канала молнии, за который затем следует основной разряд - собственно молния. Уже на основе этого сравнительно простого физического механизма, в дальнейшем развитии выявлено, что основополагающий метеорологический способ предупреждения о молнии, в частности прогнозирования молнии, является тем более надежным, чем больше имеется опорных пунктов для регистрации электрических полей. Поэтому дальнейшее развитие предпочтительно предусматривает большее число ветроэнергетических установок ветрового парка, но в любом случае части ветрового парка с выбором из ветроэнергетических установок (например, ветроэнергетические установки, предусмотренные на краях ветрового парка, и распределение ветроэнергетических установок в пределах территории ветрового парка), чтобы реализовать опорные точки для измерения электрических полей. Предпочтительно, это могут быть все ветроэнергетические установки ветрового парка. Предпочтительно, в каждой из ветроэнергетических установок, но во всяком случае в ветроэнергетических установках, образующих вышеназванные опорные точки, производится измерение вышеуказанных параметров окружающей среды.
2
Далее будет описан - не ограничивая изобретение конкретными значениями - конкретный пример способа предупреждения о молниях с числом i ветроэнергетических установок, в частности с частью ветрового парка. Число i ветроэнергетических установок, при этом i может принимать значение 1, 2, …, n, расположены в разных местоположениях, причем каждая из ветроэнергетических установок содержит узел датчиков для регистрации параметров окружающей среды с по меньшей мере анемометром, датчиком температуры и/или датчиком влажности и дополнительным датчиком, в частности измерителем электрического поля, для регистрации напряженностей электрического поля. С помощью датчиков регистрируется по меньшей мере одно значение для параметра окружающей среды, например силы ветра, направления ветра, температуры, влажности воздуха, давления воздуха и/или напряженности электрического поля, но по меньшей мере напряженности электрического поля. Затем зарегистрированные значения параметров окружающей среды оцениваются для прогнозирования молнии и предупреждения о молнии для соответствующих местоположений ветроэнергетических установок. При этом учитывается, что может происходить разделение зарядов во время грозы в грозовых облаках, которое затем приводит к локально различным напряженностям электрического поля. Напряженность электрического поля и/или распределение напряженностей электрических полей могут регистрироваться с помощью узла датчиков i ветроэнергетических установок. Если напряженность электрического поля в определенной ветроэнергетической установке превышает некоторое (предварительно) определенное критическое значение, предельное значение для электрического поля, то выдается предупреждение о молнии для этой ветроэнергетической установки. Критическая напряженность поля, при которой в воздухе при нормальном давлении (р=101,325 Па=101,325 Н/м) и нормальной температуре (Т=0°С) возникает пробой с образованием молнии, составляет приблизительно 3000 кВ/м. В зависимости от других параметров окружающей среды, таких как сила ветра, температура, влажность воздуха и/или давление воздуха, электрический пробой с образованием молнии может произойти даже при более низких напряженностях поля, в диапазоне от 300 до 400 кВ/м. Еще одним фактором или толчком для образования молнии является наличие высокоэнергетических электронов из космического излучения, которые могут вызвать молнию уже при напряженностях поля от 150 до 300 кВ/м. Если при нормальных условиях (р=101,325 Па, Т=0°С), напряженность электрического поля в одной или нескольких ветроэнергетических установках превышает предельное значение 150 кВ/м, то выдается предупреждение о молнии для данной одной или нескольких ветроэнергетических установок.
Примеры выполнения изобретения описаны ниже со ссылкой на чертежи по сравнению с предшествующим уровнем техники, который отчасти также представлен. При этом примеры выполнения представлены на чертежах не обязательно в масштабе, а напротив, чертежи, служащие для иллюстрации, выполнены в схематичной и/или слегка искаженной форме. В отношении дополнений к следующим непосредственно из чертежей сведениям, можно сослаться на соответствующий уровень техники. При этом следует отметить, что многочисленные модификации и изменения, касающиеся формы и деталей формы выполнения, могут быть выполнены без отклонения от общей идеи изобретения. Признаки, раскрытые в описании, на чертежах и в формуле изобретения, могут быть существенными как по отдельности, так и в любой комбинации для дальнейшего развития изобретения. Кроме того, объем изобретения охватывает все комбинации по меньшей мере двух из признаков, раскрытых в описании, на чертежах и/или в формуле изобретения. Основная идея настоящего изобретения не ограничивается точной формой или деталью показанного и описанного предпочтительного варианта осуществления или объектом, который был бы ограничен по сравнению с предметом, заявленным в формуле изобретения. В случае указанных диапазонов измерения, значения, находящиеся внутри установленных границ, должны также признаваться в качестве предельных значений и могут произвольно использоваться и заявляться. Идентичные или аналогичные части или части с идентичной или аналогичной функцией, для простоты, когда это уместно, обозначены теми же ссылочными позициями.
Другие преимущества, признаки и подробности настоящего изобретения станут очевидными из последующего описания предпочтительных вариантов осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых представлено следующее:
фиг. 1 - возможный вариант осуществления ветроэнергетической установки;
фиг. 2 - возможный вариант осуществления узла датчиков;
фиг. 3 - возможный вариант осуществления ветрового парка;
фиг. 4 - возможный вариант осуществления способа для грозового предупреждения, в частности предупреждения о молниях, множеством ветроэнергетических установок.
фиг. 5 - возможный вариант осуществления карты для местоположений множества ветроэнергетических установок и значения для параметра окружающей среды.
фиг. 6 - другой вариант осуществления карты для местоположений множества ветроэнергетических установок и напряженности электромагнитного поля в качестве регистрируемого параметра окружающей среды.
фиг. 7 - другой вариант осуществления карты для местоположений множества ветроэнергетических установок и силы ветра в качестве регистрируемого параметра окружающей среды;
фиг. 8 - еще один вариант осуществления карты для местоположений множества ветроэнергетических установок и комбинации напряженности поля и силы ветра в качестве регистрируемого параметра окружающей среды;
фиг. 9 - возможный вариант осуществления системы для прогноза погоды, в частности для предупреждения о молниях.
На фиг. 1 показана ветроэнергетическая установка 1 с мачтой 2 и гондолой 4. На гондоле 4 размещен ротор 6 с тремя роторными лопастями 8 и обтекателем 7 (кок). Ротор 6 при работе ветроэнергетической установки 1 приводится ветром во вращательное движение и тем самым приводит в действие генератор (не показан) внутри гондолы 4. С помощью генератора механическая энергия вращательного движения преобразуется в электрическую энергию и затем подается в электрическую сеть.
Далее ветроэнергетическая установка 1 включает в себя узел 5 датчиков для регистрации по меньшей мере одного параметра окружающей среды, такого как сила ветра, направление ветра, температура, влажность воздуха, давление воздуха и/или электрическое, магнитное и/или электромагнитное поля в атмосфере. Узел 5 датчиков включает в себя для этой цели, в частности, анемометр, датчик температуры, датчик влажности, барометр или датчик давления и/или дополнительный датчик, в частности измеритель электрического поля для регистрации электрического, магнитного и/или электромагнитного полей или напряженностей поля.
На фиг. 2 показан возможный вариант реализации узла 5 датчиков для регистрации параметров 25 окружающей среды, причем узел 5 датчиков расположен на ветроэнергетической установке 1, в частности на крыше гондолы 4 ветроэнергетической установки 1 (показаны схематично). Кроме того, ветроэнергетическая установка 1, в частности узел 5 датчиков, через соединительную линию 32 соединена (соединен) с сервером 31, в частности с сервером ветрового парка, так что, например, параметры 25 окружающей среды, зарегистрированные с помощью узла 5 датчиков ветроэнергетической установки 1, могут направляться на сервер 31.
Узел 5 датчиков включает в себя - без ограничения конкретно упомянутыми датчиками - например, анемометр 21, датчик 22 температуры, датчик 23 влажности и/или дополнительный датчик 24, в частности измеритель электрического поля для регистрации напряженностей электрического, магнитного и/или электромагнитного поля в атмосфере. Кроме того, узел 5 датчиков может содержать дополнительные датчики, такие как барометр или датчик давления для регистрации давления воздуха в атмосфере.
С помощью соответствующих датчиков узла 5 датчиков могут затем регистрироваться один или несколько параметров 25 окружающей среды, например сила ветра 21.1а, направление ветра 21.1b, температура 22.1, влажность 23.1 воздуха и/или напряженность электрического поля 24.1 в атмосфере. Соответствующие датчики соединены с центральным управляющим элементом 26 узла 5 датчиков, который может брать на себя управление и/или оценку отдельных датчиков. В качестве альтернативы, однако, отдельные датчики могут включать в себя собственный блок управления, который тогда встроен, например, в соответствующий датчик, так что отдельные датчики также могут использоваться “автономно” от узла 5 датчиков. Зарегистрированные значения параметров 25 окружающей среды могут оцениваться либо в блоке 26 управления, который тогда служит также в качестве блока оценки, либо в сервере 31, в котором они, например, сравниваются с предельными или контрольными значениями. Если зарегистрированное значение для параметра 25 окружающей среды превышает, например, предельное значение, то может быть выдано предупреждение, в частности предупреждение о молнии. Предпочтительно, зарегистрированные значения для параметров 25 окружающей среды передаются на сервер и там централизованно оцениваются для нескольких ветроэнергетических установок. При этом соединительная линия 32 служит в качестве линии связи между ветроэнергетической установкой 1 и сервером 31.
Фиг. 3 показывает возможный вариант осуществления для ветрового парка 10 из множества ветроэнергетических установок 1, в частности из n*m ветроэнергетических установок 1, причем отдельные ветроэнергетические установки 1 расположены соответственно в определенном местоположении 1.1, 1.2,…, m.n. Местоположения могут представлять собой, например, координаты любой системы координат для ветроэнергетических установок или даже индивидуальные (последовательные) номера, которые тогда ставят в соответствие определенной ветроэнергетической установке 1. В качестве альтернативы или дополнительно, местоположения могут также содержать GPS информацию о фактическом местоположении каждой ветроэнергетической установки 1.
В данном случае каждая из множества ветроэнергетических установок 1 включает в себя узел датчиков, как показано и описано, например, на фиг. 2, и с помощью которого могут регистрироваться параметры окружающей среды, такие, например, как сила ветра, направление ветра, температура, давление воздуха, влажность воздуха и/или электромагнитное поле.
Кроме того, предусмотрен сервер 31, который соединен через соединительную линию 32 с отдельными ветроэнергетическими установками 1 из множества ветроэнергетических установок, так что параметры окружающей среды, зарегистрированные определенной ветроэнергетической установкой 1, в частности узлом датчиков определенной ветроэнергетической установки 1, могут передаваться на сервер 31. При этом каждая ветроэнергетическая установка 1 вместе с зарегистрированными параметрами окружающей среды также посылает на сервер 31 информации о своем местоположении 1.1, 1,2, …, m.n, так что возможно точное соотнесение между зарегистрированными параметрами окружающей среды и определенной ветроэнергетической установкой 1 на сервере.
Фиг. 4 показывает схематичное представление возможного варианта осуществления способа предупреждения о молниях множеством ветроэнергетических установок. При этом, например, множеством ветроэнергетических установок, в частности ветроэнергетическими установками ветрового парка с n*m ветроэнергетическими установками, а именно ветроэнергетической установкой в местоположении 1.1, ветроэнергетической установкой в местоположении 1.2, ветроэнергетической установкой в местоположении 1.3 и т.д. и, наконец, ветроэнергетической установкой в местоположении m.n, регистрируются (41) соответственно один или несколько параметров окружающей среды, в частности сила ветра, направление ветра, температура, давление воздуха, влажность воздуха и/или электрическое поле и затем отправляются (42) или пересылаются от соответствующих ветроэнергетических установок на сервер 31, в частности на сервер ветрового парка. При этом отдельные ветроэнергетические установки с их узлами датчиков в их соответствующих местоположениях от 1.1 до m.n служат в качестве (метеорологических) измерительных станций для различных параметров окружающей среды, таких как сила ветра, направление ветра, температура, влажность воздуха, давление воздуха и/или электрические поля в атмосфере.
Затем на сервере 31 из зарегистрированных параметров окружающей среды вместе с местоположениями составляется (43) одна или несколько карт 51, на которых отображены зарегистрированные значения, то есть представлены в графическом виде. При этом, без ограничения настоящего изобретения, могут применяться различные типы отображения для визуализации зарегистрированных данных. Также может быть предусмотрено, что для оценивания (44) зарегистрированных параметров окружающей среды полностью отказываются от графического представления, причем тогда могут оцениваться лишь численные значения, например, в форме таблиц и/или других наборов данных для параметров окружающей среды.
Предпочтительно, составляется (43) карта для местоположений множества ветроэнергетических установок и для одного или нескольких зарегистрированных значений параметров окружающей среды и оценивается (44) для прогнозирования (45) предупреждения о молнии для одного или нескольких местоположений множества ветроэнергетических установок.
Для оценки 44 зарегистрированных параметров окружающей среды эти зарегистрированные значения могут оцениваться, например, с помощью известных стандартных моделей для метеорологических исследований и прогноза погоды. Основываясь на этом, может тогда определяться результат оценки для прогнозирования, в частности, для удара молнии и выдаваться предупреждение о молнии.
Фиг. 5 показывает возможный вариант осуществления карты для местоположений от 1.1 до m.n множества ветроэнергетических установок. В данном случае карта включает в себя n*m пикселов, то есть m строк и n столбцов, где с каждым пикселом может быть соотнесена определенная ветроэнергетическая установка, в частности местоположение определенной ветроэнергетической установки ветрового парка. Таким образом, каждый пиксел карты 51 всегда включает в себя по меньшей мере две информации, а именно, одну, относящуюся к значению для параметра окружающей среды, такого как сила ветра, направление ветра, температура, влажность воздуха, давление воздуха и/или напряженность электрического поля, и другую, относящуюся к информации о местоположении ветроэнергетической установки, например, GPS-информации или т.п., с помощью которой регистрировался соответствующий параметр окружающей среды (пиксела карты). Без ограничения могут также составляться другие формы выполнения для карт, которые тогда соответственно сконфигурированы, чтобы корректно отображать информацию о местоположении ветроэнергетической установки ветрового парка. Например, могут предусматриваться пикселы различного размера и/или формы пикселов. В зависимости от того, как распределены или расположены ветроэнергетические установки в ветровом парке или какова фактическая форма ветрового парка, карты будут соответствующим образом скорректированы. В данном случае - но без ограничения изобретения данным конкретным вариантом - карта относится к прямоугольному ветровому парку с n*m ветроэнергетическими установками, как показано и описано, например, со ссылкой на фиг. 3.
На фиг. 6 показан возможный вариант осуществления составленной карты - как описано на фиг. 5 - для местоположений множества ветроэнергетических установок и напряженности (поля) электрического поля в качестве зарегистрированного параметра окружающей среды. В данном случае напряженность электрического поля представлена в форме цветовой шкалы 61 от черного до белого цвета, причем черный цвет представляет сильное электрическое поле, а белый цвет представляет слабое электрическое поле. Без ограничения могут также применяться и другие цветовые шкалы и/или другие формы шкал, которые сконфигурированы так, чтобы представлять различные напряженности поля в графическом виде. При этом шкалы или графическое представление также могут, например, выбираться относительными (к максимальному 63 или минимальному значению 64) или абсолютными. Кроме того, может быть предусмотрено логарифмическое представление. В данном случае белые пикселы показывают минимальные значения 64, а черный(е) пиксел(ы) - максимальное(ые) значение(я) для напряженности электрического поля. Кроме того, можно, например, определять и отображать градиент 65 в качестве меры направления для самого резкого нарастания электрического поля (стрелка).
В данном случае показано распределение напряженности поля для электрического поля для отдельных ветроэнергетических установок/местоположений ветрового парка, причем значения для напряженности электрического поля были зарегистрированы с помощью соответствующего узла датчиков отдельных ветроэнергетических установок и направлены на сервер. Затем на сервере из зарегистрированных параметров окружающей среды, в данном случае напряженности поля, совместно с местоположениями составляется карта 51, в которой отображены зарегистрированные значения, то есть, представлены в графической форме. Представленное зарегистрированное распределение напряженности электрического поля имеет максимальное значение 63 в пикселе 6,7. Соответственно, электрическое поле является самым сильным в ветроэнергетической установке в местоположении 6,7. Здесь вероятность атмосферного разряда в виде удара молнии является самой большой.
Если напряженность электрического поля превышает определенное предельное значение, например 150 кВ/м, и, следовательно, некоторую предельную вероятность удара молнии, то исходят из возможного удара молнии в ветроэнергетической установке и выдают предупреждение о молнии в соответствующей ветроэнергетической установке. Кроме того, может быть предусмотрено, что предупреждение о молнии выдается на нескольких ветроэнергетических установках в некоторой области 62 вокруг соответствующей ветроэнергетической установки, в частности на соседних ветроэнергетических установках.
На фиг. 7 показан еще один вариант осуществления для составленной карты - как она описана на фиг. 5 - для местоположений от 1.1 до m.n множества ветроэнергетических установок ветрового парка и силы ветра в качестве зарегистрированного параметра окружающей среды. Подобно фиг. 6, сила ветра представлена в форме цветовой шкалы, причем высокие силы ветра или высокие скорости ветра отмечены черным цветом, а низкие силы ветра - белым цветом. На карте 51, показанной здесь, можно видеть распределение силы ветра, имеющее несколько максимальных значений 63 в форме удлиненного максимума. При этом речь идет о ветровом фронте 71, который перемещается через ветровой парк.
Фиг. 8 показывает другой вариант карты 51, причем здесь два зарегистрированных параметра окружающей среды, а именно напряженность электрического поля и сила ветра, как они показаны и описаны, например, на фиг. 6 и 7, представлены вместе на одной карте.
В данном случае показан ветровой фронт 71, который гонит перед собой электрическое распределение поля, в частности облака с разделением зарядов. Из объединенного отображения электрического поля и силы ветра может, например, определяться прогноз молнии для некоторой области 62 и изменение 81 во времени области 62, в которой расположены ветроэнергетические установки, в которых следует описаться удара молнии, так что на эти - потенциально находящихся под угрозой - ветроэнергетические установки может выдаваться предупреждение о молнии.
Фиг. 9 показывает возможный вариант осуществления системы 1000 для прогноза погоды, в частности для предупреждения о молнии. При этом много различных ветровых парков, например морские ветроэнергетические установки или отдельные ветроэнергетические установки, могут быть объединены в сеть посредством соединительной сети 92 и соединены с общим центральным сервером 91. Кроме того, можно предположить, что серверы отдельных ветровых парков (см., например, сервер 31 на фиг. 3) соединены с общим центральным сервером 91. С помощью соответствующих ветровых парков и/или ветроэнергетических установок могут тогда регистрироваться параметры окружающей среды на большой территории в различных местах и направляться на центральный сервер 91. В общем центральном сервере 91 зарегистрированные параметры окружающей среды могут затем оцениваться для прогноза погоды, в частности для грозового предупреждения и/или предупреждения о молниях.