超聲波風(fēng)速采集技術(shù)在大型風(fēng)力發(fā)電機組中的應(yīng)用

摘 要：通過對多種風(fēng)速測量儀原理進(jìn)行研究對比，該文總結(jié)多種風(fēng)速采集技術(shù)的特點，結(jié)合實際風(fēng)電場的特殊環(huán)境與要求，歸納了應(yīng)用超聲波測量風(fēng)速的必要性和優(yōu)越性，可遇見超聲波傳感器應(yīng)用在風(fēng)電領(lǐng)域?qū)⒕哂胁豢商娲膬?yōu)勢，對未來風(fēng)電發(fā)展具有重要意義。

關(guān)鍵詞：超聲波檢測 風(fēng)力發(fā)電 風(fēng)速檢測

中圖分類號：TH413 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（b）-0125-02

風(fēng)能作為一種綠色清潔的能源，越來越受到世界各國的重視。然而，風(fēng)力發(fā)電的穩(wěn)定性問題成為制約其高效運行的主要因素。風(fēng)能具有很大的不確定性，在我國東北、西北、內(nèi)蒙古以及江蘇、福建等地區(qū)省份更是這樣[1-2]。風(fēng)場的惡劣環(huán)境和風(fēng)速的極大不確定性給風(fēng)速、風(fēng)向的測量帶來了很大的困難。為了更好地控制風(fēng)力發(fā)電機組跟隨風(fēng)的變化高效率運行，獲得最大功率水平，對風(fēng)速精確的測量顯得尤為重要，而對風(fēng)速測量法的選擇成為解決該問題的關(guān)鍵[3]。目前測量風(fēng)速的方案很多。文章通過對市場上幾種常見的風(fēng)速測量法進(jìn)行對比和綜合考慮，擬選擇一種匹配性較好的測量方法，從而降低風(fēng)力發(fā)電的成本。

1 幾種風(fēng)速測量法的原理及應(yīng)用性比較

1.1 熱線熱膜法測量風(fēng)速

風(fēng)速風(fēng)向測量是指熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器在經(jīng)過加熱后，中心溫度高于環(huán)境一定數(shù)值，當(dāng)風(fēng)吹過傳感器表面時，會對表面不均勻冷卻，從而使傳感器風(fēng)向的上下游產(chǎn)生一個溫度梯度。通過測量中心對稱點的溫差來達(dá)到測量風(fēng)速的目的。這種風(fēng)速風(fēng)向傳感器采用多晶硅加熱元件以及熱電堆作為測溫元件。通過測量水平和垂直方向上的對稱溫度差和來得到風(fēng)速風(fēng)向信息。其測量原理為King氏原理：

V12 （1）

V34 （2）

其中V12為水平方向風(fēng)速，V34為垂直方向風(fēng)速，為測溫元件上溫度高于環(huán)境溫度值，為熱電偶的賽貝爾系數(shù)，N為組成熱電偶的串聯(lián)熱電偶數(shù)，為風(fēng)向角。

因此，所測風(fēng)速為：

（3）

Ф （4）

熱線熱膜式測量原理簡單，具有靈敏度高，易于操作的特點，但它適用于環(huán)境條件不太惡劣的條件下工作，如果處于雨雪、沙塵等惡劣環(huán)境下，傳感器將不能正常工作。這是由傳感器本身使用的多晶硅等元件決定的。因此，這種測量方式不適合應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域。

1.2 風(fēng)杯式風(fēng)速測量法

通常風(fēng)杯式風(fēng)速測量法中，感風(fēng)部分一般由3個半球狀的空心杯殼組成，杯殼固定在互成120°的三叉型支架上，整個固定在一個垂直的旋轉(zhuǎn)軸上。其工作原理為，在風(fēng)的作用下風(fēng)杯受到扭動轉(zhuǎn)矩開始轉(zhuǎn)動，它的轉(zhuǎn)速與風(fēng)速成一定的函數(shù)關(guān)系：

ρA （5）

ρAβ （6）

（7）

其中為空氣密度，為風(fēng)杯的橫截面積，為旋轉(zhuǎn)半徑，與β分別為風(fēng)杯的固有常數(shù)，V為風(fēng)速，N和D為中間參數(shù)，和分別為動、靜摩擦力矩。

在（7）式中忽略、作用后，

（8）

由此得

n （9）

從原理上看，這類風(fēng)速測量儀正常工作需要有一定的啟動風(fēng)速，但這并不影響風(fēng)機的正常工作，因為啟動風(fēng)速的數(shù)值比較小。風(fēng)杯式測量主要利用風(fēng)杯的旋轉(zhuǎn)捕獲風(fēng)速信息，因此，這對風(fēng)杯的機械強度和各種惡劣環(huán)境的適應(yīng)性要求比較高；除此之外，風(fēng)杯式測量儀存在轉(zhuǎn)動元件，容易磨損，降低測量儀的使用壽命；而且其體積較大，轉(zhuǎn)動的慣性會帶來遲滯效應(yīng)，從而造成精度不夠高。

1.3 超聲波測風(fēng)速

超聲波風(fēng)速是利用超聲波在空氣中的傳播速度受到影響產(chǎn)生時差效應(yīng)來測量風(fēng)速的。下面以兩對發(fā)射、接受器來模擬說明超聲波測風(fēng)原理。

聲波的兩組傳播時間分別為：

（10）

（11）

由（10）（11）式可導(dǎo)出水平方向速度

（12）

（13）

將，帶入得

（14）

設(shè)風(fēng)速方向角為θ

θ （15）

若距離L遠(yuǎn)大于聲波波長，可做如下近似處理：

（16）

（17）

從而得到

（18）

因此，測得了這兩個時間就可以得到某一方向上的速度，再利用矢量合成原理可以求得總的速度以及方向。

從原理上可以看出超聲波測速只需要測量從發(fā)射到接收到信號的時間，測量的時間變化僅僅由風(fēng)速變化決定，不受溫度等其他干擾因素的影響，風(fēng)速信息更加準(zhǔn)確可靠；從超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)上講，它不含有機械轉(zhuǎn)動設(shè)備，不存在轉(zhuǎn)動機械磨損，而且機械強度更好，這為風(fēng)機的檢修和維護(hù)帶來很大便利。

2 超聲波風(fēng)速測量法在風(fēng)力發(fā)電上的應(yīng)用

國內(nèi)的大型風(fēng)力發(fā)電機組主要工作在東北、西北、內(nèi)蒙等開闊地帶，氣候條件惡劣，這就要求風(fēng)機塔架上的風(fēng)速傳感器具有較高的機械強度，并且在不利的環(huán)境下能夠正常工作，傳出準(zhǔn)確的風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)；其次，為了獲得最大功率水平，降低成本，需要對風(fēng)速做到精準(zhǔn)控制，這就要求所用風(fēng)速傳感器具有較好靈敏度和測量精度。因此，對風(fēng)速測量傳感器的選擇十分重要。

3 結(jié)語

通過對幾種風(fēng)速測量方法的對比和優(yōu)缺點分析，可以得出采用超聲波風(fēng)速測量傳感器具有不可替代的優(yōu)勢，這對于準(zhǔn)確采集風(fēng)速，提高發(fā)電機組的功率水平，減少設(shè)備維護(hù)，降低成本具有很強現(xiàn)實意義。

參考文獻(xiàn)

[1]風(fēng)電機組的控制技術(shù)[M].2版.北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[2]劉德順，戴巨川，胡燕平，等.現(xiàn)代大型風(fēng)電機組現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].中國機械工程，2013，24（1）：125-135.

[3]賀德馨.風(fēng)工程與工業(yè)空氣動力學(xué)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006.