風電場超聲波防鳥害裝置的設計與應用

鄧宏綱

（中節能風力發電（河南）有限公司，河南 鄭州 450001）

1 前言

風力發電因具有豐富的風能資源和可再生性等獨特優勢，正成為發電領域的新亮點，市場規模不斷增加。輸電線路作為風電場的重要組成部分，如果發生故障，將會導致大面積斷電。在眾多引起線路故障的原因中，因鳥類的筑巢、棲息、覓食、飛行等活動而引起的故障無疑是占比較多的。

為了降低鳥類對風電場的影響，人們對鳥類的生活習慣、聽覺和視覺等特點進行了深入研究，從而制作出了一系列驅鳥裝置，總結一下主要有以下幾種。

（1）反光源、閃光源、激光、彩色帶、猛禽頭像和稻草人等視覺驅鳥裝置。

（2）采用鳥類感到恐懼和害怕的聲音制造的單音或多音等聽覺驅鳥裝置。

（3）采用某種物質發出使鳥類不適的氣味而使鳥類驅離的，嗅覺驅鳥裝置。

（4）鳥刺及無人機等其它驅鳥裝置。

上述裝置存在容易被鳥類適應，防護范圍小等缺點，整體的防護效果不好。

風電場輸電線路距離長，環境條件差，目前還沒有一款既經濟可靠，又效果好的驅鳥裝置能夠應用到風電場輸電線路的鳥類驅離上。本課題融合取電技術領域、生物探測技術領域的前沿先進技術，設計一種適用于風電場輸電線路的超聲波防鳥害裝置，并對其性能進行應用試驗，為風電場輸電線路驅鳥提供更合適的產品，為整體驅鳥方案的設計提供更為科學的指導。

2 驅鳥裝置的設計

根據研發需求，本課題設計了一種風電場超聲波驅鳥裝置，驅鳥裝置總體結構主要由：供電模塊、鳥類探測模塊、超聲波發射模塊和控制系統4部分構成，裝置的整體設計方案由圖1所示。

圖1 裝置整體設計方案

2.1 供電方案設計

在目前的技術條件下，室外監測設備的供電電源一般有蓄電池、風力供能太陽能功能、以及電流感應取能（自取電供能）等。自取電供能是一種興新的取電方式，它是利用“電池感應原理”從輸電線上來獲取電能，由于取電裝置有外絕緣，為進一步提升安全性，一般要求輸電線也要有外絕緣層，另外，在使用時整個供電裝置與線路不接觸，所以該取電方式非常安全。相對于蓄電池供能，磁感應供能系統由于磁感應現象一直存在，能夠不間斷地給設備提供充電電流，而不需要花費時間和精力去更換電池。相對于電池板供能，自取電供能系統原理比較簡單，其基本原理是法拉第電磁感應定律，對元器件的要求低，其僅由簡單的電源變換單元和互感器組成，電源變換中需要的濾波、整流、穩壓電路都是較為成熟的技術。自取電供能裝置不僅體積小巧、方便輸運和施工安裝，并且受外部天氣、環境等因素的影響很小，即使在長期有陰雨天氣的地區依然可以穩定提供電能。因此，本裝置選擇采用自取電方式供能。

2.2 自動探測方案設計

目前可用于鳥類探測的方式主要有多普雷達感應、拾音感應和紅外感應等。紅外感應具有接收信號準確率高、單價低和性能穩定的優點，綜合判定采用紅外感應探頭模塊最合適。紅外探測裝置的工作原理為：鳥類會不斷地釋放波長約為0.75～1.50μm之間的紅外線，當鳥類進入被動式紅外感應模塊探測范圍時，該紅外信號就會被探測器接收，探測器會將探測信號傳輸到信號處理模塊進行處理，信號處理模塊將處理的信號發送到下主控模塊進行判斷，主控模塊根據判斷結果向其他模塊發出不同工作指令。

當鳥類離開時，紅外信號消失，主控模塊再次做出判斷。為提高信號處理效率，本裝置選用感應距離達3m以上，信號處理模塊最大載波速率大于300kHz的紅外感應探頭組件。使用時將紅外感應探頭安裝在防鳥害裝置箱體的側面上，與主控系統連接即可。

2.3 驅鳥方案設計

目前，驅鳥方式常見的有語音聲波驅鳥、光波驅鳥和超聲波驅鳥。語音聲波驅鳥法是通過計算機制作鳥類的遇難警報或垂死前的鳴叫等聲音，以及各類天敵如鷹叫、狗叫等，使其受到驚嚇而逃離，從而達到驅逐鳥類的目的。光波驅鳥法是利用強烈的光來刺激鳥類的視覺神經，使其受到驚嚇從而逃離光照區域。超聲波驅鳥法是利用超聲波刺激鳥類的神經系統和生理系統，使其產生不適而逃離作用區域，達到驅鳥目的。超聲波方向性好、穿透能力強，與語音聲波輸出和光波輸出相比，超聲波輸出有效半徑更大，同等電池容量下連續工作時間更長，且驅鳥成功率大于90%。因此，本驅鳥裝置采用超聲波驅鳥方案。

2.4 控制系統設計

（1）主控制方式的選擇。控制系統作為整個驅鳥裝置的關鍵部件，其功能是分別向超聲波系統和供電系統提供驅動信號，通過改變信號的頻率來實現不同頻率超聲波的輸出，此外，控制系統也可向電源變換模塊發出信號，來完成電源模塊的逆變變換。

目前，常用的控制系統主要有基于PLC的控制系統、基于DSP的控制系統和基于單片機的控制系統。PLC控制器簡單易用、抗干擾能力強、方便維護，開發周期短，但成本較高。數字信號處理器（DSP）是一種適用于數字信號處理運算的微處理器，它的優點在于可以實時、迅速地完成各種數字信號處理，但DSP開發成本較大。單片機相當于一個微型計算機，其優勢在于控制應用，能夠實現簡單的智能控制功能，其具有微處理能力，強調控制和事務處理功能，體積小、價格比較低廉，因此本裝置選用單片機。

（2）整體控制方案。當鳥類進入紅外信號覆蓋范圍時，其發射的特定波長的紅外線就會被安裝在防鳥害裝置上的紅外探測器接收，探測器會將發現的信號傳輸給信號處理模塊進行處理，信號處理模塊將處理的信號發送給基于單片機制作的主控系統進行判斷，主控系統根據判斷結果，向超聲波發生裝置發出指令，超聲波發生裝置發出令鳥類厭惡的特定波長的超聲波，將其驅離。取電磁芯通過輸電線路，利用電磁感應原理產生低電壓的交流電，然后通過整流裝置變換為12V直流電，給蓄電池和整套裝置供電。本防鳥害裝置內部示意圖如圖2所示。

圖2 防鳥害裝置內部示意圖

3 驅鳥裝置的應用及對比試驗

3.1 紅外探測裝置數量與安裝位置的對比試驗

探頭接受的紅外波范圍為圓錐形區域，因此單獨一個探頭的探測范圍有限，本試驗選用錐角為120°的紅外探測裝置，為檢測探頭數量及位置對探測效果的影響，本課題選擇在鳥類活動較多的同一地點，在其它配置相同，探頭不同的情況下，同時進行了8組對比試驗，試驗結果如表1所示。

表1 探頭數量與安裝位置對驅鳥效果的影響

從表1中的實驗結果可以看出，在探頭數量相同的情況下對比發現，探頭的位置選取對驅鳥效果的影響較大。一、二組對比說明上方的探測比側方要好，這應該是因為鳥類通常在高空活動較多的原因；三、四和五組的對比發現，三組的效果明顯好于四和五組，而三組的探頭分布相對分散，這說明在探頭相同的情況下分散均勻布置效果更好。通過對比1個探頭、2個探頭和3個探頭的平均值發現，隨著探頭數量的增多，驅鳥效果越來越好，3個探頭時驅鳥達到了極好的效果。

3.2 超聲波發射裝置數量與安裝位置的對比試驗

為檢測超聲波發射裝置數量與安裝位置對探測效果的影響，本課題選擇在其它條件相同，檢測超聲波發射裝置不同的情況下，同時進行了如下8組對比試驗，試驗結果如表2所示。

從表2中可以看出，在超聲波發射裝置數量相同的情況下，對比發現發射裝置位置的選取對驅鳥效果的影響較大。一、二組對比說明上方的驅趕比側方要好很多，這應該是因為桿塔是豎直的，超聲波發射主向與之重合；三、四組的對比發現，三組的效果明顯好于四組，而三組的裝置分布相對均勻，這說明在裝置數量相同的情況下均勻分散布置的效果更好。通過對比1組裝置、2組裝置和3組裝置的平均值發現，隨著探頭數量的增多，驅鳥效果越來越好。

表2 超聲波發射裝置數量與安裝位置對驅鳥效果的影響

3.3 超聲波波長對比試驗

鳥類不適的超聲波范圍大概在20～35kHz左右，為檢測不同頻率波長對驅鳥效果的影響，本課題設置了在無干擾情況下5組試驗，通過對比鳥類開始在相應桿塔上筑巢的時間，來判定超聲波發射裝置安裝位置和數量對驅鳥效果的影響。試驗結果如表3所示。

通過對比發現，在單一頻率里30kHz的驅鳥效果最好，說明本地區鳥類最不喜歡的頻率在此波段附近。20～35kHz頻率的驅鳥效果比任何單一形式的都要好，這是因為不同種類的鳥類厭惡的頻率會有所差別，20～35kHz的頻率能將鳥類厭惡的主要頻率包含，所以整體的驅鳥效果最好。

3.4 本裝置與其它防鳥害裝置的對比試驗

本項試驗選擇安裝了鳥刺（安裝在關鍵位子）、風力反光驅鳥裝置、語音驅鳥裝置、本課題設計的配備3個紅外探頭和3組超聲波發生器超聲波（對立側面2個和上面1個）防鳥害裝置和無任何防鳥裝置的風電輸電線路桿塔進行對比試驗，試驗周期為90天，觀察記錄鳥類開始筑巢的時間，以及筑巢的位置，結果如表4所示。

表4 不同類型防鳥害裝置對比試驗效果

通過以上對比試驗發現，鳥類比較喜歡在桿塔拐角、有橫擔和斜拉的關鍵位置筑巢，因為此處筑巢較為穩定，鳥刺安裝在這些位子能夠起到很好的防護作用，但鳥刺的防護位置有限，只能防護安裝的某點，不能在大范圍類起到作用；反光裝置和語音裝置初期的防護效果較好，也能大面積防護，但該類裝置容易被鳥類適應，具有時效性；本課題設計制作的超聲波驅鳥裝置具有非常好的防護作用，從試驗效果來看鳥類也不容易適應，持續效果好。但超聲波也是有防護作用范圍的，存在一些防護死角，所以在實際應用過程中可以與鳥刺等特殊點位防護效果極好的裝置結合使用，這樣大面積持久防護與重點專項防護相結合，能起到最佳效果。

4 結語

（1）紅外探頭數量和安裝位置對裝置的防護效果都有影響，探頭數量越多探索效果越好，驅鳥防護效果也就越好，一般達到3組就足夠了，探頭位子非常重要，應盡量均勻分散布置。

（2）超聲波發射裝置數量和安裝位置對本防鳥害裝置的防護效果也都有影響，對比探頭數量對驅鳥效果的影響，超聲波發射裝置數量對驅鳥效果的影響要小一些，超聲波位置的選擇對驅鳥效果的影響更顯著。

（3）超聲波發射裝置發射頻率是驅鳥效果好壞的關鍵，如果當地鳥類品種單一或者厭惡的超聲頻率單一，采用合適的單一頻率也能起到很好的驅鳥效果，但通常情況下采用變換的波段能起到最好的效果。

（4）本超聲波防鳥害裝置具有良好的驅鳥效果，防護范圍大、鳥類不易適應，如果配合鳥刺等單點防護效果極好的驅鳥裝置一起使用，能達到最好的效果。