基于拉压力检测的新型风速风向仪

　　0　引言

　　风能作为一种清洁绿色能源,逐步受到全世界的重视,风力发电技术也随之发展。在风力发电领域中,无论是风电场的选址,还是风力机的功率特性研究和风力发电机组的功率控制,风速风向测量均是其重要环节。目前应用于风电领域的测风仪器主要有机械式测风仪和超声测风仪。

　　机械式测风仪分为三风杯式和螺旋桨式。原理为:风杯或桨片在风的作用下产生扭力矩而旋转,转速由多齿光盘或霍尔元件等变换为频率信号,依据频率计算风速;同时风向标在风中摆动至平衡位置,以位置判断风向[1]。机械式测风仪成本较低,应用普遍。

　　超声测风仪近年来以其高精度和非接触的特点受到广泛关注。超声波在介质中传播时,会加载介质的流速等信息,对此信息进行分离处理,便可以得到介质流动情况[2]。超声测风仪具有工作稳定、尺寸小等优点,是较为理想的测风仪器。

　　上述测风仪器,以三风杯式测速与风向标测向相结合的应用最为广泛,但存在旋转部件易受磨损而影响可靠性的问题,且易受雨雾冰霜等气候因素的影响,甚至会发生冻结而不能工作;超声测风仪性能稳定,然而国内此类高性能产品尚处于研究阶段,国外的高精度超声测风仪价格昂贵,也易受冻雨等气候因素影响,使其应用场合受到了限制。为解决上述问题,,针对风力发电领域提出了一种基于拉压力检测的新型风速风向测量仪。

　　1　新型测风仪原理

　　测风系统通常由测风感应部件和信号处理部分组成:前者将风速风向转换为易于检测和处理的电信号,后者对信号做进一步分析,获得待求参数。文中提出的新型风速风向仪,采用外形为圆柱形的特殊结构的测风感应部件,可将风矢量转换为力矢量,通过测量力矢量间接测量风速风向参数。系统框图如图1所示。

　　这种风速风向仪内部放置3个呈Y型120°对称分布的拉压力传感器,测出传感器因受力而感应的3路电信号,送至DSP处理电路,由所测力矢量的大小与方向,解算实际对应风速风向[3]。

　　1·1　测风感应部件构造

　　感应部件由壳体、拉压力传感器、支撑杆构成。其结构如图2所示。壳体悬空,与支撑杆之间通过3个拉压力传感器连接,支撑杆是固定的,位于壳体中轴线上;壳体水平截面为圆形,采用圆柱壳体(或椭球壳体),这样对任意方向的来风其迎风面相同,且壳体具有一定刚性,在受到风的压力时形变很小;内部3个同参数拉压力传感器,在同一水平面上成Y型120°对称分布。

　　风是由许多小尺度的气流脉动叠加在大尺度规则气流上的三维矢量。气象学上把空气的水平移动称为风,即把它作为二维矢量来考虑。由2个参数确定:风速-风矢量的模数和风向-风矢量的幅角[4]。