كيفية تحديد سرعة الرياح واتجاه توربينات الرياح؟

تعتمد كفاءة توليد الطاقة والاستقرار التشغيلي لتوربينات الرياح بشكل كبير على القياسات الدقيقة لسرعة الرياح واتجاهها. تحدد سرعة الرياح مقياس إدخال الطاقة، ويؤثر اتجاه الرياح على زاوية الشفرات بالنسبة للرياح، وكلاهما معًا يحددان قوة الإخراج وتوزيع الحمل للوحدة. ستقدم هذه المقالة بشكل موجز طرق القياس الأساسية لسرعة الرياح واتجاهها، وتغطي التقنيات الميكانيكية والموجات فوق الصوتية وأجهزة الاستشعار عالية الدقة، وتوفر مراجع فنية لتصميم وتشغيل مزارع الرياح.
1. طريقة قياس سرعة الرياح

1. مقياس سرعة الرياح الميكانيكي

المبدأ: من خلال الاستفادة من العلاقة الخطية بين سرعة دوران كأس الرياح أو الشفرة وسرعة الرياح، يتم تحويل الحركة الميكانيكية إلى إشارات كهربائية من خلال مستشعر السرعة.

مقياس سرعة الرياح بثلاثة أكواب: يتم تثبيت ثلاثة أكواب للرياح بزوايا متساوية على محور عمودي، وتدفعها الرياح للدوران، وتكون السرعة متناسبة مع سرعة الرياح. سرعة الرياح المبدئية منخفضة (0.5-1 متر/ثانية)، ومناسبة للبيئات القاسية مثل الغبار والمطر والثلج، ولكن هناك تأخير، مما يجعلها أكثر ملاءمة لقياس سرعة الرياح المتوسطة. على سبيل المثال، عادةً ما يتم تثبيت ثلاثة مقاييس سرعة الرياح على ارتفاعات 30 مترًا، و50 مترًا، و70 مترًا، وما إلى ذلك في برج رياح يبلغ ارتفاعه 100 متر، وذلك لتسجيل بيانات سرعة الرياح متعددة الطبقات بشكل متزامن.

مقياس سرعة الرياح: تدور شفرات متعددة حول محور أفقي، وتكون السرعة متناسبة مع سرعة الرياح. يتم ربطها عادة مع ريشة الرياح للتأكد من أن الشفرات تتوافق دائمًا مع اتجاه الريح. يعتبر هيكلها مضغوطًا، ولكن شفرات المروحة معرضة للتآكل بسبب الرياح والرمال وتتطلب صيانة منتظمة.

2. مقياس سرعة الرياح بالموجات فوق الصوتية

المبدأ: بناءً على طريقة فرق وقت انتشار الموجات فوق الصوتية، يتم حساب سرعة الرياح عن طريق قياس الفرق في سرعة انتشار الموجات فوق الصوتية في اتجاه الرياح الأمامي / العكسي.

مقياس سرعة الرياح بالموجات فوق الصوتية بأربعة مجسات: يتم إقران أربعة مجسات لتشكيل مجموعتين من وحدات قياس الرياح. تقوم كل مجموعة من المجسات بحساب سرعة الرياح النسبية عن طريق قياس فارق التوقيت في انتشار الموجات فوق الصوتية في الهواء؛ ومن خلال الجمع بين مجموعتين من البيانات، يمكن الحصول على متجه سرعة الرياح ثلاثي الأبعاد. لا يوجد به أي تآكل ميكانيكي وله وقت استجابة سريع (<(1 ثانية)، ولكن التكلفة مرتفعة، وقد يؤثر الطقس الممطر أو الثلجي على دقة القياس. على سبيل المثال، توفر توربينات الرياح الكبيرة بيانات عالية الدقة في الوقت الفعلي لسرعة الرياح من خلال أجهزة قياس سرعة الرياح بالموجات فوق الصوتية، مما يدعم التحكم في درجة الحرارة وتحسين الطاقة.

3. مقياس سرعة الرياح عالي الدقة

المبدأ: باستخدام الموجات فوق الصوتية دون تقنية المحاذاة، يتم تحقيق قياس سرعة الرياح واتجاهها في الوقت الحقيقي، مما يلغي الاعتماد الاتجاهي لأجهزة الاستشعار الميكانيكية التقليدية.

مستشعر الاندماج بالموجات فوق الصوتية: يدمج مجموعات متعددة من مجسات الموجات فوق الصوتية، ويزيل التداخل البيئي (مثل درجة الحرارة والرطوبة) من خلال الخوارزميات، ويخرج بيانات سرعة الرياح بدقة ± 0.1 متر/ثانية. من السهل تركيبه ولا يتطلب معايرة منتظمة، ولكن تكلفته أعلى بنسبة 30% -50% من أجهزة الاستشعار التقليدية. على سبيل المثال، قامت إحدى مزارع الرياح بتحليل توزيع موارد الرياح من خلال أجهزة قياس سرعة الرياح عالية الدقة وتحسين تصميم الوحدات، مما أدى إلى زيادة بنسبة 8% في توليد الطاقة السنوي.

2. طريقة تحديد اتجاه الرياح

1. ريشة الرياح الميكانيكية

المبدأ: باستخدام الهيكل غير المتماثل للريشة الهوائية في البداية والنهاية، تدور حول المحور الرأسي تحت تأثير قوة الرياح، مشيرة إلى اتجاه الريح.

ريشة الرياح ذات الجناح الواحد: تتكون من جناح ذيل، وقضيب توجيه، ووزن موازنة، وعمود رئيسي دوار، مع وجود مركز الثقل عند محور عمود الدعم، ويمكن أن تتأرجح بحرية. يجب أن يتم تركيبه في 90 ° زاوية اتجاه الريح السائدة وتصحيح الاتجاه وفقًا للانحراف المغناطيسي المحلي. يتم تمثيل اتجاه الرياح باستخدام طريقة السمت 16 (مثل NNE، ENE) أو طريقة الزاوية (الدوران في اتجاه عقارب الساعة مع الشمال الصحيح كمرجع). على سبيل المثال، قامت مزرعة رياح في منطقة جبلية بتركيب ريشة رياح انسيابية في الطابق العلوي من برج قياس الرياح، جنبًا إلى جنب مع مقياس سرعة الرياح بثلاثة أكواب، لاستكمال جمع بيانات موارد الرياح.

2. مقياس سرعة الرياح بالموجات فوق الصوتية

المبدأ: حساب زاوية اتجاه الرياح من خلال بيانات فرق وقت الانتشار لمجموعات متعددة من مجسات الموجات فوق الصوتية.

مقياس سرعة الرياح بالموجات فوق الصوتية ثلاثي الأذرع: يتم تثبيت ثلاثة أذرع استشعار عموديا وأفقيا، ويتم حساب متجه اتجاه الرياح عن طريق قياس فرق زمن انتشار الموجات الصوتية بين طرفي الذراع. لا يوجد به تآكل ميكانيكي، وسرعة استجابة سريعة، ولكنه ذو تكلفة عالية، ومناسب للسيناريوهات ذات متطلبات الدقة الصارمة.

3. أساس اختيار أساليب القياس

التكيف البيئي: يفضل استخدام أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية أو عالية الدقة في المناطق التي يوجد بها غبار ومطر وثلج لتجنب مشاكل التآكل والتجمد مع أجهزة الاستشعار الميكانيكية.

قيود التكلفة: تعتبر أجهزة الاستشعار الميكانيكية اختيارية لمزارع الرياح الصغيرة والمتوسطة الحجم، في حين يوصى باستخدام أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية أو عالية الدقة لمزارع الرياح الكبيرة أو البحرية لتحسين موثوقية البيانات.

متطلبات الدقة: أجهزة استشعار عالية الدقة (خطأ<± 0.2 متر/ثانية) مطلوبة لتقييم موارد الرياح، في حين أن أجهزة الاستشعار متوسطة الدقة (خطأ<± يمكن استخدام 0.5 متر/ثانية للتحكم في الوحدة.

4. الخاتمة

إن القياس الدقيق لسرعة الرياح واتجاهها هو الأساس للتشغيل الفعال لتوربينات الرياح. تتمتع المستشعرات الميكانيكية بتكلفة منخفضة ولكن تحتاج إلى صيانة متكررة، وتتمتع المستشعرات بالموجات فوق الصوتية بقدرة قوية على التكيف ولكن سعرها مرتفع، وتوازن المستشعرات عالية الدقة بين الدقة والراحة. في التطبيقات العملية، من الضروري إجراء اختيار شامل بناءً على الظروف البيئية وميزانية التكلفة ومتطلبات الدقة لتحقيق أفضل كفاءة لتوليد طاقة مزارع الرياح وعمر المعدات.