¿Cómo determinar la velocidad y dirección del viento de un aerogenerador?

La eficiencia de generación de energía y la estabilidad operativa de las turbinas eólicas dependen en gran medida de mediciones precisas de la velocidad y dirección del viento. La velocidad del viento determina la escala de entrada de energía, y la dirección del viento afecta el ángulo de las palas con respecto al viento; ambos juntos determinan la potencia de salida y la distribución de carga de la unidad. Este artículo presentará brevemente los principales métodos de medición de la velocidad y dirección del viento, abarcando tecnologías de sensores mecánicos, ultrasónicos y de alta precisión, y proporcionando referencias técnicas para el diseño y operación de parques eólicos.
1、Método de medición de la velocidad del viento

1. Anemómetro mecánico

Principio: Al utilizar la relación lineal entre la velocidad de rotación de la copa o pala de viento y la velocidad del viento, el movimiento mecánico se convierte en señales eléctricas a través de un sensor de velocidad.

Anemómetro de tres cazoletas: se instalan tres cazoletas de viento en ángulos iguales sobre un eje vertical, impulsadas por el viento para girar y la velocidad es proporcional a la velocidad del viento. Su velocidad del viento inicial es baja (0,5-1 m/s), adecuada para entornos hostiles como polvo, lluvia y nieve, pero hay un retraso, lo que lo hace más adecuado para medir la velocidad promedio del viento. Por ejemplo, una torre eólica de 100 m de altura generalmente instala tres anemómetros de cazoleta a alturas de 30 m, 50 m, 70 m, etc., para registrar de forma sincrónica datos de velocidad del viento en múltiples capas.

Anemómetro de hélice: Múltiples palas giran alrededor de un eje horizontal y la velocidad es proporcional a la velocidad del viento. Generalmente está conectado a una veleta para garantizar que las palas estén siempre alineadas con la dirección del viento. Su estructura es compacta, pero las palas de la hélice son susceptibles al desgaste por el viento y la arena y requieren un mantenimiento regular.

2. Anemómetro ultrasónico

Principio: Basado en el método de diferencia de tiempo de propagación ultrasónica, la velocidad del viento se calcula midiendo la diferencia en la velocidad de propagación de las ondas ultrasónicas en la dirección del viento hacia adelante/atrás.

Anemómetro ultrasónico de cuatro sondas: cuatro sondas se emparejan para formar dos conjuntos de unidades de medición del viento. Cada conjunto de sondas calcula la velocidad relativa del viento midiendo la diferencia de tiempo de propagación ultrasónica en el aire; al combinar dos conjuntos de datos, se puede obtener un vector de velocidad del viento tridimensional. No tiene desgaste mecánico y tiene un tiempo de respuesta rápido (<1 segundo), pero el costo es alto y el clima lluvioso o nevado puede afectar la precisión de la medición. Por ejemplo, las grandes turbinas eólicas proporcionan datos de velocidad del viento de alta precisión en tiempo real a través de anemómetros ultrasónicos, lo que favorece el control del paso y la optimización de la potencia.

3. Anemómetro de alta precisión

Principio: Utilizando ultrasonido sin tecnología de alineación, se logra la medición en tiempo real de los datos de velocidad y dirección del viento, eliminando la dependencia direccional de los sensores mecánicos tradicionales.

Sensor de fusión ultrasónica: integra múltiples conjuntos de sondas ultrasónicas, elimina la interferencia ambiental (como la temperatura y la humedad) a través de algoritmos y genera datos de velocidad del viento con una precisión de ± 0,1 m/s. Es fácil de instalar y no requiere calibración regular, pero el costo es entre un 30% y un 50% más alto que los sensores tradicionales. Por ejemplo, un determinado parque eólico analizó la distribución de los recursos eólicos mediante anemómetros de alta precisión y optimizó la disposición de las unidades, lo que resultó en un aumento del 8% en la generación anual de energía.

2、Método de determinación de la dirección del viento

1. Veleta mecánica

Principio: Utilizando la estructura asimétrica de la veleta al principio y al final, ésta gira alrededor del eje vertical bajo la acción de la fuerza del viento, apuntando hacia la dirección del viento.

Veleta de una sola ala: compuesta por un ala de cola, una varilla de puntería, un peso de equilibrio y un eje principal giratorio, con el centro de gravedad situado en el eje del eje de soporte, y puede oscilar libremente. Su instalación debe realizarse en un 90 ° ángulo con la dirección del viento predominante y corregido según la dirección de acuerdo con la declinación magnética local. La dirección del viento se representa utilizando el método de azimut 16 (como NNE, ENE) o el método del ángulo (girando en el sentido de las agujas del reloj con el norte como referencia). Por ejemplo, un parque eólico en una zona montañosa instaló una veleta aerodinámica en el piso superior de la torre de medición del viento, combinada con un anemómetro de tres cazoletas, para completar la recopilación de datos del recurso eólico.

2. Anemómetro ultrasónico

Principio: Calcular el ángulo de dirección del viento a través de los datos de diferencia de tiempo de propagación de múltiples conjuntos de sondas ultrasónicas.

Anemómetro ultrasónico de tres brazos: se instalan tres brazos sensores vertical y horizontalmente, y el vector de dirección del viento se calcula midiendo la diferencia de tiempo de propagación de las ondas sonoras entre los extremos de los brazos. No tiene desgaste mecánico, velocidad de respuesta rápida, pero alto costo, adecuado para escenarios con estrictos requisitos de precisión.

3、Base para la selección de métodos de medición

Adaptabilidad ambiental: Los sensores ultrasónicos o de alta precisión se prefieren en áreas con polvo, lluvia y nieve para evitar problemas de desgaste y formación de hielo con los sensores mecánicos.

Restricción de costos: Los sensores mecánicos son opcionales para parques eólicos pequeños y medianos, mientras que se recomiendan sensores ultrasónicos o de alta precisión para parques eólicos grandes o marinos para mejorar la confiabilidad de los datos.

Requisito de precisión: sensores de alta precisión (error<± Para la evaluación del recurso eólico se requieren sensores de precisión media (error de 0,2 m/s), mientras que<± Se puede utilizar una velocidad de 0,5 m/s para controlar la unidad.

4、 Conclusión

La medición precisa de la velocidad y dirección del viento es la base para el funcionamiento eficiente de las turbinas eólicas. Los sensores mecánicos tienen un bajo costo pero requieren un mantenimiento frecuente, los sensores ultrasónicos tienen una fuerte adaptabilidad pero un precio elevado, y los sensores de alta precisión equilibran exactitud y conveniencia. En aplicaciones prácticas, es necesario realizar una selección exhaustiva en función de las condiciones ambientales, el presupuesto de costos y los requisitos de precisión para lograr la optimización de la eficiencia de generación de energía del parque eólico y la vida útil del equipo.