چگونه سرعت و جهت باد را در توربین بادی تعیین کنیم؟
راندمان تولید برق و پایداری عملیاتی توربین‌های بادی به شدت به اندازه‌گیری دقیق سرعت و جهت باد وابسته است. سرعت باد، مقیاس ورودی انرژی را تعیین می‌کند و جهت باد، زاویه پره‌ها نسبت به باد را تحت تأثیر قرار می‌دهد که هر دو با هم، توان خروجی و توزیع بار واحد را تعیین می‌کنند. این مقاله به طور خلاصه روش‌های اصلی اندازه‌گیری سرعت و جهت باد را معرفی می‌کند و فناوری‌های حسگر مکانیکی، اولتراسونیک و با دقت بالا را پوشش می‌دهد و منابع فنی برای طراحی و بهره‌برداری از مزرعه بادی را ارائه می‌دهد.
۱. روش اندازه‌گیری سرعت باد
1. بادسنج مکانیکی
اصل: با استفاده از رابطه خطی بین سرعت چرخش فنجان یا تیغه باد و سرعت باد، حرکت مکانیکی از طریق یک سنسور سرعت به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌شود.
بادسنج سه فنجانی: سه فنجان باد با زاویه‌های مساوی روی یک محور عمودی نصب شده‌اند که توسط باد به چرخش در می‌آیند و سرعت چرخش متناسب با سرعت باد است. سرعت باد اولیه آن کم است (0.5-1 متر بر ثانیه)، مناسب برای محیط‌های خشن مانند گرد و غبار، باران و برف، اما یک تأخیر وجود دارد که آن را برای اندازه‌گیری سرعت متوسط باد مناسب‌تر می‌کند. برای مثال، یک برج بادی با ارتفاع ۱۰۰ متر معمولاً سه بادسنج فنجانی را در ارتفاعات ۳۰، ۵۰، ۷۰ و غیره نصب می‌کند تا داده‌های سرعت باد چند لایه را به صورت همزمان ثبت کند.
بادسنج پروانه‌ای: چندین پره حول یک محور افقی می‌چرخند و سرعت آن متناسب با سرعت باد است. معمولاً به یک بادنما متصل است تا اطمینان حاصل شود که پره‌ها همیشه با جهت باد همسو هستند. ساختار آن جمع و جور است، اما پره‌های پروانه در برابر باد و شن و ماسه حساس هستند و نیاز به نگهداری منظم دارند.
2. بادسنج اولتراسونیک
اصل: بر اساس روش اختلاف زمان انتشار اولتراسونیک، سرعت باد با اندازه‌گیری اختلاف سرعت انتشار امواج اولتراسونیک در جهت باد رو به جلو/عقب محاسبه می‌شود.
بادسنج اولتراسونیک چهار پراب: چهار پراب به صورت جفت شده قرار گرفته‌اند تا دو مجموعه واحد اندازه‌گیری باد را تشکیل دهند. هر مجموعه از پروب‌ها با اندازه‌گیری اختلاف زمانی انتشار امواج فراصوت در هوا، سرعت نسبی باد را محاسبه می‌کنند؛ با ترکیب دو مجموعه داده، می‌توان یک بردار سرعت باد سه‌بعدی به دست آورد. هیچ سایش مکانیکی ندارد و زمان پاسخ سریعی دارد (<۱ ثانیه)، اما هزینه آن بالاست و هوای بارانی یا برفی ممکن است بر دقت اندازه‌گیری تأثیر بگذارد. برای مثال، توربین‌های بادی بزرگ، داده‌های سرعت باد را با دقت بالا و به صورت آنی از طریق بادسنج‌های اولتراسونیک ارائه می‌دهند و از کنترل گام و بهینه‌سازی توان پشتیبانی می‌کنند.
3. بادسنج با دقت بالا
اصل: با استفاده از فناوری فراصوت بدون نیاز به تنظیم، اندازه‌گیری بلادرنگ داده‌های سرعت و جهت باد حاصل می‌شود و وابستگی جهتی حسگرهای مکانیکی سنتی را از بین می‌برد.
حسگر فیوژن اولتراسونیک: چندین مجموعه از پروب‌های اولتراسونیک را ادغام می‌کند، تداخل‌های محیطی (مانند دما و رطوبت) را از طریق الگوریتم‌ها حذف می‌کند و داده‌های سرعت باد را با دقت ... خروجی می‌دهد. ± ۰.۱ متر بر ثانیه. نصب آن آسان است و نیازی به کالیبراسیون منظم ندارد، اما هزینه آن 30 تا 50 درصد بیشتر از حسگرهای سنتی است. برای مثال، یک مزرعه بادی خاص، توزیع منابع بادی را از طریق بادسنج‌های با دقت بالا تجزیه و تحلیل کرد و چیدمان واحدها را بهینه کرد که منجر به افزایش ۸ درصدی تولید برق سالانه شد.
۲، روش تعیین جهت باد
1. بادنمای مکانیکی
اصل: با استفاده از ساختار نامتقارن بادنما در ابتدا و انتها، بادنما تحت تأثیر نیروی باد، حول محور عمودی می‌چرخد و به سمت جهت باد اشاره می‌کند.
بادنمای تک بال: از یک بال دم، یک میله اشاره‌گر، یک وزنه تعادل و یک شفت اصلی چرخان تشکیل شده است که مرکز ثقل آن در محور شفت نگهدارنده قرار دارد و می‌تواند آزادانه نوسان کند. نصب آن باید در ... باشد. 90 ° با جهت باد غالب زاویه گرفته و با توجه به انحراف مغناطیسی محلی، جهت آن اصلاح می‌شود. جهت باد با استفاده از روش ۱۶ آزیموت (مانند NNE، ENE) یا روش زاویه (چرخش در جهت عقربه‌های ساعت با شمال به عنوان مرجع) نشان داده می‌شود. برای مثال، یک مزرعه بادی در یک منطقه کوهستانی، یک بادنمای خطی را در طبقه بالای برج اندازه‌گیری باد، به همراه یک بادسنج سه فنجانی، نصب کرد تا جمع‌آوری داده‌های منابع باد را تکمیل کند.
2. بادسنج اولتراسونیک
اصل: زاویه جهت باد را از طریق داده‌های اختلاف زمان انتشار چندین مجموعه از پروب‌های اولتراسونیک محاسبه کنید.
بادسنج اولتراسونیک سه بازو: سه بازوی حسگر به صورت عمودی و افقی نصب شده‌اند و بردار جهت باد با اندازه‌گیری اختلاف زمان انتشار امواج صوتی بین دو انتهای بازو محاسبه می‌شود. هیچ سایش مکانیکی ندارد، سرعت پاسخ سریعی دارد، اما هزینه بالایی دارد، مناسب برای سناریوهایی با الزامات دقیق دقیق.
۳. مبانی انتخاب روش‌های اندازه‌گیری
سازگاری با محیط: حسگرهای اولتراسونیک یا با دقت بالا در مناطقی با گرد و غبار، باران و برف ترجیح داده می‌شوند تا از مشکلات سایش و یخ‌زدگی حسگرهای مکانیکی جلوگیری شود.
محدودیت هزینه: حسگرهای مکانیکی برای مزارع بادی کوچک و متوسط اختیاری هستند، در حالی که حسگرهای اولتراسونیک یا با دقت بالا برای مزارع بادی بزرگ یا فراساحلی برای بهبود قابلیت اطمینان داده‌ها توصیه می‌شوند.
دقت مورد نیاز: حسگرهای با دقت بالا (خطا)<± برای ارزیابی منابع باد به سرعت‌های 0.2 متر بر ثانیه نیاز است، در حالی که حسگرهای با دقت متوسط (خطا)<± 0.5 متر بر ثانیه) می‌تواند برای کنترل واحد استفاده شود.
۴. نتیجه‌گیری
اندازه‌گیری دقیق سرعت و جهت باد، اساس عملکرد کارآمد توربین‌های بادی است. حسگرهای مکانیکی هزینه کمی دارند اما نیاز به تعمیر و نگهداری مکرر دارند، حسگرهای اولتراسونیک سازگاری بالایی دارند اما قیمت بالایی دارند و حسگرهای با دقت بالا، دقت و راحتی را با هم ترکیب می‌کنند. در کاربردهای عملی، لازم است که به طور جامع بر اساس شرایط محیطی، بودجه هزینه و الزامات دقت، انتخاب انجام شود تا به بهینه‌سازی راندمان تولید برق مزرعه بادی و عمر تجهیزات دست یابیم.
