Bagaimana cara menentukan kecepatan dan arah angin turbin angin?
Efisiensi pembangkitan daya dan stabilitas operasional turbin angin sangat bergantung pada pengukuran kecepatan dan arah angin yang akurat. Kecepatan angin menentukan skala masukan energi, dan arah angin memengaruhi sudut bilah terhadap angin, yang keduanya bersama-sama menentukan daya keluaran dan distribusi beban unit. Artikel ini akan memperkenalkan secara singkat metode pengukuran inti untuk kecepatan dan arah angin, yang mencakup teknologi sensor mekanis, ultrasonik, dan presisi tinggi, serta menyediakan referensi teknis untuk desain dan pengoperasian ladang angin.
1、 Metode pengukuran kecepatan angin
1. Anemometer mekanis
Prinsip: Dengan memanfaatkan hubungan linear antara kecepatan putaran cangkir angin atau bilah dan kecepatan angin, gerakan mekanis diubah menjadi sinyal listrik melalui sensor kecepatan.
Anemometer tiga cangkir: Tiga cangkir angin dipasang pada sudut yang sama pada sumbu vertikal, digerakkan oleh angin untuk berputar, dan kecepatannya sebanding dengan kecepatan angin. Kecepatan angin awalnya rendah (0,5-1m/s), cocok untuk lingkungan yang keras seperti debu, hujan, dan salju, tetapi ada jeda, membuatnya lebih cocok untuk mengukur kecepatan angin rata-rata. Misalnya, menara angin setinggi 100 m biasanya memasang tiga anemometer cangkir pada ketinggian 30 m, 50 m, 70 m, dst., untuk merekam data kecepatan angin multi-lapis secara bersamaan.
Anemometer baling-baling: Beberapa bilah berputar di sekitar sumbu horizontal, dan kecepatannya sebanding dengan kecepatan angin. Biasanya dihubungkan dengan baling-baling angin untuk memastikan bahwa baling-baling selalu sejajar dengan arah angin. Strukturnya kompak, tetapi bilah baling-baling rentan terhadap angin dan keausan pasir dan memerlukan perawatan rutin.
2. Anemometer ultrasonik
Prinsip: Berdasarkan metode perbedaan waktu perambatan ultrasonik, kecepatan angin dihitung dengan mengukur perbedaan kecepatan perambatan gelombang ultrasonik dalam arah angin maju/mundur.
Anemometer ultrasonik empat probe: Empat probe dipasangkan untuk membentuk dua set unit pengukuran angin. Setiap set probe menghitung kecepatan angin relatif dengan mengukur perbedaan waktu perambatan ultrasonik di udara; Dengan menggabungkan dua set data, vektor kecepatan angin tiga dimensi dapat diperoleh. Tidak ada keausan mekanis dan memiliki waktu respons yang cepat (<1 detik), tetapi biayanya tinggi, dan cuaca hujan atau bersalju dapat memengaruhi keakuratan pengukuran. Misalnya, turbin angin besar menyediakan data kecepatan angin presisi tinggi secara real-time melalui anemometer ultrasonik, yang mendukung kontrol pitch dan pengoptimalan daya.
3. Anemometer presisi tinggi
Prinsip: Menggunakan ultrasound tanpa teknologi penyelarasan, pengukuran data kecepatan dan arah angin secara real-time tercapai, menghilangkan ketergantungan arah pada sensor mekanis tradisional.
Sensor fusi ultrasonik: mengintegrasikan beberapa set probe ultrasonik, menghilangkan gangguan lingkungan (seperti suhu dan kelembaban) melalui algoritma, dan mengeluarkan data kecepatan angin dengan akurasi ± 0,1 m/detik. Mudah dipasang dan tidak memerlukan kalibrasi rutin, tetapi biayanya 30%-50% lebih tinggi daripada sensor tradisional. Misalnya, sebuah ladang angin menganalisis distribusi sumber daya angin melalui anemometer presisi tinggi dan mengoptimalkan tata letak unit, sehingga menghasilkan peningkatan 8% dalam pembangkitan daya tahunan.
2、Metode penentuan arah angin
1. Baling-baling angin mekanis
Prinsip: Menggunakan struktur baling-baling angin yang asimetris di awal dan akhir, ia berputar di sekitar sumbu vertikal di bawah aksi gaya angin, menunjuk ke arah angin.
Baling-baling angin sayap tunggal: terdiri dari sayap ekor, batang penunjuk, pemberat keseimbangan, dan poros utama yang berputar, dengan pusat gravitasi terletak pada sumbu poros penopang, dan dapat berayun bebas. Pemasangannya harus di 90 ° sudut terhadap arah angin yang berlaku dan dikoreksi arahnya menurut deklinasi magnetik setempat. Arah angin ditunjukkan menggunakan metode azimuth 16 (seperti NNE, ENE) atau metode sudut (memutar searah jarum jam dengan utara sebagai referensi). Misalnya, sebuah ladang angin di daerah pegunungan memasang baling-baling angin ramping di lantai atas menara pengukur angin, dikombinasikan dengan anemometer tiga cangkir, untuk melengkapi pengumpulan data sumber daya angin.
2. Anemometer ultrasonik
Prinsip: Hitung sudut arah angin melalui data perbedaan waktu perambatan beberapa set probe ultrasonik.
Anemometer ultrasonik tiga lengan: Tiga lengan sensor dipasang secara vertikal dan horizontal, dan vektor arah angin dihitung dengan mengukur perbedaan waktu perambatan gelombang suara antara ujung lengan. Tidak memiliki keausan mekanis, kecepatan respons cepat, tetapi berbiaya tinggi, cocok untuk skenario dengan persyaratan presisi yang ketat.
3、 Dasar pemilihan metode pengukuran
Kemampuan beradaptasi dengan lingkungan: Sensor ultrasonik atau sensor presisi tinggi lebih disukai di area berdebu, hujan, dan bersalju untuk menghindari masalah keausan dan lapisan es pada sensor mekanis.
Batasan biaya: Sensor mekanis bersifat opsional untuk ladang angin berukuran kecil dan menengah, sementara sensor ultrasonik atau presisi tinggi direkomendasikan untuk ladang angin besar atau lepas pantai guna meningkatkan keandalan data.
Persyaratan akurasi: Sensor presisi tinggi (kesalahan<± 0,2m/s) diperlukan untuk penilaian sumber daya angin, sedangkan sensor presisi sedang (kesalahan<± 0,5m/s) dapat digunakan untuk kontrol unit.
4. Kesimpulan
Pengukuran kecepatan dan arah angin yang akurat merupakan dasar bagi pengoperasian turbin angin yang efisien. Sensor mekanis berbiaya rendah tetapi perawatannya sering, sensor ultrasonik memiliki kemampuan adaptasi yang kuat tetapi harganya mahal, dan sensor presisi tinggi menyeimbangkan akurasi dan kenyamanan. Dalam aplikasi praktis, perlu dilakukan pemilihan secara komprehensif berdasarkan kondisi lingkungan, anggaran biaya, dan persyaratan akurasi untuk mencapai optimalisasi efisiensi pembangkitan daya ladang angin dan umur peralatan.
