風力タービンの風速と風向をどのように決定するのでしょうか?
風力タービンの発電効率と動作安定性は、風速と風向の正確な測定に大きく依存します。 風速によってエネルギー入力スケールが決まり、風向によって風に対するブレードの角度が左右され、この両方によってユニットの出力と負荷分散が決まります。 この記事では、風速と風向の主要な測定方法を簡単に紹介し、機械式、超音波式、高精度センサー技術を網羅し、風力発電所の設計と運用に関する技術リファレンスを提供します。
1、風速測定方法
1. 機械式風速計
原理: 風カップまたはブレードの回転速度と風速の直線関係を利用して、機械的な動きを速度センサーを通じて電気信号に変換します。
3カップ風速計：3つの風カップが垂直軸上に等角度で設置され、風の力で回転し、その速度は風速に比例します。 初期風速は低く（0.5～1m/s）、ほこりや雨、雪などの厳しい環境にも適していますが、遅延があるため、平均風速の測定に適しています。 たとえば、高さ 100 メートルの風洞塔では、通常、30 メートル、50 メートル、70 メートルなどの高さに 3 つのカップ型風速計を設置し、多層の風速データを同期して記録します。
プロペラ風速計：複数のブレードが水平軸を中心に回転し、その速度は風速に比例します。 通常は風向計と連動しており、ブレードが常に風向と一致するようにします。 構造はコンパクトですが、プロペラのブレードは風や砂による摩耗の影響を受けやすく、定期的なメンテナンスが必要です。
2. 超音波風速計
原理：超音波伝播時間差法に基づき、順風・逆風方向の超音波の伝播速度差を測定することで風速を算出します。
4 プローブ超音波風速計: 4 つのプローブがペアになって 2 セットの風測定ユニットを形成します。 各プローブセットは、空気中の超音波伝播の時間差を測定することで相対風速を計算します。2 セットのデータを組み合わせることで、3 次元の風速ベクトルを取得できます。 機械的な摩耗がなく、応答時間が速い（<1秒単位で計測できるが、コストが高く、雨や雪の天候によって計測精度が影響を受ける可能性がある。 たとえば、大型風力タービンは超音波風速計を通じてリアルタイムの高精度な風速データを提供し、ピッチ制御と電力の最適化をサポートします。
3. 高精度風速計
原理: アライメント技術を使用せずに超音波を使用することで、風速と風向のデータをリアルタイムで測定し、従来の機械式センサーの方向依存性を排除します。
超音波融合センサー：複数の超音波プローブを統合し、アルゴリズムによって環境干渉（温度や湿度など）を排除し、風速データを精度で出力します。 ± 0.1m/秒。 取り付けが簡単で定期的な校正も必要ありませんが、従来のセンサーよりもコストが 30% ～ 50% 高くなります。 例えば、ある風力発電所では、高精度な風速計で風力資源の分布を分析し、ユニットの配置を最適化した結果、年間発電量が8％増加しました。
2、風向判定方法
1. 機械式風向計
原理：風向計の先端と先端の非対称構造を利用し、風の力の作用により垂直軸を中心に回転し、風の方向を指します。
片翼風向計：尾翼、指示棒、バランスウェイト、回転主軸で構成され、重心は支持軸の軸上にあり、自由にスイングできます。 設置場所は 90 ° 卓越風向に対する角度と、地元の磁気偏角に応じて方向が補正されます。 風向は、16方位法（北北東、東北東など）または角度法（真北を基準として時計回りに回転）を使用して表されます。 たとえば、山岳地帯の風力発電所では、風力資源データの収集を完了するために、風力測定塔の最上階に流線型の風向計を設置し、3カップの風速計と組み合わせています。
2. 超音波風速計
原理：複数組の超音波プローブの伝播時間差データから風向角度を計算します。
3アーム超音波風速計：3本のセンサーアームを垂直・水平に設置し、アーム先端間の音波の伝播時間差を測定することで風向ベクトルを算出します。 機械的な摩耗がなく、応答速度が速いですが、コストが高く、厳しい精度要件のあるシナリオに適しています。
3、測定方法の選択基準
環境適応性: 機械式センサーの摩耗や凍結の問題を回避するために、ほこり、雨、雪の多い地域では超音波センサーまたは高精度センサーが適しています。
コストの制約: 中小規模の風力発電所では機械式センサーはオプションですが、大規模または洋上風力発電所ではデータの信頼性を向上させるために超音波センサーまたは高精度センサーが推奨されます。
精度要件: 高精度センサー（誤差<± 風力資源評価には0.2m/s以上の精度のセンサーが求められ、中精度のセンサー（誤差<± 0.5m/sまでの風速をユニット制御で使用できます。
4、結論
風速と風向を正確に測定することが、風力タービンの効率的な運用の基礎となります。 機械式センサーはコストが低いがメンテナンス頻度が高く、超音波センサーは適応性が強いが価格が高く、高精度センサーは精度と利便性のバランスが取れています。 実際のアプリケーションでは、風力発電所の発電効率と設備寿命の最適化を実現するために、環境条件、コスト予算、精度要件に基づいて総合的に選択する必要があります。
