Como determinar a velocidade e a direção do vento de uma turbina eólica?

A eficiência de geração de energia e a estabilidade operacional das turbinas eólicas dependem muito de medições precisas da velocidade e direção do vento. A velocidade do vento determina a escala de entrada de energia, e a direção do vento afeta o ângulo das pás em relação ao vento, os quais juntos determinam a potência de saída e a distribuição de carga da unidade. Este artigo apresentará brevemente os principais métodos de medição de velocidade e direção do vento, abrangendo tecnologias de sensores mecânicos, ultrassônicos e de alta precisão, fornecendo referências técnicas para projeto e operação de parques eólicos.
1. Método de medição da velocidade do vento

1. Anemômetro mecânico

Princípio: Ao utilizar a relação linear entre a velocidade de rotação do copo ou lâmina de vento e a velocidade do vento, o movimento mecânico é convertido em sinais elétricos por meio de um sensor de velocidade.

Anemômetro de três copos: Três copos de vento são instalados em ângulos iguais em um eixo vertical, acionados pelo vento para girar, e a velocidade é proporcional à velocidade do vento. Sua velocidade inicial do vento é baixa (0,5-1 m/s), adequada para ambientes adversos, como poeira, chuva e neve, mas há um atraso, tornando-o mais adequado para medir a velocidade média do vento. Por exemplo, uma torre eólica de 100 m de altura geralmente instala três anemômetros de copo em alturas de 30 m, 50 m, 70 m, etc., para registrar sincronizadamente dados de velocidade do vento em várias camadas.

Anemômetro de hélice: várias pás giram em torno de um eixo horizontal, e a velocidade é proporcional à velocidade do vento. Geralmente, ele é conectado a um cata-vento para garantir que as pás estejam sempre alinhadas com a direção do vento. Sua estrutura é compacta, mas as pás da hélice são suscetíveis ao desgaste pelo vento e pela areia e exigem manutenção regular.

2. Anemômetro ultrassônico

Princípio: Com base no método da diferença de tempo de propagação ultrassônica, a velocidade do vento é calculada medindo a diferença na velocidade de propagação das ondas ultrassônicas na direção do vento para frente/reverso.

Anemômetro ultrassônico de quatro sondas: Quatro sondas são pareadas para formar dois conjuntos de unidades de medição de vento. Cada conjunto de sondas calcula a velocidade relativa do vento medindo a diferença de tempo da propagação ultrassônica no ar; Ao combinar dois conjuntos de dados, um vetor tridimensional de velocidade do vento pode ser obtido. Não apresenta desgaste mecânico e possui um tempo de resposta rápido (<1 segundo), mas o custo é alto e o tempo chuvoso ou com neve pode afetar a precisão da medição. Por exemplo, grandes turbinas eólicas fornecem dados de velocidade do vento de alta precisão em tempo real por meio de anemômetros ultrassônicos, auxiliando no controle de passo e na otimização de energia.

3. Anemômetro de alta precisão

Princípio: Usando ultrassom sem tecnologia de alinhamento, é obtida a medição em tempo real dos dados de velocidade e direção do vento, eliminando a dependência direcional dos sensores mecânicos tradicionais.

Sensor de fusão ultrassônico: integra vários conjuntos de sondas ultrassônicas, elimina interferências ambientais (como temperatura e umidade) por meio de algoritmos e emite dados de velocidade do vento com precisão de ± 0,1 m/s. É fácil de instalar e não requer calibração regular, mas o custo é 30% a 50% maior que os sensores tradicionais. Por exemplo, um determinado parque eólico analisou a distribuição de recursos eólicos por meio de anemômetros de alta precisão e otimizou o layout das unidades, resultando em um aumento de 8% na geração anual de energia.

2. Método de determinação da direção do vento

1. Cata-vento mecânico

Princípio: Utilizando a estrutura assimétrica do cata-vento no início e no fim, ele gira em torno do eixo vertical sob a ação da força do vento, apontando na direção do vento.

Cata-vento de asa única: composto por uma asa traseira, uma haste apontadora, um peso de equilíbrio e um eixo principal giratório, com o centro de gravidade localizado no eixo do eixo de suporte, podendo oscilar livremente. Sua instalação precisa ser em um 90 ° ângulo em relação à direção predominante do vento e corrigido para a direção de acordo com a declinação magnética local. A direção do vento é representada usando o método de 16 azimutes (como NNE, ENE) ou o método do ângulo (girando no sentido horário com o norte como referência). Por exemplo, um parque eólico em uma área montanhosa instalou uma cata-vento aerodinâmica no último andar da torre de medição de vento, combinada com um anemômetro de três copos, para completar a coleta de dados de recursos eólicos.

2. Anemômetro ultrassônico

Princípio: Calcular o ângulo da direção do vento por meio dos dados de diferença de tempo de propagação de vários conjuntos de sondas ultrassônicas.

Anemômetro ultrassônico de três braços: Três braços sensores são instalados verticalmente e horizontalmente, e o vetor de direção do vento é calculado medindo a diferença de tempo de propagação das ondas sonoras entre as extremidades dos braços. Não apresenta desgaste mecânico, alta velocidade de resposta, porém alto custo, sendo indicado para cenários com rigorosos requisitos de precisão.

3、 Base para seleção de métodos de medição

Adaptabilidade ambiental: Sensores ultrassônicos ou de alta precisão são preferidos em áreas com poeira, chuva e neve para evitar desgaste e problemas de congelamento com sensores mecânicos.

Restrição de custo: Sensores mecânicos são opcionais para parques eólicos de pequeno e médio porte, enquanto sensores ultrassônicos ou de alta precisão são recomendados para parques eólicos grandes ou offshore para melhorar a confiabilidade dos dados.

Requisito de precisão: Sensores de alta precisão (erro<± 0,2 m/s) são necessários para a avaliação dos recursos eólicos, enquanto sensores de precisão média (erro<± 0,5 m/s) pode ser usado para controle da unidade.

4. Conclusão

A medição precisa da velocidade e direção do vento é a base para a operação eficiente de turbinas eólicas. Os sensores mecânicos têm baixo custo, mas manutenção frequente, os sensores ultrassônicos têm grande adaptabilidade, mas preço alto, e os sensores de alta precisão equilibram exatidão e conveniência. Em aplicações práticas, é necessário fazer uma seleção abrangente com base nas condições ambientais, no orçamento de custos e nos requisitos de precisão para otimizar a eficiência da geração de energia do parque eólico e a vida útil do equipamento.