Как определить скорость и направление ветра ветряной турбины?

Эффективность выработки электроэнергии и стабильность работы ветряных турбин во многом зависят от точности измерений скорости и направления ветра. Скорость ветра определяет масштаб потребляемой энергии, а направление ветра влияет на угол наклона лопастей к ветру, оба эти фактора вместе определяют выходную мощность и распределение нагрузки агрегата. В этой статье кратко описаны основные методы измерения скорости и направления ветра, охватывающие механические, ультразвуковые и высокоточные сенсорные технологии, а также даны технические рекомендации по проектированию и эксплуатации ветряных электростанций.
1. Метод измерения скорости ветра

1. Механический анемометр

Принцип: Используя линейную зависимость между скоростью вращения ветрового стакана или лопасти и скоростью ветра, механическое движение преобразуется в электрические сигналы через датчик скорости.

Трехчашечный анемометр: три чаши устанавливаются под равными углами на вертикальной оси и приводятся во вращение ветром, а скорость пропорциональна скорости ветра. Начальная скорость ветра у него низкая (0,5–1 м/с), что подходит для суровых условий, таких как пыль, дождь и снег, однако имеется задержка, что делает его более подходящим для измерения средней скорости ветра. Например, на ветроизмерительной вышке высотой 100 м обычно устанавливаются три чашечных анемометра на высоте 30 м, 50 м, 70 м и т. д. для синхронной регистрации многослойных данных о скорости ветра.

Пропеллерный анемометр: несколько лопастей вращаются вокруг горизонтальной оси, а скорость пропорциональна скорости ветра. Обычно он соединен с флюгером, чтобы гарантировать, что лопасти всегда направлены по направлению ветра. Его конструкция компактна, но лопасти винта подвержены износу из-за воздействия ветра и песка и требуют регулярного технического обслуживания.

2. Ультразвуковой анемометр

Принцип: Скорость ветра рассчитывается на основе метода разности времени распространения ультразвука путем измерения разницы в скорости распространения ультразвуковых волн в прямом и обратном направлении ветра.

Четырехзондовый ультразвуковой анемометр: четыре зонда объединены в пары, образуя два комплекта устройств для измерения ветра. Каждый набор зондов вычисляет относительную скорость ветра, измеряя разницу во времени распространения ультразвука в воздухе. Объединив два набора данных, можно получить трехмерный вектор скорости ветра. Он не имеет механического износа и имеет быстрое время отклика (<1 секунда), но стоимость высока, а дождливая или снежная погода может повлиять на точность измерений. Например, крупные ветряные турбины предоставляют высокоточные данные о скорости ветра в режиме реального времени с помощью ультразвуковых анемометров, обеспечивая управление шагом и оптимизацию мощности.

3. Высокоточный анемометр

Принцип: Используя ультразвук без технологии выравнивания, можно в режиме реального времени измерять скорость и направление ветра, устраняя зависимость от направления, свойственную традиционным механическим датчикам.

Ультразвуковой датчик слияния: объединяет несколько наборов ультразвуковых датчиков, устраняет помехи окружающей среды (такие как температура и влажность) с помощью алгоритмов и выдает данные о скорости ветра с точностью ± 0,1м/с. Он прост в установке и не требует регулярной калибровки, но его стоимость на 30–50 % выше, чем у традиционных датчиков. Например, на одной из ветряных электростанций был проведен анализ распределения ветровых ресурсов с помощью высокоточных анемометров и оптимизирована компоновка установок, что привело к увеличению годовой выработки электроэнергии на 8%.

2. Метод определения направления ветра

1. Механический флюгер

Принцип: Используя асимметричную структуру флюгера в начале и конце, он вращается вокруг вертикальной оси под действием силы ветра, указывая направление по ветру.

Одностворчатый флюгер: состоит из хвостового крыла, направляющего стержня, противовеса и вращающегося главного вала, при этом центр тяжести расположен на оси опорного вала и может свободно качаться. Его установка должна быть выполнена на 90 ° под углом к преобладающему направлению ветра и с поправкой на направление в соответствии с местным магнитным склонением. Направление ветра указывается с помощью метода 16 азимутов (например, ССВ, ВСВ) или метода углов (вращение по часовой стрелке с направлением на север в качестве точки отсчета). Например, на ветряной электростанции в горной местности на верхнем этаже башни для измерения ветра был установлен обтекаемый флюгер в сочетании с трехчашечным анемометром для завершения сбора данных о ветровых ресурсах.

2. Ультразвуковой анемометр

Принцип: Рассчитать угол направления ветра с помощью данных о разнице времени распространения нескольких наборов ультразвуковых датчиков.

Трехрычажный ультразвуковой анемометр: три сенсорных рычага устанавливаются вертикально и горизонтально, а вектор направления ветра рассчитывается путем измерения разницы времени распространения звуковых волн между концами рычагов. Он не подвержен механическому износу, имеет высокую скорость реагирования, но высокую стоимость, подходит для сценариев со строгими требованиями к точности.

3. Основы выбора методов измерения

Адаптация к окружающей среде: в районах с наличием пыли, дождя и снега предпочтительны ультразвуковые или высокоточные датчики, чтобы избежать проблем с износом и обледенением механических датчиков.

Ограничение по стоимости: механические датчики являются необязательными для малых и средних ветряных электростанций, в то время как ультразвуковые или высокоточные датчики рекомендуются для крупных или морских ветряных электростанций для повышения надежности данных.

Требование к точности: высокоточные датчики (погрешность<± 0,2 м/с) необходимы для оценки ветровых ресурсов, тогда как датчики средней точности (погрешность<± 0,5 м/с) можно использовать для управления агрегатом.

4. Заключение

Точное измерение скорости и направления ветра является основой эффективной работы ветряных турбин. Механические датчики имеют низкую стоимость, но требуют частого технического обслуживания, ультразвуковые датчики обладают высокой адаптивностью, но высокой ценой, а высокоточные датчики сочетают в себе точность и удобство. На практике для достижения оптимизации эффективности выработки электроэнергии ветровой электростанцией и срока службы оборудования необходимо осуществлять комплексный выбор, исходя из условий окружающей среды, бюджета затрат и требований к точности.