Làm thế nào để xác định tốc độ và hướng gió của tua-bin gió?

Hiệu suất phát điện và độ ổn định hoạt động của tua-bin gió phụ thuộc rất nhiều vào các phép đo chính xác về tốc độ và hướng gió. Tốc độ gió quyết định mức năng lượng đầu vào và hướng gió ảnh hưởng đến góc của cánh quạt so với gió, cả hai yếu tố này cùng nhau quyết định công suất đầu ra và phân bổ tải của thiết bị. Bài viết này sẽ giới thiệu ngắn gọn các phương pháp đo lường cốt lõi về tốc độ và hướng gió, bao gồm các công nghệ cảm biến cơ học, siêu âm và cảm biến có độ chính xác cao, đồng thời cung cấp tài liệu tham khảo kỹ thuật cho thiết kế và vận hành trang trại gió.
1、 Phương pháp đo tốc độ gió

1. Máy đo gió cơ học

Nguyên tắc: Bằng cách sử dụng mối quan hệ tuyến tính giữa tốc độ quay của cốc gió hoặc cánh quạt và tốc độ gió, chuyển động cơ học được chuyển đổi thành tín hiệu điện thông qua cảm biến tốc độ.

Máy đo gió ba cốc: Ba cốc đo gió được lắp đặt ở các góc bằng nhau trên một trục thẳng đứng, được gió dẫn động để quay và tốc độ tỷ lệ thuận với tốc độ gió. Tốc độ gió ban đầu của nó thấp (0,5-1m/s), phù hợp với môi trường khắc nghiệt như bụi, mưa và tuyết, nhưng có độ trễ, khiến nó phù hợp hơn để đo tốc độ gió trung bình. Ví dụ, một tháp gió cao 100m thường lắp đặt ba máy đo gió dạng cốc ở độ cao 30m, 50m, 70m, v.v. để ghi đồng bộ dữ liệu tốc độ gió nhiều lớp.

Máy đo gió cánh quạt: Nhiều cánh quạt quay quanh một trục nằm ngang và tốc độ tỷ lệ thuận với tốc độ gió. Nó thường được nối với một cánh quạt gió để đảm bảo các cánh quạt luôn thẳng hàng với hướng gió. Cấu trúc của nó nhỏ gọn, nhưng cánh quạt dễ bị mài mòn do gió và cát và cần được bảo dưỡng thường xuyên.

2. Máy đo gió siêu âm

Nguyên lý: Dựa trên phương pháp chênh lệch thời gian lan truyền siêu âm, tốc độ gió được tính bằng cách đo sự chênh lệch tốc độ lan truyền của sóng siêu âm theo hướng gió thuận/ngược.

Máy đo gió siêu âm bốn đầu dò: Bốn đầu dò được ghép nối để tạo thành hai bộ thiết bị đo gió. Mỗi bộ đầu dò tính toán tốc độ gió tương đối bằng cách đo chênh lệch thời gian lan truyền siêu âm trong không khí; Bằng cách kết hợp hai bộ dữ liệu, có thể thu được vectơ tốc độ gió ba chiều. Nó không bị mài mòn cơ học và có thời gian phản hồi nhanh (<1 giây), nhưng chi phí cao và thời tiết mưa hoặc tuyết có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo. Ví dụ, các tua-bin gió lớn cung cấp dữ liệu tốc độ gió có độ chính xác cao theo thời gian thực thông qua máy đo gió siêu âm, hỗ trợ kiểm soát độ cao và tối ưu hóa công suất.

3. Máy đo gió có độ chính xác cao

Nguyên tắc: Sử dụng công nghệ siêu âm không cần căn chỉnh, có thể đo tốc độ và hướng gió theo thời gian thực, loại bỏ sự phụ thuộc vào hướng của các cảm biến cơ học truyền thống.

Cảm biến tổng hợp siêu âm: tích hợp nhiều bộ đầu dò siêu âm, loại bỏ nhiễu môi trường (như nhiệt độ và độ ẩm) thông qua các thuật toán và đưa ra dữ liệu tốc độ gió với độ chính xác ± 0,1m/giây. Dễ dàng cài đặt và không cần hiệu chuẩn thường xuyên, nhưng chi phí cao hơn 30% -50% so với cảm biến truyền thống. Ví dụ, một trang trại gió đã phân tích sự phân bổ tài nguyên gió thông qua các máy đo gió có độ chính xác cao và tối ưu hóa cách bố trí các đơn vị, dẫn đến sản lượng điện hàng năm tăng 8%.

2、 Phương pháp xác định hướng gió

1. Cánh gió cơ học

Nguyên lý: Sử dụng cấu trúc không đối xứng của cánh gió ở đầu và cuối, cánh gió quay quanh trục thẳng đứng dưới tác dụng của lực gió, hướng về phía hướng gió.

Cánh quạt gió đơn: gồm cánh đuôi, thanh định hướng, khối cân bằng và trục chính quay, trọng tâm nằm ở trục của trục đỡ và có thể xoay tự do. Việc cài đặt của nó cần phải được thực hiện ở một 90 ° góc với hướng gió thịnh hành và được hiệu chỉnh theo hướng từ thiên cục bộ. Hướng gió được biểu diễn bằng phương pháp phương vị 16 (như Bắc Đông Bắc, Đông Bắc Đông Bắc) hoặc phương pháp góc (quay theo chiều kim đồng hồ với hướng chính bắc làm điểm tham chiếu). Ví dụ, một trang trại gió ở vùng núi đã lắp đặt một cánh gió khí động học trên tầng cao nhất của tháp đo gió, kết hợp với máy đo gió ba cốc để hoàn thiện việc thu thập dữ liệu về tài nguyên gió.

2. Máy đo gió siêu âm

Nguyên tắc: Tính toán góc hướng gió thông qua dữ liệu chênh lệch thời gian lan truyền của nhiều bộ đầu dò siêu âm.

Máy đo gió siêu âm ba cánh tay: Ba cánh tay cảm biến được lắp theo chiều dọc và chiều ngang, và vectơ hướng gió được tính toán bằng cách đo chênh lệch thời gian lan truyền của sóng âm giữa các đầu cánh tay. Không bị mài mòn cơ học, tốc độ phản hồi nhanh, nhưng giá thành cao, phù hợp với những tình huống có yêu cầu độ chính xác nghiêm ngặt.

3、 Cơ sở lựa chọn phương pháp đo lường

Khả năng thích ứng với môi trường: Cảm biến siêu âm hoặc cảm biến có độ chính xác cao được ưu tiên sử dụng ở những khu vực có bụi, mưa và tuyết để tránh các vấn đề về hao mòn và đóng băng với cảm biến cơ học.

Ràng buộc về chi phí: Cảm biến cơ học là tùy chọn cho các trang trại gió vừa và nhỏ, trong khi cảm biến siêu âm hoặc cảm biến có độ chính xác cao được khuyến nghị cho các trang trại gió lớn hoặc ngoài khơi để cải thiện độ tin cậy của dữ liệu.

Yêu cầu về độ chính xác: Cảm biến có độ chính xác cao (lỗi<± 0,2m/s) là cần thiết để đánh giá nguồn tài nguyên gió, trong khi các cảm biến có độ chính xác trung bình (lỗi<± 0,5m/s) có thể được sử dụng để điều khiển thiết bị.

4、 Kết luận

Đo chính xác tốc độ và hướng gió là nền tảng cho hoạt động hiệu quả của tua-bin gió. Cảm biến cơ học có chi phí thấp nhưng bảo trì thường xuyên, cảm biến siêu âm có khả năng thích ứng cao nhưng giá thành cao và cảm biến có độ chính xác cao cân bằng giữa độ chính xác và sự tiện lợi. Trong các ứng dụng thực tế, cần phải lựa chọn toàn diện dựa trên các điều kiện môi trường, ngân sách chi phí và yêu cầu về độ chính xác để đạt được hiệu quả tối ưu hóa phát điện của trang trại gió và tuổi thọ thiết bị.