测风设备在风力场中的应用

一、测风的意义

​ 随着我国风电产业的发展，气候变暖背景下风能资源的可持续利用问题倍受关注,我国风气候、风能蕴藏量变化的研究也逐步发展起来。对于风向风速的研究，能够让我们更加深入的了解风速和风向的变化，掌握风速风向的变化规律，更好的利用风能。近几年随着科技的进步，风向风速的研究越来越深入，测风设备也是日新月异。

二、测风设备的分类

目前运用于风电场的测风的方式主要有三种，传统的机械式测风、超声波测风以及雷达测风。

1、机械式测风仪

​ 机械式测风仪又分为风速传感器和风向传感器。

1.1、风速传感器

风速传感器可以连续测量风速和风量大小的传感器。生活中比较常见的是风杯式风速传感器，感应部分是由三个或四个圆锥形或半球形的空杯组成。空心杯壳固定在互成120°的三叉星形支架上或互成90°的十字形支架上，杯的凹面顺着一个方向排列，整个横臂架则固定在一根垂直的旋转轴上。

• 风杯式风速传感器的工作原理是当风从左方吹来时，风杯1与风向平行，风对风杯1的压力在最直于风杯轴方向上的分力近似为零。风杯2与3同风向成60度角相交，对风杯2而言，其凹面迎着风，承受的风压最大;风杯3其凸面迎风，风的绕流作用使其所受风压比风杯2小，由于风杯2与风杯3垂直于风杯轴方向上的压力差，而使风杯开始顺时针方向旋转，风速越大，起始的压力差越大，产生的加速度越大，风杯转动越快。
• ​ 风杯开始转动后，由于杯2顺着风的方向转动，受风的压力相对减小，而杯3迎着风以同样的速度转动，所受风压相对增大，风压差不断减小，经过一段时间后（风速不变时），作用在三个风杯上的分压差为零时，风杯就变作匀速转动。这样根据风杯的转速（每秒钟转的圈数）就可以确定风速的大小。
• ​ 当风杯转动时，带动同轴的多齿截光盘或磁棒转动，通过电路得到与风杯转速成正比的脉冲信号，该脉冲信号由计数器计数，经换算后就能得出实际风速值。

1.2、风向传感器

风向传感器是以风向箭头的转动探测、感受外界的风向信息，并将其传递给同轴码盘，同时输出对应风向相关数值的一种物理装置。通常风向传感器主体都采用风向标的机械结构，为了保持对方向的敏感性，会采用不同的内部机构来辨别方向

2、超声波测风仪

​ 超声波风速传感器的工作原理是利用超声波时差法来实现风速的测量。

由于声音在空气中的传播速度会和风向上的气流速度叠加，假如超声波的传播方向与风向相同，那么它的速度会加快；反之，若超声波的传播方向与风向相反，那么它的速度会变慢。所以，在固定的检测条件下，超声波在空气中传播的速度可以和风速函数对应，通过计算即可得到精确的风速和风向。由于声波在空气中传播时，它的速度受温度的影响很大，风速传感器检测两个通道上的两个相反方向，因此温度对声波速度产生的影响可以忽略不计。

3、雷达测风仪

​ 激光雷达和声雷达是目前风电领域应用较多的两类雷达测风设备，它们测风的基本原理是相同的，即利用多普勒频移原理推导风速和风向。

首先设备将激光信号或声波信号按照固定的波长和频率发射到空中，当激光信号接触到空气中随风运动的微粒介质（气溶胶）或声波信号遇到不均一温度场后，信号散射返回被设备接收，返回的信号频率与发射频率相比会发生改变，即为多普勒频移。信号往返的频率差与气流速度之间存在着相应的函数关系，由此推导气流沿激光或声波束的径向移动速度。测风设备同时发射多束信号源，先将每个径向速度水平和垂直分解成分量，最后再将所有水平分量合成带有风向的水平风速矢量，所有垂直分量合成垂直风速矢量。

三、测风设备的对比

四、测风设备的选择

1、机械式测风仪的适用场合

对于可靠性、准确性要求高的场合应该选择机械式测风仪，例如用于风电场前期评估的一年以上的中长期测风，以及用于机组控制参考的机舱顶部测风和风功率预测场合。

2、超声波测风仪的适用场合

​ 超声波测风仪由于无机械磨损，使用时间较长，因此多用于后期维护不方便、运行要求稳定的场合。常用在风机机舱顶部测风，同机械式测风仪共同使用，平行观测。

​3、雷达测风仪的适用场合

雷达测风设备由于其轻便可移动的特点，以及考虑其价格高昂，多用于在风电场已有测风塔的情况下使用雷达进行多点短期补充测风。海上测风塔因安装和拆除费用过高、手续复杂，目前也多使用激光雷达测风。雷达测风前需要同测风塔的机械测风仪平行观测7天以上进行准确性验证。