CN103645339B - 一种移动式风场风速全尺度高度分布测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种移动式风场风速全尺度高度分布测量装置，其特征在于，包括气球、垂直索、固定气球的第一斜拉索、固定气球的第二斜拉索、固定气球的第三斜拉索、风速仪；所述气球设置有左机翼和右机翼，所述风速仪设置在气球和/或垂直拉索和/或第一斜拉索和/或第二斜拉索和/或第三斜拉索上。本发明在飞艇式气球上增设了一对水平机翼，在气球带机翼升空后，气球的浮力和机翼上的升力共同作用下，在垂直拉索上产生较大的提升力，从而避免气球在风力的作用下四处飘动；将风速仪的安装方式由传统的支撑式改为悬挂式，6～10个数字式风速仪布置在100m多的垂直索上。通过移动斜拉索和垂直拉索的基石，可对复杂地形变化的风场，进行多点风速高度分布的全尺度测量。

Description

一种移动式风场风速全尺度高度分布测量装置

技术领域

本发明涉及一种移动式风场风速全尺度高度分布测量装置，属于风力发电技术风速测量设备领域。

背景技术

风速大小和高度方向上的风速分布，是决定风力发电机容量和风塔高度的重要因素。过高的风塔高度，增加了建设费用，而发电量并不增多；过低的风塔高度，发电量不足，降低了投资设备效率。因此，在风力资源调查、评估和风电场建设的可行性研究时，需要全面了解风场不同高度的风速分布，由此根据单机容量的大小，优化选择叶片长度和风塔高度，使之达到最佳的投资效率。

风电场不同高度的风速分布测量，常规的方法有栀杆式(mast)和塔式(tower)两种，风速仪按一定的间隔，安装在桅杆或塔的不同高度，由多台风速仪同步测量。

桅杆式风速不同高度分布测量系统由桅杆、斜拉索和风速仪等组成，桅杆用于安装风速仪，斜拉索用于桅杆的空间定位。竖直的桅杆在风力的作用下，产生与风向一致的水平作用力，由此使斜拉索产生与之平衡的水平反作用力。力学分析已知：斜拉索产生水平拉力的同时，对桅杆产生垂直向下的作用力，该力反比于斜拉索与桅杆夹角的正切；斜拉索与桅杆的夹角越小，平衡水平风力所产生的垂直向下力就越大。由于桅杆的直径远远小于其长度，刚性较差，细杆具有抗拉不抗压的力学特征，极易发生弯曲变形。当风力达到一定值时，杆件弯曲到一定程度，有可能失稳倒塌。为增强桅杆式风速测量系统的安全性，防止倒塌意外事故的发生，增大杆件直径，并采用多层斜拉索。

桅杆虽然结构简单，也不需要复杂的基础，但桅杆高度不可能很大，因为竖起50m以上的桅杆，工程难度较大。要测量更大高度的风速分布，只能用塔式结构替代杆式结构，即由钢管或钢构件制成铁塔。塔式结构基础大，虽然结构复杂，但刚性远强于桅杆式结构，能竖起的高度远比桅杆大，如再辅助于斜拉索，竖立的高度可以达到100多米。

风电技术的进步，风电机组已向大型化方向发展，兆瓦级或数兆瓦风电机组已得到广泛应用。对于兆瓦级风电机组，风轮机叶片顶端离地面通常在100～120m。如果在风力资源评估时，对风速高度分布进行全尺度测量，桅杆或铁塔的高度至少100m，建造成本较大，又有工程风险，且高度越大，投资风险和安全风险也越大。因此，在风力资源调查、评估和风力发电场建设可行性论证时，往往建一个低于风机塔高的铁塔或桅杆，基于风速与高度的指数关系，外推更大高度的风速分布。

风速不同高度的大小分布，受大气层稳定性、地形形状、表面粗糙度、气候等多种复杂因素影响，不同地域的风速高度分布差异较大。因此，基于有限高度局部风速测量的外推风场风速的全尺度高度分布，对风力资源评估产生很大的不确定性。为精确地评估风力资源，为风电场建设提供确切的特性数据，应根据风电场的地形地貌，对风场的风速高度分布，一是应全尺度测量，二是应可移动灵活测量。

发明内容

发明口的：本发明的口的在于解决风电场风力资源评估中风速高度分布的不确定问题。提出一种移动式风场风速全尺度高度分布测量装置，将风力资源评估中不同高度的风速分布，由传统的基于有限高度局部测量的外推改为基于全尺度测量的内插，从根本上消除风速分布外推产生的不确定性；并根据风电场的地形与地貌，进行多点可移动式测量，降低成本和工程风险。

技术方案：本发明的一种移动式风场风速全尺度高度分布测量装置，包括气球、垂直索、固定气球的第一斜拉索、固定气球的第二斜拉索、固定气球的第三斜拉索、风速仪；气球设置有左机翼和右机翼，风速仪设置在气球和/或垂直拉索和/或第一斜拉索和/或第二斜拉索和/或第三斜拉索上。这样通过设置机翼，与现有的通过多条斜拉索连接固定气球的技术相比较，避免了当风力过大时，斜拉索为了提供气球对抗风力所必须的侧向力时，同时对气球有向下的分力过大，超过了气球的浮力时出现气球向下移动导致风速测量不准的情况。因为设置了产生升力的机翼，当风力越大时，升力也会越大，该升力可以抵消当风速变大斜拉索为气球提供的额外侧向力时产生的向下分力，并且该升力与风速正相关，通过适当设置机翼的升力性能，可以使得该气球在不论风速为多大时都不移动。

进一步地，气球设置有旋转连接器，垂直索连接该旋转连接器；第一斜拉索、第二斜拉索和第三斜拉索连接该旋转连接器固定气球；气球的一水平侧设置有垂直尾翼和/或水平尾翼。

可优选气球的形状为流线体。

进一步的，若优选气球的形状为流线体，当设置有垂直尾翼和水平尾翼时，垂直尾翼和/或水平尾翼所在的水平侧为气球流线体的尾部一侧。

具体地，旋转连接器可设置为包括轴承、转动轴、壳体、轴承盖板、滑轮和斜拉索吊环板；气球底部设置有气球底部基板；壳体固定在气球底部基板上；壳体和转动轴之间通过轴承连接；滑轮和斜拉索吊环板固定在转动轴上；垂直索连接在滑轮上；第一斜拉索、第二斜拉索和第三斜拉索固定在斜拉索吊环板上。

优选，风速仪设置在垂直索上。

优选，风速仪为十字交叉的水平多孔均速管和竖直多孔均速管，水平多孔均速管上设置有4个风速动压孔，竖直多孔均速管上设置有4个风速动压孔，水平多孔均速管与竖直多孔均速管交叉处还设置有1个风速动压孔。

优选，风速仪还包括导向舵、测量电路和风速环；风速环位于竖直平面上；水平多孔均速管的两端和竖直多孔均速管的两端连接在风速环上；导向舵设置于垂直于风速环所在平面的竖直平面上；测量电路设置在导向舵上；风速环上下端分别设置有上风速环连接器和下风速环连接器，上风速环连接器与下风速环连接器与垂直索相连接。

优选，上风速环连接器包括壳体、微型轴承、壳体盖、转轴、吊环；壳体固定在风速环上端，微型轴承设置于壳体与壳体盖围成的封闭空间内，转轴与壳体之间通过微型轴承连接，吊环设置在转轴上，该吊环与垂直索相连接；下风速环连接器同样包括壳体、微型轴承、壳体盖、转轴、吊环，壳体固定在风速环下端，微型轴承设置于壳体与壳体盖围成的封闭空间内，转轴与壳体之间通过微型轴承连接，吊环设置在转轴上，该吊环与垂直索相连接。

优选设置第一斜拉索、第二斜拉索和第三斜拉索与水平面的夹角不大于60度。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：气球内充有氢气和氦气，可携带3根斜拉索和1根垂直索升空。为充分增大气球的提升力，降低斜拉索因平衡气球上水平风力产生的向下作用力，气球的主体可采用风力拖曳系数很小的飞艇式流线体，尾部可采用圆锥体；左机翼和右机翼将横掠过的风速动能，转变为机翼上的升力，补偿斜拉索因平衡气球上水平风力产生的向下作用力，且有多余的升力增大垂直索向上的提升力。垂直尾翼及水平尾翼起着导向和稳定的作用，使风力升力器的正面自动朝向迎风面。

旋转连接器的壳体固定在气球底部基板上，与气球刚性地连为一体。使得壳体相对于转动轴可以自由转动，这样，在斜拉索固定后，风力升力器在水平面内随风向可360°自由转动。

若风速仪设置在垂直索上，在旋转连接器上的滑轮，可用于自由升降设置在垂直索上风速仪。这样，在不放下气球的情况下，可方便地放下数字式风速仪，读取测量得的风速数据，更换风速仪的电池等。

风速仪可以为采用基于匹托管流速测量原理的均速管。因为风速具有随机性，且气体流动存在不均匀性，为减少单点匹托管测由此产生的波动，本发明采用双支十字交叉的多孔均速管，有水平和垂直方向合计9个风速动压孔。为减小均速管在风力作用下的拖曳力，均速管可采用流线体。

风速仪采用一体化集成设计。测速管和的两端，分别焊接在圆环上，起到加强风速环刚度的作用。

上风速环连接器和下风速环连接器设置在风速环的两端，这样，风速环在悬挂在垂直拉索上后，风速仪随风向可360°自由旋转。因此，在导向舵的引导下，风速仪的测速管正面迎向来风方向。

本发明在飞艇式气球上增设了一对水平机翼，在气球带机翼升空后，借助100m以上高空较大的风速，在机翼上将风力转变为升力，气球的浮力和机翼上的升力共同作用下，在垂直拉索上产生较大的提升力，从而避免气球在风力的作用下四处飘动；将风速仪的安装方式由传统的支撑式改为悬挂式，6～10个数字式风速仪布置在100m多的垂直索上，可对风场的风速高度分布进行全尺度测量。通过移动斜拉索和垂直拉索的基石，可对复杂地形变化的风场，进行多点风速高度分布的全尺度测量。此外本发明采用十字交叉9孔均速管作为风速测量的一次转换元件，消除流动不均匀产生的测量误差，提高风速测量的信号稳定性和正确性。风速仪的传感元件、电子线路、导向舵和支架一体化流线型设计，降低风对风速仪的拖曳力。

附图说明

图1为本发明的一种移动式风场风速全尺度高度分布测量装置示意图；

图2为本发明的一种移动式风场风速全尺度高度分布测量装置中的旋转连接器示意图；

图3为本发明的一种移动式风场风速全尺度高度分布测量装置的风速仪正视图；

图4为本发明的一种移动式风场风速全尺度高度分布测量装置的风速仪的侧视图；

图5为本发明的一种移动式风场风速全尺度高度分布测量装置的上风速环连接器示意图；

图6为本发明的一种移动式风场风速全尺度高度分布测量装置的下风速环连接器示意图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于实施例。

实施例：

本实施例的移动式风场风速全尺度高度分布测量装置如图1所示，包括气球110、垂直索500、固定气球110的第一斜拉索410、固定气球110的第二斜拉索420、固定气球110的第三斜拉索430、风速仪300；气球110设置有左机翼120和右机翼130，风速仪300设置在垂直索500上，然而风速仪300设置的位置并不会影响风速仪300测量的结果，但当风速仪300设置在垂直索500上且垂直索500连接在滑轮上时，风速仪300会有在不放下气球的情况下，可方便地放下数字式风速仪，读取测量得的风速数据，更换风速仪300的电池等的技术效果。

本实施例气球110设置有旋转连接器200，垂直索500连接该旋转连接器200；第一斜拉索410、第二斜拉索420和第三斜拉索430连接该旋转连接器200固定气球110；气球110的一水平侧设置有垂直尾翼140和水平尾翼160，水平尾翼和垂直尾翼的设置相互独立，均可达到前述的为气球110导向的技术效果。

本实施例气球110的形状为流线体。

本实施例的气球110的形状为流线体，垂直尾翼140和/或水平尾翼160所在的水平侧为气球110流线体的尾部一侧。

本实施例的旋转连接器200如图2所示包括轴承210、转动轴220、壳体230、轴承盖板240、滑轮250和斜拉索吊环板260；气球110底部设置有气球底部基板270；壳体230固定在气球底部基板270上；壳体230和转动轴220之间通过轴承210连接；滑轮210和斜拉索吊环板260固定在转动轴220上；垂直索500连接在滑轮210上；第一斜拉索410、第二斜拉索420和第三斜拉索430固定在斜拉索吊环板260上。

本实施例风速仪300设置在垂直索500上。

本实施例风速仪300如图3和图4所示为十字交叉的水平多孔均速管310和竖直多孔均速管320，水平多孔均速管310上设置有4个风速动压孔315，竖直多孔均速管上320设置有4个风速动压孔315，水平多孔均速管310与竖直多孔均速管320交叉处还设置有1个风速动压孔315。

本实施例风速仪300还包括导向舵390、测量电路335和风速环360；风速环360位于竖直平面上；水平多孔均速管310的两端和竖直多孔均速管320的两端连接在风速环360上；导向舵390设置于垂直于风速环360所在平面的竖直平面上；测量电路335设置在导向舵390上；风速环360上下端分别设置有上风速环连接器370和下风速环连接器380，上风速环连接器370与下风速环连接器380与垂直索500相连接。

本实施例上风速环连接器370如图5所示包括壳体371、微型轴承372、壳体盖373、转轴374、吊环375；壳体371固定在风速环360上端，微型轴承372设置于壳体371与壳体盖373围成的封闭空间内，转轴374与壳体371之间通过微型轴承372连接，吊环375设置在转轴374上，该吊环375与垂直索500相连接；下风速环连接器380如图6所示同样包括壳体381、微型轴承382、壳体盖383、转轴384、吊环385，壳体381固定在风速环360下端，微型轴承382设置于壳体381与壳体盖383围成的封闭空间内，转轴384与壳体381之间通过微型轴承382连接，吊环385设置在转轴384上，该吊环385与垂直索500相连接。

本实施例第一斜拉索410、第二斜拉索420和第三斜拉索430与水平面的夹角不大于60度。

本实施例的垂直索500由多段拉索与风速仪300串接而成，各段垂直拉索的长度，根据风速高度分布估算确定。近地面附近，风速高度分布的变化梯度较大，风速仪的间距应小些；在70m以上的高空处，风速高度分布的梯度较小，风速仪的间距可以大些。本实施例的，风速仪测点采用非线性布置，在离地面20m、30m、40m、50m、60m、70m、85m、100m、115m和130m等10个高度设置风速仪

本实施例第一斜拉索410、第二斜拉索420和第一斜拉索430的上端系在顶部连接器的斜拉索吊环板孔上，下端分别系在斜拉索基石610、620和630上。3块斜拉索基石等间距排放在以垂直拉索基石为圆心的同一圆周上。为充分增大垂直拉索的提升力，斜拉索与地面的夹角不大于60°。

本实施例气球110充有氢、氦混台气体气球的充气总容积50立方米。垂直尾翼140位于气球体的垂直中分面上，水平尾翼160位于气球体的水平中分面上，安装时垂直尾翼和水平尾翼与气球体正交。左机翼120和右机翼130由气球体同质村料制成，内支高强度钢质龙骨，中空型结构，与气球体腔室连通，充气后形成标准的流线体结构。为产生足够大的升力，机翼台计面积为4.0平方米。

所述风力升力器的底部基板270位于气球充气后的浮力中心底部，旋转连接器200的壳体230刚性连接。顶部连接器由轴承210、转轴220、壳体230、壳体盖板240、滑轮250和斜拉索吊环板260组成，轴承210的外圈过盈地安装在壳体230的轴承腔内，转轴220过盈地安装在轴承210的内圈中，壳体盖板240由螺丝固定在壳体230上。在斜拉索吊环板260的同一圆周均匀开设3个斜拉索吊环孔，吊环板的中心孔套装在转轴上，通过螺栓紧固在转轴上。滑轮通过螺纹固定在转轴的顶端。在斜拉索和垂直拉索定位后，转轴位置不再发生变化，轴承外圈可相对于转轴自由转动，即气球110可随风向在水平面内可自由转动。

所述风速仪的水平多孔均速管310和竖直多孔均速管320采用薄壁不锈钢板材料，压制成流线体外形，由焊接制成。水平多孔均速管310和垂直多孔均速管的动压、静压通道分别连通，端部密封，并焊接在风速环360上，对风速环起到加强刚度的作用。

所述风速仪300的主体结构由十字交叉均速管310和320、风速环360、上连接器370、下连接器380和导向舵390组成，采用一体化结构，十字交叉均速管的端部焊接在风速环上，导向舵390的壳体与垂直均速管320焊接在一起，上、下连接器370和380分别焊接在风速环中分轴线的顶部和底部。

风速仪300被垂直索悬挂后，连接器的转轴基本不动，风速环在水平面内可自由转动。

所述基石用于斜拉索和垂直拉索的地面定位，为保正在正常测量情况下基石不移动，每个基石的质量均为50kg以上。

所述垂直拉索500由引导索和和风速仪拉索两部分组成，引导索起到升、降风速仪的作用。引导索的一端与风速仪挂索相接，另一端穿过顶部连接器转轴端部的滑轮，固定地垂直拉索的基石上。风速仪的挂索两端通过吊环与风速仪上、下连接器转轴上吊环扣接。

本实施例的一种移动式风场风速全尺度高度分布测量装置在选择好地面测量位置后，根据测量高度要求和斜拉索与地面的夹角，选取斜拉索和垂直拉索的长度以及斜拉索基石圆的半径之后在选好的测量位置处布置垂直拉索基石640，并以此为圆心，在斜拉索基石圆上均匀布置斜拉索基石610、620和630；将斜拉索410、420和430分别扣接到顶部连接器的斜拉索吊环孔上，另一端固定在对应的基石上；垂直拉索的引导索穿过顶部连接器转轴端部的滑轮，并与风速仪的挂索相接；风力升力器的气球充气后缓慢升空，到达预定高度后，由垂直拉索的引导索提升数字式风速仪，当风速仪定位后，垂直拉索固定在垂直拉索基石640上。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (8)

1.一种移动式风场风速全尺度高度分布测量装置，其特征在于，包括气球(110)、垂直索(500)、固定气球(110)的第一斜拉索(410)、固定气球(110)的第二斜拉索(420)、固定气球(110)的第三斜拉索(430)、风速仪(300)；所述气球(110)设置有左机翼(120)和右机翼(130)，所述风速仪(300)设置在气球(110)和/或垂直索(500)和/或第一斜拉索(410)和/或第二斜拉索(420)和/或第三斜拉索(430)上，所述的风速仪(300)为十字交叉的水平多孔均速管(310)和竖直多孔均速管(320)，水平多孔均速管(310)上设置有4个风速动压孔(315)，竖直多孔均速管上(320)设置有4个风速动压孔(315)，水平多孔均速管(310)与竖直多孔均速管(320)交叉处还设置有1个风速动压孔(315)。

2.根据权利要求1所述的一种移动式风场风速全尺度高度分布测量装置，其特征在于，所述的气球(110)设置有旋转连接器(200)，所述的垂直索(500)连接该旋转连接器(200)；第一斜拉索(410)、第二斜拉索(420)和第三斜拉索(430)连接该旋转连接器(200)固定所述气球(110)；所述气球(110)的一水平侧设置有垂直尾翼(140)和/或水平尾翼(160)。

3.根据权利要求1所述的一种移动式风场风速全尺度高度分布测量装置，其特征在于，所述气球(110)的形状为流线体。

4.根据权利要求2所述的一种移动式风场风速全尺度高度分布测量装置，其特征在于，所述气球(110)的形状为流线体，所述垂直尾翼(140)和/或水平尾翼(160)所在的水平侧为气球(110)流线体的尾部一侧。

5.根据权利要求2或4所述的一种移动式风场风速全尺度高度分布测量装置，其特征在于，所述的旋转连接器(200)包括轴承(210)、转动轴(220)、壳体(230)、轴承盖板(240)、滑轮(250)和斜拉索吊环板(260)；气球(110)底部设置有气球底部基板(270)；所述壳体(230)固定在气球底部基板(270)上；所述壳体(230)和转动轴(220)之间通过轴承(210)连接；所述滑轮(210)和斜拉索吊环板(260)固定在转动轴(220)上；所述的垂直索(500)连接在所述滑轮(210)上；所述的第一斜拉索(410)、第二斜拉索(420)和第三斜拉索(430)固定在所述斜拉索吊环板(260)上。

6.根据权利要求1、2、3或4所述的一种移动式风场风速全尺度高度分布测量装置，其特征在于，所述的风速仪(300)设置在垂直索(500)上。

7.根据权利要求6所述的一种移动式风场风速全尺度高度分布测量装置，其特征在于，所述的风速仪(300)还包括导向舵(390)、测量电路(335)和风速环(360)；所述风速环(360)位于竖直平面上；所述水平多孔均速管(310)的两端和竖直多孔均速管(320)的两端连接在风速环(360)上；所述的导向舵(390)设置于垂直于风速环(360)所在平面的竖直平面上；所述测量电路(335)设置在导向舵(390)上；所述风速环(360)上下端分别设置有上风速环连接器(370)和下风速环连接器(380)，所述上风速环连接器(370)与下风速环连接器(380)与垂直索(500)相连接。

8.根据权利要求7所述的一种移动式风场风速全尺度高度分布测量装置，其特征在于，所述的上风速环连接器(370)包括壳体(371)、微型轴承(372)、壳体盖(373)、转轴(374)、吊环(375)；所述壳体(371)固定在风速环(360)上端，所述微型轴承(372)设置于壳体(371)与壳体盖(373)围成的封闭空间内，所述转轴(374)与壳体(371)之间通过微型轴承(372)连接，所述吊环(375)设置在所述转轴(374)上，该吊环(375)与垂直索(500)相连接；所述下风速环连接器(380)同样包括壳体(381)、微型轴承(382)、壳体盖(383)、转轴(384)、吊环(385)，所述壳体(381)固定在风速环(360)下端，所述微型轴承(382)设置于壳体(381)与壳体盖(383)围成的封闭空间内，所述转轴(384)与壳体(381)之间通过微型轴承(382)连接，所述吊环(385)设置在所述转轴(384)上，该吊环(385)与垂直索(500)相连接。