CN104481818A - 一种风场立体风流空间分布监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明是对已建或准备建立风力发电场地域的空间风流分布状况进行监测，可同时对复杂风场风流多杆、多点、多高度风速、立体多方位风向、多方位气压实际测量，可分析现场主风流、边际风流分布规律，为风力发电场多风机优化布局给出可行方案，为复杂风电场多机组高效运行系统控制奠定基础；尤其是监测得到该风场强力主风流按风场区域分布状况和在不同空间高度的分布状况、边际风流按区域和不同空间高度分布状况、以及不同季节风力强度和风力走向的分布规则，使得确立风力发电机的最优分布安装位置，确立每台风力发电机的受风工作高度，使得全场安装的每台风力发电机都能受风最强、发电效率最高、且建设成本相对降低。

Description

一种风场立体风流空间分布监测系统

一技术领域

本发明属于一种信息监测技术领域，特别属于风力发电场空间风力信息分布监测技术；本发明同时适用于地球上陆地环境空间各种立体风力信息分布监测。

二背景技术

风能作为一种无污染和可再生的新能源有着巨大的发展潜力，特别是对沿海岛屿，交通不便的边远山区，地广人稀的草原牧场，以及远离电网和近期内电网还难以达到的农村、边疆，作为解决生产和生活能源的一种可靠途径，有着十分重要的意义。即使在发达国家，风能作为一种高效清洁的新能源也日益受到重视，比如：美国能源部就曾经调查过，单是德克萨斯州和南达科他州两州的风能密度就足以供应全美国的用电量。

中国风力资源十分丰富，离地10米高空间风力资源约32.26亿千瓦，按年8760小时计算，可发电282597.6亿KWH，这是目前我国全社会用电量(49657亿KWH)的5.6倍，可见有风力发电将使我国用电足矣；而且50米高度风能资源为10米高的2倍。所有这些值得我们提高技术、大力开发。

但是风力利用和开发不是个简单事情，我们一般只能顺势而为；在一定可利用区间内找出主风流、找出主风流的路径、不同路段的走向，找出利用效率最高的风流区域，这就要测量，测量不同点位、不同空间高度风力的速度和方向。

由于风流处在沿地面不同高度区域运行，而多数地面是不平的，尤其是山区峡谷、河流沟壑之地，其风力往往特别大，但风力流向复杂；所以我们的测量不能停留在水平风速对象上，要能测出风流在立体空间中上升、下降的方向变化，要能测出在同一地点不同空间高度的风速、风向变化，这样才有可能达到最有效、最充分的风能利用；如果在所安装风机处，实际风流是上升流动或下降流动，那么只有部分风力作用在风机上，这样不仅降低了发电效率，而且还影响风机运行使用时间、缩短风机使用寿命。

申请号为2014100748169的发明专利《基于单片机的风电场超声波风速监测方法》和2014100611556的发明专利《用于风电场超声波风速监测控制方法》都只是提出了风速监测超声波方法，不能同时测风向与风速则所测风速是无用的，使得该风能不便利用；而且该方案测量只是单点进行，很难全面反映风场整体状况；更够呛的是超声波方法测不准风速、也测不准风向，因为超声波受强多少倍的风波影响已不能准确反映出实际状况。

申请号为2011101959638的发明专利《基于无线传感网技术的阵列式局地风环境监测方法》，虽然注意了风场多点分布式监测，但没有测风向在空间的立体方位变化，也没有测在同一点空间不同高度的风流状况，更可笑的是他们只测了2.5米高度处风流，对于风流来说这个高度还只是一个贴近地面的高度，风速小得多，对于风力发电不说明问题。

申请号为2014101622825的发明专利《风电场超声波风资源监测方法》只是注意了把所测风速、风向数据存储起来作为资料，使日后可查，这应该是一般监测装置的常规，不体现发明专利技术。

三发明内容

本发明的目的是对已建或准备建立风力发电场地域的空间风流分布状况进行监测，能同时对复杂风场风流多点、多高度实际测量，可划分出主风流、边际风流分布规律，为风力发电场多风机优化布局给出可行方案，为复杂风电场多机组高效运行系统控制奠定基础；尤其是监测得到该风场强力主风流按风场区域分布状况和在不同空间高度的分布状况、边际风流按区域和不同空间高度分布状况、以及不同季节风力强度和风力走向的分布规则；使得确立风力发电机的最优分布安装位置，确立每台风力发电机的受风工作高度，使得全场安装的每台风力发电机都能受风最强、发电效率最高、且建设成本相对降低。

想要实施的内容是具体建立一整套立体风流空间分布监测系统，使得既适合于风场建设初期空间风流探测与分析，还适合于风力发电运行过程中发电效率监测与辅助分析。

这种风场风流分布监测系统，在风场建立多个达到一定空间高度的监测杆，对风场分成中心区和一端区、二端区，全系统由监测中心(10)、一端区分中心(11)、二端区分中心(12)组成；其中一端区监测由一端区分中心(11)及一端区多个监测杆(111)、(112)、(113)、(11K)、(11N)联合实现，一端区分中心(11)对测杆(111)～(11N)采取无线一点对多点分时通信方式传送数据；其中二端区监测由二端区分中心(12)及二端区多个测杆(121)、(122)、(123)、(12K)、(12N)联合实现，二端区分中心(12)对测杆(121)～(12N)采取无线一点对多点分时通信方式传送数据；端区分中心(11)和(12)都将它们分布监测的数据用无线方式发送汇聚到风场监测中心(10)，再由(10)集中远程无线通信到风场后台管理中心，在管理中心实现该风场主风流分布集中分析、绘制空间流场图，用以指导该风场风力发电机安装布点决策，提高风场利用率和风力发电效率。

所述风场风流多杆分布监测中每个监测杆从上至下至少分布三个监测点：主测点(20)、从测点(21)和从测点(22)，各测点分别独立监测所在空间位置的风速、风向、气压；主测点基于串行通信方式收集从测点监测的数据，并且负责将本杆监测数据向分中心转发；由于测点(20)、(21)、(22)在杆上位置不同，其所监测数据反映了不同空间高度的风速、风向、气压特点。

所述风场风流分布监测系统中所有监测杆各个监测点数据采集都在同一时刻完全同步进行，同步采集时刻由风场中心(10)向所有测杆无线广播发出，各测杆主测点向各自从测点同步启动采集；全场所有数据采集同步，使得后续数据分析时间性很强、数据准确可操作。

所述风场风流分布监测系统中，全场各点风向监测统一基于指南针定标；系统在每个测点风向监测装置安装时都用指南针核准，并且方向监测刻度统一基于指南针方向生成，由于指南针方向决定于地球磁场方向，在同一风场中这个方向绝对是一致的，使得各监测点所测风向相对准确，由此保证系统风向数据可靠性。

所述风场风流分布监测系统，其后台管理中心基于全场风流立体空间众多监测风速风向数据绘制出空间风流在不同季节、不同时间段、不同空间高层的主流场和边际流场分布图，为风力发电机布局定位提供可靠依据、为风力发电运行效率提高作辅助分析。

所述风场风流分布各杆监测点，风速、风向监测装置使用本文作者配套发明的《球型三维空间一体化风速风向监测器》(具体见该发明专利请求书)，可以同时测出不同瞬间风速及其水平方向角、垂直方向角；测量中风速数据精度0.1米/秒、方向角精度为22.50。

全系统监测数据为选择安装风机功率等级、安装位置和树立高度提供依据，辅助决策风力发电功率、发电效率、控制发电场建设成本和发电运行维护成本。

四附图说明

图1——风场风流多杆分布监测系统；图中可根据现场情况灵活决定划分设立多个分区或不划分分区，全场监测杆数量不固定，拟根据现场地形情况灵活确定；监测杆位置也不是一成不变。

图2——单杆空间多测点组成结构；图中单杆暂按三个监测点设置，在地形复杂处可增加到四个、五个监测点，杆上测点的距离间隔可根据风场风流复杂度按5～10米灵活设置；同杆测点无论多少个都只确定一个主测点，其它为从测点，主测点管理从测点，主测点负责对风场中心或分中心通信。

图3——风场主风流按地面某高程水平分布示意；其中数据决定于各测杆同层监测结果。

图4——风场主风流按流向纵向断面多层分布示意；其中数据依据同方向各测杆多层监测结果。

五具体实施方案

5.1风力监测杆多测点组成与实施方式

附图2中示出单杆空间多测点组成结构；图中单杆设置了三个监测点，主测点(20)、从测点(21)和从测点(22)，各测点分别独立监测所在空间位置的风速、风向、气压；杆高可以20～30米，对于地形复杂的地方为了仔细调查清楚风流按空间高度的分布特点，监测点可增加到四个或五个；杆上测点的距离间隔对风流复杂变化多的地点拟设密一些，如设成5米，开阔而风力大的地方可以按10米；同杆无论多少个测点只将最高位置点设成主测点，由它负责汇聚该杆所有测点信息并负责对风场中心或分中心通信，其它测点作为从测点受主测点管理；主测点基于串行通信方式收集从测点监测的数据，由于测点(20)、(21)、(22)在杆上位置不同，其所监测数据反映了不同空间高度的风速、风向、气压特点。

若从上部2个测点测得风速风向基本相同，则风机安装高度可取2点中下位测点的高度，这样既保证了风机的受风出力，又降低了风机安装高度，从而降低了风机成本，也降低了风机运行风险。

5.2风速、风向监测实施方式

本发明的立体风流监测系统中对风速、风向的空间分布监测采用一种球形一体化监测装置(见本发明作者对于该装置的发明专利请求书)，使能同时监测得到监测点的风速风向信息；其风速监测量程可达米/秒、精度达0.1米；风向监测可分辨立体空间256个方位，其中水平方位16个、垂直方位16个；这样一来可整理出该风场风流的起伏变化和摇摆变化，有利于选择风机安装位置在风流稳定的点位和空间高度，保证风机的发电效率和出力稳定性。

该风速风向一体化监测装置是球形结构且体积小，在空中基本不影响风流的力度和方向。

5.3风压监测实施方式

本发明的系统对每个风速风向监测点同时监测该点气压数据；由于空中风的形成是高气压空气流向低气压地区的结果，所以监测风场气压分布数据有利于辅助分析风流。

本系统中采用应变片感应压差的方法测取风压，具体制作一种正八方体装置，每方都贴上应变片且面积相等，每个瞬时都采集八个方向的独立应力大小，其合成方向就代表当前风压方向和风压大小。

5.4风场立体风流多监测杆分布实施方式

附图1示出一风场风流多杆分布监测系统；图中划分了中心监测区和2端监测分区，适应较大面积且在风流方向区域较长的风场，多监测分区有利于数据监测完整和通信可靠性保证。实际监测杆分布可根据现场情况灵活决定，能不划分多个分区就不划分分区，风场半径不超过3公里的使用一个监测中心对全场监测杆管理即可。

附图1风场风流分布监测系统，在风场建立几十个达到一定空间高度的监测杆，对风场监测分成了监测中心(10)、一端区分中心(11)、二端区分中心(12)；其中一端区监测由一端区分中心(11)及一端区多个监测杆(111)、(112)、(113)、(11K)、(11N)联合实现，一端区分中心(11)对测杆(111)～(11N)采取无线一点对多点分时通信方式传送数据；其中二端区监测由二端区分中心(12)及二端区多个测杆(121)、(122)、(123)、(12K)、(12N)联合实现，二端区分中心(12)对测杆(121)～(12N)采取无线一点对多点分时通信方式传送数据；端区分中心(11)和(12)都将它们分布监测的数据无线发送汇聚到风场监测中心(10)，再由(10)集中远程无线通信到风场后台管理中心，在管理中心实现该风场主风流分布汇总分析、绘制空间流场图，用以指导该风场风力发电机安装布点决策，提高风场利用率和风力发电效率。

5.5本发明的风场监测系统运行管理实施方式

本发明风场风流分布监测系统中所有监测杆各个监测点数据采集都在同一时刻完全同步进行，同步采集时刻由风场中心(10)向所有测杆无线广播发出，各测杆主测点再向各自从测点同步启动采集；全场所有数据采集同步，使得后续数据分析时间性很强、全场风流数据准确同步分析便于操作。

在全系统风场风流分布监测中，各点风向监测统一基于指南针定标；系统在每个测点风向监测装置安装时都用指南针核准方位，并且方向监测刻度统一基于指南针方向形成；由于指南针方向由地球磁场方向决定，在同一风场中这个方向绝对是一致的，使得各监测点所测风向相对准确，由此保证系统风向数据可靠性。

在本系统风场风流分布监测中，其后台管理中心基于全场风流立体空间众多监测点风速风向数据绘制出空间风流在不同季节、不同时间段、不同空间高层的主流场和边际流场分布图，为风力发电机布局定位提供可靠依据、为风力发电运行效率提高作辅助决策。

全系统监测数据为风场不同点选择安装风机功率等级、安装位置和树立高度提供依据，可辅助分析决策风力发电功率、发电效率、控制发电场建设成本和发电运行维护成本。

Claims (6)

1.一种风场风流多杆分布监测系统，它由风场监测中心(10)、一端区分中心(11)、二端区分中心(12)组成；其中一端区监测由一端区分中心(11)及一端区多个监测杆(111)、(112)、(113)、(11K)、(11N)联合组成，一端区分中心(11)对测杆(111)～(11N)采取无线一点对多点分时通信方式传送数据；其中二端区监测由二端区分中心(12)及二端区多个测杆(121)、(122)、(123)、(12K)、(12N)联合组成，二端区分中心(12)对测杆(121)～(12N)采取无线一点对多点分时通信方式传送数据；端区分中心(11)和(12)都将它们分布监测的数据用无线方式发送汇聚到风场监测中心(10)，再由(10)集中无线通信到风场后台管理中心，在管理中心实现该风场主风流分布集中分析、绘制空间流场图，用以指导该风场风力发电机安装布点决策，提高风场利用率和风力发电效率。

2.如权利要求1所述风场风流多杆分布监测，每个监测杆的特征是：该杆从上至下至少分布三个监测点：主测点(20)、从测点(21)和从测点(22)，各测点分别独立监测所在空间位置的风速、风向、气压；主测点基于串行通信方式收集从测点监测的数据，并且负责将本杆监测数据向分中心转发或接收指令；由于测点(20)、(21)、(22)在杆上位置不同，其所监测数据反映了不同空间高度的风速、风向、气压特点。

3.如权利要求1所述风场风流分布监测系统，其第一特征是：所有监测杆各个监测点采集数据都在同一时刻完全同步进行，同步采集时刻由风场中心(10)向所有测杆无线广播发出，各测杆主测点向各自从测点同步启动采集；全场所有数据采集同步，使得后续同步数据分析准确可操作。

4.如权利要求1所述风场风流分布监测系统，其第二特征是：全场各点风向监测统一基于指南针定标；系统在每个测点风向监测装置安装时都按照指南针统一核定装置的方向刻度，使得所测风向相对准确，系统数据可靠性提高。

5.如权利要求1所述风场风流分布监测系统，其第三特征是：后台管理中心基于全场立体风流空间众多监测点的风速风向数据，可绘制空间风流主流场和边际流场分布图，为风力发电机合理布局定位提高发电效率提供可靠依据。

6.如权利要求2所述风场风流分布监测，每根监测杆上多点监测的主要特征是：风速、风向监测使用本文作者配套发明的《一种空间风速风向一体化监测装置》，在测出各该点风速的同时测出其水平方向角和垂直方向角；为选择安装风机主流场位置与空间高度提供依据，以决策控制风力发电场建设成本和发电效率。