CN104535791A - 空间任意方向风力监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明装置用以测量任意立体空间中随时任意变化的风力(风向和风速)，使得可用该装置发现任意风场中风力的变化性状和空间风流分布，使得最合理确定风力发电机的安装位置和安装高度，最能充分利用风力以提高发电效率。本装置能对空间任意方向风力(风速与风向)监测，装置组成包括：球形外罩(1)、中心转叶(2)、测量单元(4)、无线通信单元(5)、电源(6)；本装置的主要特征是：其外部形体采用球状栅格结构，转叶在球罩内部立体空间内可随风几乎任何方向转动，达到测量空间每个瞬时任意方向风力的目的；本装置测量风速、风向一体化同时完成。

Description

空间任意方向风力监测装置

技术领域

本发明专利在技术上属于自然界信息与数据检测技术，具体属于空间风力信息检测，即空间风速、风向数据一体化监测，装置用于风力发电场空间立体风速、风向数据测量并判定，使可依据用于风场选择最佳位置和最佳高度安装风力发电机，有效提高风力发电效率。

背景技术

一片风力发电场通常由多台风力发电机组成，使达到预定功率发电能力；为了提高每台发电机的发电效率，必须使每台风力发电机在该处受到的风力最大，即每台都工作在主风流区域——风速最大、风向最便于利用的区域；在一片风力丰富的空间里，从地面到高空、从山坡到山的峡口，其风力分布并不是均匀的，风向也不是固定的，而是都有变化；为了利用其发电，找出并区别出风场的主风流和边际风流是非常有必要的；所谓边际风流就是风场中靠近主风流但风力偏小、风向相对于主风向偏移、或向上、或向下、且常常不稳定的风流，主风流则是风场中风力强劲、风向在一段时间相对稳定的风流，显然边际风流处不适合安装风力发电机，以免发电效率低；主风流空间区域才发电效率高，才是优先用于风力发电的区域。这样，在一个空间风场中哪些区域是主流风场、哪些区域是边际风流风场，是非常有必要调查清楚的。截至目前为止，社会上可测风向的装置主要测量平行于地面的或东或西或南或北风向，缺少一种有效的同时可测向上或向下风向、即可测任意方向风速的装置，用以划分并确定风场内主风流区域和边际风流区域。

申请号为201110152515.x的发明专利《一种风速风向测试装置》，该装置在风向球中心使用了一根固定的中心轴，使得其只能测量水平的风向，测量不出在空间向上或向下变动的风向，测量结果会误导风力发电机的定位和安装，因为它测出的风力可能是向上或向下风流分解的风力。

申请号为2011101483956的发明专利《超声波风速风向仪》，其使用2对收发的超声波，虽能测出风速但实际测不准，因为风波对超声波有干扰和影响，且由于风向是变化的使得它对超声波的影响不可预估和修正，使得测量的风速不可信；该装置的结构有限制，实际测不出向上向下空间角度有变化的风向，对平行于地面向左向右变化的风向实际也测不准。

申请号为2012100388268的发明专利《基于偏转角度监测的单方向风压监测装置》，装置依靠重力板受风偏转给出角度的方法实际测不准转角，因为垂板具有重力使影响风力的作用，同时板子偏转以后接收风力的作用本身被分解而变小了，这是非线性关系，难于修正；再说只测量单方向风压不能说明风力性状。

申请号为2013106659751的发明专利《压强感应式风力监测器》，它是靠4个方向相互垂直的应变片受力来分析风力情况，应变片本身是固定的，使到达应变片表面的风力受到影响，所以测不准实际风力；该装置由于结构的限制更测不准风向。

发明内容

本发明的目的是提供一种空间任意方向风力监测装置，使得可以测量任意立体空间中随时任意变化的风力(风向和风速)，使得利用该装置可以发现任意风场中风力的变化性状和空间风流分布，使得最合理确定风力发电机安装位置和安装高度，最能充分利用风力以提高发电效率。

这种空间任意方向风力监测装置，它包括：球形外罩1、中心转叶2、测量单元4、无线通信单元5、电源6；所述监测装置外部形体采用球形结构，中心转叶2在球形外罩1内部立体空间内可随风几乎任何方向转动，以测量空间每个瞬时任意方向风力；其中测量单元4包括主处理器41和数据接口单元42，主处理器41还连接无线通信单元5，电源6向所述监测装置各部分电路供电。

所述的监测装置中球形外罩1是一种圆球形栅格结构，沿球形表面纬向使用18根筋11组成9个圆周，每相邻2根筋间按20°夹角均匀分布；沿球形表面中部经向使用一根筋12；纬向筋都相对均匀地固定连接到经向筋上；在每根纬向筋上都等间隔分布着朝向球心的共8个微型空心圆柱体13，全球共146个圆柱体，其中2个公共，每个圆柱体都内置1只金属小弹簧和1只小钢珠14。

监测装置中所述中心转叶2厚度21不小于外球半径的1/2，转叶上有按120°的3个分叉，各分叉上都有一个半球状窝22，三个窝口方向按圆周一致；半球状窝的半径与转叶厚度相当、转叶厚度拟大于纬向筋的一个间隔；转叶端部呈局部球面形状，在三个端部球面中心各紧贴一个直径小于相邻纬向筋间隔的金属圆片23，使可耐受转叶高速转动时对圆柱体13中钢珠的摩擦；三个端部金属片之间有电气连接，且与纬向筋上各个圆柱体能动态接触并电气导通。

所述监测装置中球形外罩的18根纬向筋，在每根筋内侧开漕均匀分布预置7个电阻，18根筋中电阻都使用不同的阻值；每根筋各电阻都串联，一直向下连接测量单元4的数据接口单元42。

所述的监测装置还包括测量单元4的数据接口单元42电气上顺序连接纬向每一根筋中电阻串联线，使采集该线有关点直流电平；主处理器41从数据接口单元42接收数据后处理得出具体风速和风向再交给无线通信单元5，无线通信单元5按本地短程无线通信方式将所述监测装置在线监测的风速、风向数据发向所在风场的集中数据处理系统。此处集中数据处理系统请参考本文作者申请号为201410531673.X的发明专利《一种风场立体风流空间分布监测系统》。

所述的监测装置，其中测量风速是依靠计数转叶每秒转数来完成，测量单元4随时可以启动一个时间段的计数开始和计数结束，从而完成风速计算，只要把转数乘以转叶窝心圆周长、再乘以修正系数即可。修正系数在装置调试时反复测量确定。

所述的监测装置，其中测量风向基于水平经线的圆周和垂直经线平面的纬线来定标，确定正北方向的纬线编号为0，西向另外7根纬线按逆时针顺次定号为1～7；正南方向的纬线编号为-0，东向7根纬线逆时针顺次编号为-1～-7；如此则正西向的纬线编号4--5，正东向的纬线编号-4--5；所述监测装置由这些编号表示风向。

所述的监测装置，其中采取2级措施测量风向，第一级使用球形外罩顶部的风向标判定水平风向的南北风、东西风；第二级由所述监测装置中心转叶2与纬线筋接触的节点位置精细测量确定空间风力的任意方向。

所述监测装置中电源6采取太阳能方式供电，由锂电池储存充电电能，该电源内部电路具有自适应太阳光强弱控制充电与放电作用。

由上述说明可知本监测装置可用于拟建风力发电场空间立体风速风向测量，也可用于已建风力发电场对风机处风速风向的核定，尤其是可测出一定时间段内风场某位置的准确风向和风速，其中风向可测出水平方向的变化和垂直方向的变化，是迄今为止其它风力测量装置都不具备的。

附图说明

图1示出本发明空间任意风向风速监测装置的外形与组成；

图2示出所述监测装置中转叶的形状和结构；

图3示出18根电阻线及测量单元的组成与连接；

图4示出平行地面的风向标；

图5示出中心转叶平行于地面时与18根筋的连接位置之一。

具体实施方式

本发明的空间任意方向风力监测装置整体如图1所示，做成了一个球形，外罩是栅格状结构，可转动的转叶置于球罩内部；外罩球形表面纬向使用18根纬向筋条11组成9个圆周，每相邻2根筋间按20°夹角均匀分布；沿球形表面中部经向使用一根筋12；纬向筋都相对均匀地固定连接到经向筋上；每根纬向经条上等间隔分布着朝向球心的共8个微型空心圆柱体13，全球共146个圆柱体，其中2个公共，每个圆柱体都内置1只金属小弹簧和1只小钢珠14，这些筋条通过圆柱体对内部转叶起活动支撑作用；由于小钢珠在圆柱体端口处可转动，使得整个转叶在球罩内部既被支撑又可被风吹得任意转动，且转动阻力很小，有效感知现场的任意风向。

图2所示装置中心转叶的形状与结构，为了使转叶能很好受到风力而转动，特把叶翅做成半球窝状，3个转叶的球窝叶翅按圆周120°连接，3个窝口到窝心的方向从转动意义上来说是一致的，使任何方向的来风都可推动转叶转动。监测装置中所述转叶2厚度21不小于外球半径的1/2，转叶上有按120°的3个分叉，各分叉上都有一个半球状窝22；半球状窝的半径与转叶厚度相当、转叶厚度拟大于纬向筋的一个间隔。

为了使转叶在球罩内转动滑溜，转叶的三个端部做成局部球面形状，球面弧度与球罩弧度完全一致。

本装置完全依靠中心转叶受风转动来感知空间点位上的风力速度和风力方向，这就要测取转叶每个瞬时在球罩内的转动位置和转动方向，这里特地采取了三个方面的措施：

①在中心转叶三个端部中央各紧贴一个直径小于相邻纬向筋间隔的金属圆片23，依靠金属圆片与筋上圆柱体接触，使可耐受转叶高速转动时对圆柱体13中钢珠的摩擦；三个端部金属片之间有电气连接，且与纬向筋上各个圆柱体能动态接触并电气导通。金属圆片直径小于相邻2根纬线筋在经线上的距离，达到既不联通2个相邻的圆柱体，又使在转动过程中对单个圆柱体接触有一定时间长度；

②在每根纬向筋内侧置7个相串联的电阻，电阻连接处都固定1个圆柱体；使得当转叶转动经过这个圆柱体时，金属片与其接触即可测得由电阻引起的电压大小，从而确定叶片接触圆柱体所在节点位置；

③所有纬向筋上的电阻其阻值是不同的，这样既可区别转叶到达的不同纬线，又可区别出到达不同纬线的具体节点；图3告诉我们每根纬线有8个节点，从而划分出不同上下位置的9个区段，这同时表示本装置对于空间向上向下的风向具有角度分辨率为20°。

所述监测装置中球形外罩的18根纬向筋，在每根筋内侧开漕均匀分布预置7个电阻，18根筋中电阻都使用不同的阻值；每根筋各电阻都串联，一直向下连接测量单元4的数据接口单元42。

结合图3所示，本发明的空间任意方向风力监测装置包括：球形外罩1、转叶2、测量单元4、无线通信单元5、电源6；所述监测装置外部形体采用球形结构，转叶2在球形外罩1内部立体空间内可随风几乎任何方向转动，以测量空间每个瞬时任意方向风力；为了及时准确地测出转叶转动在每个瞬时经过的位置，本发明的监测装置含有测量单元电路。其中测量单元4主要由主处理器41、数据接口单元42及18根纬线电阻组成，其中主处理器41还连接无线通信单元5；数据接口单元42具有18个I/O数据接口，直接对应0～8、-0～-8共18根纬向筋中的串联电阻线，其中每根电阻线串联7只电阻，圆柱体就固定在相邻电阻连接点处，该电阻连接点与钢珠电气联通。主处理器41还连接无线通信单元5，电源6向所述监测装置各部分电路供电。

所述测量单元4的数据接口单元42电气上顺序连接纬向每一根筋中电阻串联线，使采集该线有关点直流电平；主处理器41从数据接口单元42接收数据后处理得出具体风速和风向再交给无线通信单元5，无线通信单元5按本地短程无线通信方式将所述监测装置在线监测的风速、风向数据发向所在风场的集中数据处理系统。此处所述集中数据处理系统详见本文作者另一申请号为201410531673.X的发明专利《一种风场立体风流空间分布监测系统》。

所述的监测装置，其中测量风速是依靠计数转叶每秒转数来完成，测量单元4随时可以启动一个时间段的计数开始和计数结束，从而完成风速计算，只要把转数乘以转叶窝心圆周长、再乘以修正系数即可。

所述的监测装置，其中测量风向基于水平经线的圆周和垂直经线平面的纬线来定标，确定正北方向的纬线编号为0，西向另外7根纬线按逆时针顺次定号为1～7；正南方向的纬线编号为-0，东向7根纬线逆时针顺次编号为-1～-7；如此则正西向的纬线编号4--5，正东向的纬线编号-4--5；所述监测装置由这些编号表示风向。

所述的监测装置，其中采取2级措施测量风向，第一级使用球形外罩顶部的风向标判定水平风向的南北风、东西风；第二级由所述监测装置中转叶2与纬线筋接触的节点位置精细测量确定空间风力的任意方向。

所述监测装置中电源6采取太阳能方式供电，由锂电池储存充电电能，该电源内部电路具有自适应太阳光强弱控制充电与放电作用。

图4示出在本发明装置顶部设有一个水平风向标，用以粗测各种风力引起平行于地平面的风力方向。图5示出转叶在球罩内同时接触3个不同纬向筋上不同圆柱体位置的情况；图示是水平经线对18根纬线连接，圆周上的数字表示纬线编号，该时刻转叶正好连接了4、-1、-7三根纬线上的各1个圆柱体。

归纳起来，本发明装置测量风速与风向是如下方式实现的：

测量风速：由监测装置中的测量单元4计数监测装置中转叶在单位时间内被风吹动的转动圈数，乘以转叶窝心划出的圆周长，再乘以修正系数，即得到该段时间的风速。此处修正系数在装置调试时具体测量确定。测量风向的水平分量：自然界立体空间中没有绝对水平的方向，但每股风力都具有水平方向分量；本发明监测装置中使用球形外罩上部风向标实现测量水平分量风向，如图4所示。

该风向标在风力稳定时可明确指示出风向，分辨力可以达到20°；该风向标可以下联18根纬线，在风向稳定后即联通箭头所指的1根纬线，这就明确给出了风向。

测量向上、向下的风向：这里完全依赖于测量转叶相对于纬线筋及纬线上节点的位置。

中心转叶的3个叶端中点可以看作处于一个平面，在球罩内这个平面受风的影响是可以任意倾斜的，或者一半向东上方、另一半朝西下方，或者一半向西上方、另一半朝东下方等等；而且向上或向下还有倾斜角度大小的区别，从图3可看出，节点1是靠近球罩的上部、节点8是靠近球罩的下部；如果测量到转叶接触到的节点数小于4显然是向上，大于5则是朝下，这就具体测量出当前风向是向上或是朝下。

注意本监测装置风向测量作用可以看作2层，第一层由球罩上部的风向标决定，第二层由转叶位置确定；例如：风向标指出到5，说明是东风，同时测出转叶稳定在纬线3的节点3和纬线-3的节点6，则说明综合风向是东下约30°朝西偏上约30°。

本发明监测装置中电子电路的电源使用太阳能电池供电，耗电容量约12V--1W。

以上对本发明的监测装置的构成及其实现方式作了说明，对于本领域技术人员来说，显然可以根据本发明的内容做出各种改进和变化。因此，这些改进和变化也应落入本发明的范围内。

Claims (8)

1.一种空间任意方向风力监测装置，它包括：球形外罩(1)、中心转叶(2)、测量单元(4)、无线通信单元(5)、电源(6)；所述监测装置外部形体采用球形结构，转叶(2)在球形外罩(1)内部立体空间内可随风几乎任何方向转动，以测量空间每个瞬时任意方向风力；其中测量单元(4)包括主处理器(41)和数据接口单元(42)，主处理器(41)还连接无线通信单元(5)，电源(6)向所述监测装置的各部分电路供电。

2.如权利要求1所述的监测装置，其中所述球形外罩(1)是一种圆球形栅格结构，沿球形表面纬向使用18根筋(11)组成9个圆周，每相邻2根筋间按20°夹角均匀分布；沿球形表面中部经向使用一根筋(12)；纬向筋都相对均匀地固定连接到经向筋上；在每根纬向筋上都等间隔分布着朝向球心的共8个微型空心圆柱体(13)，全球共146个圆柱体，其中2个公共，每个圆柱体都内置1只金属小弹簧和1只小钢珠(14)。

3.如权利要求2所述的监测装置，其中所述转叶(2)厚度(21)不小于外球半径的1/2，转叶上有按120°的3个分叉，各分叉上都有一个半球状窝(22)，三个窝口方向按圆周一致；半球状窝的半径与转叶厚度相当、转叶厚度拟大于纬向筋的一个间隔；转叶端部呈局部球面形状，在三个端部球面中心各紧贴一个直径小于相邻纬向筋间隔的金属圆片(23)，使可耐受转叶高速转动时对圆柱体(13)中钢珠的摩擦；三个端部金属片之间有电气连接，且与纬向筋上各个圆柱体能动态接触并电气导通。

4.如权利要求2所述的监测装置，其中所述球形外罩(1)的18根纬向筋，在每根筋内侧开漕均匀分布预置7个电阻，18根筋中电阻都使用不同的阻值；每根筋各电阻都串联，一直向下连接测量单元(4)的数据接口单元(42)。

5.如权利要求4中所述的监测装置，其中数据接口单元(42)电气上顺序连接纬向每一根筋中电阻串联线，使采集该线有关点直流电平；主处理器(41)从数据接口单元(42)接收数据后处理得出具体风速和风向再交给无线通信单元(5)，无线通信单元(5)按本地短程无线通信方式将所述监测装置在线监测的风速、风向数据发向所在风场的集中数据处理系统。

6.如权利要求1所述的监测装置，其中测量风速是依靠计数转叶每秒转数来完成，测量单元(4)随时可以启动一个时间段的计数开始和计数结束，从而完成风速计算，只要把转数乘以转叶窝心圆周长、再乘以修正系数即可。

7.如权利要求2所述的监测装置，其中测量风向基于水平经线的圆周和垂直经线平面的纬线来定标，确定水平面正北方向的纬线编号为0，西向另外7根纬线按逆时针顺次定号为1～7；正南方向的纬线编号为-0，东向7根纬线逆时针顺次编号为-1～-7；如此则正西向的纬线编号4--5，正东向的纬线编号-4--5；所述监测装置由这些编号表示风向。

8.如权利要求7所述的监测装置，其中采取2级措施测量风向，第一级使用球形外罩顶部的风向标判定水平风向的南北风、东西风；第二级由所述监测装置转叶与纬线筋位置精细测量确定空间风力的任意方向。