CN109406828A - 一种自动校准真北的风向计系统及校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种自动校准真北的风向计系统，包括风向计、太阳方位计、基座、GPS接收器和数据处理模块；其中，太阳方位计安装在基座上，风向计安装在太阳方位计上，风向计上安装有风向标；风向计、太阳方位计和GPS接收器均与数据处理模块连接；本装置对于风向计在长期工作中由于各种原因发生的扭转现象，具有自动的修正能力。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电测风以及气象测风等技术领域，特别涉及一种自动校准真北的风向计系统及校准方法。
背景技术
近年来，我国风力发电建设取得了长足的发展，风力发电已经成为了继水力发电以后的第二大可在生能源电源。在风电场建设之前，要对目标地理位置进行风资源评估，以进一步根据风资源情况进行风力发电机组的机位布置和发电量评估，因此，风资源的测量对于风电场的建设支撑作用必不可少。目前常用的风资源测量方法是在目标风电场区域内布置若干几十米至上百米高的测风塔，并在测风塔上布置一系列风速风向传感器，进行长期的风资源观测。然而，这种方法在风向的测量中存在较多的问题，并导致风向的测量结果出现较大的偏差。如果风向测量结果不准，则不能准确评价风电场区域的主风向，进而对于风机位置排布产生误导，而最终导致风电场尾流效应加大，风电场建成以后，发电量将受影响。产生风向测量偏差的原因主要表现在，其一，测风塔上作业面狭小，施工安全风险极大，受安装工人的技术水平和认真程度影响较大，在风向计安装的时候，存在一定的对北偏差，并且该安装对北偏差不可控；其二，测风塔的测量时间很长，短则一年，长则三至五年，在长期运行中，受风吹、震动等的影响，风向计和测风塔本身会发生一定角度的扭转，而且该扭转角度存在不确定性，从而使风向计失去真北。因此，造成风向计测量偏差的主要原因是风向计的对北偏差，如果能够引入一种方法和设计，实时的测量出风向计的对北偏差，并用于风向计测量值的修正，将极大的提高风向计的测量精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自动校准真北的风向计系统及校准方法,解决了现有的风资源测量方法存在风向的测量结果出现较大的偏差的缺陷。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明提供的一种自动校准真北的风向计系统，包括风向计、太阳方位计、基座、GPS接收器和数据处理模块；其中，太阳方位计安装在基座上，风向计安装在太阳方位计上，风向计上安装有风向标；风向计、太阳方位计和GPS接收器均与数据处理模块连接。
优选地，太阳方位计包括遮光筒、进光口、反光镜、感光阵列、电刷、支杆、第一滑环、第二滑环和驱动装置，其中，遮光筒套装在用于带动遮光筒转动的驱动装置上，驱动装置套装在支杆上；
进光口开设在遮光筒的侧壁上，且沿其轴向方向开设；
反光镜和感光阵列均安装在遮光筒的内侧壁上；其中，进光口、反光镜和感光阵列均置于反射光光路上；
第一滑环和第二滑环均布置在遮光筒的底部，第一滑环的直径大于第二滑环的直径，第二滑环置于第一滑环的内圈中；
第一滑环和第二滑环分别与感光阵列上的两个电极连接；同时，第一滑环和第二滑环分别通过一个电刷与数据处理模块连接。
优选地，进光口为长条窄缝状结构。
优选地，感光阵列是由若干个感光元件组成的长条结构。
优选地，反光镜设置有三个，其中，三个反光镜呈等边三角形结构布置在遮光筒的内侧壁上；
三个反光镜中的一个反光镜置于进光口和感光阵列之间，另一个反光镜与进光口置于同一侧，且置于同一水平面上，剩余一个反光镜与感光阵列置于同一侧，且置于同一水平面上。。
优选地，感光阵列上设置有遮光板，所述遮光板上开设有长条孔。
优选地，驱动装置包括驱动电机、齿轮和轴承，其中，驱动电机的输出轴连接齿轮，齿轮和轴承啮合连接，轴承套装在支杆上，遮光筒套装在轴承上。
一种用于自动校准风向计真北的校准方法，基于一种自动校准真北的风向计系统，包括以下步骤：
通过风向计采集风向标转动的角度与北方零点Zero之间的差值Dri1，并把采集到的数据传输到数据处理模块上；
通过太阳方位计采集太阳当前的位置与北方零点Zero之间的角度Dri2，并把采集到的数据传输到数据处理模块上；
通过GPS接收器采集当前的标准时间和风向计安装位置的经纬度坐标，并把采集到的数据传输到数据处理模块上；
通过数据处理模块将接收到的数据进行处理，进而得到修正后的风向。
优选地，数据处理模块对接收到的数据进行处理的具体方法是：
首先，利用天文学公式计算出当前实际太阳方位角Dri3；
其次，根据当前实际太阳方位角Dri3和太阳方位计输出得到的当前太阳方位角Dri2，计算风向计的安装方向与实际正北方向之间的偏差值θ：
θ＝Dri3-Dri2
最后，利用该偏差值θ修正风向计输出的风向标转动的角度与北方零点Zero之间的差值Dri1，得到实际的修正后的风向Dri：
Dri＝Dri1+θ。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种自动校准真北的风向计系统，通过风向计采集风向标转动的角度与北方零点Zero之间的差值Dri1；太阳方位计采集太阳当前的位置与北方零点Zero之间的角度Dri2，GPS接收器采集实际的太阳方位角，之后对风向计采集到的数据进行修正，使风向计的测量结果更加准确。对于风向计的安装操作大大简化，可以省去常规风向计安装过程中精确对北的要求。对于风向计在长期工作中由于各种原因发生的扭转现象，具有自动的修正能力。
附图说明
图1是本发明的风向计系统结构图；
图2是太阳方位计的结构示意图；
图3是A、A视图；
图4是B、B视图；
图5是感光阵列传感器采集到的信号数据图；
其中，1、风向计 2、太阳方位计 3、基座 4、GPS定位授时器 5、数据处理器 6、进光口 7、反光镜 8、感光阵列 9、遮光板 10、电刷 11、轴承 12、支杆 13、齿轮 14、驱动电机15、第一滑环 16、遮光筒 17、第二滑环。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供的一种自动校准真北的风向计系统，包括风向计1、太阳方位计2、基座3、GPS接收器4和数据处理模块5；其中，风向计1和太阳方位计2安装在同一个基座3上，风向计1和太阳方位计2使用相同的对北方向。风向计1、太阳方位计2和GPS接收器4的输出信号都通过数据线连接至数据处理模块5，数据处理模块5对接收的到的数据进行实时的处理，并生成标准格式的数据。
风向计1用于采集风向标转动的角度与北方零点Zero之间的差值Dri1，并把采集到的数据传输到数据处理模块5上。
太阳方位计2用于采集太阳当前的位置与北方零点Zero之间的角度Dri2，并把采集到的数据传输到数据处理模块5上。
GPS接收器4用于采集当前的标准时间和风向计安装位置的经纬度坐标，并把采集到的数据传输到数据处理模块5上。
数据处理模块5用于接收数据信息，并把接收的数据进行处理，进而得到修正后的风向。
数据处理模块5对接收到的数据进行处理的具体方法是：
首先，利用天文学公式计算出当前实际太阳方位角Dri3；
其次，根据当前实际太阳方位角Dri3和太阳方位计2输出得到的当前太阳方位角Dri2，计算风向计1的安装方向与实际正北方向之间的偏差值θ：
θ＝Dri3-Dri2
最后，利用该偏差值θ修正风向计1输出的风向标转动的角度与北方零点Zero之间的差值Dri1，得到实际的修正后的风向Dri：
Dri＝Dri1+θ。
其中，太阳方位角计算公式如下：
cosDri＝(sinHs×sinφ-sinδ)÷(cosHs×cosφ)
其中，Hs表示太阳高度角，φ表示地理纬度，δ表示太阳赤纬。
太阳赤纬δ的计算公式如下：
δ(deg)＝0.006918-0.399912cos(b)+0.070257sin(b)-0.006758cos(2b)+0.000907sin(2b)-0.002697cos(3b)+0.00148sin(3b)
其中，b＝2π(N-1)/365，N是每年从1月1日起，距离计算日的天数；deg表示角度度数。
太阳高度角计算公式如下：
sinHs＝sinφ×sinδ+cosφ×cosδ×cost
其中，t表示时角，由真太阳时计算，真太阳时由当地经纬度坐标以及GPS授予的标准时间来计算得到。
t＝(真太阳时-12)×15°
其中，太阳方位计2的内部结构图如图2至图4所示，包括遮光筒16、进光口6、反光镜7、感光阵列8、遮光板9、电刷10、轴承11、支杆12、齿轮13、驱动电机14、第一滑环15和第二滑环17；其中，驱动电机14固定在支杆12上，且其输出轴连接齿轮13，齿轮13和遮光筒16底部的齿轮啮合连接；轴承11套装在支杆12上，遮光筒16套装在轴承11上，通过轴承11的转动带动遮光筒16的转动。
进光口6为长条窄缝，开设在遮光筒16的侧壁上，且沿其轴向方向开设。
感光阵列8是由若干个感光元件组成的长条结构，安装在遮光筒16的内侧壁上。
遮光板9为长条结构，设置在感光阵列8上，且遮光板9上开设有长条孔。
反光镜7设置有三个，安装位置如图3所示，其中，三个反光镜7呈等边三角形结构布置在遮光筒16的内侧壁上，且其镜面呈水平方向布置。
三个反光镜7中的一个反光镜置于进光口6和感光阵列8之间，再一个反光镜7与进光口6置于同一侧，且置于同一水平面上，剩余一个反光镜与感光阵列8置于同一侧。
其中，太阳光从进光口6射入遮光筒16内，且依次经过三个反光镜7的反射后，可以经过反光镜7的反射后穿过遮光板9上的长条孔，最终打在感光阵列8上。
第一滑环15的直径大于第二滑环17的直径；第一滑环15和第二滑环17均布置在遮光筒16的底部，且第二滑环17置于第一滑环15的内圈中。
第一滑环15和第二滑环17分别与感光阵列8的两个电极相连。
第一滑环15和第二滑环17均连接一个电刷10，所述电刷10与数据处理模块5连接。
两个滑环用于采集感光阵列8上的电信号，并把采集到的电信号传输到电刷10上，电刷10将接收到的电信号传输到数据处理模块5上。
数据处理模块5为80C51式通用型单片机。
实施例
工作参数和工作过程如下：
遮光筒16的转速为1r/min，由驱动电机14驱动；感光阵列8的采样频率1Hz。
当太阳方位计2的遮光筒16转动至进光口6对准太阳方位时，感光阵列8会被光线触发，感光阵列传感器采集到的信号数据如图5中所示，每一个峰值代表进光口6正对太阳方位角的时刻，数据处理模块5会对每一个波峰附近的数据进行拟合，确定峰值所对应的角度作为太阳方位计测量得到的角度，与此同时，记录下所对应的时间，结合当地的经纬度坐标，根据天文学原理计算出太阳方位角，利用太阳方位角与太阳方位计测量得到的角度做差，就得到了当时风向计的对北偏差，利用该对北偏差作为此时刻至下一时刻的所有的风向计测量值的修正。当太阳方位计转动，再一次测量太阳方位角并基于同样的原理再次得到新的对北偏差以后，风向计对北修正值进行刷新。
该系统只在有太阳的天气下运行，并且修正数据更新频率完全可以满足风向计修正的需求，对于阴雨天、雾霾天和夜晚，系统感光阵列8的传感器测量不到明显峰值信号，不刷新对北修正值，而采用前一次的对北修正值对风向计测量值进行持续修正。由于风向计安装以后，再次发生移动或扭转的量非常小，频率也很低，因此，风向计的对北修正值的刷新速度并不需要很高的频率，本发明在白天正常工作所测量得到的对北修正值足以满足对风向计对北修正的需求。
Claims (9)
1.一种自动校准真北的风向计系统，其特征在于，包括风向计(1)、太阳方位计(2)、基座(3)、GPS接收器(4)和数据处理模块(5)；其中，太阳方位计(2)安装在基座(3)上，风向计(1)安装在太阳方位计(2)上，风向计(1)上安装有风向标；风向计(1)、太阳方位计(2)和GPS接收器(4)均与数据处理模块(5)连接。
2.根据权利要求1所述的一种自动校准真北的风向计系统，其特征在于，太阳方位计(2)包括遮光筒(16)、进光口(6)、反光镜(7)、感光阵列(8)、电刷(10)、支杆(12)、第一滑环(15)、第二滑环(17)和驱动装置，其中，遮光筒(16)套装在用于带动遮光筒(16)转动的驱动装置上，驱动装置套装在支杆(12)上；
进光口(6)开设在遮光筒(16)的侧壁上，且沿其轴向方向开设；
反光镜(7)和感光阵列(8)均安装在遮光筒(16)的内侧壁上；其中，进光口(6)、反光镜(7)和感光阵列(8)均置于反射光光路上；
第一滑环(15)和第二滑环(17)均布置在遮光筒(16)的底部，第一滑环(15)的直径大于第二滑环(17)的直径，第二滑环(17)置于第一滑环(15)的内圈中；
第一滑环(15)和第二滑环(17)分别与感光阵列(8)上的两个电极连接；同时，第一滑环(15)和第二滑环(17)分别通过一个电刷(10)与数据处理模块(5)连接。
3.根据权利要求2所述的一种自动校准真北的风向计系统，其特征在于，进光口(6)为长条窄缝状结构。
4.根据权利要求2所述的一种自动校准真北的风向计系统，其特征在于，感光阵列(8)是由若干个感光元件组成的长条结构。
5.根据权利要求2所述的一种自动校准真北的风向计系统，其特征在于，反光镜(7)设置有三个，其中，三个反光镜(7)呈等边三角形结构布置在遮光筒(16)的内侧壁上，；
三个反光镜(7)中的一个反光镜置于进光口(6)和感光阵列(8)之间，另一个反光镜(7)与进光口(6)置于同一侧，且置于同一水平面上，剩余一个反光镜与感光阵列(8)置于同一侧，且置于同一水平面上。
6.根据权利要求2所述的一种自动校准真北的风向计系统，其特征在于，感光阵列(8)上设置有遮光板(9)，所述遮光板(9)上开设有长条孔。
7.根据权利要求2所述的一种自动校准真北的风向计系统，其特征在于，驱动装置包括驱动电机(14)、齿轮(13)和轴承(11)，其中，驱动电机(14)的输出轴连接齿轮(13)，齿轮(13)和轴承(11)啮合连接，轴承(11)套装在支杆(12)上，遮光筒(16)套装在轴承(11)上。
8.一种用于自动校准风向计真北的校准方法，其特征在于，基于权利要求1所述的一种自动校准真北的风向计系统，包括以下步骤：
通过风向计(1)采集风向标转动的角度与北方零点Zero之间的差值Dri1，并把采集到的数据传输到数据处理模块(5)上；
通过太阳方位计(2)采集太阳当前的位置与北方零点Zero之间的角度Dri2，并把采集到的数据传输到数据处理模块(5)上；
通过GPS接收器(4)采集当前的标准时间和风向计安装位置的经纬度坐标，并把采集到的数据传输到数据处理模块(5)上；
通过数据处理模块(5)将接收到的数据进行处理，进而得到修正后的风向。
9.根据权利要求8所述的一种用于自动校准风向计真北的校准方法，其特征在于，数据处理模块(5)对接收到的数据进行处理的具体方法是：
首先，利用天文学公式计算出当前实际太阳方位角Dri3；
其次，根据当前实际太阳方位角Dri3和太阳方位计(2)输出得到的当前太阳方位角Dri2，计算风向计(1)的安装方向与实际正北方向之间的偏差值θ：
θ＝Dri3-Dri2
最后，利用该偏差值θ修正风向计(1)输出的风向标转动的角度与北方零点Zero之间的差值Dri1，得到实际的修正后的风向Dri：
Dri＝Dri1+θ。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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