CN112326998A - 一种利用恒温式热线风速仪的风速测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种利用恒温式热线风速仪的风速测量系统及方法，属于风力发电技术领域。若干热线探针依次设置在风电机组任意一个叶片的叶根截面至叶尖截面的前缘中心线上；热线金属丝和环境温度传感器露出叶片表面，探针温度传感器与热线金属丝连接，探针温度传感器和环境温度传感器分别与数据处理单元连接，热线金属丝和数据处理单元分别与电流分流调节处理器连接，电流分流调节处理器分别与电流信号总接收器和电流源连接，电流信号总接收器通过通讯模块与数据接收与存储器连接。本发明结构设置合理，充分发挥了热线测速技术的优势，能够精确、实时和连续的测得风速数据，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种利用恒温式热线风速仪的风速测量系统及方法。
背景技术
过去10年，中国风电行业呈现快速发展的态势。随着风机技术的发展，单机设计容量较现阶段将有较大提升，其对应的叶片长度也将大幅增加。而大容量长叶片的风机机组的性能评估等，建立在风速准确测量的基础上。现阶段，通常在风电机组机舱上部安装风杯风速计，其测量风向数据用于风机偏航调整，但风杯风速计测量误差来源多，风速测量值误差较大，且测量风速为轮毂高度风速值，对于准确测量或计算风轮扫掠面内的风速分布作用有限。
由于风机叶片长度较大，例如2018年全球陆上风机与海上风机的平均风轮直径分别达到110m与148m。在如此大范围的风轮扫掠面积内，风速的高度与水平方向分布并非均匀，特别是高度方向。所以，若是依靠轮毂高度处的风速数据与风切变规律并不能反映风速度的分布特性，必然间接地影响到风能的利用率和风机性能的准确评估。若能准确测量并记录风轮扫掠面积上游近距离范围内风速的空间与时间分布，则能更有效且准确分析风机叶片的风能捕捉效率Cp，从而进行后续的优化设计与改造，进一步提升风电机组的效率。而实际上，在现阶段，整个风轮扫掠面积上风速在时间与空间维度上的分布测量并无行之有效的方式。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种利用恒温式热线风速仪的风速测量系统及方法，结构设计合理，能够精确、实时和连续的测得风速数据。
本发明通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种利用恒温式热线风速仪的风速测量系统，包括电流信号总接收器、通讯模块、电流分流调节处理器、电流源、数据处理单元、数据接收与存储器和若干热线探针；
若干热线探针依次设置在风电机组任意一个叶片的叶根截面至叶尖截面的前缘中心线上；热线探针包括热线金属丝、探针温度传感器和环境温度传感器；热线金属丝和环境温度传感器露出叶片表面，探针温度传感器与热线金属丝连接，探针温度传感器和环境温度传感器分别与数据处理单元连接，热线金属丝和数据处理单元分别与电流分流调节处理器连接，电流分流调节处理器分别与电流信号总接收器和电流源连接，电流信号总接收器通过通讯模块与数据接收与存储器连接。
优选地，热线探针还包括连接杆和两根固定在前缘中心线上的叉杆；叉杆垂直设置在前缘中心线所在叶片表面的外部，且两根叉杆互相平行，热线金属丝与两根叉杆固定连接；一根叉杆通过连接杆与电流分流调节处理器连接，另一根通过连接杆接地。
进一步优选地，两根叉杆外部包裹有保护罩，保护罩内填充有绝缘材料。
进一步优选地，叉杆与连接杆的材质为铜或银。
优选地，相邻热线探针的环形扫掠面积相等。
优选地，电流源的接地端依次经风机叶片、轮毂、机舱和塔筒后接地。
优选地，通讯模块为无线通讯模块。
本发明公开了采用上述利用恒温式热线风速仪的风速测量系统进行风速测量的方法，包括：
电流分流调节处理器将来自电流源的电流分流后输出至每个热线探针，热线金属丝通电流后发热，数据处理单元将探针温度传感器测得的探针温度数据和环境温度传感器测得的环境温度数据处理后发送至电流分流调节处理器，电流分流调节处理器预设有探针温度和环境温度的差值，电流分流调节处理器根据探针温度和环境温度差值的预设值和实测值，对热线探针的电流值进行调节，直至探针温度和环境温度的差值达到预设值；电流信号总接收器将热线探针的电流值经通讯模块发送至数据接收与存储器，数据接收与存储器根据热线探针的电流值结合经校准的电流值与风速的对应关系测得风速值。
优选地，根据测得的风速值，计算一个数据记录周期T内设有热线探针的叶片扫过的圆环区域的风动能为：
其中，ri为第i个热线探针所在扫掠面积的半径；n为风轮的转速；ui,w为第i个热线探针所在位置的风速；ρ为空气密度；
设有热线探针的叶片扫过一周时，数据记录周期的数量NT＝60/(nT)，整个风轮扫掠面积内的风动能为：
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的一种利用恒温式热线风速仪的风速测量系统，恒温式的热线探针通过调整加热电流使热线工作温度保持不变，在热线金属丝通电发热量(正比于电流的两次方)与金属丝/环境气流间的对流换热量(正比于温差和对流换热系数)达到平衡时，由于温差恒定，通电电流与对流换热系数(为风速的函数)呈直接对应关系。通过在风机叶片展向方向合适位置，如前缘中心线处上优化布置经校准的恒温式热线探针，记录下风机运行期间各测点的电流数据就能得到风速速度数据。本发明充分利用了热线敏感元件的几何尺寸小、热惯性小、响应频率高、可连续测量、空间分辨率高、对测量流场干扰小等突出优点，相比传统的毕托管或风杯风速计等测速手段更具有准确性、精确性、实时性与连续性等优点。
进一步地，热线金属丝通过叶片表面外部的叉杆进行固定，并通过连接杆作为连接导线，连接可靠。
更进一步地，叉杆外部包裹有保护罩，能够提高结构的稳定性并起到绝缘作用。
更进一步地，叉杆与连接杆选用电阻率较小的铜或银，能够减小非热线部分的导线发热对热线金属丝温度测量的影响，进一步减小测量误差。
进一步地，相邻热线探针的环形扫掠面积相等，方便于计算并对比每个环形扫掠面积内的风能，减少因热线探针分布设计引起的误差。
进一步地，电流源的接地端依次经风机叶片、轮毂、机舱和塔筒后接地，提高系统的安全性和稳定性。
进一步地，通讯模块采用无线通讯模块，减少布线，有效减少空间，数据传输高效。
本发明公开的采用上述利用恒温式热线风速仪的风速测量系统进行风速测量的方法，操作简单，充分发挥了热线测速技术的优势，能够精确、实时和连续的测得风速数据，具有良好的应用前景。
进一步地，根据测得的风速值，在风机有效偏航的前提下排除叶片自身旋转的速度部分，从而得到风电机组运行期间的输入风能数据，可为风机选择最优运行状态作为参考，亦可作为风电机组性能分析与提质增效可行性研究的更为准确的数据。
附图说明
图1为本发明的布置于风机叶片前缘中心线处装置结构示意图；
图2为本发明的单个热线探针的电路系统图；
图3为本发明的热线探针的结构示意图；
图4为本发明的N个热线探针的电路系统图。
图中：1-叶根截面；2-叶尖截面；3-叶片表面；4-叶片前缘；5-前缘中心线；6-电流信号总接收器；7-通讯模块；8-电流分流调节处理器；9-电流源；10-热线探针；11-热线金属丝；12-叉杆；13-数据处理单元；14-数据接收与存储器；15-保护罩；16-连接杆；17-第1个热线探针；18-第i个热线探针；19-第N个热线探针；20-探针温度传感器；21-环境温度传感器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述，其内容是对本发明的解释而不是限定：
如图1，本发明的利用恒温式热线风速仪的风速测量系统，选定通用的三叶片风电机组中的一个叶片及其连接轮毂用以布置安装N个恒温式热线探针及其附件，即恒温式热线风速仪，以下简称为热线探针10。
热线探针10的结构见图3，在两根平行的叉杆12上焊接热线金属丝11，叉杆12垂直安装于叶片的前缘中心线5所在曲面，裸露在叶片表面3外的叉杆12长度应参考叶片的大小等参数具体确定，应避免处于风流经叶片前缘4出现绕流后的速度变化区域，即保证在叶片无转动时热线金属丝11所处空间风速等同于来流风速。叉杆12的主体用保护罩15包裹，里面填充有绝缘材料。叉杆12通过连接杆16紧密安装在叶片表面3上。叉杆12与连接杆16材料选择为小电阻率的金属铜或银，在连接固定的同时，又可作为热线金属丝11的连接导线。
热线探针10采用恒温式热线探针，其内部设置有两个温度感应器，其中一个为探针温度感应器20，用于测量热线金属丝11本体的温度，另一个为环境温度感应器21，用于测量风的温度。由于风机叶片旋转速度较慢，可忽略空气流经叶片时的温度变化，即认为风温不变。
热线金属丝11工作电流由电流源9提供，电流源9安装于轮毂中，其输出电流可变，经电流分流调节处理器8分割成N个电流，用以加热N个对应的热线金属丝11。电流源9的接地端经过叶片内部、轮毂、机舱与塔筒，做接地处理。
由于在热线探针10上布置有探针温度感应器20和环境温度感应器21，这两个感应器直接连接至对应的数据处理单元13，用以数字化处理所测量的温度值并计算探针温度与环境温度的差值。该温度差值被返回发送至电流分流调节处理器8中对应的通道，电流分流调节处理器8判断该温度差值是否等同于校准设定的固定温度差值，并对应调整加热电流。如果返回的温度差值低于设定温度差值，则升高加热电流，反之则降低加热电流，直至热线金属丝11与环境的温差等于设定温差。由于热线探针10响应时间较短，该反馈调整可以在很短的时间内完成，该调整时间并不会影响到风速的测量与记录。
如图2，在电流分流调节处理器8中，每个电流通道除了输出电流和接受返回的温差信号，还具有加热电流值输出接口，该接口与安装在轮毂中的电流信号总接收器6连接。电流信号总接收器6收集了N个热线探针10对应的电流值信号后，通过通讯模块7将这些信号传输至布置于风机机舱或是塔筒底部的数据接收与储存器14，通讯模块7优选无线通讯模块，该数据可以并入风电机组的SCADA数据系统或单独计算分析，每一个数据结合校准后的电流与风速对应关系可直接推算出风速。
至于热线探针10的具体数量N，可结合叶片的具体长度及风场的风布置状况等确定。整套装置的第1个热线探针17布置于靠近叶根截面1的前缘中心线5上，第N个探针19靠近叶尖截面2的前缘中心线5上，余下的(N-2)个探针依次布置于第1个热线探针17与第N个热线探针19间的前缘中心线5上，原则是每2个相邻热线探针10的环形扫掠面积相同(见下式)。
其中，ri为第i个热线探针所在扫略圆的半径，1≤i≤N。每个热线探针10可参数上述的方式进行布置与安装，参考图1与图4。
由于热线探针10远小于风机叶片的尺寸，N个热线探针10的布置对风机运行时的流场影响可以忽略，即可将热线探针10所测量的风速认为是风机的叶片前缘4前方的速度。该速度含有两个部分，第一部分是来流速度，由于偏航系统的作用，可认为风总是垂直于风轮扫掠面积；第二部分是热线探针10随叶片在扫掠面积内的旋转速度。这两个速度相互垂直，其合成的速度即为热线探针所测得的风速，如下所示。
其中，ui,m为第i个热线探针所在位置的测量风速；ui,w为第i个热线探针所在位置的风速；w为风轮的圆周速度，rad/s；ri为第i个热线探针18所在扫掠面积内的半径。
得到了各个测点的风速值，可近似认为在温度信号记录的每一个周期T(时间间隔)内，各个热线探针10所经过圆环区域的风速保持一致。即在一个信号记录周期T内，布置有热线探针10的叶片扫过的圆环区域的风动能为：
其中，ri为第i个热线探针18所在扫掠面积内的半径，m；n为风轮的转速，圈/min；ui,w为第i个热线探针所在位置的风速，m/s；ρ为空气密度，kg/m3。
当布置有热线探针10的叶片扫过一周，在此时间内，数据记录周期的数量NT＝60/(nT)。在硬件等能力允许前提下，应将记录频率设置得小一些，以提升数据的准确性。整个风轮扫掠面积内的风动能用下述公式计算，即认为扫掠面积内的风速分布在叶轮旋转一圈的时间内保持不变，在风机的长时间实际运行中，该处理方式得到了可靠验证。
在风电机组偏航系统正常运行的前提下，风速方向与风轮扫掠面垂直。通过N个热线探针10的数据记录与处理，可以定量得到风机运行期间流经风轮扫掠面内的风动能总量，结合该时间内风机的发电量，可更为准确地统计计算风机的总体风能捕捉效率Cp；也可以提取不同风速时间段内的风速数据，结合机组发电量，用以评估风机叶片在不同风速范围内风能捕捉效率Cp的变化规律。该方法可为风机选择最优运行状态提供数据支持，且对于风机叶片的优化设计与提质增效改造前期分析研究具有较大的指导价值。
需要说明的是，以上所述仅为本发明实施方式的一部分，根据本发明所描述的系统所做的等效变化，均包括在本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种利用恒温式热线风速仪的风速测量系统，其特征在于，包括电流信号总接收器(6)、通讯模块(7)、电流分流调节处理器(8)、电流源(9)、数据处理单元(13)、数据接收与存储器(14)和若干热线探针(10)；
若干热线探针(10)依次设置在风电机组任意一个叶片的叶根截面(1)至叶尖截面(2)的前缘中心线(5)上；热线探针(10)包括热线金属丝(11)、探针温度传感器(20)和环境温度传感器(21)；热线金属丝(11)和环境温度传感器(21)露出叶片表面，探针温度传感器(20)与热线金属丝(11)连接，探针温度传感器(20)和环境温度传感器(21)分别与数据处理单元(13)连接，热线金属丝(11)和数据处理单元(13)分别与电流分流调节处理器(8)连接，电流分流调节处理器(8)分别与电流信号总接收器(6)和电流源(9)连接，电流信号总接收器(6)通过通讯模块(7)与数据接收与存储器(14)连接。
2.根据权利要求1所述的利用恒温式热线风速仪的风速测量系统，其特征在于，热线探针(10)还包括连接杆(16)和两根固定在前缘中心线(5)上的叉杆(12)；叉杆(12)垂直设置在前缘中心线(5)所在叶片表面的外部，且两根叉杆(12)互相平行，热线金属丝(11)与两根叉杆(12)固定连接；一根叉杆(12)通过连接杆(16)与电流分流调节处理器(8)连接，另一根通过连接杆(16)接地。
3.根据权利要求2所述的利用恒温式热线风速仪的风速测量系统，其特征在于，两根叉杆(12)外部包裹有保护罩(15)，保护罩(15)内填充有绝缘材料。
4.根据权利要求2所述的利用恒温式热线风速仪的风速测量系统，其特征在于，叉杆(12)与连接杆(16)的材质为铜或银。
5.根据权利要求1所述的利用恒温式热线风速仪的风速测量系统，其特征在于，相邻热线探针(10)的环形扫掠面积相等。
6.根据权利要求1所述的利用恒温式热线风速仪的风速测量系统，其特征在于，电流源(9)的接地端依次经风机叶片、轮毂、机舱和塔筒后接地。
7.根据权利要求1所述的利用恒温式热线风速仪的风速测量系统，其特征在于，通讯模块(7)为无线通讯模块。
8.采用权利要求1～7任意一项所述利用恒温式热线风速仪的风速测量系统进行风速测量的方法，其特征在于，包括：
电流分流调节处理器(8)将来自电流源(9)的电流分流后输出至每个热线探针(10)，热线金属丝(11)通电流后发热，数据处理单元(13)将探针温度传感器(20)测得的探针温度数据和环境温度传感器(21)测得的环境温度数据处理后发送至电流分流调节处理器(8)，电流分流调节处理器(8)预设有探针温度和环境温度的差值，电流分流调节处理器(8)根据探针温度和环境温度差值的预设值和实测值，对热线探针(10)的电流值进行调节，直至探针温度和环境温度的差值达到预设值；电流信号总接收器(6)将热线探针(10)的电流值经通讯模块(7)发送至数据接收与存储器(14)，数据接收与存储器(14)根据热线探针(10)的电流值结合经校准的电流值与风速的对应关系测得风速值。
9.根据权利要求8所述的采用利用恒温式热线风速仪的风速测量系统进行风速测量的方法，其特征在于，根据测得的风速值，计算一个数据记录周期T内设有热线探针(10)的叶片扫过的圆环区域的风动能为：
其中，ri为第i个热线探针所在扫掠面积的半径；n为风轮的转速；ui,w为第i个热线探针所在位置的风速；ρ为空气密度；
设有热线探针(10)的叶片扫过一周时，数据记录周期的数量NT＝60/(nT)，整个风轮扫掠面积内的风动能为：
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