CN201697932U - 风力发电机组的电容式风速风向仪 - Google Patents

Abstract

一种风力发电机组的电容式风速风向仪，包括支架、风速风向传感器、信号预处理电路和风速风向测量器，所述风速风向传感器包括四个相互正交的电容器，所述电容器包括支撑体、引出电极、固定极板和用以当受到风的压力方向会产生弯曲和形变的可动极板，所述固定极板和可动极板正对，所述可动极板和固定极板均安装在所述支撑体上，所述支撑体安装在支架上，四个电容器均与信号预处理电路连接，所述信号预处理电路与所述风速风向测量器连接，所述风速风向测量器包括用以测量四个电容器输出的电容值得到东西和南北两个方向的风速，并将两个方向的风速合成得实际风速的大小和方向的智能测量模块。本实用新型可靠性良好、精度高和安装方便。

Description

风力发电机组的电容式风速风向仪

技术领域

本实用新型属于一种风力发电机组的风速风向仪。

背景技术

风力发电机组是把空气的动能转化为电能的一种机器。大型风力发电机组目前均具备偏航及变桨功能，风速风向仪是采集风速及风向等信息的仪器，控制系统根据风速风向仪采集到的信号进行判断，控制偏航驱动及变桨驱动分别将机舱和桨叶转动到合适位置。

当风速达到一定数值后，控制系统发出起动信号，风机处于发电状态。若风速超出风机正常工作范围，则控制系统发出停机信号，风机处于空转或静止状态。由于风向的变化性，控制系统会根据传送过来的风速信号进行偏航，实现风轮的准确对风。风速风向仪是风力发电机组中的小而重要的部件。

风速风向仪的总体种类可分为：机械式和超声波式。机械式风速风向仪的风速仪与风向仪是两者分离的，结构简单、价格低廉是其最大优点。最大缺点是有机械旋转件，存在磨损损耗，易被风沙侵蚀，易受冰冻、雨雪等干扰，需定期维护。超声波式风速风向仪的最大优点是无机械式的摩擦损耗带来的一系列缺点。但与生俱来的缺点是尺寸大、不易加热、易结冰，同时易受雨、雪、雹、霜、雾、沙尘等障碍物影响。

发明内容

为了克服现有的风力发电机组的风速风向仪的可靠性差、精度低、安装不方便的不足，本实用新型提供一种可靠性良好、精度高和安装方便的风力发电机组的电容式风速风向仪。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种风力发电机组的电容式风速风向仪，包括支架、风速风向传感器、信号预处理电路和风速风向测量器，所述风速风向传感器包括四个相互正交的电容器，所述电容器包括支撑体、引出电极、固定极板和用以当受到风的压力方向会产生弯曲和形变的可动极板，所述固定极板和可动极板正对，所述可动极板和固定极板均安装在所述支撑体上，所述支撑体安装在支架上，四个电容器均与信号预处理电路连接，所述信号预处理电路与所述风速风向测量器连接，所述风速风向测量器包括用以测量四个电容器输出的电容值得到东西和南北两个方向的风速，并将两个方向的风速合成得实际风速的大小和方向的智能测量模块。

进一步，所述支架安装在导流罩上。

本实用新型的技术构思为：用电测法测量非电学量时，必须将电容变换器为无源变换器，需要将所测力学量转换成电压或电流后进行放大和处理。传感器包括四个相互正交的电容器，每个电容器均由可动极板、固定极板、支撑体和引出电极构成。可动极板、固定极板和支撑体为MEMS体Micro Electro Mechanical Systems)硅工艺制作的微结构，可动极板和固定极板构成电容器的两个电极，可动极板悬空于玻璃衬底上表面，是电容器的敏感结构。支撑体和固定极板固置于玻璃衬底的上表面，支撑体为可动极板提供固定支撑并和引出电极相连接，玻璃衬底为整个传感器的支撑结构。相对于其它类型传感器，电容传感器具有以下优点：

a)测量范围大：其相对变化率可超过100％；

b)灵敏度高：相对变化量可达7～10数量级；

c)动态响应快：可动质量小，固有频率高，既适宜动态测量也可以静态测量；

d)稳定性好：极板为金属材料，极板间衬物为无机材料，可以在高温、低温、强磁场、强辐射下长期工作，尤其是高温高压环境。

本实用新型的有益效果主要表现在：可靠性良好、精度高和安装方便。

附图说明

图1是电容传感器的工作原理示意图。

图2是本实用新型的风速风向仪的工作原理图。

图3是本实用新型的风速风向仪的安装位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。

参照图1～图3，一种风力发电机组的电容式风速风向仪，包括支架、风速风向传感器、信号预处理电路和风速风向测量器，所述风速风向传感器包括四个相互正交的电容器，所述电容器包括支撑体、引出电极、固定极板和用以当受到风的压力方向会产生弯曲和形变的可动极板1，所述固定极板和可动极板1正对，所述可动极板1和固定极板均安装在所述支撑体上，所述支撑体安装在支架上，四个电容器均与信号预处理电路连接，所述信号预处理电路与所述风速风向测量器连接，所述风速风向测量器包括用以测量四个电容器输出的电容值得到东西和南北两个方向的风速，并将两个方向的风速合成得实际风速的大小和方向的智能测量模块。

所述支架安装在导流罩2上。

本实施例的新型风速风向仪由电容传感器、信号处理电路、CPU和数据存储器等组成。

当传感器位于空气流场中时，可动极板形成一个阻流体，空气液体的流动会在阻流体上产生压力，而压力的大小则取决于风速的大小和方向。可动极板沿着压力的方向会产生弯曲和形变，弯曲和形变的程度取决于压力的大小，可动极板的弯曲和形变引起电容器极板间距的变化，从而引起传感器输出电容的变化。当有风吹过传感器时，其可以分解为东西和南北两个方向，通过测量电容器输出的电容值可以得到东西和南北两个方向的风速，将两个方向的风速合成，即可得实际风速的大小和方向。

平行板电容器的电容为：

$C=\frac{\mathrm{\ϵS}}{d_0}---\left(1\right)$

式中，C为平行板的电容，S为可动极固定极板的相对面积，d₀是风速为零时极板和固定极板的间距，ε为二极板间介质的介电常数，在此，极板间的介质为空气。

$\mathrm{dF}\left(x\right)=\frac{1}{2}{C}_D\mathrm{\ρ}{u}^2\left(x\right)\mathrm{hdx}---\left(2\right)$

式中，F(x)为绕流阻力沿可动极板长度方向的分布函数，C_D是绕流阻力因数，其数值与雷诺数以及阻流体的形状有关，ρ是空气的密度，u(x)为风速沿可动极板长度方向的分布函数，h为可动极板的高度。

若w(x)为可动极板沿其长度方向上的挠度分布函数，可动极板在受到沿其长度方向分布的绕流阻力F(x)时，由弹性力学中的悬臂梁的挠度可得：

$\mathrm{dw}\left(x\right)=\frac{x^2}{6\mathrm{EJ}}(x-3L)\mathrm{dF}\left(x\right)---\left(3\right)$

式中，L为可动极板的长度，E为可动极板板材料的杨氏模量，J为可动极板的截面惯性矩，其大小取决于可动极板的高度和厚度，由(2)、(3)可知，当空气以速度u(x)吹向可动极板时，可动极板沿其长度方向的挠度分布函数为：

$w\left(x\right)=\frac{C_D\mathrm{\ρh}}{12\mathrm{EJ}}{\∫}_0^x{u}^2\left(x\right)x^2(x-3L)\mathrm{dx}---\left(4\right)$

即二极板间电容的变化由式(4)决定：

$\mathrm{dC}\left(x\right)=\mathrm{\ϵh}\frac{\mathrm{dx}}{d_0-w\left(x\right)}---\left(5\right)$

综合(4)、(5)可得

$C=\mathrm{\ϵh}{\∫}_0^L\frac{\mathrm{dx}}{d_0-\frac{C_D\mathrm{\ρh}}{12\mathrm{EJ}}{\∫}_0^x{u}^2\left(x\right)x^2(x-3L)\mathrm{dx}}---\left(6\right)$

若认为u(x)在微波区域内为常量时，可以得到风速为u时可动极板和固定极板间的电容，为：

$C=\mathrm{\ϵh}{\∫}_0^L\frac{\mathrm{dx}}{d_0-\frac{C_D\mathrm{\ρh}{u}^2}{12\mathrm{EJ}}{\∫}_0^x{x}^2(x-3L)\mathrm{dx}}---\left(7\right)$

由(4)得，可动极板因绕流阻力而产生的厚度方向上的挠度为：

$w\left(x\right)=\frac{C_D\mathrm{\ρh}}{12\mathrm{EJ}}{\∫}_0^x{u}^2\left(x\right)x^2(x-3L)\mathrm{dx}---\left(8\right)$

可动极板自身的重力G为：

G＝ρ_板Lhtg(9)

可动极板由于策略而产生的高度方向上的挠度为

$w\left(x\right)=\frac{\mathrm{GL}}{2\mathrm{EJ}}{x}^2(1-\frac{x}{3L})---\left(10\right)$

若南北方向的网速值为u_ns，东西方向的风速值为u_ew，则实际风速为：

$u=\sqrt{{u_{\mathrm{ns}}}^2+{u_{\mathrm{ew}}}^2}---\left(11\right)$

风向角度值为：

$\mathrm{\θ}=(N-1)\frac{\mathrm{\π}}{2}+\arctan \left(\frac{u_{\mathrm{ns}}}{u_{\mathrm{ew}}}\right)---\left(12\right)$

空气以风向角θ在任何流动时，都有两个正交的电容器来风向，并且在这两个正交电容器由于可动极板受到绕流阻力作用而使极板间距变小，输出电容值增大，以此原理及上式即测得风速及风速的变化。

新型风速风向仪3安装在导流罩2顶部，这样就可从根本上避免因装在机舱罩顶部所带来的风速风向测量偏差。

Claims (2)

1.一种风力发电机组的电容式风速风向仪，其特征在于：所述电容式风速风向仪包括支架、风速风向传感器、信号预处理电路和风速风向测量器，所述风速风向传感器包括四个相互正交的电容器，所述电容器包括支撑体、引出电极、固定极板和用以当受到风的压力方向会产生弯曲和形变的可动极板，所述固定极板和可动极板正对，所述可动极板和固定极板均安装在所述支撑体上，所述支撑体安装在支架上，四个电容器均与信号预处理电路连接，所述信号预处理电路与所述风速风向测量器连接，所述风速风向测量器包括用以测量四个电容器输出的电容值得到东西和南北两个方向的风速，并将两个方向的风速合成得实际风速的大小和方向的智能测量模块。

2.如权利要求1所述的风力发电机组的电容式风速风向仪，其特征在于：所述支架安装在导流罩上。

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