[發(fā)明專利]光纖光柵式風(fēng)電場風(fēng)速遠程檢測儀

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010135453.7
• 申請日: 2010-03-30
• 公開（公告）號: CN101833014A
• 公開（公告）日: 2010-09-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 倪家升;王昌;趙維崧;于光義;趙燕杰;王黔
• 申請（專利權(quán)）人: 山東省科學(xué)院激光研究所
• 主分類號: G01P5/26
• 分類號: G01P5/26
• 代理公司: 濟南舜源專利事務(wù)所有限公司 37205
• 代理人: 曲志波

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明專利涉及一種風(fēng)速檢測裝置，尤其涉及一種應(yīng)用光纖光柵技術(shù)實現(xiàn)的遠程風(fēng)速在線檢測系統(tǒng)。

背景技術(shù)

能源與環(huán)境問題已經(jīng)成為全球可持續(xù)發(fā)展所面臨的主要問題，日益引起國際社會的廣泛關(guān)注并尋求積極的對策。風(fēng)能是一種可再生、無污染的綠色能源，是取之不盡、用之不竭的，而且儲量十分豐富。據(jù)估計，全球可利用的風(fēng)能總量在53000TW·h/年。風(fēng)能的大規(guī)模開發(fā)利用，將會有效減少石化能源的使用、減少溫室氣體排放、保護環(huán)境。大力發(fā)展風(fēng)能已經(jīng)成為各國政府的重要選擇。

在建設(shè)風(fēng)電場前，首先要對選址地區(qū)進行一年以上的風(fēng)速檢測以確定是否具有較強的風(fēng)能資源、全年風(fēng)場情況、風(fēng)速變化情況等信息，根據(jù)這些信息才能確定是否有必要建風(fēng)電場以及設(shè)計風(fēng)電場的裝機容量等。可見，對風(fēng)場的風(fēng)速進行準(zhǔn)確快速檢測，對于風(fēng)力發(fā)電的設(shè)計以及提高風(fēng)力發(fā)電效率非常關(guān)鍵，另外，只有在風(fēng)速為5m/s至25m/s時才是有效的發(fā)電風(fēng)速，低于5m/s的風(fēng)無法有效利用，高于25m/s的風(fēng)容易對引起機電設(shè)備的破壞，目前采取的處理措施為停機保護，可見，風(fēng)速檢測對于風(fēng)力發(fā)電安全控制也十分重要。

然而，風(fēng)電場選址往往在沙漠、沿海等偏遠地區(qū)，電力、交通等設(shè)施都不健全，因此在風(fēng)速檢測裝置安裝時必須考慮到布線、遠程檢測問題，傳感器安裝受到最大的制約也是地理位置以及供電等問題。目前國內(nèi)針對風(fēng)速檢測的電子產(chǎn)品研究比較多，但是這些產(chǎn)品依賴于供電、太陽能等，信號傳輸、抗干擾能力和長期穩(wěn)定性也存在難以克服的問題。

目前常用風(fēng)速風(fēng)向檢測手段有：畢托管測風(fēng)速、熱線熱膜測風(fēng)速風(fēng)向、超聲波測風(fēng)速風(fēng)向、機械式傳感器測風(fēng)速風(fēng)向等。

1、畢托管是一種國際上通用的風(fēng)速測試方法。它的作用是將風(fēng)速轉(zhuǎn)變?yōu)閴翰睿ㄟ^測量總壓靜壓之差求得風(fēng)速。

2、熱線熱膜測風(fēng)速。熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器表面經(jīng)過加熱，中心溫度高于環(huán)境一定數(shù)值，在風(fēng)吹過傳感器表面時，會對表面不均勻冷卻。傳感器表面在風(fēng)向的上下游產(chǎn)生一個溫度梯度。通過測量中心對稱點處的溫差來決定風(fēng)速的大小。基于熱偶的二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器采用多晶硅加熱元件以及熱電堆作為測溫元件。通過測量水平和垂直方向上的對稱溫差能夠同時得到風(fēng)速和風(fēng)向信息。

3、超聲波測風(fēng)速。超聲波測風(fēng)速是利用超聲波在空氣中傳播速度受風(fēng)的影響來測量風(fēng)速的。若在風(fēng)場中沿X方向平行放置兩對超聲換能器，T1，T2為發(fā)射，R1，R2為接收，它們相距為L，如圖6所示，只要測出某方向上順逆風(fēng)條件下，從向發(fā)射器施加激勵脈沖起，到接收器收到第一個脈沖時超聲傳播時間，就可得到該方向上的風(fēng)速。再根據(jù)矢量合成原理，最終可得到總的風(fēng)速、風(fēng)向。

4、機械式傳感器測風(fēng)速。風(fēng)向感應(yīng)器為單板風(fēng)標(biāo)。當(dāng)風(fēng)標(biāo)轉(zhuǎn)動時帶動七位格雷碼盤。由于格雷碼盤的每一位上面都裝有發(fā)光二極管，所以在風(fēng)向變化時，裝在碼盤下面的光敏三極管就處于導(dǎo)通或截止?fàn)顟B(tài)。通過輸出一個七位格雷碼數(shù)字得到相應(yīng)的風(fēng)向，分辨率為2.8125度。

風(fēng)速傳感器有杯形和翼形兩種。風(fēng)杯風(fēng)速計感應(yīng)部分一般由三個半球形或拋物錐形空心杯殼組成，杯殼固定在互成120度的三叉型支架上。杯的凹面順著一個方向排列，整個橫臂架固定在一根垂直的旋轉(zhuǎn)軸上。在風(fēng)力作用下風(fēng)杯受到扭力矩的作用而開始旋轉(zhuǎn)，它的轉(zhuǎn)速和風(fēng)速成一定的關(guān)系。當(dāng)風(fēng)杯轉(zhuǎn)動時，通過多齒轉(zhuǎn)盤下面的光敏三極管狀態(tài)就能得到與風(fēng)杯轉(zhuǎn)速成正比的頻率信號，經(jīng)換算即可得出實際風(fēng)速值。

然而以上檢測方式都有很大的弊端，畢托管式對狂風(fēng)測不準(zhǔn)，儀器本身對流場會產(chǎn)生擾動，全壓孔需正對風(fēng)向，不利于測量自然風(fēng)，不能遠程監(jiān)測；熱膜熱偶式傳感器在高風(fēng)速時誤差明顯增大，用溫度測量相應(yīng)時間較長，三角函數(shù)法測量風(fēng)向，受風(fēng)速大小影響，而且也不能遠程監(jiān)測；超聲波法檢測風(fēng)速優(yōu)點是無慣性測量，但是信號較弱，大風(fēng)造成信號大幅度衰減，逆風(fēng)信號捕捉困難，也不能遠程檢測；機械式檢測，線性關(guān)系好，抗強風(fēng)能力強，響應(yīng)快、精度好，但是怕雷擊和電磁干擾，遠程檢測時需要中繼站和供電措施，不利于遠程檢測。

發(fā)明內(nèi)容

本設(shè)計方案利用光纖傳感器技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢，研究和開發(fā)一種全光纖的遠程風(fēng)速檢測裝置，該裝置傳感器無須供電，能夠?qū)崿F(xiàn)遠程在線檢測，靈敏度高，工作穩(wěn)定可靠，不受現(xiàn)場的電磁干擾，并建立數(shù)據(jù)庫，形成一套風(fēng)場風(fēng)速遠程在線檢測系統(tǒng)。對風(fēng)力發(fā)電風(fēng)場進行無需供電、無需中繼站的遠程在線檢測，同時采用波分復(fù)用技術(shù)實現(xiàn)多組探頭串聯(lián)檢測。