对射式超声波测风仪

邵宝福

摘要：机械式测风仪是一种应用比较范围广泛的测风传感器，但在一些风沙较大的地区，尤其是一些土壤刚刚开始沙漠化的地区，细小的沙尘颗粒会通过传感器的轴承密封进入到轴承内部，导致风向风速测量偏差，影响机组发电量。那么如何可以很好的解决这一问题呢？今天我就给大家介绍一种基于超声波传播原理的测风仪。

关键词： 通力发电、超声波测风仪、偏航系统

在风力发电机组中，为了让机组可以感知风向和风速的实时变化情况，利用超声波在空气中传播速度会受到风速影响的特性而制成的传感器称为对射式超声波测风仪。当机组主控接收到来自于该传感器采集到的风向、风速变化后，会根据当前机组的运行状态，对机组内部的执行机构进行调节，最大程度的提高风能捕获能力。

Thies超声波传感器包括了超声波发送器、接收器、处理单元、接线端口（输出）、加热器等部分组成。整体采用全密封结构，没有旋转部件，不受细小沙粒、盐雾的影响。

超声波发送器：负责发出超声波信号。

超声波接收器：负责接收超声波信号

处理单元：负责超声波信号收发的控制及内部计算。

接线端口：将处理单元计算的风向、风速结果通过该接线端口送到PLC。

加热器：保证在低温雨雪天气传感器的正常工作。

超声波测风仪的安装非常重要，以额定功率为2MW，年等效满发小时数为2000小时的风机为例，如果超声波传感器的安装初始角度存在5度偏差，每小时的电量损失是7.6度电，一年累积电量损失理论上会达到15000度电，长期运行可能会引起叶片承受更大的风载荷，在影响发电量的同时还可能威胁到机组的安全稳定运行，所以对于该传感器的安装应该引起重视。现场更换Thies对射式超声波测风仪时，具有红色标识的一端朝向机舱尾部。利用激光测量仪，确保经过AB两点确定的激光束与机舱外壳上的E点可以重合，这样可以最大程度的减小由于安装误差导致的风能损失。

（一）超声波信号的产生与提取

超聲波的产生利用了压电效应元件的特性，当输入电压U1施加到压电元件发射器上，将造成该元件弯曲，A1点移动到A2位置，当施加连续的脉冲信号U1，发射器表面就会不断的发生振动，从而产生超声波。同时这个效应是可逆的，只要压电元件受到振动，也就是说外界的脉冲式超声波信号冲击到压电元件表面，接收器表面也会发生形变，B1点移动到B2位置，得到相应的脉冲电压U2，。经过了这样的过程，就完成了超声波信号的产生与提取。

（二）风速影响下的超声波信号传输

如上图5所示。首先在无风的工况下，在处理单元的控制下，驱动发射器发出超声波信号，接收器收到振动信号后，将振动信号转化为数字脉冲信号回传给处理单元，。当风速从无到有，逐渐增大的过程中，风速的水平分量VX与超声波水平方向的传播方向一致，则会从A点到B点的传播速度逐渐加快。相反，如右图所示，风速的水平分量VX与超声波水平方向的传播方向相反，从A点到B点的传播速度会逐渐减慢。同理，Y轴方向的超声波的传播速度也会逐渐的加快和减慢。

（三）性能对比

除了基于对射式超声波测风仪之外，目前风电领域的测风仪还有机械式、共振式超声波、激光雷达式这三大类，在特定的应用场合，每种类型的测风仪都有其优势。从价格角度来看，机械式测风仪最低，激光雷达最高。从具有遥测功能来看，只有激光雷达可以测量风轮前几十米到几百米的区域内的风速，有利于控制机组安全稳定运行。在浓雾天气下，机械式测风仪性能最优。冬雨严重地区，则激光雷达具有较大优势。从应用普遍程度来看，共振式超声波和机械式测风仪应用最为广泛。对射式超声波测风仪，从以上指标来看，都处于中等水平上。

本文介绍了超声波测风仪的构成、安装的注意事项。对超声波信号的产生与提取，超声波受风速影响的工作原理进行了详细介绍，并对常见类型的测风仪优缺点进行了对比。