[发明专利]光纤光栅式风电场风速远程检测仪

说明书

技术领域

本发明专利涉及一种风速检测装置，尤其涉及一种应用光纤光栅技术实现的远程风速在线检测系统。

背景技术

能源与环境问题已经成为全球可持续发展所面临的主要问题，日益引起国际社会的广泛关注并寻求积极的对策。风能是一种可再生、无污染的绿色能源，是取之不尽、用之不竭的，而且储量十分丰富。据估计，全球可利用的风能总量在53000TW·h/年。风能的大规模开发利用，将会有效减少石化能源的使用、减少温室气体排放、保护环境。大力发展风能已经成为各国政府的重要选择。

在建设风电场前，首先要对选址地区进行一年以上的风速检测以确定是否具有较强的风能资源、全年风场情况、风速变化情况等信息，根据这些信息才能确定是否有必要建风电场以及设计风电场的装机容量等。可见，对风场的风速进行准确快速检测，对于风力发电的设计以及提高风力发电效率非常关键，另外，只有在风速为5m/s至25m/s时才是有效的发电风速，低于5m/s的风无法有效利用，高于25m/s的风容易对引起机电设备的破坏，目前采取的处理措施为停机保护，可见，风速检测对于风力发电安全控制也十分重要。

然而，风电场选址往往在沙漠、沿海等偏远地区，电力、交通等设施都不健全，因此在风速检测装置安装时必须考虑到布线、远程检测问题，传感器安装受到最大的制约也是地理位置以及供电等问题。目前国内针对风速检测的电子产品研究比较多，但是这些产品依赖于供电、太阳能等，信号传输、抗干扰能力和长期稳定性也存在难以克服的问题。

目前常用风速风向检测手段有：毕托管测风速、热线热膜测风速风向、超声波测风速风向、机械式传感器测风速风向等。

1、毕托管是一种国际上通用的风速测试方法。它的作用是将风速转变为压差，通过测量总压静压之差求得风速。

2、热线热膜测风速。热式风速风向传感器表面经过加热，中心温度高于环境一定数值，在风吹过传感器表面时，会对表面不均匀冷却。传感器表面在风向的上下游产生一个温度梯度。通过测量中心对称点处的温差来决定风速的大小。基于热偶的二维风速风向传感器采用多晶硅加热元件以及热电堆作为测温元件。通过测量水平和垂直方向上的对称温差能够同时得到风速和风向信息。

3、超声波测风速。超声波测风速是利用超声波在空气中传播速度受风的影响来测量风速的。若在风场中沿X方向平行放置两对超声换能器，T1，T2为发射，R1，R2为接收，它们相距为L，如图6所示，只要测出某方向上顺逆风条件下，从向发射器施加激励脉冲起，到接收器收到第一个脉冲时超声传播时间，就可得到该方向上的风速。再根据矢量合成原理，最终可得到总的风速、风向。

4、机械式传感器测风速。风向感应器为单板风标。当风标转动时带动七位格雷码盘。由于格雷码盘的每一位上面都装有发光二极管，所以在风向变化时，装在码盘下面的光敏三极管就处于导通或截止状态。通过输出一个七位格雷码数字得到相应的风向，分辨率为2.8125度。

风速传感器有杯形和翼形两种。风杯风速计感应部分一般由三个半球形或抛物锥形空心杯壳组成，杯壳固定在互成120度的三叉型支架上。杯的凹面顺着一个方向排列，整个横臂架固定在一根垂直的旋转轴上。在风力作用下风杯受到扭力矩的作用而开始旋转，它的转速和风速成一定的关系。当风杯转动时，通过多齿转盘下面的光敏三极管状态就能得到与风杯转速成正比的频率信号，经换算即可得出实际风速值。

然而以上检测方式都有很大的弊端，毕托管式对狂风测不准，仪器本身对流场会产生扰动，全压孔需正对风向，不利于测量自然风，不能远程监测；热膜热偶式传感器在高风速时误差明显增大，用温度测量相应时间较长，三角函数法测量风向，受风速大小影响，而且也不能远程监测；超声波法检测风速优点是无惯性测量，但是信号较弱，大风造成信号大幅度衰减，逆风信号捕捉困难，也不能远程检测；机械式检测，线性关系好，抗强风能力强，响应快、精度好，但是怕雷击和电磁干扰，远程检测时需要中继站和供电措施，不利于远程检测。

发明内容

本设计方案利用光纤传感器技术的技术优势，研究和开发一种全光纤的远程风速检测装置，该装置传感器无须供电，能够实现远程在线检测，灵敏度高，工作稳定可靠，不受现场的电磁干扰，并建立数据库，形成一套风场风速远程在线检测系统。对风力发电风场进行无需供电、无需中继站的远程在线检测，同时采用波分复用技术实现多组探头串联检测。