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【原创深度】风力发电机:微型传感器发挥大作用

风力发电器看起来像摩天大楼一样高,但它们中却包含着数十个微小、不是很昂贵的传感器,这些传感器监测着它们的运行状况。

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从表面上看,一个现代的风力发电机就是一个21世纪的大风车,他们通过转子叶片将风能转换为电能,而不是像过去一样利用风能来碾磨谷物或抽水。再深入一点,风力发电机将机械工程和电气工程的创新结合在一起,为人们展现了一个完美的杰作。尽管一个风力发电机的转子可以达到79米长,塔高超过183米,但是它的关键部件,比如传感器的尺寸却只有几厘米。这些传感器确保了发电机这个庞然大物在面对压力、振动和其他危险的情况下的安全。

传感器在风电场中的作用

如果没有传感器,风力发电机不仅安全性会降低,而且操作成本也会提高,更无法准确的预测并解决潜在的故障,这样他们的预期寿命可能会小于25年。更为重要的是,风力发电场需要每一台发电机重要部件工作的精确数据,而这些数据都是由传感器提供的,这些传感器连接在一起并与控制中心相连接。

风力发电机就是一个典型工业物联网的例子:它们拥有从传感器到网络等物联网所必要的组成部分,虽然他们通常是通过以太网连接的而不是无线连接。风电场工业物联网可以充分利用诸如风速、功率、偏航角、变速箱温度等历史数据来分析设备的运行趋势。这样,操作员就可以通过创建一个模型来预测要在什么时候检查哪些部件了。物联网所获取的所有的信息、状态警报和其他监测结果,都可以从智能手机、平板电脑或电脑上进行查看和操作。

这些传感器为什么如此重要呢?因为他们可以随时监视着风力发电机的结构、内部的敏感位置和系统组件 (图1)。风力发电机非常复杂,通常有超过8000个组件。他们巨大的叶片和塔楼被安装在由数千吨的钢筋混凝土平台上,平台直径达15到30米,深6至10米。

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图1:风力发电机机舱内的基本组成部分,以及一些传感器的类型和安放位置。(来源:TE连接手册)

变速箱将叶片的慢速运行转化为更快的转子速度(连在发电机上),变速箱被安置在一个集装箱上,这个集装箱被称为“nacelle”,它的大小相当于一辆公共汽车,重量约为45吨。有一些nacelles非常大,甚至可以在他们的顶部安装一个直升机降落垫,整个风力涡轮机平台的重量超过272吨。

近日,英国安装了一台目前世界上最大的风力发电机,它的发电功率为5300万千瓦,可以供500万用户所使用。今年5月,丹麦的东能源公司(DONG Energy)在爱尔兰海的利物浦湾的Burbo Bank Offshore风场上,增加了32个海上发电机(图2),这对可再生能源来说是一个大事,因为它标志着8MW风力发电机第一次商用,它发电机功率比以前提高了一倍。新的涡轮机大约有195m高,转子长度80米,转子的一次旋转可以为一个普通家庭供电29小时。

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图2 北威尔士Burbo Bank Offshore海上风电场。(来源:维基百科)。最大功率风力涡轮机是来自Vestas Wind Systems的V164,他的功率为9兆瓦,转子长度178m,扫掠面积20566 m²,重量32吨。风力发电机整体高度219米(约为72层楼高),整体重量超过1800吨。图3显示了巨大的风力涡轮机转子的实际尺寸。

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图3:装载着涡轮叶片的车队蜿蜒穿过Edenfield到Scout Moor风电场,这是英国第二大陆上风电场。(来源:Geograph)

传感器的关键作用

在风力发电机中,有许多种不同类型的电子和光学传感器。一般来说,他们具有以下作用:

检测、监视和交互有关的参数信息,比如两个组件之间距离的变化

监测水平振动的级别,如果振动过度,可能会造成重大损害

监测温度、压力和机械应力的变化

涡流传感器

在风力发电机中涡流传感器是最常见的传感器之一,它检测了运动的导电材料在进入磁场时所产生的感应电流。根据这种原理,电流的强度可以转换成距离的变化。

在风力发电机中,涡流传感器用于测量轴的间隙,以确保承受压力的轴一直被油膜所覆盖,以保证润滑。由于这些传感器可以在充满油且具有一定压力和温度的环境下工作,所以它们可以在不利的环境下可靠的监测润滑情况。如果轴的间隔过大,超过了限度,传感器就会发出警报,这样就可以在轴损坏之前进行预防性的维护。


(责任编辑:ioter)

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