|
風(fēng)力發(fā)電機看起來(lái)像摩天大樓一樣高大，但卻要依靠數十個(gè)低成本微型傳感器來(lái)監測器其運行狀況，以確保高效安全地運行。 從表面上來(lái)看，現代風(fēng)力發(fā)電機就像是一臺21世紀的大風(fēng)車(chē)，通過(guò)轉子葉片將風(fēng)能轉換為電能，而不是像過(guò)去一樣利用風(fēng)能來(lái)碾磨谷物或抽水。再深入一點(diǎn)，風(fēng)力發(fā)電機將機械工程和電氣工程的創(chuàng )新結合在一起，為人們展現了一個(gè)完美的杰作。盡管風(fēng)力發(fā)電機的轉子可以達到79米長(cháng)，塔高超過(guò)183米，但是它的關(guān)鍵部件，比如傳感器的尺寸卻只有幾厘米。這些傳感器確保了發(fā)電機這個(gè)龐然大物在面對壓力、振動(dòng)和其他危險時(shí)，仍能安全運行。 傳感器在風(fēng)電場(chǎng)中的作用 如果沒(méi)有傳感器，風(fēng)力發(fā)電機的安全性不僅會(huì )降低，而且操作成本也會(huì )提高，更無(wú)法準確的預測并解決潛在的故障，導致預期壽命可能會(huì )低于25年。更為重要的是，風(fēng)電場(chǎng)需要每一臺發(fā)電機及其重要部件的精確數據，而這些數據需由連接在一起并與控制中心相連接的傳感器提供。 風(fēng)力發(fā)電機就是一個(gè)典型的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)例子：它們擁有從傳感器到相關(guān)網(wǎng)絡(luò )所需的一切組件，盡管它們通常采用的是以太網(wǎng)而非無(wú)線(xiàn)連接方式。風(fēng)電場(chǎng)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可以充分利用諸如風(fēng)速、功率、偏航角、變速箱溫度等歷史數據來(lái)分析設備的運行趨勢。這樣，操作員就可以通過(guò)創(chuàng )建一個(gè)模型來(lái)預測要在什么時(shí)候檢查哪些部件。所有信息、狀態(tài)警報和其他監測結果，都可以從智能手機、平板電腦或電腦上進(jìn)行查看和操作。 這些傳感器為什么如此重要呢？因為它們可以隨時(shí)監視風(fēng)力發(fā)電機的結構、內部敏感位置和系統組件（圖1）。風(fēng)力發(fā)電機非常復雜，通常有超過(guò)8000個(gè)組件。它們巨大的葉片和塔架被安裝在數千噸的鋼筋混凝土平臺上，平臺直徑達15到30米，深6至10米。 
圖1:風(fēng)力發(fā)電機機艙內的基本構造以及一些傳感器類(lèi)型和安放位置 （來(lái)源：TE Connectivity手冊） 慢速運行的葉片經(jīng)過(guò)變速箱后轉化為高速運行的轉子（連在發(fā)電機上），變速箱被安置在一個(gè)被成為“機艙”的集裝箱上，它的大小相當于一輛公共汽車(chē)，重量約為45噸。有一些機艙非常大，甚至可以在頂部安裝一個(gè)直升機著(zhù)陸墊，這種風(fēng)力發(fā)電機平臺的重量將超過(guò)272噸。 近日，英國安裝了一臺目前世界上最大的風(fēng)力發(fā)電機，它的發(fā)電功率為5.3GW，可供500萬(wàn)用戶(hù)使用。今年5月，丹麥能源公司 DONG Energy在愛(ài)爾蘭海利物浦灣的Burbo Bank Offshore風(fēng)場(chǎng)上，增加了32個(gè)海上發(fā)電機（圖2），這對可再生能源來(lái)說(shuō)有著(zhù)非凡的意義，因為它標志著(zhù)8MW風(fēng)力發(fā)電機的第一次商用，它的發(fā)電機功率比以前提高了一倍。新的發(fā)電機大約有195m高，轉子長(cháng)80米，轉子旋轉一次可以為一個(gè)普通家庭供電29小時(shí)。
圖2 ：北威爾士Burbo Bank Offshore海上風(fēng)電場(chǎng)（來(lái)源：維基百科） 最大功率風(fēng)力發(fā)電機是來(lái)自Vestas Wind Systems的Vestas 164，功率為9MW，轉子長(cháng)178m，掃掠面積20566 m2，重32噸。風(fēng)力發(fā)電機整體高219米（約為72層樓高），整體重量超過(guò)1800噸。從圖3中可以看出這個(gè)風(fēng)力發(fā)電機轉子到底有多大。
圖3：裝載著(zhù)渦輪葉片的車(chē)隊蜿蜒穿過(guò)Edenfield前往Scout Moor風(fēng)電場(chǎng)，即英國第二大陸上風(fēng)電場(chǎng) (來(lái)源：Geograph) 傳感器的關(guān)鍵作用 在風(fēng)力發(fā)電機中，有許多種不同類(lèi)型的電子和光學(xué)傳感器。一般來(lái)說(shuō)，他們具有以下作用： 檢測、監視和交互有關(guān)的參數信息，比如兩個(gè)相鄰組件之間距離的變化 監測振動(dòng)級別，如果振動(dòng)幅度過(guò)大，可能會(huì )造成嚴重損壞 監測溫度、壓力和機械應力的變化 渦流傳感器 渦流傳感器是風(fēng)力發(fā)電機中最常見(jiàn)的傳感器之一，可檢測導電材料進(jìn)入移動(dòng)磁場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生的電流變化。當這種情況發(fā)生時(shí)，磁場(chǎng)的強度可以轉化為距離的變化。 在風(fēng)力發(fā)電機中，渦流傳感器用于測量軸的潤滑油層間隙，以確保承受壓力的軸一直被油膜所覆蓋，保證潤滑度。由于這些傳感器可以在充滿(mǎn)油且具有一定壓力和溫度的環(huán)境下工作，所以它們可以在這些惡劣環(huán)境下可靠的監測油隙。如果間隙過(guò)大超過(guò)了限度，傳感器就會(huì )發(fā)出警報，這樣就可以在軸卡住時(shí)或之前進(jìn)行預防性維護。 這些傳感器還用于測量發(fā)電機軸承在外殼內的軸向和徑向旋轉方式，即偏差規范。在徑向上，這種情況會(huì )導致軸偏離中心旋轉（并非“真的”），并在軸向上導致軸以輕微的角度旋轉。雖然偏差是不可避免的，但軸承的磨損可能會(huì )超過(guò)可接受的程度，如果超過(guò)了限度（通常由高風(fēng)荷載引起），發(fā)電機必須關(guān)閉并進(jìn)行維修。顯然，實(shí)時(shí)的監測可以保證在軸承極端損壞或甚至災難性故障發(fā)生之前進(jìn)行維護。 最后，渦流傳感器還可用于測量由振動(dòng)、風(fēng)荷載或其他因素引起的旋轉效應（力矩或扭矩），這些因素會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移而導致結構完整性下降。它們還可用于測量離合器片的軸向、徑向或切向偏轉，以確保在大風(fēng)時(shí)安全制動(dòng)轉子。 位移傳感器 位移傳感器可用于監測結構的完整性。風(fēng)力發(fā)電機所需的基礎平臺雖然是由大量的混凝土構成，但由于塔架高，而且發(fā)電機的轉子和機艙也非常巨大，整個(gè)結構實(shí)際上都是“頂載”的，所以必須在基座處監測系統的完整性。 激光位移傳感器可以用來(lái)執行這一功能，它可以探測到由于風(fēng)或波浪的反復撞擊引起的塔架輕微震動(dòng)。激光位移傳感器的工作原理是將光束傳輸到距離很遠的光學(xué)接收器上，將兩者之間的偏差和位移轉化為距離。激光三角測量傳感器也被用于類(lèi)似的目的，這種傳感器將傳感器、發(fā)射機和接收器組成一個(gè)三角形。由于這些設備非常精確，它們可以檢測到非常小的變化，因此可以創(chuàng )建趨勢數據來(lái)確定問(wèn)題是否越來(lái)越嚴重以及變化速度。 另一種用于精確測量位移的傳感器是電容式位移傳感器，可測量發(fā)電機定子和轉子之間的距離，這個(gè)距離被稱(chēng)作發(fā)電機氣隙。它的工作原理為：相互靠近的導電表面間存在電容，并且電容的變化與表面之間的距離成正比。這種測量方式可以使傳感器工作在高溫和高電場(chǎng)環(huán)境下。 拉繩位移傳感器是將拉繩纏繞到一個(gè)軸式傳感器上，因為拉繩可以很長(cháng)，所以可以在距離被測物體很遠的地方測量距離的變化。當拉繩從線(xiàn)軸上拉出或縮回時(shí)，線(xiàn)軸發(fā)生旋轉，然后傳感器將其轉換成變化的電信號。在風(fēng)力發(fā)電機中，可以通過(guò)測量風(fēng)門(mén)的位置來(lái)測量氣流。圖4顯示了一個(gè)典型的拉繩位移傳感器。
圖4：Bourns公司的拉繩位移傳感器。它具有電纜纏繞的彈簧片，以及安裝在外殼上的旋轉傳感器，根據應用場(chǎng)景的不同可以選擇多種類(lèi)型的傳感器（來(lái)源: Bourns） 根據應用場(chǎng)合的不同，拉繩傳感器可以配合各種旋轉傳感器共同使用，如電位器、霍爾效應傳感器、模擬或數字非接觸式傳感器等。例如，Bourns AMS22B5A1BHASL334N非接觸式模擬旋轉傳感器采用磁傳感技術(shù)，能夠抵抗震動(dòng)、抖動(dòng)、流體和灰塵，并能在-40oC至125oC的溫度范圍內工作，它的輸出分辨率為12位，線(xiàn)性度為±0.3%。 加速度計 加速度計用來(lái)測量速度或速率的變化，在風(fēng)力發(fā)電機中用來(lái)探測主、偏航和旋轉軸承以及其他旋轉部件（如主發(fā)電機輸出軸）的振動(dòng)情況，測量得到的振動(dòng)數據可以用來(lái)預測可能要發(fā)生的故障。 Analog Devices的ADXL1001和ADXL1002 MEMS加速度計是很好的選擇，它們的測量結果分辨率高、噪聲密度低、靈敏度穩定，可以耐受高達10000mps2的沖擊。這兩款器件還整合了自我診斷和超量程指示功能，工作溫度范圍是-40°C至+125°C。 風(fēng)速傳感器 風(fēng)速傳感器安裝在機艙頂部，可以是機械式也可以是超聲波式。由于超聲波風(fēng)速傳感器不需要每次進(jìn)行重新校準，所以被廣泛應用在難以進(jìn)行現場(chǎng)維護的場(chǎng)合。超聲波傳感器利用聲波來(lái)測量物體間的距離，傳感器發(fā)出低頻聲波，然后被目標物體反射。通過(guò)記錄聲波的發(fā)出和返回時(shí)間，就可以計算出傳感器和物體之間的距離。 Texas Instruments PGA460/PGA460-Q1超聲波處理器及其驅動(dòng)SoC有一個(gè)信號調理器和DSP內核，通過(guò)由低噪聲放大器和可編程增益級組成的模擬前端來(lái)調節反射信號，將信號輸出給模數轉換器，然后，利用時(shí)變閾值對數字化信號進(jìn)行近場(chǎng)和遠場(chǎng)目標檢測。 溫度傳感器 溫度傳感器被安置在溫度容易升高的地方，用于指示某些子系統元件發(fā)生過(guò)熱情況。TE Connectivity的PTF系列鉑溫度傳感器測量范圍為-200°C到+ 600°C，并且使用薄膜電阻作為傳感元件。此系列傳感器的尺寸小、重量輕，漂移小，反饋時(shí)間短。 結論 傳感器在風(fēng)力發(fā)電機中至關(guān)重要，那么傳感器自身是否會(huì )發(fā)生故障呢？答案當然是肯定的。為了解決這個(gè)問(wèn)題，在同一位置使用多個(gè)傳感器，將第二個(gè)作為備用傳感器，以便在第一個(gè)傳感器發(fā)生故障時(shí)可以自動(dòng)切換。除了采用備用傳感器以外，應用于風(fēng)電場(chǎng)以及其他能源系統的傳感器必須滿(mǎn)足以下要求：寬廣的工作溫度范圍、防塵和防水等級達到IP67或IP68，有些時(shí)候還需要具有堅固耐用的外殼。 和任何一種不斷發(fā)展的技術(shù)一樣，利用風(fēng)能發(fā)電也有好有壞，有些時(shí)候，故障僅僅來(lái)自于某個(gè)電子元件，而不是發(fā)電機或渦輪葉片故障。就像在所有的工業(yè)應用中一樣，傳感器在減少發(fā)生這些故障方面起著(zhù)重要作用。渦流傳感器、位移傳感器、加速度計、風(fēng)力傳感器、溫度傳感器，這些都是監測發(fā)電機并判斷是否需要維護的關(guān)鍵。出于這個(gè)原因，這些龐大的機器可能會(huì )更多的使用傳感器，畢竟用10美元的元件來(lái)保護昂貴的渦輪葉片免遭災難性的故障，是非常值得的。 文章來(lái)源：貿澤電子 作者簡(jiǎn)介：Barry Manz是Manz Communications, Inc.（曼茲通信公司）的總裁，該公司是他于1987年創(chuàng )立的技術(shù)媒體關(guān)系機構。他曾與100多家公司在射頻、微波、國防、測試和測量、半導體、嵌入式系統、光波及其它市場(chǎng)進(jìn)行過(guò)合作。Barry曾為多家線(xiàn)下和線(xiàn)上貿易刊物撰寫(xiě)過(guò)文章，亦撰寫(xiě)過(guò)各種白皮書(shū)、應用筆記、研討會(huì )論文、技術(shù)參考指南和網(wǎng)頁(yè)內容。他是Journal of Electronic Defense雜志的特約編輯、Military Microwave Digest雜志的編輯、MilCOTS Digest雜志的共同創(chuàng )辦人，也是Microwaves & RF雜志的主編。 |
