風(fēng)力發(fā)電器看起來像摩天大樓一樣高，但它們中卻包含著數(shù)十個(gè)微小、不是很昂貴的傳感器，這些傳感器監(jiān)測(cè)著它們的運(yùn)行狀況。 ?

從表面上看，一個(gè)現(xiàn)代的風(fēng)力發(fā)電機(jī)就是一個(gè)21世紀(jì)的大風(fēng)車，他們通過轉(zhuǎn)子葉片將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能，而不是像過去一樣利用風(fēng)能來碾磨谷物或抽水。再深入一點(diǎn)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)將機(jī)械工程和電氣工程的創(chuàng)新結(jié)合在一起，為人們展現(xiàn)了一個(gè)完美的杰作。盡管一個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子可以達(dá)到79米長，塔高超過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(jī)這個(gè)龐然大物在面對(duì)壓力、振動(dòng)和其他危險(xiǎn)的情況下的安全。

傳感器在風(fēng)電場中的作用

如果沒有傳感器，風(fēng)力發(fā)電機(jī)不僅安全性會(huì)降低，而且操作成本也會(huì)提高，更無法準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)并解決潛在的故障，這樣他們的預(yù)期壽命可能會(huì)小于25年。更為重要的是，風(fēng)力發(fā)電場需要每一臺(tái)發(fā)電機(jī)重要部件工作的精確數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)都是由傳感器提供的，這些傳感器連接在一起并與控制中心相連接。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)就是一個(gè)典型工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的例子：

它們擁有從傳感器到網(wǎng)絡(luò)等物聯(lián)網(wǎng)所必要的組成部分，雖然他們通常是通過以太網(wǎng)連接的而不是無線連接。風(fēng)電場工業(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(shù)據(jù)來分析設(shè)備的運(yùn)行趨勢(shì)。這樣，操作員就可以通過創(chuàng)建一個(gè)模型來預(yù)測(cè)要在什么時(shí)候檢查哪些部件了。物聯(lián)網(wǎng)所獲取的所有的信息、狀態(tài)警報(bào)和其他監(jiān)測(cè)結(jié)果，都可以從智能手機(jī)、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?yàn)樗麄兛梢噪S時(shí)監(jiān)視著風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、內(nèi)部的敏感位置和系統(tǒng)組件 (圖1)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)非常復(fù)雜，通常有超過8000個(gè)組件。他們巨大的葉片和塔樓被安裝在由數(shù)千噸的鋼筋混凝土平臺(tái)上，平臺(tái)直徑達(dá)15到30米，深6至10米。

圖1

圖1:風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙內(nèi)的基本組成部分，以及一些傳感器的類型和安放位置。(來源:TE連接手冊(cè))

變速箱將葉片的慢速運(yùn)行轉(zhuǎn)化為更快的轉(zhuǎn)子速度(連在發(fā)電機(jī)上)，變速箱被安置在一個(gè)集裝箱上，這個(gè)集裝箱被稱為“nacelle”，它的大小相當(dāng)于一輛公共汽車，重量約為45噸。有一些nacelles非常大，甚至可以在他們的頂部安裝一個(gè)直升機(jī)降落墊，整個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)平臺(tái)的重量超過272噸。

近日，英國安裝了一臺(tái)目前世界上最大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，它的發(fā)電功率為5300萬千瓦，可以供500萬用戶所使用。今年5月，丹麥的東能源公司(DONG Energy)在愛爾蘭海的利物浦灣的Burbo Bank Offshore風(fēng)場上，增加了32個(gè)海上發(fā)電機(jī)(圖2)，這對(duì)可再生能源來說是一個(gè)大事，因?yàn)樗鼧?biāo)志著8MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)第一次商用，它發(fā)電機(jī)功率比以前提高了一倍。新的渦輪機(jī)大約有195m高，轉(zhuǎn)子長度80米，轉(zhuǎn)子的一次旋轉(zhuǎn)可以為一個(gè)普通家庭供電29小時(shí)。

圖2

圖2 北威爾士Burbo Bank Offshore海上風(fēng)電場。(來源:維基百科)。最大功率風(fēng)力渦輪機(jī)是來自Vestas Wind Systems的V164，他的功率為9兆瓦，轉(zhuǎn)子長度178m，掃掠面積20566 m2，重量32噸。風(fēng)力發(fā)電機(jī)整體高度219米(約為72層樓高)，整體重量超過1800噸。圖3顯示了巨大的風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)際尺寸。

圖3

圖3:裝載著渦輪葉片的車隊(duì)蜿蜒穿過Edenfield到Scout Moor風(fēng)電場，這是英國第二大陸上風(fēng)電場。(來源：Geograph)

傳感器的關(guān)鍵作用

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，有許多種不同類型的電子和光學(xué)傳感器。一般來說,他們具有以下作用：

檢測(cè)、監(jiān)視和交互有關(guān)的參數(shù)信息，比如兩個(gè)組件之間距離的變化

監(jiān)測(cè)水平振動(dòng)的級(jí)別，如果振動(dòng)過度，可能會(huì)造成重大損害

監(jiān)測(cè)溫度、壓力和機(jī)械應(yīng)力的變化

渦流傳感器

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中渦流傳感器是最常見的傳感器之一，它檢測(cè)了運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)電材料在進(jìn)入磁場時(shí)所產(chǎn)生的感應(yīng)電流。根據(jù)這種原理，電流的強(qiáng)度可以轉(zhuǎn)換成距離的變化。

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，渦流傳感器用于測(cè)量軸的間隙，以確保承受壓力的軸一直被油膜所覆蓋，以保證潤滑。由于這些傳感器可以在充滿油且具有一定壓力和溫度的環(huán)境下工作，所以它們可以在不利的環(huán)境下可靠的監(jiān)測(cè)潤滑情況。如果軸的間隔過大，超過了限度，傳感器就會(huì)發(fā)出警報(bào)，這樣就可以在軸損壞之前進(jìn)行預(yù)防性的維護(hù)。

這些傳感器還測(cè)量了渦輪機(jī)軸承在軸向和徑向的旋轉(zhuǎn)方式，這是一種叫做run-out的規(guī)范。徑向是軸偏離中心旋轉(zhuǎn)，軸向是軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。雖然磨損是不可避免的，但軸承的磨損可能會(huì)超過可接受的限度，如果超過了限度（通常由于大風(fēng)引起），渦輪必須關(guān)閉并進(jìn)行維修。顯然，實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)可以保證在軸承極端損壞或甚至災(zāi)難性故障發(fā)生之前進(jìn)行維護(hù)。

最后，渦流傳感器也被用來測(cè)量由振動(dòng)、風(fēng)荷載或其他因素引起的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)(力矩或扭矩)，他們可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)完整性的變化。它們還可以于測(cè)量離合器盤的軸向、徑向或切向偏轉(zhuǎn)，以確保轉(zhuǎn)子在強(qiáng)風(fēng)時(shí)的剎車安全。

位移傳感器

各種位移傳感器也用于監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的完整性。風(fēng)力發(fā)電機(jī)所需的基礎(chǔ)平臺(tái)雖然是由大量的混凝土構(gòu)成，但由于塔很高，轉(zhuǎn)子和機(jī)艙巨大，因此，整個(gè)結(jié)構(gòu)都是“頂載”的，所以在基座上監(jiān)視系統(tǒng)的完整性也是必不可少的。

激光位移傳感器可以用來執(zhí)行這個(gè)功能，因?yàn)樗梢蕴綔y(cè)到由于風(fēng)或結(jié)構(gòu)缺陷而引起的塔的非常小的震動(dòng)。激光位移傳感器的工作原理是將光束傳輸?shù)骄嚯x很遠(yuǎn)的光學(xué)接收器上，位置的變化會(huì)導(dǎo)致光束的位移。激光三角測(cè)量傳感器也被用于類似的目的，這種傳感器是將傳感器、發(fā)射機(jī)和接收器組成一個(gè)三角形。由于這些設(shè)備非常精確，它們可以檢測(cè)到非常小的變化，因此可以分析震動(dòng)的變化趨勢(shì)，以此來確定問題是否越來越嚴(yán)重以及它變化得有多快。

另一種用于精確測(cè)量位移的傳感器是電容式位移傳感器，它用于測(cè)量發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子之間的距離，這個(gè)距離被稱作發(fā)電機(jī)氣隙。它的工作原理是這樣的：兩個(gè)相近的導(dǎo)體之間存在電容，電容大小與兩個(gè)導(dǎo)體之間的距離成正比。這種測(cè)量方式可以使傳感器工作在高溫和高電場的環(huán)境下。

拉繩位移傳感器是將拉繩纏繞繞到一個(gè)軸式傳感器上，因?yàn)槔K可以很長，所以可以在距離被測(cè)物體很遠(yuǎn)的地方測(cè)量距離的變化。當(dāng)拉繩從線軸上拉出或縮回時(shí)，線軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)，然后傳感器將其轉(zhuǎn)換成變化的電信號(hào)。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，可以通過測(cè)量空氣瓣的位置來測(cè)量氣流。圖4顯示了一個(gè)典型的拉繩位移傳感器。

圖4

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(zhuǎn)傳感器。根據(jù)應(yīng)用場景的不同可以選擇多種類型的傳感器。(來源: Bourns)

根據(jù)應(yīng)用場合的不同，拉繩傳感器可以配合各種旋轉(zhuǎn)傳感器共同使用，如電位器、霍爾傳感器、模擬或數(shù)字非接觸式傳感器等。例如，Bourns公司的AMS22B非接觸式模擬旋轉(zhuǎn)傳感器，使用磁技術(shù)，能夠抵抗震動(dòng)、抖動(dòng)、流體和灰塵，并能在- 40℃ - 125 ℃的溫度范圍內(nèi)工作，它的輸出分辨率為12位，線性度±0.3%。

加速度計(jì)

加速度計(jì)用來測(cè)量速度或速度的變化，它在風(fēng)力渦輪機(jī)上用來探測(cè)主、偏航和旋轉(zhuǎn)軸承以及其他旋轉(zhuǎn)部件（如主發(fā)電機(jī)輸出軸）的振動(dòng)情況，測(cè)量得到的振動(dòng)數(shù)據(jù)可以用來預(yù)測(cè)可能要發(fā)生的故障。

AD公司的ADXL1001和ADXL1002 MEMS加速度計(jì)是很好的選擇，它們的測(cè)量結(jié)果分辨率高、噪音低、靈敏度穩(wěn)定，可以忍耐高達(dá)10000mps2的電擊。此外器件也整合了自我診斷和超量程功能，他們的工作溫度范圍是-40°C + 125°C。

風(fēng)速傳感器

風(fēng)速傳感器安裝在機(jī)艙頂部，可以是機(jī)械風(fēng)速傳感器也可以是超聲波風(fēng)速傳感器。由于超聲波風(fēng)速傳感器不需要每次進(jìn)行重新校準(zhǔn)，所以在難以進(jìn)行現(xiàn)場維護(hù)的場合，它們被使用的越來越多。超聲波傳感器用聲波來測(cè)量物體間的距離，傳感器發(fā)出低頻聲波，聲波被目標(biāo)物體反射，通過記錄聲波的發(fā)出和返回時(shí)間，就可以計(jì)算出傳感器和物體之間的距離。

TI的PGA460 /PGA460-Q1超聲波處理器及其驅(qū)動(dòng)SoC有一個(gè)信號(hào)調(diào)理器和DSP核，反射信號(hào)使用模擬前端進(jìn)行處理，模擬前端包括低噪聲放大器和可編程增益，然后將信號(hào)輸出至模數(shù)轉(zhuǎn)換器，利用時(shí)變閾值處理近場和遠(yuǎn)場目標(biāo)檢測(cè)的數(shù)字化信號(hào)。

溫度傳感器

溫度傳感器被安置在溫度容易升高的地方，溫度表明某些子系統(tǒng)的運(yùn)行情況。TE Connectivity的PTF Platinum溫度傳感器的測(cè)量范圍為-200°C到+ 600°C，使用薄膜電阻作為敏感元件。該傳感器的尺寸小、重量輕，漂移小，反饋時(shí)間短。

結(jié)論

傳感器在風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(dāng)然是肯定的。為了解決這個(gè)問題，在同一位置使用多個(gè)傳感器，第二個(gè)傳感器當(dāng)做備份，這樣在第一個(gè)傳感器發(fā)生故障時(shí)自動(dòng)切換。除了備份外，應(yīng)用于風(fēng)電場以及其他能源系統(tǒng)的傳感器，必須達(dá)到特定的工作安全，如寬的工作溫度范圍，灰塵和水保護(hù)符合IP67或IP68認(rèn)證，有些時(shí)候還需要具有堅(jiān)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)能產(chǎn)生電能的發(fā)電機(jī)有時(shí)也會(huì)發(fā)生故障，而有些時(shí)候，故障僅僅來自于某個(gè)的電子元件，而不是發(fā)電機(jī)或渦輪葉片故障。就像在所有的工業(yè)應(yīng)用中一樣，傳感器在減少發(fā)生這些故障方面起著重要作用。渦流傳感器、位移傳感器、加速度計(jì)、風(fēng)力傳感器、溫度傳感器，這些都是監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)并判斷是否維護(hù)的關(guān)鍵。出于這個(gè)原因，未來，在的這些巨型機(jī)器上很可能更多的使用傳感器，因?yàn)橛?0美元來保護(hù)昂貴的渦輪葉片免遭災(zāi)難性的失敗是很值得的。