Автоматическая система для измерения и вычисления параметров ветра

 

Использование: на метеостанциях при долгосрочном прогнозировании погоды, а также при проектировании силовых ветродвигательных установок и их опытных испытаний. Сущность: система состоит из измерительной части, включающей в себя измерители скорости, давления и направления с электрическими датчиками, конструктивно оформленными на базе флюгера, и вычислительной части, включающей в себя два множительных и одно делительное устройства для вычисления мощности ветрового потока сечением в 1 м² и плотности этого потока. В системе предусмотрен учет ветровой удельной энергии потока сечением в 1 м² с помощью счетчика ветровой энергии. Технический результат: повышение информативности. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области ветроэнергетики, в частности к ее информационному обеспечению.

Известны способы и устройства для измерения таких параметров ветра, как направление, давление и скорость [1- 6]. В [4] описывается работа флюгера, указывающего направление ветра, с устройством для измерения скорости ветра, выполненного в виде пластины, поворачивающейся вокруг неподвижной оси под действием силы ветра.

К недостатку такого устройства необходимо отнести нелинейность шкалы, которая аналитически может быть представлена в виде (1) ϕ = arctg[ρτ•h•L•V²:(2G)], (1) где ϕ- шкала устройства - угол отклонения пластины от вертикали; ρ- плотность ветрового потока, кг/м³; h - ширина пластины, м; L - длина пластины, м; V - скорость ветра, м/с; G - вес пластины, Н.

Из (1) видна сугубая нелинейность шкалы ϕ = f(ρ₂V²), поэтому говорить о точности таких устройств можно только грубо, хотя они и используются в метеорологии [4].

В [5] приводятся способы и устройства измерителей давления, которые могут применятся для давлений порядка нескольких атмосфер.

Давление ветра, которое аналитически может быть представлено в виде (2), значительно меньше P=ρ•V²/2, (2) где Р - давление ветра, Н/м²;
ρ- плотность ветра, кг/м³;
V - скорость, м/с;
При ρ=1,3 кг/м³; V=10 м/с; Р=65 кг/м²=6,6•10^-4 кг/см²=6,6•10^-4 атм.

Таким образом, устройства [5] для измерения давления ветра использовать нельзя.

Целью данного изобретения является повышение информативности параметров ветра.

Такая цель решается автоматической системой, в которой одновременно измеряются такие параметры, как направление, скорость и давление ветра, по которым автоматически расчитываются плотность среды, величина мощности ветрового потока сечением в 1 м² и энергия такого потока за время отсчета Т.

На фиг.1 представлена структура автоматической системы, где обозначено:
1 - измеритель давления с электрическим датчиком;
2 - измеритель скорости ветра с электрическим датчиком;
3 - первый множитель, выходом которого является сигнал, пропорциональный мощности потока сечения в 1 м²;
4 - второй множитель, выход которого пропорционален V²;
5 - счетчик ветровой энергии потока за время Т;
6, 7, 8, 10, 11 - индикаторы;
Р - давление ветра;
ρ- плотность ветра;
V - скорость ветра;
u_р u_v, u_n, u_w - электрические выходы датчиков давления, скорости, мощности и счетчика энергии;
9 - делитель.

На схеме не показаны усилители после множительных устройств 3 и 4, в которых уменьшаются коэффициенты усиления примерно в 100 раз.

Если 1 и 2 расположены на ветру, то остальные элементы находятся внутри помещения, к которым информация от 1 и 2 поступает от кабеля.

Информация, полученная на выходе автоматической системы, может использоваться метеослужбой для долгосрочного прогнозирования погоды, а также при проектировании силовых ветродвигательных установок и проведения их опытных испытаний.

На фиг. 2 приводится чертеж конструкции, в которой на базе флюгера скомпанованы измерители давления, скорости и направления ветра с электрическими датчиками с выходом через кабель на диспетчерский пункт.

На фиг.2 приняты следующие обозначения:
12 - кабель, по которому информация о давлении, скорости и направлении ветра передается от датчиков в диспетчерский пункт;
13 - опоры, жестко фиксирующие неподвижную трубу 14, через которую проводится 12;
15 - подвижная труба, соединенная через опорные подшипники 20 с неподвижной 14;
16 - подвижный контакт датчика направления ветра;
17 - крылья флюгера, закрепленные на 15;
18 - подставка, закрепленная на 15, для измерителя и датчика давления ветра;
19 - подставка для измерителя и датчика скорости ветра, закрепленная на 15;
21 - провода от датчиков давления 22 скорости 13 с лопастями ветродвигателя 23 и датчика направления ветра 25.

Внизу выделена конструкция крыльев флюгера 17 и соединения их с трубой 15 и указанием контакта 16.

Сигнал, поступающий от датчика направления ветра 25, может быть использован в автоматической системе ориентации силовых ветродвигателей.

На фиг. 3 изображены конструкции 2-х вариантов чувствительных элементов измерителя давления.

В варианте а) чувствительным элементом является сильфон и приняты следующие обозначения:
26 - передняя крышка, к которой крепится сильфон 30;
27 - цилиндр, к которому крепится 26 и экран 31 для увеличения чувствительности к давлению ветра Р;
28 - задняя крышка, которая крепится к 27;
29 - шток, который крепится ко дну сильфона 30;
Х - направление ветра и Р.

В варианте б) представлена конструкция пружинного поршневого типа с экраном, где обозначено:
32 - цилиндр;
33 - пружина, которая крепится одним концом к крышке 34, а вторым - к подвижному поршню 35;
36 - экран в виде полого усеченного конуса для увеличения чувствительности к давлению ветра Р;
Х - направление ветра.

Отличие вариантов заключается только в том, что в а) сильфон растягивается, а в б) пружина снимается при наличии давления ветра Р.

Аналитическое выражение для шкалы обоих вариантов одинаково и может быть представлено в виде (2)
X=K_p•S•P, (2)
где X - смещение потока в варианте а) или поршня в б) под действием давления Р;
К_р - коэффициент передачи чувствительного элемента, равный обратной величине жесткости сильфона или пружины;
S - площадь сильфона или поршня.

При наличии экрана (2) примет вид (3)
Х=К_р•S_э•соs2α•Р, (3)
где S_э - площадь входного сечения экрана;
α- угол между образующей и осью конуса экрана.

Так как величина Р на несколько порядков меньше атмосферного, например при ρ=1,3 кг/м³, V=10 м/с; р=65 н/м³ ≅ 6,6 кг/м²=6,6•10^-4 атм, то необходимую чувствительность к Р согласно (3) можно обеспечить за счет произведения К_р•S_э•соs2α, т.е. за счет уменьшения жесткости сильфона или пружины, за счет площади S_э и выбора α.
При малых предельных значениях Х_пр можно использовать дифференциальные индуктивные или емкостные датчики малых перемещений, а при больших - потенциометрические.

На фиг.4 представлены 3 варианта измерительных схем включения дифференциальных индуктивных, емкостных и потенциометрических датчиков.

Обозначения, принятые в вариантах, следующие:
а) L₁ и L₂ - коэффициенты самоиндукции для уменьшающегося и увеличивающегося зазоров;
U₀ - напряжение питания переменного тока;
U_вых - выходное напряжение, пропорциональное смещению Х и соответственно Р.

R - постоянное сопротивление.

б) С₁ и С₂ - емкости, С₁ - для увеличивающегося зазора, а С₂ - для уменьшающегося, при Х=0, Р=0, C₁=C₂.

в) R₁+R₂=R_n - сопротивление потенциометра;
R₁ - сопротивление для увеличивающегося зазора, равное (R_n:2)•(1+К•Х);
R₂ - сопротивление для уменьшающегося зазора, равное (R_n:2)•(1-К•Х);
U_вых - напряжение выхода, равное U₀•К•Х, где U₀ - напряжение питания постоянного или переменного тока.

Устройство для измерения скорости ветра - обычный лопастной ветродвигатель, а в качестве датчика - микрогенератор постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов.

Устройство для измерения направления ветра - обычный флюгер с датчиком углового перемещения.

Таким образом, для повышения информативности о параметрах ветра, что важно как для метеостанций для долгосрочного прогнозирования погоды, так и проектирования силовых ветродвигательных установок и их опытных испытаний, предлагается автоматическая система для измерения и вычисления параметров ветра, в которой измеренные такие параметры, как направление, скорость и давление ветра, автоматически передаются на диспетчерский пункт, где вычисляются плотность, мощность и энергия удельного ветрового потока сечением в 1 м².

Полученная информация о параметрах направлении, скорости, давления, плотности, мощности и энергии для удельного ветрового потока значительно увеличивает информативность об энергетической стороне ветра.

Источники информации
1. М.С.Э., т.7, с. 227, "СЭ", 1959 г.

2. Ред. Дж. Дж. Траскел. Справочная книга по технике автоматического регулирования. М.: ГЭИ, 1962, с. 17, 672-734.

3. М.С.Э., т.8, с. 477, Г.Н.И. "СЭ", 1960.

4. М.С.Э., т.9, с. 1046, Г.Н.И. "СЭ", 1960.

5. Основы автоматического регулирования, т.2, ред. В.В. Солодовников. Элементы систем автоматического регулирования, ч. 1. Чувствительные, усилительные и исполнительные элементы. М.: ГК-ТИМЛ, 1959, с.51-54.

6. В.А. Арутюнов. Электрические измерительные приборы и измерения. М.-Л. : ГЭИ, 1958, с.137.

Формула изобретения

1. Автоматическая система для измерения и вычисления параметров ветра, содержащая измерительный и вычислительный блоки, соединенные кабелем, при этом измерительный блок содержит измерители давления, скорости и направления ветра и счетчик ветровой энергии потока ветра сечением 1 м², при этом каждый измеритель и счетчик ветровой энергии потока ветра сечением 1 м² снабжены электрическими датчиками, вычислительный блок содержит первый множитель для получения сигнала, пропорционального мощности потока ветра, путем перемножения сигналов от датчиков давления и скорости ветра, второй множитель для возведения в квадрат сигнала датчика скорости и делитель для получения сигнала, пропорционального плотности ветра, путем деления сигнала датчика давления ветра на величину, пропорциональную величине квадрата скорости ветра.

2. Автоматическая система для измерения и вычисления параметров ветра по п. 1, отличающаяся тем, что измеритель давления ветра содержит экран для увеличения чувствительности к давлению ветра, выполненный в виде полого усеченного конуса.

3. Автоматическая система для измерения и вычисления параметров ветра по п. 1, отличающаяся тем, что счетчик ветровой энергии потока ветра сечением 1 м² содержит электрический микродвигатель с постоянными магнитами, на вход которого поступает сигнал, пропорциональный мощности ветра.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4