傳感器在風電場中的關鍵技術分析

風力發電器看起來像摩天大樓一樣高，但它們中卻包含著數十個微小、不是很昂貴的傳感器，這些傳感器監測著它們的運行狀況。

從表面上看，一個現代的風力發電機就是一個21世紀的大風車，他們通過轉子葉片將風能轉換為電能，而不是像過去一樣利用風能來碾磨谷物或抽水。再深入一點，風力發電機將機械工程和電氣工程的創新結合在一起，為人們展現了一個完美的杰作。盡管一個風力發電機的轉子可以達到79米長，塔高超過183米，但是它的關鍵部件，比如傳感器的尺寸卻只有幾厘米。這些傳感器確保了發電機這個龐然大物在面對壓力、振動和其他危險的情況下的安全。

傳感器在風電場中的作用

如果沒有傳感器，風力發電機不僅安全性會降低，而且操作成本也會提高，更無法準確的預測并解決潛在的故障，這樣他們的預期壽命可能會小于25年。更為重要的是，風力發電場需要每一臺發電機重要部件工作的精確數據，而這些數據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。

風力發電機就是一個典型工業物聯網的例子：它們擁有從傳感器到網絡等物聯網所必要的組成部分，雖然他們通常是通過以太網連接的而不是無線連接。風電場工業物聯網可以充分利用諸如風速、功率、偏航角、變速箱溫度等歷史數據來分析設備的運行趨勢。這樣，操作員就可以通過創建一個模型來預測要在什么時候檢查哪些部件了。物聯網所獲取的所有的信息、狀態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行查看和操作。

這些傳感器為什么如此重要呢？因為他們可以隨時監視著風力發電機的結構、內部的敏感位置和系統組件 (圖1)。風力發電機非常復雜，通常有超過8000個組件。他們巨大的葉片和塔樓被安裝在由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。

變速箱將葉片的慢速運行轉化為更快的轉子速度(連在發電機上)，變速箱被安置在一個集裝箱上，這個集裝箱被稱為“nacelle”，它的大小相當于一輛公共汽車，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直升機降落墊，整個風力渦輪機平臺的重量超過272噸。

近日，英國安裝了一臺目前世界上最大的風力發電機，它的發電功率為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風場上，增加了32個海上發電機(圖2)，這對可再生能源來說是一個大事，因為它標志著8MW風力發電機第一次商用，它發電機功率比以前提高了一倍。新的渦輪機大約有195m高，轉子長度80米，轉子的一次旋轉可以為一個普通家庭供電29小時。

傳感器的關鍵作用

在風力發電機中，有許多種不同類型的電子和光學傳感器。一般來說,他們具有以下作用：

• 檢測、監視和交互有關的參數信息，比如兩個組件之間距離的變化
• 監測水平振動的級別，如果振動過度，可能會造成重大損害
• 監測溫度、壓力和機械應力的變化

渦流傳感器

在風力發電機中渦流傳感器是最常見的傳感器之一，它檢測了運動的導電材料在進入磁場時所產生的感應電流。根據這種原理，電流的強度可以轉換成距離的變化。

在風力發電機中，渦流傳感器用于測量軸的間隙，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境下工作，所以它們可以在不利的環境下可靠的監測潤滑情況。如果軸的間隔過大，超過了限度，傳感器就會發出警報，這樣就可以在軸損壞之前進行預防性的維護。

這些傳感器還測量了渦輪機軸承在軸向和徑向的旋轉方式，這是一種叫做run-out的規范。徑向是軸偏離中心旋轉，軸向是軸旋轉一個角度。雖然磨損是不可避免的，但軸承的磨損可能會超過可接受的限度，如果超過了限度（通常由于大風引起），渦輪必須關閉并進行維修。顯然，實時的監測可以保證在軸承極端損壞或甚至災難性故障發生之前進行維護。

最后，渦流傳感器也被用來測量由振動、風荷載或其他因素引起的旋轉效應(力矩或扭矩)，他們可能會導致結構完整性的變化。它們還可以于測量離合器盤的軸向、徑向或切向偏轉，以確保轉子在強風時的剎車安全。

位移傳感器

各種位移傳感器也用于監測結構的完整性。風力發電機所需的基礎平臺雖然是由大量的混凝土構成，但由于塔很高，轉子和機艙巨大，因此，整個結構都是“頂載”的，所以在基座上監視系統的完整性也是必不可少的。

激光位移傳感器可以用來執行這個功能，因為它可以探測到由于風或結構缺陷而引起的塔的非常小的震動。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接收器上，位置的變化會導致光束的位移。激光三角測量傳感器也被用于類似的目的，這種傳感器是將傳感器、發射機和接收器組成一個三角形。由于這些設備非常精確，它們可以檢測到非常小的變化，因此可以分析震動的變化趨勢，以此來確定問題是否越來越嚴重以及它變化得有多快。

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

拉繩位移傳感器是將拉繩纏繞繞到一個軸式傳感器上，因為拉繩可以很長，所以可以在距離被測物體很遠的地方測量距離的變化。當拉繩從線軸上拉出或縮回時，線軸發生旋轉，然后傳感器將其轉換成變化的電信號。在風力發電機中，可以通過測量空氣瓣的位置來測量氣流。圖4顯示了一個典型的拉繩位移傳感器。

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

加速度計

加速度計用來測量速度或速度的變化，它在風力渦輪機上用來探測主、偏航和旋轉軸承以及其他旋轉部件（如主發電機輸出軸）的振動情況，測量得到的振動數據可以用來預測可能要發生的故障。

AD公司的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、噪音低、靈敏度穩定，可以忍耐高達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。

風速傳感器

風速傳感器安裝在機艙頂部，可以是機械風速傳感器也可以是超聲波風速傳感器。由于超聲波風速傳感器不需要每次進行重新校準，所以在難以進行現場維護的場合，它們被使用的越來越多。超聲波傳感器用聲波來測量物體間的距離，傳感器發出低頻聲波，聲波被目標物體反射，通過記錄聲波的發出和返回時間，就可以計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動SoC有一個信號調理器和DSP核，反射信號使用模擬前端進行處理，模擬前端包括低噪聲放大器和可編程增益，然后將信號輸出至模數轉換器，利用時變閾值處理近場和遠場目標檢測的數字化信號。

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的運行情況。TE Connectivity的PTF Platinum溫度傳感器的測量范圍為-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，反饋時間短。

結論

傳感器在風力發電機中至關重要，那么傳感器自身是否會發生故障呢？答案當然是肯定的。為了解決這個問題，在同一位置使用多個傳感器，第二個傳感器當做備份，這樣在第一個傳感器發生故障時自動切換。除了備份外，應用于風電場以及其他能源系統的傳感器，必須達到特定的工作安全，如寬的工作溫度范圍，灰塵和水保護符合IP67或IP68認證，有些時候還需要具有堅固耐用的外殼。

和任何一種不斷發展的技術一樣，利用風能產生電能的發電機有時也會發生故障，而有些時候，故障僅僅來自于某個的電子元件，而不是發電機或渦輪葉片故障。就像在所有的工業應用中一樣，傳感器在減少發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、風力傳感器、溫度傳感器，這些都是監測發電機并判斷是否維護的關鍵。出于這個原因，未來，在的這些巨型機器上很可能更多的使用傳感器，因為用10美元來保護昂貴的渦輪葉片免遭災難性的失敗是很值得的。