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

從表面上看，一個現(xiàn)代的風力發(fā)電機就是一個21世紀的大風車，他們通過轉(zhuǎn)子葉片將風能轉(zhuǎn)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(fā)電機將機械工程和電氣工程的創(chuàng)新結(jié)合在一起，為人們展現(xiàn)了一個完美的杰作。盡管一個風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)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(fā)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(fā)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(fā)電場需要每一臺發(fā)電機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。

風力發(fā)電機就是一個典型工業(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。風電場工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可以充分利用諸如風速、功率、偏航角、變速箱溫度等歷史數(shù)據(jù)來分析設備的運行趨勢。這樣，操作員就可以通過創(chuàng)建一個模型來預測要在什么時候檢查哪些部件了。物聯(lián)網(wǎng)所獲取的所有的信息、狀態(tài)警報和其他監(jiān)測結(jié)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(jiān)視著風力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)、內(nèi)部的敏感位置和系統(tǒng)組件 (圖1)。風力發(fā)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(shù)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

圖1:風力發(fā)電機機艙內(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)

變速箱將葉片的慢速運行轉(zhuǎn)化為更快的轉(zhuǎn)子速度(連在發(fā)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(fā)電機，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風場上，增加了32個海上發(fā)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(fā)電機第一次商用，它發(fā)電機功率比以前提高了一倍。新的渦輪機大約有195m高，轉(zhuǎn)子長度80米，轉(zhuǎn)子的一次旋轉(zhuǎn)可以為一個普通家庭供電29小時。

圖2

圖2 北威爾士Burbo Bank Offshore海上風電場。(來源:維基百科)。最大功率風力渦輪機是來自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。風力發(fā)電機整體高度219米(約為72層樓高)，整體重量超過1800噸。圖3顯示了巨大的風力渦輪機轉(zhuǎn)子的實際尺寸。

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

傳感器的關鍵作用

在風力發(fā)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(jiān)視和交互有關的參數(shù)信息，比如兩個組件之間距離的變化

監(jiān)測水平振動的級別，如果振動過度，可能會造成重大損害

監(jiān)測溫度、壓力和機械應力的變化

渦流傳感器

在風力發(fā)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(chǎn)生的感應電流。根據(jù)這種原理，電流的強度可以轉(zhuǎn)換成距離的變化。

在風力發(fā)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(huán)境下工作，所以它們可以在不利的環(huán)境下可靠的監(jiān)測潤滑情況。如果軸的間隔過大，超過了限度，傳感器就會發(fā)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(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(jiān)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(zhuǎn)效應(力矩或扭矩)，他們可能會導致結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)，以確保轉(zhuǎn)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(jiān)測結(jié)構(gòu)的完整性。風力發(fā)電機所需的基礎平臺雖然是由大量的混凝土構(gòu)成，但由于塔很高，轉(zhuǎn)子和機艙巨大，因此，整個結(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)行這個功能，因為它可以探測到由于風或結(jié)構(gòu)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?shù)骄嚯x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(fā)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(fā)電機定子和轉(zhuǎn)子之間的距離，這個距離被稱作發(fā)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(huán)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(fā)生旋轉(zhuǎn)，然后傳感器將其轉(zhuǎn)換成變化的電信號。在風力發(fā)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。

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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，能夠抵抗震動、抖動、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

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(zhuǎn)軸承以及其他旋轉(zhuǎn)部件（如主發(fā)電機輸出軸）的振動情況，測量得到的振動數(shù)據(jù)可以用來預測可能要發(fā)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(jié)果分辨率高、噪音低、靈敏度穩(wěn)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(xiàn)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(fā)出低頻聲波，聲波被目標物體反射，通過記錄聲波的發(fā)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(qū)動SoC有一個信號調(diào)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(shù)轉(zhuǎn)換器，利用時變閾值處理近場和遠場目標檢測的數(shù)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(tǒng)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(jié)論

傳感器在風力發(fā)電機中至關重要，那么傳感器自身是否會發(fā)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(fā)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(tǒng)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(fā)展的技術一樣，利用風能產(chǎn)生電能的發(fā)電機有時也會發(fā)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(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(jiān)測發(fā)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。