一種移動式風場風速全尺度高度分布測量裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開一種移動式風場風速全尺度高度分布測量裝置，其特征在于，包括氣球、垂直索、固定氣球的第一斜拉索、固定氣球的第二斜拉索、固定氣球的第三斜拉索、風速儀；所述氣球設置有左機翼和右機翼，所述風速儀設置在氣球和/或垂直拉索和/或第一斜拉索和/或第二斜拉索和/或第三斜拉索上。本發明在飛艇式氣球上增設了一對水平機翼，在氣球帶機翼升空后，氣球的浮力和機翼上的升力共同作用下，在垂直拉索上產生較大的提升力，從而避免氣球在風力的作用下四處飄動；將風速儀的安裝方式由傳統的支撐式改為懸掛式，6～10個數字式風速儀布置在100m多的垂直索上。通過移動斜拉索和垂直拉索的基石，可對復雜地形變化的風場，進行多點風速高度分布的全尺度測量。
【專利說明】—種移動式風場風速全尺度高度分布測量裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種移動式風場風速全尺度高度分布測量裝置，屬于風力發電技術風速測量設備領域。
【背景技術】
[0002]風速大小和高度方向上的風速分布，是決定風力發電機容量和風塔高度的重要因素。過高的風塔高度，增加了建設費用，而發電量并不增多；過低的風塔高度，發電量不足，降低了投資設備效率。因此，在風力資源調查、評估和風電場建設的可行性研究時，需要全面了解風場不同高度的風速分布，由此根據單機容量的大小，優化選擇葉片長度和風塔高度，使之達到最佳的投資效率。
[0003]風電場不同高度的風速分布測量，常規的方法有桅桿式(mast)和塔式(tower)兩種，風速儀按一定的間隔，安裝在桅桿或塔的不同高度，由多臺風速儀同步測量。
[0004]桅桿式風速不同高度分布測量系統由桅桿、斜拉索和風速儀等組成，桅桿用于安裝風速儀，斜拉索用于桅桿的空間定位。豎直的桅桿在風力的作用下，產生與風向一致的水平作用力，由此使斜拉索產生與之平衡的水平反作用力。力學分析已知:斜拉索產生水平拉力的同時，對桅桿產生垂直向下的作用力，該力反比于斜拉索與桅桿夾角的正切；斜拉索與桅桿的夾角越小，平衡水平風力所產生的垂直向下力就越大。由于桅桿的直徑遠遠小于其長度，剛性較差，細桿具有抗拉不抗壓的力學特征，極易發生彎曲變形。當風力達到一定值時，桿件彎曲到一定程度，有可能失穩倒塌。為增強桅桿式風速測量系統的安全性，防止倒塌意外事故的發生，增大桿件直徑，并采用多層斜拉索。
[0005]桅桿雖然結構簡單，也不需要復雜的基礎，但桅桿高度不可能很大，因為豎起50m以上的桅桿，工程難度較大。要測量更大高度的風速分布，只能用塔式結構替代桿式結構，即由鋼管或鋼構件制成鐵塔。塔式結構基礎大，雖然結構復雜，但剛性遠強于桅桿式結構，能豎起的高度遠比桅桿大，如再輔助于斜拉索，豎立的高度可以達到100多米。
[0006]風電技術的進步，風電機組已向大型化方向發展，兆瓦級或數兆瓦風電機組已得到廣泛應用。對于兆瓦級風電機組，風輪機葉片頂端離地面通常在100?120m。如果在風力資源評估時，對風速高度分布進行全尺度測量，桅桿或鐵塔的高度至少100m，建造成本較大，又有工程風險，且高度越大，投資風險和安全風險也越大。因此，在風力資源調查、評估和風力發電場建設可行性論證時，往往建一個低于風機塔高的鐵塔或桅桿，基于風速與高度的指數關系，外推更大高度的風速分布。
[0007]風速不同高度的大小分布，受大氣層穩定性、地形形狀、表面粗糙度、氣候等多種復雜因素影響，不同地域的風速高度分布差異較大。因此，基于有限高度局部風速測量的外推風場風速的全尺度高度分布，對風力資源評估產生很大的不確定性。為精確地評估風力資源，為風電場建設提供確切的特性數據，應根據風電場的地形地貌，對風場的風速高度分布，一是應全尺度測量，二是應可移動靈活測量。
【發明內容】
[0008]發明口的:本發明的口的在于解決風電場風力資源評估中風速高度分布的不確定問題。提出一種移動式風場風速全尺度高度分布測量裝置，將風力資源評估中不同高度的風速分布，由傳統的基于有限高度局部測量的外推改為基于全尺度測量的內插，從根本上消除風速分布外推產生的不確定性；并根據風電場的地形與地貌，進行多點可移動式測量，降低成本和工程風險。
[0009]技術方案:本發明的一種移動式風場風速全尺度高度分布測量裝置，包括氣球、垂直索、固定氣球的第一斜拉索、固定氣球的第二斜拉索、固定氣球的第三斜拉索、風速儀；氣球設置有左機翼和右機翼，風速儀設置在氣球和/或垂直拉索和/或第一斜拉索和/或第二斜拉索和/或第三斜拉索上。這樣通過設置機翼，與現有的通過多條斜拉索連接固定氣球的技術相比較，避免了當風力過大時，斜拉索為了提供氣球對抗風力所必須的側向力時，同時對氣球有向下的分力過大，超過了氣球的浮力時出現氣球向下移動導致風速測量不準的情況。因為設置了產生升力的機翼，當風力越大時，升力也會越大，該升力可以抵消當風速變大斜拉索為氣球提供的額外側向力時產生的向下分力，并且該升力與風速正相關，通過適當設置機翼的升力性能，可以使得該氣球在不論風速為多大時都不移動。
[0010]進一步地，氣球設置有旋轉連接器，垂直索連接該旋轉連接器；第一斜拉索、第二斜拉索和第三斜拉索連接該旋轉連接器固定氣球；氣球的一水平側設置有垂直尾翼和/或水平尾翼。
[0011]可優選氣球的形狀為流線體。
[0012]進一步的，若優選氣球的形狀為流線體，當設置有垂直尾翼和水平尾翼時，垂直尾翼和/或水平尾翼所在的水平側為氣球流線體的尾部一側。
[0013]具體地，旋轉連接器可設置為包括軸承、轉動軸、殼體、軸承蓋板、滑輪和斜拉索吊環板；氣球底部設置有氣球底部基板；殼體固定在氣球底部基板上；殼體和轉動軸之間通過軸承連接；滑輪和斜拉索吊環板固定在轉動軸上；垂直索連接在滑輪上；第一斜拉索、第二斜拉索和第三斜拉索固定在斜拉索吊環板上。
[0014]優選,風速儀設置在垂直索上。
[0015]優選，風速儀為十字交叉的水平多孔均速管和豎直多孔均速管，水平多孔均速管上設置有4個風速動壓孔，豎直多孔均速管上設置有4個風速動壓孔，水平多孔均速管與豎直多孔均速管交叉處還設置有I個風速動壓孔。
[0016]優選，風速儀還包括導向舵、測量電路和風速環；風速環位于豎直平面上；水平多孔均速管的兩端和豎直多孔均速管的兩端連接在風速環上；導向舵設置于垂直于風速環所在平面的豎直平面上；測量電路設置在導向舵上；風速環上下端分別設置有上風速環連接器和下風速環連接器，上風速環連接器與下風速環連接器與垂直索相連接。
[0017]優選，上風速環連接器包括殼體、微型軸承、殼體蓋、轉軸、吊環；殼體固定在風速環上端，微型軸承設置于殼體與殼體蓋圍成的封閉空間內，轉軸與殼體之間通過微型軸承連接，吊環設置在轉軸上，該吊環與垂直索相連接；下風速環連接器同樣包括殼體、微型軸承、殼體蓋、轉軸、吊環，殼體固定在風速環下端，微型軸承設置于殼體與殼體蓋圍成的封閉空間內，轉軸與殼體之間通過微型軸承連接，吊環設置在轉軸上，該吊環與垂直索相連接。
[0018]優選設置第一斜拉索、第二斜拉索和第三斜拉索與水平面的夾角不大于60度。[0019]本發明與現有技術相比，其有益效果是:氣球內充有氫氣和氦氣，可攜帶3根斜拉索和I根垂直索升空。為充分增大氣球的提升力，降低斜拉索因平衡氣球上水平風力產生的向下作用力，氣球的主體可采用風力拖曳系數很小的飛艇式流線體，尾部可采用圓錐體；左機翼和右機翼將橫掠過的風速動能，轉變為機翼上的升力，補償斜拉索因平衡氣球上水平風力產生的向下作用力，且有多余的升力增大垂直索向上的提升力。垂直尾翼及水平尾翼起著導向和穩定的作用，使風力升力器的正面自動朝向迎風面。
[0020]旋轉連接器的殼體固定在氣球底部基板上，與氣球剛性地連為一體。使得殼體相對于轉動軸可以自由轉動，這樣，在斜拉索固定后，風力升力器在水平面內隨風向可360°
自由轉動。
[0021]若風速儀設置在垂直索上，在旋轉連接器上的滑輪，可用于自由升降設置在垂直索上風速儀。這樣，在不放下氣球的情況下，可方便地放下數字式風速儀，讀取測量得的風速數據，更換風速儀的電池等。
[0022]風速儀可以為采用基于匹托管流速測量原理的均速管。因為風速具有隨機性，且氣體流動存在不均勻性，為減少單點匹托管測由此產生的波動，本發明采用雙支十字交叉的多孔均速管，有水平和垂直方向合計9個風速動壓孔。為減小均速管在風力作用下的拖曳力，均速管可采用流線體。
[0023]風速儀采用一體化集成設計。測速管和的兩端，分別焊接在圓環上，起到加強風速環剛度的作用。
[0024]上風速環連接器和下風速環連接器設置在風速環的兩端，這樣，風速環在懸掛在垂直拉索上后，風速儀隨風向可360°自由旋轉。因此，在導向舵的引導下，風速儀的測速管正面迎向來風方向。
[0025]本發明在飛艇式氣球上增設了一對水平機翼，在氣球帶機翼升空后，借助IOOm以上高空較大的風速，在機翼上將風力轉變為升力，氣球的浮力和機翼上的升力共同作用下，在垂直拉索上產生較大的提升力，從而避免氣球在風力的作用下四處飄動；將風速儀的安裝方式由傳統的支撐式改為懸掛式，6?10個數字式風速儀布置在IOOm多的垂直索上,可對風場的風速高度分布進行全尺度測量。通過移動斜拉索和垂直拉索的基石，可對復雜地形變化的風場，進行多點風速高度分布的全尺度測量。此外本發明采用十字交叉9孔均速管作為風速測量的一次轉換元件，消除流動不均勻產生的測量誤差，提高風速測量的信號穩定性和正確性。風速儀的傳感元件、電子線路、導向舵和支架一體化流線型設計，降低風對風速儀的拖曳力。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖1為本發明的一種移動式風場風速全尺度高度分布測量裝置示意圖；
[0027]圖2為本發明的一種移動式風場風速全尺度高度分布測量裝置中的旋轉連接器示意圖；
[0028]圖3為本發明的一種移動式風場風速全尺度高度分布測量裝置的風速儀正視圖；
[0029]圖4為本發明的一種移動式風場風速全尺度高度分布測量裝置的風速儀的側視圖；
[0030]圖5為本發明的一種移動式風場風速全尺度高度分布測量裝置的上風速環連接器示意圖；
[0031]圖6為本發明的一種移動式風場風速全尺度高度分布測量裝置的下風速環連接器示意圖。
【具體實施方式】
[0032]下面對本發明技術方案進行詳細說明，但是本發明的保護范圍不局限于實施例。
[0033]實施例:
[0034]本實施例的移動式風場風速全尺度高度分布測量裝置如圖1所示，包括氣球110、垂直索500、固定氣球110的第一斜拉索410、固定氣球110的第二斜拉索420、固定氣球110的第三斜拉索430、風速儀300 ;氣球110設置有左機翼120和右機翼130，風速儀300設置在垂直索500上，然而風速儀300設置的位置并不會影響風速儀300測量的結果，但當風速儀300設置在垂直索500上且垂直索500連接在滑輪上時，風速儀300會有在不放下氣球的情況下，可方便地放下數字式風速儀，讀取測量得的風速數據，更換風速儀300的電池等的技術效果。
[0035]本實施例氣球110設置有旋轉連接器200，垂直索500連接該旋轉連接器200 ;第一斜拉索410、第二斜拉索420和第三斜拉索430連接該旋轉連接器200固定氣球110 ;氣球110的一水平側設置有垂直尾翼140和水平尾翼160，水平尾翼和垂直尾翼的設置相互獨立，均可達到前述的為氣球110導向的技術效果。
[0036]本實施例氣球110的形狀為流線體。
[0037]本實施例的氣球110的形狀為流線體，垂直尾翼140和/或水平尾翼160所在的水平側為氣球110流線體的尾部一側。
[0038]本實施例的旋轉連接器200如圖2所示包括軸承210、轉動軸220、殼體230、軸承蓋板240、滑輪250和斜拉索吊環板260 ;氣球110底部設置有氣球底部基板270 ;殼體230固定在氣球底部基板270上；殼體230和轉動軸220之間通過軸承210連接；滑輪210和斜拉索吊環板260固定在轉動軸220上；垂直索500連接在滑輪210上；第一斜拉索410、第二斜拉索420和第三斜拉索430固定在斜拉索吊環板260上。
[0039]本實施例風速儀300設置在垂直索500上。
[0040]本實施例風速儀300如圖3和圖4所示為十字交叉的水平多孔均速管310和豎直多孔均速管320，水平多孔均速管310上設置有4個風速動壓孔315，豎直多孔均速管上320設置有4個風速動壓孔315，水平多孔均速管310與豎直多孔均速管320交叉處還設置有I個風速動壓孔315。
[0041]本實施例風速儀300還包括導向舵390、測量電路335和風速環360 ;風速環360位于豎直平面上；水平多孔均速管310的兩端和豎直多孔均速管320的兩端連接在風速環360上；導向舵390設置于垂直于風速環360所在平面的豎直平面上；測量電路335設置在導向舵390上；風速環360上下端分別設置有上風速環連接器370和下風速環連接器380，上風速環連接器370與下風速環連接器380與垂直索500相連接。
[0042]本實施例上風速環連接器370如圖5所示包括殼體371、微型軸承372、殼體蓋373、轉軸374、吊環375 ;殼體371固定在風速環360上端，微型軸承372設置于殼體371與殼體蓋373圍成的封閉空間內，轉軸374與殼體371之間通過微型軸承372連接，吊環375設置在轉軸374上，該吊環375與垂直索500相連接；下風速環連接器380如圖6所示同樣包括殼體381、微型軸承382、殼體蓋383、轉軸384、吊環385，殼體381固定在風速環360下端，微型軸承382設置于殼體381與殼體蓋383圍成的封閉空間內，轉軸384與殼體381之間通過微型軸承382連接，吊環385設置在轉軸384上，該吊環385與垂直索500相連接。
[0043]本實施例第一斜拉索410、第二斜拉索420和第三斜拉索430與水平面的夾角不大于60度。
[0044]本實施例的垂直索500由多段拉索與風速儀300串接而成，各段垂直拉索的長度，根據風速高度分布估算確定。近地面附近，風速高度分布的變化梯度較大，風速儀的間距應小些；在70m以上的高空處，風速高度分布的梯度較小，風速儀的間距可以大些。本實施例的，風速儀測點采用非線性布置，在離地面20m、30m、40m、50m、60m、70m、85m、100m、115m和130m等10個高度設置風速儀
[0045]本實施例第一斜拉索410、第二斜拉索420和第一斜拉索430的上端系在頂部連接器的斜拉索吊環板孔上，下端分別系在斜拉索基石610、620和630上。3塊斜拉索基石等間距排放在以垂直拉索基石為圓心的同一圓周上。為充分增大垂直拉索的提升力，斜拉索與地面的夾角不大于60°。
[0046]本實施例氣球110充有氫、氦混臺氣體氣球的充氣總容積50立方米。垂直尾翼140位于氣球體的垂直中分面上，水平尾翼160位于氣球體的水平中分面上，安裝時垂直尾翼和水平尾翼與氣球體正交。左機翼120和右機翼130由氣球體同質村料制成，內支高強度鋼質龍骨，中空型結構，與氣球體腔室連通，充氣后形成標準的流線體結構。為產生足夠大的升力，機翼臺計面積為4.0平方米。
[0047]所述風力升力器的底部基板270位于氣球充氣后的浮力中心底部，旋轉連接器200的殼體230剛性連接。頂部連接器由軸承210、轉軸220、殼體230、殼體蓋板240、滑輪250和斜拉索吊環板260組成，軸承210的外圈過盈地安裝在殼體230的軸承腔內，轉軸220過盈地安裝在軸承210的內圈中，殼體蓋板240由螺絲固定在殼體230上。在斜拉索吊環板260的同一圓周均勻開設3個斜拉索吊環孔，吊環板的中心孔套裝在轉軸上，通過螺栓緊固在轉軸上。滑輪通過螺紋固定在轉軸的頂端。在斜拉索和垂直拉索定位后，轉軸位置不再發生變化，軸承外圈可相對于轉軸自由轉動，即氣球Iio可隨風向在水平面內可自由轉動。
[0048]所述風速儀的水平多孔均速管310和豎直多孔均速管320采用薄壁不銹鋼板材料，壓制成流線體外形，由焊接制成。水平多孔均速管310和垂直多孔均速管的動壓、靜壓通道分別連通，端部密封，并焊接在風速環360上，對風速環起到加強剛度的作用。
[0049]所述風速儀300的主體結構由十字交叉均速管310和320、風速環360、上連接器370、下連接器380和導向舵390組成，采用一體化結構，十字交叉均速管的端部焊接在風速環上，導向舵390的殼體與垂直均速管320焊接在一起，上、下連接器370和380分別焊接在風速環中分軸線的頂部和底部。
[0050]風速儀300被垂直索懸掛后，連接器的轉軸基本不動，風速環在水平面內可自由轉動。
[0051]所述基石用于斜拉索和垂直拉索的地面定位，為保正在正常測量情況下基石不移動，每個基石的質量均為50kg以上。
[0052]所述垂直拉索500由引導索和和風速儀拉索兩部分組成，引導索起到升、降風速儀的作用。引導索的一端與風速儀掛索相接，另一端穿過頂部連接器轉軸端部的滑輪，固定地垂直拉索的基石上。風速儀的掛索兩端通過吊環與風速儀上、下連接器轉軸上吊環扣接。
[0053]本實施例的一種移動式風場風速全尺度高度分布測量裝置在選擇好地面測量位置后，根據測量高度要求和斜拉索與地面的夾角，選取斜拉索和垂直拉索的長度以及斜拉索基石圓的半徑之后在選好的測量位置處布置垂直拉索基石640，并以此為圓心，在斜拉索基石圓上均勻布置斜拉索基石610、620和630 ;將斜拉索410、420和430分別扣接到頂部連接器的斜拉索吊環孔上，另一端固定在對應的基石上；垂直拉索的引導索穿過頂部連接器轉軸端部的滑輪，并與風速儀的掛索相接；風力升力器的氣球充氣后緩慢升空，到達預定高度后，由垂直拉索的引導索提升數字式風速儀，當風速儀定位后，垂直拉索固定在垂直拉索基石640上。
[0054]如上所述，盡管參照特定的優選實施例已經表示和表述了本發明，但其不得解釋為對本發明自身的限制。在不脫離所附權利要求定義的本發明的精神和范圍前提下，可對其在形式上和細節上作出各種變化。
【權利要求】
1.一種移動式風場風速全尺度高度分布測量裝置，其特征在于，包括氣球(110)、垂直索(500)、固定氣球(110)的第一斜拉索(410)、固定氣球(110)的第二斜拉索(420)、固定氣球(110)的第三斜拉索(430)、風速儀(300);所述氣球(110)設置有左機翼(120)和右機翼(130)，所述風速儀(300)設置在氣球(110)和/或垂直拉索(500)和/或第一斜拉索(410)和/或第二斜拉索(420)和/或第三斜拉索(430)上。
2.根據權利要求1所述的一種移動式風場風速全尺度高度分布測量裝置，其特征在于，所述的氣球(110)設置有旋轉連接器(200)，所述的垂直索(500)連接該旋轉連接器(200);第一斜拉索(410)、第二斜拉索(420)和第三斜拉索(430)連接該旋轉連接器(200)固定所述氣球(110);所述氣球(110)的一水平側設置有垂直尾翼(140)和/或水平尾翼(160)。
3.根據權利要求1所述的一種移動式風場風速全尺度高度分布測量裝置，其特征在于，所述氣球(110)的形狀為流線體。
4.根據權利要求2所述的一種移動式風場風速全尺度高度分布測量裝置，其特征在于，所述氣球(110)的形狀為流線體，所述垂直尾翼(140)和/或水平尾翼(160)所在的水平側為氣球(110)流線體的尾部一側。
5.根據權利要求1、2、3或4所述的一種移動式風場風速全尺度高度分布測量裝置，其特征在于，所述的旋轉連接器(200)包括軸承(210)、轉動軸(220)、殼體(230)、軸承蓋板(240)、滑輪(250)和斜拉索吊環板(260);氣球(110)底部設置有氣球底部基板(270);所述殼體(230)固定在氣球底部基板(270)上；所述殼體(230)和轉動軸(220)之間通過軸承(210)連接；所述滑輪(210)和斜拉索吊環板(260)固定在轉動軸(220)上；所述的垂直索(500)連接在所述滑輪(210)上；所述的第一斜拉索(410)、第二斜拉索(420)和第三斜拉索(430)固定在所述斜拉索吊環板(260)上。
6.根據權利要求1、2、3或4所述的一種移動式風場風速全尺度高度分布測量裝置，其特征在于，所述的風速儀(300)設置在垂直索(500)上。
7.根據權利要求6所述的一種一種移動式風場風速全尺度高度分布測量裝置，其特征在于，所述的風速儀(300)為十字交叉的水平多孔均速管(310)和豎直多孔均速管(320)，水平多孔均速管(310)上設置有4個風速動壓孔(315)，豎直多孔均速管上(320)設置有4個風速動壓孔(315)，水平多孔均速管(310)與豎直多孔均速管(320)交叉處還設置有I個風速動壓孔(315)。
8.根據權利要求7所述的一種移動式風場風速全尺度高度分布測量裝置，其特征在于，所述的風速儀(300)還包括導向舵(390)、測量電路(335)和風速環(360);所述風速環(360)位于豎直平面上；所述水平多孔均速管(310)的兩端和豎直多孔均速管(320)的兩端連接在風速環(360)上；所述的導向舵(390)設置于垂直于風速環(360)所在平面的豎直平面上；所述測量電路(335)設置在導向舵(390)上；所述風速環(360)上下端分別設置有上風速環連接器(370)和下風速環連接器(380)，所述上風速環連接器(370)與下風速環連接器(380)與垂直索(500)相連接。
9.根據權利要求8所述的一種移動式風場風速全尺度高度分布測量裝置，其特征在于，所述的上風速環連接器(370)包括殼體(371)、微型軸承(372)、殼體蓋(373)、轉軸(374)、吊環(375);所述殼體(371)固定在風速環(360)上端，所述微型軸承(372)設置于殼體(371)與殼體蓋(373)圍成的封閉空間內，所述轉軸(374)與殼體(371)之間通過微型軸承(372)連接，所述吊環(375)設置在所述轉軸(374)上，該吊環(375)與垂直索(500)相連接；所述下風速環連接器(380)同樣包括殼體(381)、微型軸承(382)、殼體蓋(383)、轉軸(384)、吊環(385)，所述殼體(381)固定在風速環(360)下端，所述微型軸承(382)設置于殼體(381)與殼體蓋(383)圍成的封閉空間內，所述轉軸(384)與殼體(381)之間通過微型軸承(382)連接，所述吊環(385)設置在所述轉軸(384)上，該吊環(385)與垂直索(500)相連接。
10.根據權利要求1、2、3和4所述的一種移動式風場風速全尺度高度分布測量裝置，其特征在于，所述的第一斜拉索(410)、第二斜拉索(420)和第三斜拉索(430)與水平面的夾角不大于60度。
【文檔編號】G01P5/00GK103645339SQ201310628974
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年11月29日 優先權日:2013年11月29日
【發明者】楊馨平, 楊磊 申請人:楊馨平