2.2 测风仪器与布置

2.2 测风仪器与布置

测风塔工程不仅包括测风塔结构，还包含布置在测风塔上的测风仪器和测风系统，测风仪器的功能和测风系统的组成有以下要求：

（1）测风仪器的功能。风电场测风时除了对风速和风向进行测量外，一般还应测量风场温度、气压和湿度等相关气象要素。

（2）测风系统组成。自动测风系统主要由6部分组成，包括传感器、主机、数据存储装置、电源、安全与保护装置^［16］。

传感器分风速传感器、风向传感器、温度传感器、气压传感器、输出信号为频率（数字）或模拟信号。

主机利用微处理器对传感器发送的信号进行采集、计算和存储，由数据记录装置、数据读取装置、微处理器、就地显示装置组成。

由于测风系统安装在室外，因此数据存储装置数据存储盒应有足够的存储容量，而且为了户外操作方便，采用可插接形式。一般系统工作一定时间后，将已存有数据的存储盒从主机上替换下来，及时进行风能资源数据分析处理。

测风系统电源一般采用电池供电。为提高系统工作可靠性，应配备一套或两套备用电源，如太阳能光电板等。主电源和备用电源互为备用，当某一出现故障时可自动切换。对有固定电源地段（如地方电网）可利用其为主电源，但也应配备有一套备用电源。

由于系统长期工作在海洋环境中，输入信号可能会受到各种干扰，设备会随时遭受破坏，恶劣的冰雪天气会影响传感器信号、雷电天气干扰传输信号出现误差，甚至毁坏设备等。因此，一般在传感器输入信号和主机之间增设保护和隔离装置，从而提高系统运行可靠性。另外，在离水面一定高度区内采取措施进行保护以防人为破坏。主机箱应严格密封，防止盐雾进入。

总之，测风系统应具备较高的测试性能和精度，防止自然灾害和人为破坏的能力、保护数据安全准确等功能。

代表性的测风塔观测仪器、数据采集器和供电系统示例，即测风塔测风系统示例如图2-14所示。

2.2.1 测风仪器

风速测量仪器为风速仪，主要包括杯式风速仪和螺旋桨式风速仪。杯式风速仪包括一个杯组（3个或4个风杯），中心连接到一个垂直轴旋转，至少一个风杯总是迎风，可将风压力转化为风杯扭矩，风杯转速近似线性正比于风速，内部转换器将转速转化为电信号传递至数据采集器，间接计算风速^［18］。杯式风速仪在风资源测量中应用较为普遍。

图2-14 测风塔测风系统示例^［17］

风向测量装置多采用风向标，主要包括单翼型、双翼型和流线型等。风向标一般由尾翼、指向杆、平衡锤和旋转主轴等组成首位不对称的平衡装置。风向标通过不断对准风向寻找力平衡的位置。传送和指示风向标所在方位的方法很多，有电触点盘、环形电位、自整角机和光电码盘等型式^［16］。

温度测量通过温度传感器来完成。典型的大气温度传感器由3部分组成，即转换器、接口设备和辐射防护罩。由于转换器采用的原材料通常是镍或铂，因此其电阻与温度有关，电阻值通过数据采集器测量，通过一个已知的公式计算空气温度^［18］。

大气压力的测量通过气压计来完成。

数据采集器根据数据传输方式的不同可分为现场式和遥控式。拥有远端电话调制解调器和移动电话数据传送器的性能，无需频繁去现场就可获得和检查存储的数据。数据采集器为数字的，并能与传感器类型、传感器数量、测量参数和要求的取样和记录间隔匹配。它应安装在无腐蚀、防水和封闭的电器箱内，以保护它与外围设备不受环境影响和破坏^［18］。

2.2.2 仪器要求

测风仪器一般采用传感器型测量仪器，在满足精度和时间要求的条件下，可采用更先进的新技术和新设备测量风能资源。当采用传感器型测量仪器时，应满足以下要求：

（1）测风仪器设备（风速传感器和风向传感器）在现场安装前应经国家法定计量部门检验合格，在有效期内使用。

（2）风速传感器应满足测量范围为0～60m/s，分辨率为0.1m/s的要求。当风速不大于30.0m/s时，准确度为±0.5m/s；当风速大于30.0m/s时，准确度为±5%。工作环境温度应满足当地气温条件。

（3）风向传感器应满足测量范围为0°～360°，精确度为±2.5°的要求，工作环境温度应满足当地气温条件。

（4）大气温度计一般应满足测量范围为-40～+50℃，精确度为±0.5℃的要求。

（5）大气压力计一般应满足测量范围为60～108kPa，精确度为±2%的要求。

（6）数据采集器应具有第1章1.2节要求的测量参数的采集、计算和记录功能，具有在现场或远程室内下载数据的功能，能完整地保存不低于24个月采集的数据量，能在现场工作环境温度下可靠运行。

（7）测风设备防护等级为IP65，测风设备应进行定期维护。

2.2.3 仪器布置要求

在安装测风设备之前，应收集周围已有测站或气象站的测风资料，分析当地风况特征，了解当地盛行风向，为安装测风设备做准备。

测风设备应固定在从测风塔水平伸出的支架上，应根据区域风况特征及当地盛行风向确定支架的朝向。同高度两套传感器支架的夹角宜为90°，具体应根据当地风资源状况和测风塔的结构型式确定。为减小测风塔“塔影效应”对传感器的影响，传感器与塔身的距离为桁架式结构测风塔直径的3倍以上、圆管形结构测风塔直径的6倍以上。风向标应根据当地磁北安装，按照磁偏角进行修正。数据采集盒应固定在测风塔上，或者安装在塔底工作平台上，安装盒应防波浪、防雨水、防冰冻、防雷暴、防腐蚀。温度计与气压计可随测风塔安装，也可安装在海上平台的百叶箱内。

对于支撑测风仪器的支架，支架的设置应确保传感器离开塔架，尽可能减小塔架和支架构件对测量参数的影响。传感器支架应满足以下条件^［18］：

（1）能经受该处可能发生极端情况下风和冰的荷载。

（2）确保结构稳定，风引起的振动应尽可能小。

（3）正确布置以确保定向到主风向，并牢靠固定于塔架上。

（4）防止环境造成的腐蚀作用。