Angesichts der heutigen Ressourcenknappheit und Umweltzerstörung ist die Frage nach einer nachhaltigen Entwicklung und Nutzung erneuerbarer Energien zu einem zentralen Anliegen geworden. Windenergie, als emissionsfreie erneuerbare Energiequelle, birgt großes Entwicklungspotenzial. Die Windkraftbranche hat sich zu einem ausgereiften und vielversprechenden neuen Energiefeld entwickelt, und Windgeschwindigkeitssensoren, insbesondere Ultraschall-Windgeschwindigkeitssensoren, finden bereits breite Anwendung.
Erstens, die Anwendung von Windgeschwindigkeits- und Windrichtungssensoren
Windgeschwindigkeits- und Windrichtungssensoren finden breite Anwendung in der Windenergieerzeugung. Die kinetische Energie des Windes wird in mechanische Energie umgewandelt, die wiederum in elektrische Energie – den Windstrom – umgewandelt wird. Das Prinzip der Windenergieerzeugung beruht darauf, dass der Wind die Rotorblätter einer Windkraftanlage antreibt. Durch ein Untersetzungsgetriebe wird die Drehzahl erhöht, wodurch der Generator Strom erzeugt.
Obwohl die Windenergieerzeugung äußerst umweltfreundlich ist, führt ihre mangelnde Stabilität zu höheren Kosten im Vergleich zu anderen Energiequellen. Um die Windkraft optimal zu steuern, sie an die Windverhältnisse anzupassen, die maximale Leistung zu erzielen und die Kosten zu senken, ist eine präzise und zeitnahe Messung von Windrichtung und -geschwindigkeit unerlässlich, um die Ventilatoren entsprechend zu steuern. Auch die Standortwahl für Windparks erfordert eine frühzeitige Vorhersage von Windgeschwindigkeit und -richtung als Grundlage für eine fundierte Analyse. Daher ist der Einsatz von Windgeschwindigkeits- und -richtungssensoren zur genauen Messung der Windparameter für die Windenergieerzeugung von entscheidender Bedeutung.
Zweitens, das Prinzip des Windgeschwindigkeits- und -richtungssensors
1. Mechanischer Windgeschwindigkeits- und Windrichtungssensor
Mechanische Windgeschwindigkeits- und -richtungssensoren werden aufgrund der vorhandenen mechanischen Drehwelle in zwei Gerätetypen unterteilt: Windgeschwindigkeitssensoren und Windrichtungssensoren.
Windgeschwindigkeitssensor
Ein mechanischer Windgeschwindigkeitssensor misst kontinuierlich Windgeschwindigkeit und Luftvolumen (Luftvolumen = Windgeschwindigkeit × Querschnittsfläche). Der gebräuchlichste Windgeschwindigkeitssensor ist der Schalenwindsensor, der angeblich von Robinson in Großbritannien erfunden wurde. Das Messmodul besteht aus drei oder vier halbkugelförmigen Schalen, die in einer Richtung und unter gleichem Winkel an einer drehbaren Halterung auf dem Boden befestigt sind.
Windrichtungssensor
Der Windrichtungssensor ist ein physikalisches Gerät, das die Windrichtung durch die Drehung des Windrichtungszeigers erfasst und an ein Koaxial-Wählgerät weiterleitet. Gleichzeitig gibt es den entsprechenden Windrichtungswert aus. Das Hauptgerät nutzt die mechanische Struktur einer Windfahne: Weht der Wind auf den hinteren Flügel der Windfahne, zeigt deren Zeiger in die Windrichtung. Um die Empfindlichkeit gegenüber der Windrichtung zu gewährleisten, werden zusätzlich verschiedene interne Mechanismen zur Bestimmung der Windrichtung eingesetzt.
2. Ultraschall-Windgeschwindigkeits- und -richtungssensor
Das Funktionsprinzip von Ultraschallwellen beruht auf der Messung von Windgeschwindigkeit und -richtung mittels Laufzeitdifferenzmessung. Da sich Schall in der Luft mit der Geschwindigkeit der aufsteigenden Luftströmung durch den Wind ausbreitet, überlagert sich diese der Schallgeschwindigkeit. Breitet sich die Ultraschallwelle in Windrichtung aus, erhöht sich ihre Geschwindigkeit; verläuft sie entgegen der Windrichtung, verringert sie sich. Unter festgelegten Messbedingungen kann die Ultraschallgeschwindigkeit somit der Windgeschwindigkeit zugeordnet werden. Genaue Windgeschwindigkeit und -richtung lassen sich durch Berechnung ermitteln. Da die Schallgeschwindigkeit in der Luft stark von der Temperatur beeinflusst wird, misst der Windgeschwindigkeitssensor zwei entgegengesetzte Richtungen auf zwei Kanälen, sodass der Einfluss der Temperatur auf die Schallgeschwindigkeit vernachlässigbar ist.
Als unverzichtbarer Bestandteil der Windkraftentwicklung beeinflussen Windgeschwindigkeits- und Windrichtungssensoren direkt die Zuverlässigkeit und den Wirkungsgrad der Windkraftanlagen und stehen somit in direktem Zusammenhang mit Gewinn, Rentabilität und Kundenzufriedenheit in der Windkraftbranche. Windkraftanlagen befinden sich heutzutage meist in rauen, unwegsamen Umgebungen mit niedrigen Temperaturen und hoher Staubbelastung. Die Anforderungen an Betriebstemperatur und Biegefestigkeit der Systeme sind daher sehr hoch. Bestehende mechanische Produkte weisen diesbezüglich noch Verbesserungspotenziale auf. Ultraschall-Windgeschwindigkeits- und Windrichtungssensoren bieten daher vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten in der Windkraftbranche.
Veröffentlichungsdatum: 16. Mai 2024