風(fēng)力發(fā)電機(jī)看起來(lái)像摩天大樓一樣高大，但卻要依靠數(shù)十個(gè)低成本微型傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)器其運(yùn)行狀況，以確保高效安全地運(yùn)行。

從表面上來(lái)看，現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)就像是一臺(tái) 21 世紀(jì)的大風(fēng)車，通過轉(zhuǎn)子葉片將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能，而不是像過去一樣利用風(fēng)能來(lái)碾磨谷物或抽水。再深入一點(diǎn)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)將機(jī)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(gè)完美的杰作。盡管風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子可以達(dá)到 79 米長(zhǎng)，塔高超過 183 米，但是它的關(guān)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(jī)這個(gè)龐然大物在面對(duì)壓力、振動(dòng)和其他危險(xiǎn)時(shí)，仍能安全運(yùn)行。

傳感器在風(fēng)電場(chǎng)中的作用

如果沒有傳感器，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安全性不僅會(huì)降低，而且操作成本也會(huì)提高，更無(wú)法準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)并解決潛在的故障，導(dǎo)致預(yù)期壽命可能會(huì)低于 25 年。更為重要的是，風(fēng)電場(chǎng)需要每一臺(tái)發(fā)電機(jī)及其重要部件的精確數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)需由連接在一起并與控制中心相連接的傳感器提供。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)就是一個(gè)典型的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)例子：它們擁有從傳感器到相關(guān)網(wǎng)絡(luò)所需的一切組件，盡管它們通常采用的是以太網(wǎng)而非無(wú)線連接方式。風(fēng)電場(chǎng)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可以充分利用諸如風(fēng)速、功率、偏航角、變速箱溫度等歷史數(shù)據(jù)來(lái)分析設(shè)備的運(yùn)行趨勢(shì)。這樣，操作員就可以通過創(chuàng)建一個(gè)模型來(lái)預(yù)測(cè)要在什么時(shí)候檢查哪些部件。所有信息、狀態(tài)警報(bào)和其他監(jiān)測(cè)結(jié)果，都可以從智能手機(jī)、平板電腦或電腦上進(jìn)行查看和操作。

這些傳感器為什么如此重要呢？因?yàn)樗鼈兛梢噪S時(shí)監(jiān)視風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、內(nèi)部敏感位置和系統(tǒng)組件（圖 1）。風(fēng)力發(fā)電機(jī)非常復(fù)雜，通常有超過 8000 個(gè)組件。它們巨大的葉片和塔架被安裝在數(shù)千噸的鋼筋混凝土平臺(tái)上，平臺(tái)直徑達(dá) 15 到 30 米，深 6 至 10 米。

圖 1:風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙內(nèi)的基本構(gòu)造以及一些傳感器類型和安放位置 （來(lái)源：TE Connectivity 手冊(cè)）

慢速運(yùn)行的葉片經(jīng)過變速箱后轉(zhuǎn)化為高速運(yùn)行的轉(zhuǎn)子（連在發(fā)電機(jī)上），變速箱被安置在一個(gè)被成為“機(jī)艙”的集裝箱上，它的大小相當(dāng)于一輛公共汽車，重量約為 45 噸。有一些機(jī)艙非常大，甚至可以在頂部安裝一個(gè)直升機(jī)著陸墊，這種風(fēng)力發(fā)電機(jī)平臺(tái)的重量將超過 272 噸。

近日，英國(guó)安裝了一臺(tái)目前世界上最大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，它的發(fā)電功率為 5.3GW，可供 500 萬(wàn)用戶使用。今年 5 月，丹麥能源公司 DONG Energy 在愛爾蘭海利物浦灣的 Burbo Bank Offshore 風(fēng)場(chǎng)上，增加了 32 個(gè)海上發(fā)電機(jī)（圖 2），這對(duì)可再生能源來(lái)說(shuō)有著非凡的意義，因?yàn)樗鼧?biāo)志著 8MW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的第一次商用，它的發(fā)電機(jī)功率比以前提高了一倍。新的發(fā)電機(jī)大約有 195m 高，轉(zhuǎn)子長(zhǎng) 80 米，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一次可以為一個(gè)普通家庭供電 29 小時(shí)。

圖 2 ：北威爾士 Burbo Bank Offshore 海上風(fēng)電場(chǎng)（來(lái)源：維基百科）

最大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)是來(lái)自 Vestas Wind Systems 的 Vestas 164，功率為 9MW，轉(zhuǎn)子長(zhǎng) 178m，掃掠面積 20566 m2，重 32 噸。風(fēng)力發(fā)電機(jī)整體高 219 米（約為 72 層樓高），整體重量超過 1800 噸。從圖 3 中可以看出這個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子到底有多大。

圖 3：裝載著渦輪葉片的車隊(duì)蜿蜒穿過 Edenfield 前往 Scout Moor 風(fēng)電場(chǎng)，即英國(guó)第二大陸上風(fēng)電場(chǎng) (來(lái)源：Geograph)

傳感器的關(guān)鍵作用

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，有許多種不同類型的電子和光學(xué)傳感器。一般來(lái)說(shuō)，他們具有以下作用：

檢測(cè)、監(jiān)視和交互有關(guān)的參數(shù)信息，比如兩個(gè)相鄰組件之間距離的變化

監(jiān)測(cè)振動(dòng)級(jí)別，如果振動(dòng)幅度過大，可能會(huì)造成嚴(yán)重?fù)p壞

監(jiān)測(cè)溫度、壓力和機(jī)械應(yīng)力的變化

渦流傳感器

渦流傳感器是風(fēng)力發(fā)電機(jī)中最常見的傳感器之一，可檢測(cè)導(dǎo)電材料進(jìn)入移動(dòng)磁場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生的電流變化。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，磁場(chǎng)的強(qiáng)度可以轉(zhuǎn)化為距離的變化。

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，渦流傳感器用于測(cè)量軸的潤(rùn)滑油層間隙，以確保承受壓力的軸一直被油膜所覆蓋，保證潤(rùn)滑度。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，所以它們可以在這些惡劣環(huán)境下可靠的監(jiān)測(cè)油隙。如果間隙過大超過了限度，傳感器就會(huì)發(fā)出警報(bào)，這樣就可以在軸卡住時(shí)或之前進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)。

這些傳感器還用于測(cè)量發(fā)電機(jī)軸承在外殼內(nèi)的軸向和徑向旋轉(zhuǎn)方式，即偏差規(guī)范。在徑向上，這種情況會(huì)導(dǎo)致軸偏離中心旋轉(zhuǎn)（并非“真的”），并在軸向上導(dǎo)致軸以輕微的角度旋轉(zhuǎn)。雖然偏差是不可避免的，但軸承的磨損可能會(huì)超過可接受的程度，如果超過了限度（通常由高風(fēng)荷載引起），發(fā)電機(jī)必須關(guān)閉并進(jìn)行維修。顯然，實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)可以保證在軸承極端損壞或甚至災(zāi)難性故障發(fā)生之前進(jìn)行維護(hù)。

最后，渦流傳感器還可用于測(cè)量由振動(dòng)、風(fēng)荷載或其他因素引起的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)（力矩或扭矩），這些因素會(huì)隨著時(shí)間的推移而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)完整性下降。它們還可用于測(cè)量離合器片的軸向、徑向或切向偏轉(zhuǎn)，以確保在大風(fēng)時(shí)安全制動(dòng)轉(zhuǎn)子。

位移傳感器

位移傳感器可用于監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的完整性。風(fēng)力發(fā)電機(jī)所需的基礎(chǔ)平臺(tái)雖然是由大量的混凝土構(gòu)成，但由于塔架高，而且發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和機(jī)艙也非常巨大，整個(gè)結(jié)構(gòu)實(shí)際上都是“頂載”的，所以必須在基座處監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的完整性。

激光位移傳感器可以用來(lái)執(zhí)行這一功能，它可以探測(cè)到由于風(fēng)或波浪的反復(fù)撞擊引起的塔架輕微震動(dòng)。激光位移傳感器的工作原理是將光束傳輸?shù)骄嚯x很遠(yuǎn)的光學(xué)接收器上，將兩者之間的偏差和位移轉(zhuǎn)化為距離。激光三角測(cè)量傳感器也被用于類似的目的，這種傳感器將傳感器、發(fā)射機(jī)和接收器組成一個(gè)三角形。由于這些設(shè)備非常精確，它們可以檢測(cè)到非常小的變化，因此可以創(chuàng)建趨勢(shì)數(shù)據(jù)來(lái)確定問題是否越來(lái)越嚴(yán)重以及變化速度。

另一種用于精確測(cè)量位移的傳感器是電容式位移傳感器，可測(cè)量發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子之間的距離，這個(gè)距離被稱作發(fā)電機(jī)氣隙。它的工作原理為：相互靠近的導(dǎo)電表面間存在電容，并且電容的變化與表面之間的距離成正比。這種測(cè)量方式可以使傳感器工作在高溫和高電場(chǎng)環(huán)境下。

拉繩位移傳感器是將拉繩纏繞到一個(gè)軸式傳感器上，因?yàn)槔K可以很長(zhǎng)，所以可以在距離被測(cè)物體很遠(yuǎn)的地方測(cè)量距離的變化。當(dāng)拉繩從線軸上拉出或縮回時(shí)，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(hào)。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，可以通過測(cè)量風(fēng)門的位置來(lái)測(cè)量氣流。圖 4 顯示了一個(gè)典型的拉繩位移傳感器。

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(yīng)用場(chǎng)景的不同可以選擇多種類型的傳感器（來(lái)源: Bourns）

根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)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、霍爾效應(yīng)傳感器、模擬或數(shù)字非接觸式傳感器等。例如，Bourns AMS22B5A1BHASL334N 非接觸式模擬旋轉(zhuǎn)傳感器采用磁傳感技術(shù)，能夠抵抗震動(dòng)、抖動(dòng)、流體和灰塵，并能在 -40oC 至 125oC 的溫度范圍內(nèi)工作，它的輸出分辨率為 12 位，線性度為±0.3%。

加速度計(jì)

加速度計(jì)用來(lái)測(cè)量速度或速率的變化，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中用來(lái)探測(cè)主、偏航和旋轉(zhuǎn)軸承以及其他旋轉(zhuǎn)部件（如主發(fā)電機(jī)輸出軸）的振動(dòng)情況，測(cè)量得到的振動(dòng)數(shù)據(jù)可以用來(lái)預(yù)測(cè)可能要發(fā)生的故障。

Analog Devices 的 ADXL1001 和 ADXL1002 MEMS 加速度計(jì)是很好的選擇，它們的測(cè)量結(jié)果分辨率高、噪聲密度低、靈敏度穩(wěn)定，可以耐受高達(dá) 10000mps2 的沖擊。這兩款器件還整合了自我診斷和超量程指示功能，工作溫度范圍是 -40°C 至+125°C。

風(fēng)速傳感器

風(fēng)速傳感器安裝在機(jī)艙頂部，可以是機(jī)械式也可以是超聲波式。由于超聲波風(fēng)速傳感器不需要每次進(jìn)行重新校準(zhǔn)，所以被廣泛應(yīng)用在難以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)的場(chǎng)合。超聲波傳感器利用聲波來(lái)測(cè)量物體間的距離，傳感器發(fā)出低頻聲波，然后被目標(biāo)物體反射。通過記錄聲波的發(fā)出和返回時(shí)間，就可以計(jì)算出傳感器和物體之間的距離。

Texas Instruments PGA460/PGA460-Q1 超聲波處理器及其驅(qū)動(dòng) SoC 有一個(gè)信號(hào)調(diào)理器和 DSP 內(nèi)核，通過由低噪聲放大器和可編程增益級(jí)組成的模擬前端來(lái)調(diào)節(jié)反射信號(hào)，將信號(hào)輸出給模數(shù)轉(zhuǎn)換器，然后，利用時(shí)變閾值對(duì)數(shù)字化信號(hào)進(jìn)行近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)目標(biāo)檢測(cè)。

溫度傳感器

溫度傳感器被安置在溫度容易升高的地方，用于指示某些子系統(tǒng)元件發(fā)生過熱情況。TE Connectivity 的 PTF 系列鉑溫度傳感器測(cè)量范圍為 -200°C 到+ 600°C，并且使用薄膜電阻作為傳感元件。此系列傳感器的尺寸小、重量輕，漂移小，反饋時(shí)間短。

結(jié)論

傳感器在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中至關(guān)重要，那么傳感器自身是否會(huì)發(fā)生故障呢？答案當(dāng)然是肯定的。為了解決這個(gè)問題，在同一位置使用多個(gè)傳感器，將第二個(gè)作為備用傳感器，以便在第一個(gè)傳感器發(fā)生故障時(shí)可以自動(dòng)切換。除了采用備用傳感器以外，應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)以及其他能源系統(tǒng)的傳感器必須滿足以下要求：寬廣的工作溫度范圍、防塵和防水等級(jí)達(dá)到 IP67 或 IP68，有些時(shí)候還需要具有堅(jiān)固耐用的外殼。

和任何一種不斷發(fā)展的技術(shù)一樣，利用風(fēng)能發(fā)電也有好有壞，有些時(shí)候，故障僅僅來(lái)自于某個(gè)電子元件，而不是發(fā)電機(jī)或渦輪葉片故障。就像在所有的工業(yè)應(yīng)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(jì)、風(fēng)力傳感器、溫度傳感器，這些都是監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)并判斷是否需要維護(hù)的關(guān)鍵。出于這個(gè)原因，這些龐大的機(jī)器可能會(huì)更多的使用傳感器，畢竟用 10 美元的元件來(lái)保護(hù)昂貴的渦輪葉片免遭災(zāi)難性的故障，是非常值得的。