風力發(fā)電機看起來像摩天大樓一樣高大，但卻要依靠數(shù)十個低成本微型傳感器來監(jiān)測器其運行狀況，以確保高效安全地運行。

從表面上來看，現(xiàn)代風力發(fā)電機就像是一臺 21 世紀的大風車，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、振動和其他危險時，仍能安全運行。

傳感器在風電場中的作用

如果沒有傳感器，風力發(fā)電機的安全性不僅會降低，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，導致預期壽命可能會低于 25 年。更為重要的是，風電場需要每一臺發(fā)電機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。

風力發(fā)電機就是一個典型的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)例子：它們擁有從傳感器到相關網(wǎng)絡所需的一切組件，盡管它們通常采用的是以太網(wǎng)而非無線連接方式。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。所有信息、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？因為它們可以隨時監(jiān)視風力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)、內(nèi)部敏感位置和系統(tǒng)組件（圖 1）。風力發(fā)電機非常復雜，通常有超過 8000 個組件。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上，平臺直徑達 15 到 30 米，深 6 至 10 米。

圖 1:風力發(fā)電機機艙內(nèi)的基本構(gòu)造以及一些傳感器類型和安放位置 （來源：TE Connectivity 手冊）

慢速運行的葉片經(jīng)過變速箱后轉(zhuǎn)化為高速運行的轉(zhuǎn)子（連在發(fā)電機上），變速箱被安置在一個被成為“機艙”的集裝箱上，它的大小相當于一輛公共汽車，重量約為 45 噸。有一些機艙非常大，甚至可以在頂部安裝一個直升機著陸墊，這種風力發(fā)電機平臺的重量將超過 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 5.3GW，可供 500 萬用戶使用。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 風場上，增加了 32 個海上發(fā)電機（圖 2），這對可再生能源來說有著非凡的意義，因為它標志著 8MW 風力發(fā)電機的第一次商用，它的發(fā)電機功率比以前提高了一倍。新的發(fā)電機大約有 195m 高，轉(zhuǎn)子長 80 米，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一次可以為一個普通家庭供電 29 小時。

圖 2 ：北威爾士 Burbo Bank Offshore 海上風電場（來源：維基百科）

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

圖 3：裝載著渦輪葉片的車隊蜿蜒穿過 Edenfield 前往 Scout Moor 風電場，即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，比如兩個相鄰組件之間距離的變化

監(jiān)測振動級別，如果振動幅度過大，可能會造成嚴重損壞

監(jiān)測溫度、壓力和機械應力的變化

渦流傳感器

渦流傳感器是風力發(fā)電機中最常見的傳感器之一，可檢測導電材料進入移動磁場時產(chǎn)生的電流變化。當這種情況發(fā)生時，磁場的強度可以轉(zhuǎn)化為距離的變化。

在風力發(fā)電機中，渦流傳感器用于測量軸的潤滑油層間隙，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)測油隙。如果間隙過大超過了限度，傳感器就會發(fā)出警報，這樣就可以在軸卡住時或之前進行預防性維護。

這些傳感器還用于測量發(fā)電機軸承在外殼內(nèi)的軸向和徑向旋轉(zhuǎn)方式，即偏差規(guī)范。在徑向上，這種情況會導致軸偏離中心旋轉(zhuǎn)（并非“真的”），并在軸向上導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超過可接受的程度，如果超過了限度（通常由高風荷載引起），發(fā)電機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，渦流傳感器還可用于測量由振動、風荷載或其他因素引起的旋轉(zhuǎn)效應（力矩或扭矩），這些因素會隨著時間的推移而導致結(jié)構(gòu)完整性下降。它們還可用于測量離合器片的軸向、徑向或切向偏轉(zhuǎn)，以確保在大風時安全制動轉(zhuǎn)子。

位移傳感器

位移傳感器可用于監(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，但由于塔架高，而且發(fā)電機的轉(zhuǎn)子和機艙也非常巨大，整個結(jié)構(gòu)實際上都是“頂載”的，所以必須在基座處監(jiān)測系統(tǒng)的完整性。

激光位移傳感器可以用來執(zhí)行這一功能，它可以探測到由于風或波浪的反復撞擊引起的塔架輕微震動。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，將兩者之間的偏差和位移轉(zhuǎn)化為距離。激光三角測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，因此可以創(chuàng)建趨勢數(shù)據(jù)來確定問題是否越來越嚴重以及變化速度。

另一種用于精確測量位移的傳感器是電容式位移傳感器，可測量發(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。它的工作原理為：相互靠近的導電表面間存在電容，并且電容的變化與表面之間的距離成正比。這種測量方式可以使傳感器工作在高溫和高電場環(huán)境下。

拉繩位移傳感器是將拉繩纏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，可以通過測量風門的位置來測量氣流。圖 4 顯示了一個典型的拉繩位移傳感器。

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、霍爾效應傳感器、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，能夠抵抗震動、抖動、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

加速度計用來測量速度或速率的變化，在風力發(fā)電機中用來探測主、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。

Analog Devices 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、噪聲密度低、靈敏度穩(wěn)定，可以耐受高達 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。

風速傳感器

風速傳感器安裝在機艙頂部，可以是機械式也可以是超聲波式。由于超聲波風速傳感器不需要每次進行重新校準，所以被廣泛應用在難以進行現(xiàn)場維護的場合。超聲波傳感器利用聲波來測量物體間的距離，傳感器發(fā)出低頻聲波，然后被目標物體反射。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。

Texas Instruments 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 內(nèi)核，通過由低噪聲放大器和可編程增益級組成的模擬前端來調(diào)節(jié)反射信號，將信號輸出給模數(shù)轉(zhuǎn)換器，然后，利用時變閾值對數(shù)字化信號進行近場和遠場目標檢測。

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，將第二個作為備用傳感器，以便在第一個傳感器發(fā)生故障時可以自動切換。除了采用備用傳感器以外，應用于風電場以及其他能源系統(tǒng)的傳感器必須滿足以下要求：寬廣的工作溫度范圍、防塵和防水等級達到 IP67 或 IP68，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，利用風能發(fā)電也有好有壞，有些時候，故障僅僅來自于某個電子元件，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)電機并判斷是否需要維護的關鍵。出于這個原因，這些龐大的機器可能會更多的使用傳感器，畢竟用 10 美元的元件來保護昂貴的渦輪葉片免遭災難性的故障，是非常值得的。