风力涡轮机是非常复杂的机器。它需要大量的传感器来确保它们的持续运行产生绿色能源。本FAQ回顾了一些用于监测风力涡轮机运行的传感器，如:涡流传感器监测轴的润滑间隙，涡轮轴如何在其壳体内轴向和径向旋转，以及机舱所经历的旋转应力;位移传感器，监测塔和短舱的结构完整性;测量塔摇摆、机舱旋转和变速箱振动的加速度计;光纤Bragg光栅传感器，可实现叶片的单个节距控制;机械、超声波和激光雷达监测和预测风速的风传感器。
涡流传感器又称福柯电流，用于测量轴的润滑间隙。这些传感器在环境上坚固耐用，可以在高压和高温下浸泡在油中工作。齿轮箱和发电机有一个“弹性”轴承，以处理他们所经历的大机械负荷。风力涡轮机中的联轴器必须平衡齿轮箱和发电机的不同运动。轴承的“弹性”性质被称为跳动，并使轴在其外壳内轴向和径向改变其旋转。可接受的跳动精确地规定在风力涡轮机。涡流传感器可以监测即使是微小的跳动变化，从而在损坏或灾难性故障发生前进行预防性维护。
涡流传感器还可以测量由振动、风载荷和其他可能导致结构问题的因素引起的转弯应力。它们用于监测离合器盘的轴向、径向和切向偏转，以确保转子可以在强风期间安全停止。为了在环境温度波动较大的情况下可靠地工作，一些涡流传感器采用了温度补偿技术。与其他传感器技术相比，它们提供了更高的带宽，适用于高速运动的精确测量(图1)。
位移传感器
各种位移传感器技术被用于监测结构完整性。激光位移传感器可以测量塔相对于基础的微小移动，并监测安装的结构完整性。激光位移传感器将激光束发送到一段距离外的接收器，并测量两者校准的任何变化。这些传感器非常精确，能够通过趋势数据监测问题是否出现以及问题发展的速度。
电容式位移传感器可以测量涡轮内的发电机气隙(转子与定子之间的距离)。发电机气隙的变化导致电容的变化，这些传感器可以在高电磁场和高温下工作。
拉丝位移传感器可以通过检测空气挡板位置的变化来测量气流。这些传感器由一根弹簧加载线缠绕在一个线轴形状的传感器上组成。当导线延伸或收缩时，线轴旋转，该旋转转换为距离测量。
加速度计
加速度计是另一种类型的传感器，用于监测主轴承、偏航轴承和回转轴承以及其他旋转部件(如主发电机输出轴)的振动。收集到的振动数据可以监测随时间的变化，并预测即将发生的故障。MEMS加速度计结合了高强度的耐用性和高灵敏度和测量稳定性，常用于风力涡轮机。
轴承磨损会导致加速度计测量变化在0.1到1.0 g之间。通常需要在1.0 g时进行维护，监测0.1及以上的趋势可以安排预防性维护。需要高频监测来识别潜在的轴承故障。测得的g力与频率的平方成正比，断层在高频处的小位移比在低频处相同的断层位移产生的g力更大。加速度计的测量范围可达200克和10千赫，通常用于风力涡轮机的应用。此外，它们还需要经受住由突然刹车或结构冲击造成的高冲击水平．
预测齿轮箱故障
齿轮箱、转子叶片和发电机的故障率是所有风力涡轮机部件中最高的，而齿轮箱是最糟糕的。齿轮箱受到很大的机械应力，来自风速和制动的变化，以及从低速(20转或更低)旋转的转子毂传递机械能到高速(3200转)的发电机的应力。(图2)．
齿轮箱振动信号需要捕捉到0.1赫兹，以满足风力涡轮机的设计准则。噪声底需要很低，以便能够准确地检测到振动幅值较低的早期轴承故障。此外，为了提供必要的带宽来测量即将发生的故障的谐波，在高速和低速轴上都需要额定为10khz或更高的振动传感器。
光纤光栅传感器
当涡轮叶片直径较大时，转子顶部和底部的风速差异(风切变)可以是相当大的。大量的风切变会导致转子不平衡，从而使变速箱等传动系统部件受力，降低功率转换效率。叶片的独立螺距控制(IPC)可以解决风切变带来的挑战，提高效率，延长齿轮箱寿命，并降低维护成本。
当宽带光束在光纤中传输时，光纤布拉格光栅只反射特定波长(布拉格波长)，而传输所有其他波长。反射波长随应变、振动、加速度和光纤温度等参数的变化而变化(图3)。
图3:光纤Bragg光栅传感器在应变作用下光学特性的变化，用于实现涡轮叶片的IPC。(图片:Eon光子学）
为了实现有效的IPC算法，必须对每个刀片的加载数据进行实时高速监控。由于涡轮叶片遭受雷击的频率较高，电子传感器不适合这项任务。光纤光栅传感器对雷击不敏感，已成为叶片监测系统的行业标准。
激光雷达预测变化的风
传统的风力涡轮机使用机械或超声反馈方法对风的干扰作出反应，并将变化后的风的影响最小化。激光雷达传感器提供了一种预测风力变化的方法，为风力涡轮机控制器提供额外的输入，并实现新的控制算法。
两种激光雷达使用不同的方法来计算风速。连续波激光雷达使用聚焦在塔外特定距离的激光束(图5)。脉冲激光雷达使用一种基于时间的方法，在不同的时间延迟寻找反射的激光，使其能够测量距离塔外不同距离的风速。
当使用激光雷达测风系统时，还需要考虑其他变量。例如，较宽的锥角更适合测量风向，但会降低风速估计精度。或者，激光雷达可以安装在涡轮机的轮毂上，从而产生与转子转速相同的测量结果，并与叶片所经历的风有更高的相关性。
在建设过程中使用激光雷达测量可以帮助改进涡轮机设计，以这种方式缓解极端事件，提高正常运行期间的能源生产效率，提高运行可靠性。此外，激光雷达测量有时作为风电场调试的一部分，以比较实际风力条件与涡轮机的指定功率曲线，以确定性能不佳的可能性。在某些情况下，激光雷达测量可以导致涡轮机配备更大的转子以提高能源产生，或使用更轻的重量塔以降低安装成本。
总结
它需要广泛的传感器技术和数百个传感器来监测风力涡轮机的运行，确保绿色能源的可靠和高效生产。本FAQ综述了风力涡轮机运行所需的一些主要传感器模式，包括许多现有传感器技术和用于预测风速变化的新兴激光雷达传感器。
参考文献
风力发电机组状态监测中振动传感器的选择模拟设备
光纤光栅传感器, Eon光子学
激光雷达增强风力涡轮机控制:过去，现在和未来国家可再生能源实验室
物联网风能转换系统的传感器融合和状态估计MDPI传感器
用于风力涡轮机和发电机预测性维护的传感器解决方案, Micro-Epsilon
了下:传感器提示
