一种适用于结冰环境的风速和风向测量装置

本发明涉及风速风向测量，尤其涉及一种适用于结冰环境的风速和风向测量装置。

背景技术：

1、在我国，风电机组大多安装在长年冰雪环境极其恶劣的北方以及湿气盐雾较严重的沿海地带。冰冻会造成风速仪、风向标故障或采集数据的误差增大，引起机组出力下降或停机。风速仪、风向标作为采集风速、风向的传感器，为适应低温环境，一般在传感器内部设计有加热装置，在温度低于设定值时自动加热。但加热电路一般仅对传感器的旋转部位加热，当冰冻灾害严重时，风和尾舵等部位仍会结冰，使上述部件转动惯量增大，传感器测得的数据和实际值有较大偏差。由于风速风向数据和机组的控制相关，因此，冰冻现象造成风速风向数据测量不准确，从而会对机组的出力和安全带来很大影响。

2、近年来，随着我国风电装机量的持续增加和政策导向，风场建设也逐步向弱风区发展，其中以云南、贵州、四川为重，而这些地区的风场，通常建设在山区、湖区和河谷区域。这些地区的山区、湖区在每年初冬、冬末春初的时间会出现冻雨天气，以贵州出现得最为频繁。冻雨是由冰水混合物组成的，它在略低于0℃的空气中保持过冷状态，外观与一般的雨滴相同，但当它与温度低于0℃的物体接触时就会立即冻结，成为外表光滑而透明的冰层，即为雨凇。

3、在风电场受到长时间冻雨袭扰的条件下，超声波风速风向仪的测风通道会出现结冰现象，通过查询风电场中控的数据可以发现：超声波风速风向仪输出的数据是无效数据，即超声波风速风向仪无法再正常的工作；另外，在冻雨天气结束后，超声波风速风向仪恢复正常工作也需要花费较长的时间。

4、由此可见，风速风向测量仪器在结冰环境下存在测量数据可靠性较差的问题，为保障风速测量仪器在极端气象下的可靠性，目前采用对关键器件进行电加热防冰的方法。2022年，哈尔滨市气象局上线八套加热风向风速传感器和两套超声波系统传感器。在低温条件下，可自动启动加热功能，在-40℃低温和冻雨等恶劣情况下也能正常观测。但此类仪器的电加热防护也带来防护功率要求高、极端寒冷天气或雨夹雪天气下防护可靠性存疑、加热器材布置空间受限等问题，其限制了风速风向测量仪在高风速、低温、高含水量环境下的有效防冰。

5、因此，提供一种适用于结冰环境的风速风向测量方案，以实现在恶劣环境下的可靠风速风向测量，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明公开了一种适用于结冰环境的风速和风向测量装置，以解决相关技术中的风速测量装置在结冰环境下，存在测量数据可靠性降低的技术问题。

2、为了解决上述问题，本发明采用下述技术方案：

3、本发明适用于结冰环境的风速和风向测量装置，包括第一钝体、第二钝体、风速测量仪和风向测量仪，所述第一钝体位于所述第二钝体上方，所述第一钝体与所述第二钝体之间具有间隙，所述间隙形成为进气通道；所述风速测量仪和所述风向测量仪设置于所述进气通道处；或者所述第一钝体的下表面设置有风速测量孔阵列和风向感受孔阵列，并且所述风速测量孔阵列和所述风向感受孔阵列均沿所述第一钝体中心的周向方向均匀分布，所述风速测量孔阵列处布置有风速测量仪，所述风向感受孔阵列处布置有风向测量仪。

4、进一步的，所述第一钝体的直径大于所述第二钝体的直径，所述第一钝体与所述第二钝体同轴，并且所述第一钝体的尺寸满足：d1＞10h且d1＝0.5～1d，h1＞0.5d1；所述第二钝体的尺寸满足：10h＜d2＜0.8d1，h2＞0.5d2；其中，h为所述第一钝体与所述第二钝体之间间隙的高度，d1为所述第一钝体的直径，h1为所述第一钝体的高度，d2为所述第二钝体的直径，h2为所述第二钝体的高度，d为层流边界层厚度。

5、进一步的，所述第一钝体为内部中空的结构，所述第一钝体下表面的中心处设置有向所述第一钝体内部凸出的气动测量曲面，并且所述风速测量孔阵列设置于所述气动测量曲面上。

6、进一步的，所述气动测量曲面的尺寸满足：0.5h≤h3≤2h，l1≥6h3，其中，h为所述第一钝体与所述第二钝体之间间隙的高度，h3为所述气动测量曲面凹陷深度最大处的高度，l1为所述气动测量曲面宽度最大处的直径。

7、进一步的，所述风速测量孔阵列为3～10组，所述风速测量孔阵列呈旋转对称分布，每组所述风速测量孔阵列包括2～7个压力测量孔；每组所述风向感受孔阵列包括多个风向感受孔，所述风向感受孔阵列上方形成为感受孔槽，所述感受孔槽与所述风向感受孔连通，并且所述感受孔槽内还设置有轻质气压敏感浮子，所述轻质气压敏感浮子基于所述感受孔槽内的压力差而在所述感受孔槽内移动。

8、进一步的，所述风向感受孔阵列距离所述第一钝体下表面外边缘的距离满足：l2＞2h，其中，h为所述第一钝体与所述第二钝体之间间隙的高度，l2为所述风向感受孔阵列距离所述第一钝体下表面外边缘的距离。

9、进一步的，所述风速测量孔阵列为1组，所述风速测量孔阵列包括3～7个压力测量孔；所述风向测量仪为风向感受器，所述气动测量曲面和所述风向感受器可转动的设置于所述第一钝体内部的中空结构内，并且所述气动测量曲面通过中心轴与所述第一钝体可转动连接，所述风向感受器通过连接件与所述中心轴固定连接，所述风向感受器基于所述第一钝体内部的压力差而在所述第一钝体内部移动。

10、进一步的，所述第一钝体的上表面为倾斜结构，并且所述第一钝体的上表面还设置有光热敏感材料层，所述光热敏感材料层是由光热敏感材料涂覆于所述第一钝体的上表面形成的。

11、进一步的，所述第一钝体的下表面的周向方向还设置有控水檐，并且所述控水檐的尺寸满足：h4＜0.5h，0.5h＜l3＜2h；其中，h为所述第一钝体与所述第二钝体之间间隙的高度，h4为所述控水檐的厚度，l3为所述控水檐的宽度。

12、进一步的，所述控水檐上设置有第一电加热组件；和/或所述第二钝体上设置有第二电加热组件和排水孔组件，所述第二电加热组件和所述排水孔组件均沿所述第二钝体中心的周向方向均匀分布。

13、本发明采用的技术方案能够达到以下有益效果：

14、本发明适用于结冰环境的风速和风向测量装置，包括第一钝体、第二钝体、风速测量仪和风向测量仪，第一钝体与第二钝体为上下布置，第一钝体与第二钝体之间具有间隙，间隙形成为进气通道，风速测量仪和风向测量仪设置于进气通道处；或者第一钝体的下表面设置有风速测量孔阵列和风向感受孔阵列，风速测量孔阵列处布置有风速测量仪，风向感受孔阵列处布置有风向测量仪，当进行风速风向测量时，气流在经过第一钝体和第二钝体时，由于气体流动的特性，气体会从第一钝体和第二钝体表面分离，而气流中跟随性较差的云雾颗粒则会撞击第一钝体和第二钝体，无法进入进气通道，将风速测量仪和风向测量仪设置于进气通道处或设置于第一钝体内部，均可减少进入测量通道中云雾颗粒含量，进而可降低测量通道处结冰的隐患，因而可提高风速测量仪和风向测量仪测量结果的可靠性。

15、进一步的，本发明适用于结冰环境的风速和风向测量装置，相比于现有技术中采用电加热防护的方式，由于本发明的装置无需加热即可实现防冰，具有能耗低、无加热功率的限制的优势，在更极端的环境下也可实现有效防冰，而且本发明的第一钝体和第二钝体位于风速测量仪和风向测量仪外，还具有不受风速测量仪和风向测量仪内部空间限制的优势。

16、即本发明适用于结冰环境的风速和风向测量装置，通过第一钝体和第二钝体的设置，并且将风速测量仪和风向测量仪设置于第一钝体和第二钝体之间的间隙，或者将风速测量仪和风向测量仪隐藏设置于第一钝体内部，可降低结冰对风速风向测量结果可靠性的影响，同时也可间隙外部环境对测量通道的影响，解决了相关技术中的风速测量装置在结冰环境下，存在测量数据可靠性降低的技术问题。