杯式风速仪的很多优点促使了其在风力发电领域的广泛应用。杯式风速仪更适合平均风速的定义,与其他类型仪器相比价格非常便宜。
杯式风速仪也存在天然的缺陷,主要有:
1)对水平面外功角不敏感,即只测量水平方向的风速分量,称为垂直敏感度;
2)动态响应,即由于惯性存在导致风杯转速与实际风速变化延迟;
3)非线性的标定特性和由机械摩擦或风杯的形状引起的标定误差;
4)水平方向标定敏感度不同,由几何形状不对称性导致。
在选择杯式风速仪时,应该了解这些效应的影响及其原因。虽然不同厂家的杯式风速仪表面看起来区别不大,但实际上存在很多对风速仪的行为和测风准确度影响重大的设计差异。表8-1列举了杯式风速仪的主要设计参数及其对一些关键特性影响的重要性。
目前尚不存在杯式风速仪的分类标准体系。而缺乏技术标准体系使得挑选杯式风速仪变得困难。总体来说,用户应该注意两个重要要求:一是该杯式风速仪是否符合应用场景;二是该杯式风速仪的内部不确定性。
表8-1 杯式风速仪设计参数及其影响[76]
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设计差的仪器如图8-7所示,而“设计优良”的仪器如图8-8所示。用户应该了解设计优良的杯式风速仪的大体特征。这两种情况只是给读者以概念性的参考,并非实际杯式风速仪的设计标准,而实际上也尚不存在所谓的标准设计。很多参数还是矛盾的调和,例如旋转体的大小,旋转体越大线性度越好,而动态响应越差。
杯式风速仪都有一定的设计工作环境范围,这些环境范围指标都影响测风准确度。表8-2例举了一种典型的工作环境范围,应该与风机的实际工作环境对应。风速仪生产商应该能够提供上述环境范围的准确度信息。如果现场的气候环境超出设计范围,则应该应用特殊规格的风速仪。几个基本的物理参数和特征定义了杯式风速仪的行为和准确度,它们是:旋转臂长、杯体面积、旋转体惯性、杯体凸面的拖曳系数、杯体凹面的拖曳系数、温度范围内摩擦系数(静态、动态和二次的)、水平面外功角的敏感度特性和标定曲线的线性度。
表8-2 杯式风速仪典型的工作环境设计范围[76]
图8-7 设计差的杯式风速仪的典型特征[76]
图8-8 “设计优良”的杯式风速仪典型特征[76]
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