超声波测风仪：科技助力风力发电

现代的超声波测风仪主要应用于对大气边界层湍流的研究。由于没有机械运动，避免了杯式和螺旋推进式测风仪的多种弊病和风向标的动态响应问题，这对湍流的研究至关重要。图8-17所示为典型的声学测风仪样式。

超声波测风仪更加复杂，成本也更高。三轴超声波测风仪可以实现对三维矢量风速的高精度测量。但是测风仪本身结构可以导致风流畸变，并产生对风向和风速测量的严重误差。声学测风仪的原理是精确的测量高频超声波脉冲（通常100kHz)沿着顺风风向和逆风风向穿过一定距离的时间差。时间差Δt和空气流速v_d的关系为

式中 a——声速；

d——路径距离。

空气温度T和声速a的关系为

a²=kRT （8-13)

式中 k——比热容比；(www.xing528.com)

R——气体常数。

现代的超声波测风仪对风速的敏感度已经足够高，可以达到0.5cm/s。

超声波测风仪的优点是无机械运动部件，因此没有非线性响应等由于机械运动导致的误差。主要的贡献是测量风矢量的分辨率和准确度（不一定是准确性)。如果应用得当，超声波测风仪可以对入流角进行非常好的测量。超声波测风仪是测量湍流结构的理想仪器。

超声波测风仪的缺点是并不符合风资源评估和风力发电机功率性能评估的平均风速的定义。超声波测风仪的最明显缺点是高昂的成本，并还存在一些技术因素。首先，虽然超声波测风仪的动态响应性能极佳，但是测量准确性不一定好，尤其降雨时可能停止工作。另外，传感器触头的几何形状会导致一定程度的风流畸变，进而引起风速测量误差。

图8-17 三种典型的超声波测风仪