超声波风速计的设计 开题报告
一、课题背景
风速是人类日常生活中需要观测的重要气象因素，风速的精确测量与人类的生产生活密切相关。风能是清洁的可再生能源，它资源丰富且安全清洁，是一种永久性的大量存在的资源，可为我们经济的发展提供长期稳定的能源供应[1]。风能发电自上世纪八九十年代以来取得了飞速的发展。风能发电是新能源领域中技术最成熟、最具规模、开发商业化发展前景的发电方式之一。然而风能发电比其他能源发电的成本高,其中一个重要因素就是风能发电的稳定性问题[2,3]。
在风场中，因为风速的变化具有随机性，要想完美地控制风机发电使之跟随风的变化而获取最大发电功率从而降低成本,就必须准确、及时地测出风向和风速,并对风机进行相应的控制[4]。国内对超声波在仪器仪表上的研究起步较晚，而国外的低成本超声波风速风向仪早已初见端倪，但随着不断的开发研究，如今国内的超声波仪器也已逐渐在市面上普及开来[3,5]。超声波测量风速的一种常用算法是时间差算法，其主要原理是利用发送声波脉冲，测量接收端的时间或频率（多普勒变换）差别来计算风速风向[6]。
风与人们的生活息息相关，准确及时地获得风的信息，在农作物耕作、工业风道检测、气象监测、船舶航行、风力发电等方面都有巨大的指导意义[7]。与传统的风速风向仪相比，超声波风速计没有旋转部件，不存在机械磨损和因结冰而冻住部件的问题 [3,8]。具有体积小、测量精度高、无机械转轴、使用寿命长等优点。主要应用在风能发电、气象和环境监测、高铁近地大风场监测等方面[6]。非常适合在恶劣天气条件下使用，且原则上启动风速为0，没有测量上限，是理想的测量风速风向的仪器，具有广泛的应用前景[9]。
二、相关技术综述
2.1基本原理
超声波在空气中传播的时，会和风向上的气流速度叠加，若超声波的传播方向与风向相同，它的速度会加快，反之则会变慢，因而可以通过风速分量对超声脉冲在固定路径上两个相反方向的输送时间差进行风速测量[10]。我们所采用的基于直接时差法的超声波风速风向测量，具有风速测量与温度无关、无需温度补偿等优点，是目前使用较广泛的超声波测量风速的方法 [9]，大体布置如图1所示。
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