[發明專利]一種基于壓電材料的風機葉片覆冰監測系統及方法

無效

• 申請號: 201410200743.3
• 申請日: 2014-05-13
• 公開（公告）號: CN103954209A
• 公開（公告）日: 2014-07-30
• 發明（設計）人: 許斌;盧方
• 申請（專利權）人: 湖南大學
• 主分類號: G01B7/06
• 分類號: G01B7/06
• 代理公司: 長沙正奇專利事務所有限責任公司 43113
• 代理人: 馬強

技術領域

本發明涉及一種覆冰監測方法,特別是一種基于壓電材料的風機葉片覆冰監測系統及方法。

背景技術

風電作為一種新型清潔可持續的能源方式，在世界范圍內取得了快速的發展，我國對風能資源的開發利用在近年來發展十分迅速，新增裝機容量位于世界前列。我國南方風資源豐富的地區多位于山區，山區冬季氣候寒冷而濕度大，容易形成冰凍災害。我國南方寒冷高濕地區風場容易遭受冰凍災害的影響。風機葉片覆冰，不僅會造成發電效率的降低和停機，而且會導致發電設備負載的變化并導致機械故障和破壞，拋冰等現象會對人員和設備帶來較大的風險。因此，對風機葉片的覆冰狀況進行實時監測，基于監測結果對風力機葉片進行防冰和除冰處理，對維護風機的結構安全和運行效率，以及保障公眾和維護人員的安全至關重要。為此，研究有效、可靠、經濟而實施方便的覆冰監測方法具有重要的現實意義。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，針對現有技術不足，提供一種基于壓電材料的風機葉片覆冰監測系統及方法，實時監測風機葉片表面覆冰狀況。

為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案是：一種基于壓電材料的風機葉片覆冰監測系統，包括固定在風機葉片上的壓電驅動器和多個用于測量從所述壓電驅動器傳遞的應力波引的電壓感應信號的壓電傳感器，所述壓電驅動器與用于激勵壓電驅動器的信號發生器電連接，所述多個壓電傳感器與用于采集所述壓電傳感器的電壓測量信號的數據采集系統電連接，所述數據采集系統與用于分析所述電壓測量信號小波包能量變化的計算機電連接；所述計算機對任一壓電傳感器的電壓測量信號進行N層小波包分解后，第k個壓電傳感器的電壓測量信號小波包能量指標Ek定義為：其中，k＝1,…,K；i＝1,…,2^N；K為風機葉片上壓電傳感器的總數量；e_k,i是電壓測量信號經小波分解后第i頻段的能量，其中v_k,i,j是第k個壓電傳感器的測量信號經小波包分解后，第i個頻帶上時域信號的第j個數據采集點的數值；；M是時域電壓測量信號的采集數據點個數。

所述壓電驅動器和壓電傳感器的材料均為壓電陶瓷或者壓電薄膜。

所述壓電驅動器和壓電傳感器結構相同；所述壓電驅動器包括經過防水絕緣處理的壓電材料，所述壓電材料的正極和負極之間通過分隔帶隔離，所述壓電材料的正極和負極均通過屏蔽導線與連接接頭連接。

一種利用上述系統監測風機葉片覆冰狀況的方法，該方法為：在風機葉片表面未覆冰的狀態下，通過信號發生器對壓電驅動器施加掃頻激勵信號，通過數據采集系統測量壓電傳感器的電壓響應信號，對所述電壓響應信號進行濾波處理后進行小波包能量分析，計算覆冰前的小波包能量值；當葉片表面覆冰后，通過信號發生器對壓電驅動器施加掃頻激勵信號，通過數據采集系統測量壓電傳感器的電壓響應信號，對所述電壓響應信號進行濾波處理后進行小波包能量分析，計算覆冰后的小波包能量值；對比覆冰前后小波包能量值的變化，監測并判斷風機葉片的覆冰狀況。

與現有技術相比，本發明所具有的有益效果為：本發明實現了在寒冷地區冬季易遭遇覆冰災害氣候下運行的風力發電機葉片的覆冰監測，能有效避免由于對葉片覆冰狀況不了解或誤判等狀況所引起的系列問題，如覆冰所引起的拋冰風險、葉片覆冰不對稱荷載下運行降低機組疲勞性能以及后續冰減災系統的開啟等，本發明具有重要的經濟和社會效益。本發明所用壓電材料制作的壓電驅動器和壓電傳感器具有結構簡單、信號響應速度快、頻響范圍寬、功耗小等優點，由其構成的覆冰監測系統能夠靈敏地監測到覆冰后響應信號的變化。就成本而言，本發明所用壓電材料成本低廉，消耗能源少。本發明所用壓電材料安裝簡單，對風機葉片的空氣動力性能沒有影響。本發明覆冰監測系統可以將壓電傳感器安裝在覆冰較為嚴重的葉片尖部位置，能夠實現對整個葉片區域覆冰狀況進行實時在線監測，簡單易行、精確度高。

附圖說明

圖1為本發明所用壓電驅動器和壓電傳感器實施例整體結構示意圖；

圖2為本發明實施例之壓電驅動器與壓電傳感器在一模型葉片上布置示意圖；

圖3為本發明實施例之覆冰監測測量系統組成示意圖；

圖4為本發明實施例壓電驅動器發射掃頻激勵信號，其中一個壓電傳感器利用圖3所示監測系統測量的四種不同覆冰狀態下的小波包能量的變化圖；

圖5為本發明實施例壓電驅動器發射掃頻激勵信號，另一個壓電傳感器利用圖3所示監測系統測量的四種不同覆冰狀態下的小波包能量的變化圖；

圖6為某壓電驅動器在風機葉片蒙皮表面布置剖面示意圖；