一種風(fēng)力發(fā)電機組葉片載荷測量裝置及其測量方法
【專利摘要】本發(fā)明之一的風(fēng)力發(fā)電機組載荷測量裝置，其包括至少三光纖光柵傳感器陣列，一解調(diào)模塊及一載荷數(shù)據(jù)處理模塊；每一光纖光柵傳感器陣列均由至少四光纖光柵傳感器組依次串聯(lián)而成，每一光纖光柵傳感器組均由一應(yīng)變傳感器及一溫度傳感器組成，應(yīng)變傳感器用于測量葉片在受載荷情況下的應(yīng)變量，溫度傳感器用于補償環(huán)境溫度變化造成的應(yīng)變傳感器溫度漂移；解調(diào)模塊用于將應(yīng)變傳感器、溫度傳感器的信號分別轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的應(yīng)變量值和溫度值；載荷數(shù)據(jù)處理模塊集成載荷算法，將各測量點的應(yīng)變量值和溫度值進行處理，轉(zhuǎn)換成葉片揮舞彎矩和擺振彎矩并輸出給風(fēng)力發(fā)電機組變槳距控制系統(tǒng)或主控系統(tǒng)。
【專利說明】—種風(fēng)力發(fā)電機組葉片載荷測量裝置及其測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電監(jiān)測領(lǐng)域，尤其涉及一種應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機組葉片載荷測量裝置及其測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]風(fēng)力發(fā)電成本是制約風(fēng)力發(fā)電行業(yè)發(fā)展的主要因素，為了減小千瓦時發(fā)電成本，設(shè)計的風(fēng)力發(fā)電機葉片尺寸越來越大，大型風(fēng)力發(fā)電機葉片直徑已經(jīng)達到百米以上，單個葉片重量達幾十噸，在葉片掃過的區(qū)域內(nèi)，由于受地形等因素影響，風(fēng)速不均衡，造成葉片風(fēng)載荷不均勻，容易產(chǎn)生葉片過度疲勞和風(fēng)力發(fā)電機振動，降低發(fā)電效率。因此，實時地了解風(fēng)力葉片的載荷非常重要，及時地了解葉片載荷狀況不僅為葉片的健康狀況評估提供重要參數(shù)，同時也可以為風(fēng)力發(fā)電機組變槳距控制提供依據(jù)。當(dāng)葉片受到的載荷較大時，可以通過變槳等操作實現(xiàn)迎風(fēng)面積減小，從而減小葉片風(fēng)載荷，降低葉片的損傷彎矩等不利因素。
[0003]風(fēng)力發(fā)電機通常工作在環(huán)境惡劣的偏遠地區(qū)，電磁環(huán)境復(fù)雜，對傳感測量系統(tǒng)要求較高。光纖光柵傳感器具有抗電磁干擾，可靠性高，使用壽命長等特點，非常適合風(fēng)力葉片的健康監(jiān)測。
[0004]葉片的載荷與葉片根部的彎曲程度成對應(yīng)關(guān)系，通過檢測葉片根部的應(yīng)變量可以計算出葉片所受載荷大小。但目前還很少有專門適合風(fēng)力發(fā)電葉片用的載荷監(jiān)測傳感器，常見的電阻式應(yīng)變傳感器在風(fēng)力發(fā)電的惡劣環(huán)境如雷擊，鹽霧，晝夜高溫差等狀況下容易失效，同時這類傳感器接線復(fù)雜，不易于大容量組網(wǎng)測量。光纖傳感器具有抗電磁干擾，耐腐蝕，易于復(fù)用組網(wǎng)測量等優(yōu)點，成為風(fēng)力發(fā)電機組葉片載荷監(jiān)測的首選。光纖傳感器封裝后通常通過表面粘貼方式安裝于葉片測量點，因此，這種傳感器封裝材料需要與葉片材料特性相同，最大程度上減小應(yīng)變測量的傳遞誤差，同時增加可靠性和使用壽命。目前大型風(fēng)力發(fā)電機組的葉片材料都采用具有輕質(zhì)高強特點的玻璃纖維增強復(fù)合材料制成，因此采用玻璃纖維材料封裝具有相似力學(xué)特性的傳感器具有十分重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對上述【背景技術(shù)】存在的缺陷，提供一種可有效且準(zhǔn)確測量風(fēng)力發(fā)電機組葉片載荷測量裝置及其測量方法。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明之一在于提供一種風(fēng)力發(fā)電機組葉片載荷測量裝置，其包括:至少三光纖光柵傳感器陣列，一解調(diào)模塊及一載荷數(shù)據(jù)處理模塊；每一光纖光柵傳感器陣列裝設(shè)在風(fēng)力發(fā)電機組葉片根部的內(nèi)圓表面，且每一光纖光柵傳感器陣列均由至少四光纖光柵傳感器組依次串聯(lián)而成，每一光纖光柵傳感器組均由一應(yīng)變傳感器及一溫度傳感器組成，應(yīng)變傳感器用于測量葉片在受載荷情況下對應(yīng)的應(yīng)變量，溫度傳感器用于補償環(huán)境溫度變化造成的應(yīng)變傳感器溫度漂移；每一光纖光柵傳感器陣列中，至少兩傳感器組安裝在葉片迎風(fēng)面，另至少兩傳感器組安裝在葉片的背風(fēng)面；解調(diào)模塊用于將應(yīng)變傳感器、溫度傳感器的信號分別轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的應(yīng)變量值和溫度值；載荷數(shù)據(jù)處理模塊集成載荷算法，將各測量點的應(yīng)變量值和溫度值進行處理，轉(zhuǎn)換成葉片揮舞彎矩和擺振彎矩并輸出給風(fēng)力發(fā)電機組變槳距控制系統(tǒng)或主控系統(tǒng)。
[0007]本發(fā)明之二在于提供一種風(fēng)力發(fā)電機組葉片載荷的測量方法，其包括:步驟1:將葉根半徑和葉根傳感器安裝截面的抗彎剛度參數(shù)輸入載荷數(shù)據(jù)處理模塊；
[0008]步驟2:解調(diào)模塊將光纖光柵傳感器陣列測量得到應(yīng)變及環(huán)境溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到載荷數(shù)據(jù)處理模塊，載荷數(shù)據(jù)處理模塊對各測量點的應(yīng)變量數(shù)據(jù)進行溫度補償，得到葉片根部迎風(fēng)面應(yīng)變傳感器測得的應(yīng)變量eps、背風(fēng)面應(yīng)變傳感器測得的應(yīng)變量ess、前緣應(yīng)變傳感器測得的應(yīng)變量及后緣應(yīng)變傳感器測得的應(yīng)變量
[0009]步驟3:載荷數(shù)據(jù)處理模塊利用得到的R#、抗彎剛度、ε ps及ε ss計算葉片根部迎風(fēng)面和背風(fēng)面的揮舞彎矩，具體計算公式為:
[0010]
【權(quán)利要求】
1.一種風(fēng)力發(fā)電機組葉片載荷測量裝置，至少三光纖光柵傳感器陣列，一解調(diào)模塊及一載荷數(shù)據(jù)處理模塊，每一光纖光柵傳感器陣列裝設(shè)在風(fēng)力發(fā)電機組葉片根部，其特征在于: 每一光纖光柵傳感器陣列均由至少四光纖光柵傳感器組依次串聯(lián)而成，每一光纖光柵傳感器組均由一應(yīng)變傳感器及一溫度傳感器組成，應(yīng)變傳感器用于測量葉片在受載荷情況下對應(yīng)的應(yīng)變量，溫度傳感器用于補償環(huán)境溫度變化造成的應(yīng)變傳感器溫度漂移；每一光纖光柵傳感器陣列中，至少兩傳感器組安裝在葉片迎風(fēng)面，另至少兩傳感器組安裝在葉片的背風(fēng)面； 解調(diào)模塊用于將應(yīng)變傳感器、溫度傳感器的信號分別轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的應(yīng)變量值和溫度值； 載荷數(shù)據(jù)處理模塊集成載荷算法，將各測量點的應(yīng)變量值和溫度值進行處理，轉(zhuǎn)換成葉片揮舞彎矩和擺振彎矩并輸出給風(fēng)力發(fā)電機組變槳距控制系統(tǒng)或主控系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種風(fēng)力發(fā)電機組葉片載荷測量裝置，其特征在于:應(yīng)變傳感器由玻璃纖維材料封裝而成，且應(yīng)變傳感器大致呈片狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的一種風(fēng)力發(fā)電機組葉片載荷測量裝置，其特征在于:應(yīng)變傳感器通過表面粘貼的方式裝設(shè)在風(fēng)力發(fā)電機組葉片根部的內(nèi)圓表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種風(fēng)力發(fā)電機組葉片載荷測量裝置，其特征在于:每一光纖光柵傳感器組均通過光纖串聯(lián)而成。
5.一種如權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電機組葉片載荷測量裝置采用的葉片載荷測量方法，包括 步驟1:將葉 根半徑和葉根傳感器安裝截面的抗彎剛度參數(shù)輸入載荷數(shù)據(jù)處理模塊； 步驟2:解調(diào)模塊將光纖光柵傳感器陣列測量得到應(yīng)變及環(huán)境溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到載荷數(shù)據(jù)處理模塊，載荷數(shù)據(jù)處理模塊對各測量點的應(yīng)變量數(shù)據(jù)進行溫度補償，得到葉片根部迎風(fēng)面應(yīng)變傳感器測得的應(yīng)變量eps、背風(fēng)面應(yīng)變傳感器測得的應(yīng)變量ess、前緣應(yīng)變傳感器測得的應(yīng)變量及后緣應(yīng)變傳感器測得的應(yīng)變量 步驟3:載荷數(shù)據(jù)處理模塊利用R#、抗彎剛度、ε ps及ε ss計算葉片根部迎風(fēng)面和背風(fēng)面的揮舞彎矩，具體計算公式為:

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種風(fēng)力發(fā)電機組葉片載荷的測量方法，其特征在于:在步驟I中，通過同一葉片葉根處兩相交的內(nèi)圓直徑求平均半徑的方式獲得R&即
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種風(fēng)力發(fā)電機組葉片載荷的測量方法，其特征在于:裝設(shè)有應(yīng)變傳感器及溫度傳感器的面板安裝位置處的截面與葉根截面的距離L為范圍為0.5m~2.5m中的任意一個值，安裝截面位置的選取目標(biāo)是風(fēng)力發(fā)電機組葉片葉根圓截面且避開葉根連接結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種風(fēng)力發(fā)電機組葉片載荷的測量方法，其特征在于:其中兩相對的光纖光柵傳感器組需偏離偏離葉片的合縫處a角度進行安裝，偏離角度(安裝角度)a范圍為10。~20。。
9.根據(jù)權(quán)利要求5到8任一項所述的一種風(fēng)力發(fā)電機組葉片載荷的測量方法，其特征在于:步驟2中，載荷數(shù)據(jù)處理模塊對各測量點通過具體測量點的應(yīng)變數(shù)據(jù)減去對應(yīng)點的溫度漂移量的方式進行溫度補償。
【文檔編號】G01L1/24GK103698063SQ201310631787
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月2日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月2日
【發(fā)明者】代勇波 申請人:成都阜特科技股份有限公司