CN104595108A - 一种风机叶片的在线监测方法及节点布置方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风机叶片的在线监测方法及节点布置方法，该监测方法包括如下步骤：利用抽拉式的节点布置方法，在风机叶片的叶尖部位布置密度较大的无线传感器节点，在风机叶片的中部布置相对较少的起中转作用的无线传感器节点，在风机叶片的根部布置少量的无线传感器节点；利用叶片内部布置的各无线传感器节点来检测风机叶片内部的温度、湿度以及光亮度来实现对叶片状态的监测，本发明通过将ZigBee模块应用到风机叶片的雷击监测，并且对Zigbee节点的布置方法进行了独特的设计，不仅结构简单，操作方便，且有利于无线节点的更换和维修，弥补了ZigBee节点能量有限、工作寿命不长的缺点，使整个系统更具有可行性和可操作性。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电机叶片的运行状态在线监测领域，特别是涉及一种基于Zigbee协议的风机叶片的在线监测方法及节点布置方法。
背景技术
随着大型风力发电技术越来越成熟，大功率风力发电机已经逐步占据了风电市场。风机叶片是风力发电机中的核心部位，随着风机功率的提高，风机叶片的长度也进一步增加。目前最为活跃的风机单机容量在1.5MW～2.5MW，其轮毂高度已经达到60～100米，叶片长度达到35～50米，由于风电场一般地处开阔的边远地带或是海边，周围建筑物相对较低，所以风机叶片更容易受到雷击的损伤以及恶劣环境的侵蚀。
目前，大型风力发电机叶片是一种复合材料制成的薄壳结构，主要由根部、主梁、外壳组成，如图1所示。
根部要承受叶片的主要旋转载荷，对强度的要求较高，一般由金属材料制成，根部的金属法兰通过预留螺旋孔的方式与轮毂连接。叶片根部一般不会出现故障，一旦出现了的裂纹对风机来说将是毁灭性的。意味着风机叶片必须要换掉。所以风机叶片的根部不是本系统监测的对象。
主梁一般由碳纤维增强型复合材料或者碳纤维与玻璃纤维混合的复合材料制成，结构上主要有D型、O型、矩形及双拼槽钢(又称C型)等形式。本发明以最常见的矩形梁为例进行设计，如图4所示。叶片主梁最容易出现的故障是主梁表面的腐蚀，如果在近海或者海上风电场中，由于空气中含有较高的腐蚀性成分，如果叶片表面出现沙眼或者裂纹，在雨天叶片内部将会进水，导致叶片内部湿度较高，如果长时间不进行清理，将会对主梁的材料造成一定程度的腐蚀，影响主梁的运行强度。
风机叶片外壳主要由玻璃纤维复合材料加上泡沫填充物以及蒙皮组成。蒙皮表面会涂上保护漆以增加叶片的防腐蚀、防磨损、防高温等性能。当今国际上最常用涂层的是溶剂型聚氨酯底漆加上溶剂型弹性聚氨酯面的组合，它可以有效的提高风机叶片的环境适应能力。叶片外壳最容易出现的故障主要有雷击造成的表面烧灼以及高温爆裂、叶尖或边缘裂开等故障，尤其是叶尖部位更是雷击的重灾区。
当今的风机叶片防雷就是根据IEC 62305-1的I级保护水平设计，在叶尖处安装接闪器，并在叶片内部或表面布置引下导线，将雷电流引到地下，叶片的防雷水平得到了很大的提升。在这种情况下雷击对叶片造成严重的损害的几率很小，大多数情况下都是比较轻的损害，如叶片开裂、叶片表面的烧灼等，一般不会影响风机的正常运行。但是这种小的损害破坏了风机叶片表面的光滑性，被污染的叶片遭受雷击的概率更大，而且在遭受雷击时受到的破坏面积也将更大，实有必要对其及时监测处理。
然而，当前风电场对于风机叶片的以上伤害，只有目视检测。对于叶片表面的检查由运行人员定期的利用高分辨率望远镜对叶片进行目视观察。而叶片内部的监测则由运行人员定期到风机机舱内部利用肉眼观察叶片内部是否出现漏光、腐蚀等现象。这种检测方法的弊端显而易见，不仅检测时间周期长而且人工检测有盲目性和主观性，不利于对风机叶片损害的即时发现和维修，增加了风机叶片严重损害的几率。
因此，为了弥补叶片故障检测只有目视检测的弊端，本发明提出了一种利用无线传感器网络动态监测风机叶片运行状态的技术，通过监测雷击过程中的温度和亮度以及湿度的变化，来提醒运行人员对指定叶片的指定部位进行目视检测，及时发现伤害。而基于对风机叶片结构的分析，将检测节点布置到风机叶片的内部将是一件非常困难的事情，因为越是接近叶片尖端，内部空间越小，现场考察证明，人只能进入到风机叶片的1/3位置，再往里不仅空间不允许，而且也比较危险。所以实有必要提出一种有效的节点布置方法。
发明内容
为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种风机叶片的在线监测方法及节点布置方法，其通过设计一套摆动式微型发电机能量供给机制，能够很好的解决布置在风机叶片上传感器节点能量供给的问题，从而改变了因为能量供给问题一直无法实现风机叶片在线监测的现状，且本发明装置结构简单，体积小，安装方便，成本低廉，适用寿命长久，在安装后对风机的运作没有影响。
为达上述及其它目的，本发明提出一种风机叶片的在线监测方法，包括如下步骤：
步骤一，利用抽拉式的节点布置方法，在该风机叶片的叶尖部位布置密度较大的无线传感器节点，在该风机叶片的中部布置相对较少的起中转作用的无线传感器节点，在该风机叶片的根部布置少量的无线传感器节点；
步骤二，利用叶片内部布置的各无线传感器节点来检测风机叶片内部的温度、湿度以及光亮度来实现对叶片状态的监测。
进一步地，于步骤一中，将所有的无线传感器节点首先固定在一块与该风机叶片纵向形状相同的板子上面，然后在该风机主梁的腹板上固定若干个可旋转的支撑柱，以抽拉的形式将节点布置在该风机叶片内部。
为达到上述目的，本发明还提供一种用于风机叶片状态监测的节点布置方法，包括如下步骤：
步骤一，将所有的无线传感器节点固定在一块与叶片纵向形状相同的抽拉板上面；
步骤二，在风机主梁的腹板上固定若干个可旋转的支撑柱，该抽拉板通过该些可旋转的支撑住卡在腹板上面；
步骤三，以抽拉的形式将各无线传感器节点布置在风机叶片内部。
进一步地，于步骤一中，在该抽拉板相对风机叶片的叶尖部位固定密度较大的无线传感器节点，在该抽拉板相对风机叶片的中部固定相对较少的起中转作用的无线传感器节点，在该抽拉板相对风机叶片的根部固定少量的无线传感器节点。
进一步地，该风机叶片的30-40米的部位为叶片尖端，在该叶尖区域布置6-10个无线传感器节点。
进一步地，该风机叶片的10-30米的部位为叶片的中部，在该叶尖中部布置4-8个无线传感器节点。
进一步地，该风机叶片的5-10米的部位为叶片根部，该叶片根部布置2-4个无线传感器节点。
进一步地，该抽拉板采用分段的形式。
与现有技术相比，本发明一种风机叶片的在线监测方法及节点布置方法利用ZigBee网络的低功耗、自组网、抗干扰性能强等特点，将ZigBee模块应用到风机叶片的雷击监测，并且对Zigbee节点的布置方法进行了独特的设计，本发明设计的一种风机叶片的在线监测方法及节点布置方法不仅结构简单，操作方便，而且有利于无线节点的更换和维修，弥补了ZigBee节点能量有限，工作寿命不长的缺点，使整个系统更具有可行性和可操作性。
附图说明
图1为风机叶片的总体结构图；
图2为本发明一种风机叶片的监测方法的步骤流程图；
图3为本发明一种用于风机叶片状态监测的节点布置方法的步骤流程图；
图4为本发明较佳实施例中无线监测节点在叶片中的分布图；
图5为本发明较佳实施例中无线监测节点在叶片中的布置方式图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
图2为本发明一种风机叶片的在线监测方法的步骤流程图。如图2所示，本发明一种风机叶片的在线监测方法，包括如下步骤：
步骤201，利用抽拉式的节点布置方法，在风机叶片的叶尖部位布置密度较大的无线传感器节点，在风机叶片的中部布置相对较少的起中转作用的无线传感器节点，在风机叶片的根部布置少量的无线传感器节点。
本发明主要是对风机的叶片进行监测，一个风机最多只有三个叶片，而且风机的叶片最容易收到损伤的部位集中在叶尖，所以，本发明在叶尖部位布置密度较大的节点，以提高系统监测的可靠性，在叶片的中部布置相对较少的节点，叶片中部的节点采用一方面负责采集数据，另一方面作为系统的路由节点，起到中转作用，这样就提高了网络的可靠性和抗干扰能力。叶片根部是较安全的区域，所以本发明布置少量的节点。
风机叶片是一种弯曲的筒形结构，将检测节点布置到风机叶片的内部将是一件非常困难的事情，因为越是接近叶片尖端，内部空间越小，现场考察证明，人只能进入到风机叶片的1/3位置，在往里不仅空间不允许，而且也比较危险。所以本发明采用了抽拉式的节点布置方法，具体的说就是将所有的无线传感器节点首先固定在一块与叶片纵向形状相同的板子上面，然后在风机主梁的腹板上固定若干个可旋转的支撑柱，以抽拉的形式将节点布置在叶片内部。这种布置方法不仅结构简单，操作方便，而且有利于无线传感器节点的更换和维修，弥补了ZigBee节点能量有限，工作寿命不长的缺点，使整个系统更具有可行性和可操作性。
步骤202，利用叶片内部布置的各无线传感器节点来检测风机叶片内部的温度、湿度以及光亮度以实现对叶片状态的监测。
图3为本发明一种用于风机叶片状态监测的节点布置方法的步骤流程图。如图3所示，本发明一种用于风机叶片状态监测的节点布置方法，包括如下步骤：
步骤301，将所有的无线传感器节点固定在一块与叶片纵向形状相同的板子上面，其中，在该板子相对风机叶片的叶尖部位固定密度较大的无线传感器节点，在该板子相对风机叶片的中部固定相对较少的起中转作用的无线传感器节点，在该板子相对风机叶片的根部固定少量的无线传感器节点；
步骤302，在风机主梁的腹板上固定若干个可旋转的支撑柱，将上述板子通过这些可旋转的支撑住卡在腹板上面；
步骤303，以抽拉的形式将各无线传感器节点布置在风机叶片内部。
图4为本发明较佳实施例中无线监测节点在叶片中的分布图，图5为本发明较佳实施例中无线监测节点在叶片中的布置方式图。以下将配合图4、图5通过一具体实施例来进一步说明本发明的节点分布与节点布置。
1、节点分布
本发明主要是对风机的叶片进行监测，根据以往叶片受损的部位的不均匀性，本发明对监测节点的布置也采用了不同密度的布置方法。本发明以当前风电场运行最广泛的1.5MW和2MW风机的叶片为监测对象，这两种风机叶片的长度一般在35-40米，图1为风机叶片的总体结构图，其中①区域为叶片的尖端，②区域为叶片的终端③区域为叶片的根部。风机叶片的尖端是最易受到损伤的部位，所以本发明在叶尖部位布置密度较大的节点，以提高系统监测的可靠性，在叶片的中部布置相对较少的节点，叶片中部的节点采用一方面负责采集数据，另一方面作为系统的路由节点，起到中转作用，这样就提高了网络的可靠性和抗干扰能力；叶片根部是较安全的区域，所以本发明布置少量的节点。
图4给出了本发明较佳实施例中监测节点的具体分布情况，本发明规定叶片30-40米的部位为叶片尖端，如图中A区域。在该区域布置6-10个节点，以满足系统监测的准确度；B区域是叶片的中部从10米到30米。此部位发生故障的概率相对较低，所以选择布置4-8个节点；C区域为叶片的根部，这个位置叶片的强度较高，发生故障的概率很低，另一方面这个区域人可以爬进去，人工监测起来也方便，所以选择布置2-4个节点。之所以选择从叶片根部5米以后开始布置节点，一方面是在这个范围内不需要在线监测，最重要的是要留出一定的空间供运行人员见远端的移动版抽出维修。这种布置方式充分考虑了叶片受到损害的概率以及受损程度的不同，使整个系统的监测效率更高。
2、节点布置
本发明设计了采用了抽拉式的节点布置方式。具体的讲就是将所有的无线传感器节点首先固定在一块与叶片纵向形状相同的板子上面，然后在风机主梁的腹板上固定若干个可旋转的支撑柱，以抽拉的形式将节点布置在叶片内部。图5给出了节点具体的布置方式，A代表无线监测节点，C被代表可抽拉板，所有的节点用黏贴的方式固定在抽拉板上，此抽拉板的形状与B腹板的形状相对应。抽拉板通过固定在腹板上的D可旋转固定柱卡在腹板上面，这样整体的布置方式可方便节点的维护和更换，使整个系统的可维护性和可操作性大大的提高。抽拉板采用分段的形式，每段长10米。这样再抽出来维护的时候不会因为过长而产生不便。
综上所述，本发明一种风机叶片的在线监测方法及节点布置方法利用ZigBee网络的低功耗、自组网、抗干扰性能强等特点，将ZigBee模块应用到风机叶片的雷击监测，并且对Zigbee节点的布置方法进行了独特的设计，本发明设计的一种风机叶片的在线监测方法及节点布置方法不仅结构简单，操作方便，而且有利于无线节点的更换和维修，弥补了ZigBee节点能量有限，工作寿命不长的缺点，使整个系统更具有可行性和可操作性。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。
Claims (8)
1.一种风机叶片的在线监测方法，包括如下步骤：
步骤一，利用抽拉式的节点布置方法，在该风机叶片的叶尖部位布置密度较大的无线传感器节点，在该风机叶片的中部布置相对较少的起中转作用的无线传感器节点，在该风机叶片的根部布置少量的无线传感器节点；
步骤二，利用叶片内部布置的各无线传感器节点来检测风机叶片内部的温度、湿度以及光亮度来实现对叶片状态的监测。
2.如权利要求1所述的一种风机叶片的在线监测方法，其特征在于：于步骤一中，将所有的无线传感器节点首先固定在一块与该风机叶片纵向形状相同的板子上面，然后在该风机主梁的腹板上固定若干个可旋转的支撑柱，以抽拉的形式将节点布置在该风机叶片内部。
3.一种用于风机叶片状态监测的节点布置方法，包括如下步骤：
步骤一，将所有的无线传感器节点固定在一块与叶片纵向形状相同的抽拉板上面；
步骤二，在风机主梁的腹板上固定若干个可旋转的支撑柱，该抽拉板通过该些可旋转的支撑住卡在腹板上面；
步骤三，以抽拉的形式将各无线传感器节点布置在风机叶片内部。
4.如权利要求3所述的一种用于风机叶片状态监测的节点布置方法，其特征在于：于步骤一中，在该抽拉板相对风机叶片的叶尖部位固定密度较大的无线传感器节点，在该抽拉板相对风机叶片的中部固定相对较少的起中转作用的无线传感器节点，在该抽拉板相对风机叶片的根部固定少量的无线传感器节点。
5.如权利要求4所述的一种用于风机叶片状态监测的节点布置方法，其特征在于：该风机叶片的30-40米的部位为叶片尖端，在该叶尖区域布置6-10个无线传感器节点。
6.如权利要求5所述的一种用于风机叶片状态监测的节点布置方法，其特征在于：该风机叶片的10-30米的部位为叶片的中部，在该叶尖中部布置4-8个无线传感器节点。
7.如权利要求6所述的一种用于风机叶片状态监测的节点布置方法，其特征在于：该风机叶片的5-10米的部位为叶片根部，该叶片根部布置2-4个无线传感器节点。
8.如权利要求7所述的一种用于风机叶片状态监测的节点布置方法，其特征在于：该抽拉板采用分段的形式。
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- 2014-12-05 CN CN201410740166.7A patent/CN104595108B/zh not_active Expired - Fee Related
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