CN207660781U - 风力发电机的叶片监测系统及叶片 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种风力发电机的叶片监测系统，包括叶片姿态监测装置、叶片声发射监测装置和数据发送装置。叶片姿态监测装置、叶片声发射监测装置和数据发送装置分别与风力发电机的叶片结构连接。数据发送装置分别电连接叶片姿态监测装置和叶片声发射监测装置。数据发送装置与风力发电机的监控服务器通信连接。本实用新型公开了一种风力发电机的叶片。通过叶片姿态监测装置、叶片声发射监测装置和数据发送装置的设计，在叶片投入使用的全生命周期内，可以通过实时监测叶片的运动姿态数据和声发射数据并传至监控服务器，使得监控服务器可以基于实时的运动姿态数据和声发射数据实现对叶片故障、运转情况等的健康状态监控，提高维护效率。

Description

风力发电机的叶片监测系统及叶片

技术领域

本实用新型涉及风力发电技术领域，特别是涉及一种风力发电机的叶片监测系统及叶片。

背景技术

风力发电是能源战略的一部分，具有重要的经济价值。由于风资源分布的限制，风力发电场多分布在远离城市的荒漠、山区、草原或海域中，远离主监控中心。因此，除了风力发电设备自身复杂的结构可以导致偶有的结构性损坏问题外，受恶劣的自然环境影响，风力发电设备更很容易发生故障。为了高效地运营和维护风电场，提高风力发电机组的运行效率和可靠性，很有必要对各台风力发电机组的运行状况进行监测。

然而，叶片和发电机组均是风力发电设备的关键部件，叶片在旋转过程中受力大小和方向会交替变化。在发电机组长时间工作后，叶片会发生材料老化和结构物理疲劳等问题，外加恶劣环境的影响，常常会引起叶片的整体物理性能下降甚至损坏，进而降低发电机组的工作效率。因此，对叶片的运行状态以及损伤情况进行监测是对风力发电机组运行状况监测的重要内容。

传统的风力发电设备的叶片监测，通常是采用人工监测和故障停机后维护等的方式，无法及早发现叶片存在的问题，因此存在例如：无法让维护人员可以选择在无风时段进行更换或维修，减小弃风损失等维护效率低的问题。

发明内容

基于上述分析，有必要针对上述传统的风力发电设备的叶片监测存在维护效率低的问题，提供一种风力发电机的叶片监测系统以及一种风力发电机的叶片。

本实用新型的实施例提供一种风力发电机的叶片监测系统，包括叶片姿态监测装置、叶片声发射监测装置和数据发送装置，所述叶片姿态监测装置、所述叶片声发射监测装置和所述数据发送装置分别与风力发电机的叶片壳体结构连接，所述数据发送装置分别电连接所述叶片姿态监测装置和所述叶片声发射监测装置，所述数据发送装置与风力发电机的监控服务器通信连接；

所述叶片姿态监测装置用于监测所述叶片的运动姿态数据并发送到所述数据发送装置，所述叶片声发射监测装置用于监测所述叶片的声发射数据并发送到所述数据发送装置，所述数据发送装置用于将所述运动姿态数据和所述声发射数据发送到所述监控服务器。

一种风力发电机的叶片，包括叶片壳体和装设在所述叶片壳体内的所述的风力发电机的叶片监测系统，所述风力发电机的叶片监测系统用于监测所述叶片的运动姿态数据和声发射数据并发送到风力发电机的监控服务器。

上述风力发电机的叶片监测系统，通过叶片姿态监测装置、叶片声发射监测装置和数据发送装置的设计，在叶片投入使用的全生命周期内，可以通过实时监测叶片的运动姿态数据和声发射数据并传至监控服务器，使得监控服务器可以基于实时的运动姿态数据和声发射数据实现对叶片故障、运转情况等的健康状态监控。如此，上述的风力发电机的叶片监测系统可以及早发现叶片存在的问题，从而使维护人员可以及时选择在无风时段进行更换或维修，达到维护效率高的效果。同时，及早维护可以减小弃风损失，降低维护成本；维护时可以提前知道叶片的故障状态，从而可以避免叶片意外掉落伤及维护人员，提升维护作业的安全性。

附图说明

图1为本实用新型一个实施例的风力发电机的叶片监测系统结构设置示意图；

图2为本实用新型另一个实施例的风力发电机的叶片监测系统结构设置示意图；

图3为本实用新型一个实施例的风力发电机的叶片结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的风力发电机叶片监测系统及叶片的具体实施方式作详细的描述。附图中给出了本实用新型的首选实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本实用新型的公开内容更加透彻全面。

风电能是一种可再生的清洁能源，环境污染小，自动化程度高，易于实现远程控制，可满足人口稀少、电网不易到达地区的用电，因此，风力发电具有重要的经济效益和社会效益。然而，一方面，受风力资源分布的限制，导致风力发电场多分布在远离城市的荒漠、山区和草原等地区，远离了监控中心，导致监管成本高。另一方面，受恶劣的自然环境及发电设备自身复杂的电力电子构造等因素影响，风力发电设备较容易发生损坏而维护不及时的状况。因此，为了妥善运营和有效维护风电场设备，提高风力发电设备的运行效率和可靠性，对风力发电设备的叶片的运行状况进行监测是必要的。

叶片的叶片壳体在旋转过程中受力大小和方向会交替变化。在发电机组长时间工作后，叶片壳体常会发生材料老化和结构物理疲劳等问题，外加恶劣环境的影响，常常会引起整个叶片的物理性能下降甚至结构损坏，进而降低发电机组的工作效率。为了及早发现叶片存在的故障隐患，以提高叶片的维护效率，本实用新型实施例提供一种风力发电机的叶片监测系统。

请参阅图1，本实用新型实施例的风力发电机的叶片监测系统100包括叶片姿态监测装置12、叶片声发射监测装置14和数据发送装置16。叶片姿态监测装置12、叶片声发射监测装置14和数据发送装置16分别与风力发电机的叶片壳体结构连接。数据发送装置16分别电连接叶片姿态监测装置12和叶片声发射监测装置14。数据发送装置16与风力发电机的监控服务器通信连接。叶片姿态监测装置12用于监测叶片的运动姿态数据并发送到数据发送装置16。叶片声发射监测装置14用于监测叶片的声发射数据并发送到数据发送装置16。数据发送装置16用于将运动姿态数据和声发射数据发送到监控服务器。

可以理解，叶片姿态监测装置12可以是但不限于由运动传感器、单片机以及通信模块等器件搭建而成的、具备监测以及传送叶片的运动姿态数据功能的装置。相应的，叶片声发射监测装置14可以是但不限于由声发射传感器、单片机以及通信模块等器件搭建而成的、具备监测以及传送叶片的声发射数据功能的装置。比较大型的叶片，叶片壳体一般会形成有内部空腔。叶片姿态监测装置12、叶片声发射监测装置14和数据发送装置16可以装设在叶片壳体的内壁上，从而实现前述各装置均安置在叶片的内部空腔之中，避免影响叶片的外观和外部构造。例如，叶片姿态监测装置12、叶片声发射监测装置14和数据发送装置16可以整体或部分装设在叶片壳体靠近风力发电机一侧的根部的叶片舱门内侧表面上，只要能够安装牢固且不影响叶片的正常运转即可。叶片姿态监测装置12、叶片声发射监测装置14和数据发送装置16之间的电连接可以是导线连接，也可以是导电膜连接，也可以是其他方式的电连接，只要能够满足数据监测和传送所需的电连接要求即可。

可选的，监控服务器可以是位于风电场监控中心的运营监管数据服务器，还可以是为风电场的维护专门建立的运维服务器。数据发送装置16与风力发电机的监控服务器之间可以通过无线通信的方式建立通信连接，还可以是通过无线通信以及光纤通信相结合的方式建立通信连接。叶片姿态监测装置12、叶片声发射监测装置14和数据发送装置16可以通过风力发电机组直接提供工作电源，以便支持叶片姿态监测装置12、叶片声发射监测装置14和数据发送装置16的在线运行。

具体的，在风力发电机组运行过程中，叶片姿态监测装置12对叶片上故障高发部位以及与故障高发部位关联的部位进行运动姿态监测，并将得到的运动姿态数据发送给数据发送装置16。叶片声发射监测装置14则对叶片上故障高发部位以及与故障高发部位关联的部位进行声发射状况监测，并将得到的声发射数据传送给数据发送装置16。数据发送装置16则将接收到的运动姿态数据和声发射数据发送到监控服务器。如此，监控服务器可以基于实时的运动姿态数据和声发射数据实现对叶片的结构损伤、老化、掉漆、裂纹和变形等故障，以及叶片的运转情况等的健康状态进行分析监控。运维人员可以通过查看监控情况来及早发现叶片存在的故障问题或者安全隐患，从而可以及时选择在无风时段对发生故障或者存在安全隐患的叶片进行更换或维修，达到维护效率高的效果。除此之外，及早进行维护可以减小弃风损失，降低维护成本；维护人员也可以提前知道叶片的故障状态，从而可以避免维护时叶片意外掉落伤及维护人员，提升维护作业的安全性。

在一个实施例中，上述的监测过程可以是连续实时的，也可以是周期性的间歇监测，还可以是在工作人员的操控下进行的受控监测，从而可以根据运维需要灵活选择监测模式，节省人力物力。

在另一个实施例中，故障高发部位以及与故障高发部位关联的部位可以是叶片的根部位置和中部位置，也可以是相对于叶片根部的端部位置，还可以是叶片的周侧边沿位置。通过对故障高发部位以及与故障高发部位关联的部位进行监测可以及时、全面地发现叶片存在的故障和安全隐患。

请参阅图2和图3，进一步的，在一个实施例中，叶片姿态监测装置12包括电连接的姿态监测模组和姿态数据处理模组。姿态监测模组装设在叶片壳体20的内壁上。姿态数据处理模组装设在叶片壳体20的根部舱门上。姿态监测模组用于监测叶片的运动姿态信号。姿态数据处理模组用于接收运动姿态信号、得到运动姿态数据并发送到数据发送装置16。

可以理解，叶片200的叶片壳体20一般可以形成有一个内部空腔，姿态监测模组和姿态数据处理模组可以装设在叶片壳体20的内部空腔之中，并且通过固定或者可拆卸的方式与叶片壳体20的内壁直接或者间接连接。叶片壳体20可以在接近风力发电机的舱室一端设置有根部舱门，以便安装叶片配套的各类电力电子器件。姿态监测模组可以是一个或者多个运动传感器组成的具备姿态信号测录功能的模组。姿态数据处理模组可以是由单片机和通信模块等器件组成的、负责从姿态监测模组采集姿态信号以便得到所需的运动姿态数据的模组。

通过姿态监测模组和姿态数据处理模组的协调工作可以实现叶片的运动姿态数据的监测和传送，方便为后台监控提供实时数据。

可选的，在一个实施例中，姿态监测模组包括分别与姿态数据处理模组电连接的至少两个的运动传感器122。运动传感器122按预定间隔装设在叶片壳体20的内壁上。

可以理解，姿态监测模组可以由两个或者以上数量的运动传感器122组成，运动传感器122可以在叶片壳体20内壁上按预定间隔装设。预定间隔可以根据叶片200的尺寸大小和型号来确定。例如，对于轴向长度为20米的叶片200，预定间隔可以是5米，也即是说，运动传感器122可以从叶片壳体20的根部往叶片200的端部，每隔5米布设一个。如此，通过运动传感器122的布设可以实现叶片200的多部位运动姿态数据的可靠监测。

在一个可选的实施例中，运动传感器122可以是九轴运动传感器，例如MPU6050运动传感器，可以获得较高精度的运动姿态数据，利于提高监测精度。

可选的，在一个实施例中，姿态数据处理模组包括电连接的第一中控器和第一通信模块。第一中控器电连接各个运动传感器122。第一通信模块与数据发送装置16电连接。第一中控器用于接收各个运动传感器122监测得到的运动姿态信号以得到运动姿态数据。第一中控器通过第一通信模块向数据发送装置16传送运动姿态数据。

具体的，第一中控器可以是MCU，例如可以是TI系列的MSP430单片机，还可以是其他型号的单片机，只要能够实现接收各个运动传感器122监测得到的运动姿态信号以得到运动姿态数据，并且可以调用第一通信模块将运动姿态数据发送到数据发送装置16即可。从运动姿态信号到运动姿态数据的转换过程只需要通过第一中控器自身的数据处理功能即可实现，例如信号组合汇总输出所需的数据等基本功能。第一通信模块可以是通信接口电路，例如可以是基于串口的RS485通讯接口模块，也可以是通用异步收发传输器UART接口或者I2C接口，还可以是其他型号的通信接口模块，只要能够实现与第一中控器以及数据发送装置16电连接完成数据传送即可。如此，通过第一中控器和第一通信模块可以快速自动地将监测得到的运动姿态数据发送到数据发送装置16，数据传输效率高。

可选的，在一个实施例中，叶片声发射监测装置14包括电连接的声发射监测模组和声发射数据处理模组。声发射监测模组装设在叶片壳体20的内壁上。声发射数据处理模组装设在叶片壳体的根部舱门上。声发射监测模组用于监测叶片20的声发射信号。声发射数据处理模组用于接收声发射信号、得到声发射数据并发送到数据发送装置16。

具体的，声发射监测模组和声发射数据处理模组可以装设在叶片壳体20的内部空腔之中，并且通过固定或者可拆卸的方式与叶片壳体20的内壁直接或者间接连接。声发射监测模组可以是一个或者多个声发射传感器件组成的、具备叶片200的声发射信号测录功能的模组。声发射数据处理模组可以是由单片机和通信模块等器件组成的、负责从声发射监测模组采集声发射信号以便得到所需的声发射数据的模组。通过声发射监测模组和声发射数据处理模组的协调工作可以实现叶片的声发射数据的监测和传送，方便为后台监控提供实时数据。

进一步的，在一个实施例中，声发射监测模组包括分别与声发射数据处理模组电连接的至少两个的声发射传感器142。声发射传感器142按预定间隔装设在叶片壳体20的内壁上。

可以理解，声发射监测模组可以由两个或者以上数量的声发射传感器142组成，声发射传感器142可以在叶片壳体20内壁上按预定间隔装设。声发射传感器142也可以是与运动传感器122组合装设，例如一同安装在叶片壳体20的同一位置上，也可以在叶片壳体20同一区段内的对称安装。如此，通过声发射传感器142的布设可以实现叶片200多部位的声发射数据可靠监测。

在一个可选的实施例中，声发射传感器142可以是谐振式声发射传感器，也可以是宽带响应的声发射传感器。通过合理布设声发射传感器142可以获得较高精度的声发射数据。

可选的，在另一个实施例中，声发射数据处理模组可以包括依次电连接的信号转换器、第二中控器和第二通信模块。信号转换器分别电连接声发射传感器142。第二通信模块电连接数据发送装置16。信号转换器用于对声发射信号进行信号转换得到声发射数据。第二中控器用于提取声发射数据，以及通过第二通信模块向数据发送装置16传送声发射数据。

具体的，信号转换器可以是信号转换电路，例如可以是由前置放大器、滤波器件、16位AD转换器和FPGA器件等器件组成的信号转换电路。第二中控器可以是MCU，例如可以是TI系列的MSP430单片机，还可以是其他型号的单片机，只要能够实现接收各个声发射传感器142监测得到的声发射信号以得到声发射数据，并且可以调用第二通信模块将声发射数据发送到数据发送装置16即可。第二通信模块可以是通信接口电路，例如可以是基于串口的RS485通讯接口模块，也可以是通用异步收发传输器UART接口或者I2C接口，还可以是其他型号的通信接口模块，只要能够实现与第二中控器以及数据发送装置16电连接完成数据传送即可。如此，通过第二中控器和第二通信模块可以快速自动地将监测得到的声发射数据发送到数据发送装置16，数据传输效率高。

在其中一个实施例中，数据发送装置16包括依次电连接的接收器、第三中控器和无线传输模块。接收器分别电连接叶片姿态监测装置12和叶片声发射监测装置14。无线传输模块与监控服务器通信连接。第三中控器用于控制接收器接收运动姿态数据和声发射数据，以及通过无线传输模块向监控服务器发送运动姿态数据和声发射数据。

可以理解，接收器可以是通信模块组成的数据接收器，例如可以是RS485通讯接口模块和USB接口模块组合而成的混合接收器，还可以是其他的通信接口模块组成的接收器，只要能够实现接收运动姿态数据和声发射数据并传送到第三中控器即可。第三中控器可以是MCU，例如可以是TI系列的MSP430单片机，还可以是其他型号的单片机，只要能够实现控制接收器接收运动姿态数据和声发射数据，并且可以调用无线传输模块将运动姿态数据和声发射数据发送到监控服务器即可。无线传输模块可以是工业路由器，还可以是其他种类的无线数据传输模块，只要能够实现与第三中控器电连接、与监控服务器通信连接以便完成数据传输即可。

通过接收器、第三中控器和无线传输模块的匹配设置，可以实现运动姿态数据和声发射数据快速可靠地上传到监控服务器，提高监测运维效率。

进一步的，在一个实施例中，接收器包括姿态数据接收器和声发射数据接收器。姿态数据接收器和声发射数据接收器分别与第三中控器电连接。姿态数据接收器与叶片姿态监测装置12电连接。声发射数据接收器与叶片声发射监测装置14电连接。姿态数据接收器用于接收运动姿态数据并传送到第三中控器。声发射数据接收器用于接收声发射数据并传送到第三中控器。

可以理解，姿态数据接收器可以是RS485通讯接口模块。声发射数据接收器可以是USB接口模块。通过姿态数据接收器与叶片姿态监测装置12的第一通信模块电连接，声发射数据接收器与叶片声发射监测装置14的第二通信模块电连接，可以实现运动姿态数据和声发射数据的可靠接收，提高数据接收效率。

在一个实施例中，上述实施例中的叶片姿态监测装置12、叶片声发射监测装置14和数据发送装置16可以通过电刷或者电磁感应的方式从风力发电机组上获得工作供电输入。例如叶片姿态监测装置12、叶片声发射监测装置14和数据发送装置16可以分别通过电源适配器以及电刷，从与叶片200结构连接的轮毂带电圈上获取供电输入，如此可以实现叶片姿态监测装置12、叶片声发射监测装置14和数据发送装置16的正常供电，便于整个风力发电机的叶片监测系统100的正常运行。

在一个实施例中，还提供一种风力发电机的叶片200包括叶片壳体20和装设在叶片壳体20内的风力发电机的叶片监测系统100。风力发电机的叶片监测系统100用于监测叶片200的运动姿态数据和声发射数据并发送到风力发电机的监控服务器。如此，可以实现对叶片20的故障或隐患状态进行有效监测，提高应用该型叶片200的风力发电机组的可靠性和维护效率，进而提高风电场的运营效益。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种风力发电机的叶片监测系统，其特征在于，包括叶片姿态监测装置、叶片声发射监测装置和数据发送装置，所述叶片姿态监测装置、所述叶片声发射监测装置和所述数据发送装置分别与风力发电机的叶片壳体结构连接，所述数据发送装置分别电连接所述叶片姿态监测装置和所述叶片声发射监测装置，所述数据发送装置与风力发电机的监控服务器通信连接；

所述叶片姿态监测装置用于监测所述叶片的运动姿态数据并发送到所述数据发送装置，所述叶片声发射监测装置用于监测所述叶片的声发射数据并发送到所述数据发送装置，所述数据发送装置用于将所述运动姿态数据和所述声发射数据发送到所述监控服务器。

2.根据权利要求1所述的风力发电机叶片监测系统，其特征在于，所述叶片姿态监测装置包括电连接的姿态监测模组和姿态数据处理模组，所述姿态监测模组装设在所述叶片壳体的内壁上，所述姿态数据处理模组装设在所述叶片壳体的根部舱门上；

所述姿态监测模组用于监测所述叶片的运动姿态信号，所述姿态数据处理模组用于接收所述运动姿态信号、得到所述运动姿态数据并发送到所述数据发送装置。

3.根据权利要求2所述的风力发电机叶片监测系统，其特征在于，所述姿态监测模组包括分别与所述姿态数据处理模组电连接的至少两个的运动传感器，所述运动传感器按预定间隔装设在所述叶片壳体的内壁上。

4.根据权利要求3所述的风力发电机叶片监测系统，其特征在于，所述姿态数据处理模组包括电连接第一中控器和第一通信模块，所述第一中控器电连接各个所述运动传感器，所述第一通信模块与所述数据发送装置电连接；

所述第一中控器用于接收各个所述运动传感器监测得到的所述运动姿态信号以得到所述运动姿态数据，所述第一中控器通过所述第一通信模块向所述数据发送装置传送所述运动姿态数据。

5.根据权利要求2所述的风力发电机叶片监测系统，其特征在于，所述叶片声发射监测装置包括电连接的声发射监测模组和声发射数据处理模组，所述声发射监测模组装设在所述叶片壳体的内壁上，所述声发射数据处理模组装设在所述叶片壳体的根部舱门上；

所述声发射监测模组用于监测所述叶片的声发射信号，所述声发射数据处理模组用于接收所述声发射信号、得到所述声发射数据并发送到所述数据发送装置。

6.根据权利要求5所述的风力发电机叶片监测系统，其特征在于，所述声发射监测模组包括分别与所述声发射数据处理模组电连接的至少两个的声发射传感器，所述声发射传感器按预定间隔装设在所述叶片壳体的内壁上。

7.根据权利要求6所述的风力发电机叶片监测系统，其特征在于，所述声发射数据处理模组包括依次电连接的信号转换器、第二中控器和第二通信模块，所述信号转换器分别电连接所述声发射传感器，所述第二通信模块电连接所述数据发送装置；

所述信号转换器用于对所述声发射信号进行信号转换得到所述声发射数据，所述第二中控器用于提取所述声发射数据，以及通过所述第二通信模块向所述数据发送装置传送所述声发射数据。

8.根据权利要求1或5所述的风力发电机叶片监测系统，其特征在于，所述数据发送装置包括依次电连接的接收器、第三中控器和无线传输模块，所述接收器分别电连接所述叶片姿态监测装置和所述叶片声发射监测装置，所述无线传输模块与所述监控服务器通信连接；

所述第三中控器用于控制所述接收器接收所述运动姿态数据和所述声发射数据，以及通过所述无线传输模块向所述监控服务器发送所述运动姿态数据和所述声发射数据。

9.根据权利要求8所述的风力发电机叶片监测系统，其特征在于，所述接收器包括姿态数据接收器和声发射数据接收器，所述姿态数据接收器和所述声发射数据接收器分别与所述第三中控器电连接，所述姿态数据接收器与所述叶片姿态监测装置电连接，所述声发射数据接收器与所述叶片声发射监测装置电连接；

所述姿态数据接收器用于接收所述运动姿态数据并传送到所述第三中控器，所述声发射数据接收器用于接收所述声发射数据并传送到所述第三中控器。

10.一种风力发电机的叶片，其特征在于，包括叶片壳体和装设在所述叶片壳体内的如权利要求1至9任一项所述的风力发电机的叶片监测系统，所述风力发电机的叶片监测系统用于监测所述叶片的运动姿态数据和声发射数据并发送到风力发电机的监控服务器。