CN216433292U - 一种基于光纤布拉格光栅的风力发电自检测除冰系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于光纤布拉格光栅的风力发电自检测除冰系统，包括可调谐激光器、光纤布拉格光栅温度探头、光环形器、波长对比调节模块、光电转化模块、放大器；可调谐激光器通过光纤连接端口I，光纤布拉格光栅温度探头通过光纤连接端口II，光纤布拉格光栅温度探头设于风叶片上，加热阵元均布于风叶片上的光纤布拉格光栅温度探头周围。本实用新型自检测除冰系统结合光纤光栅作为传感元器件而形成检测结构，在强干扰和强腐蚀的检测环境下具有无可比拟的优势，更加适合在恶劣的环境下工作，本检测网络具备很强的复用性，系统结构简单，易于埋入或附着结构体表面，其加工的稳定性高，在价格成本方面具有较大的优势。

Description

一种基于光纤布拉格光栅的风力发电自检测除冰系统

技术领域

本实用新型涉及一种温度检测技术领域，具体地说是涉及一种基于光纤布拉格光栅的风力发电自检测除冰系统。

背景技术

风力发电机在冬季运行时经常遭遇结冰气候，尤其安装在寒冷地区或高海拔地区更为明显，风叶片覆冰会显著影响风叶片的气动性能，从而导致电力生产损失，风叶片表面结冰引起风电机组叶片气动性能的变化：一方面会导致叶片过载、叶片冰载荷分布不均，进而造成风电机组出力下降；另一方面在叶片旋转过程中，当冰层附着力下降时极易出现冰块脱落，以及由于覆冰增加所产生的不对称荷载引发的机械故障，甚至可能导致停机，造成运营事故。再者叶片覆冰后很难脱落，没有防冰、除冰功能的叶片只能等待太阳照射，待叶片上的冰融化脱落后，风电机组才能重启运行，耽误生产运营。现有解决技术中，1.物理除冰：对风机叶片除冰往往采用碎冰法，其产生的碎冰块容易砸伤附近的人或物，对风机本身也会造成一定损伤；2.电学检测除冰：传统的基于电桥检测的电阻应变式传感检测灵敏度较低，在恶劣环境下不能迅速地反映叶片的覆冰情况，且通过电阻的加热除冰会直接影响到自身的检测精度；3.化学涂层除冰：涂层除冰是通过减弱覆冰与涂层表面之间的粘结力来实现叶片除冰。然而研究发现疏水性只是目前可预见的抗冰属性的决定因素之一，而且这种涂层未必是防结冰涂层，涂料具有强疏水性并不代表涂层表面不易结冰、结霜。目前多采用水接触角测试来表征防结冰涂料性能优劣，该方法具有局限性，真实环境下叶片结冰情况复杂，水接触角一个因素无法全面评价叶片涂料耐结冰性能。

实用新型内容

为了克服现有技术中存在的不足，本实用新型提供了一种基于光纤布拉格光栅的风力发电自检测除冰系统，若是风力叶片结冰，则衍射角会发生改变，依靠光栅传感器快速准确地检测出叶片覆冰形变范围，根据风力叶片形变情况对具体位置加热，热电阻丝采用展向布置和弦向布置，使得各处热量得到最有效的利用，并且可以对风力叶片进行全方位的除冰。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：一种基于光纤布拉格光栅的风力发电自检测除冰系统，包括风力发电的风叶片，其特征在于：还包括可调谐激光器、光纤布拉格光栅温度探头、光环形器、波长对比调节模块、光电转化模块、放大器；所述光环形器设有端口I、端口II和端口III，所述可调谐激光器通过光纤连接端口I，所述光纤布拉格光栅温度探头通过光纤连接端口II，所述光纤布拉格光栅温度探头设于风叶片上，所述波长对比调节模块通过光纤连接端口III，所述波长对比调节模块向后依次连接光电转化模块、放大器、信息处理模块、加热反馈模块和加热阵元，所述加热阵元均布于风叶片上的光纤布拉格光栅温度探头周围。

上述方案中，所述风叶片包括展向和弦向，所述加热阵元位于风叶片的叶片尖部采用展向布置，形成展向融化水流通通道，所述加热阵元位于风叶片的叶片根部采用弦向布置，形成弦向融化水流通道。

上述方案中，所述风叶片上位于加热阵元之间均布设置导流槽，形成加速融化水流通道，所述光纤布拉格光栅温度探头埋入导流槽。

上述方案中，所述导流槽与加热阵元的布置方向相一致。

上述方案中，所述风叶片的叶片尖部的加热阵元布置间距大于风叶片的叶片根部布置间距。

上述方案中，所述加热阵元采用电阻丝点阵。

上述方案中，所述光电转化模块还连接环境温度检测模块。

本实用新型光纤光栅应变标定测量原理：

光纤布拉格光栅的制作是将光纤通过某些特定的方法，使纤芯内折射率发生变化，从而使折射率沿纤芯轴向出现有规律的波动。光在光纤中，遵循全内反射原理，光纤布拉格光栅相当于对通过的光进行反射或透射的现象。由激光器产生一束宽谱光，通过搭载光路，使射入光纤的光，穿过刻写在光纤的光栅上。光波波长等于中心波长的光会沿着入射的方向原路返回，其余波长的光，即不符合特定波长的光，将沿着原来的入射方向继续透射下去。对于一根已经写入了特定光栅的光纤，光纤布拉格光栅的波长就已经固定了。光纤光栅的波长与其折射率和光栅的周期有关。当外界环境因素改变时，比如温度的变化，或者应变的产生，由于这些参量的改变，就会使光纤布拉格光栅的周期与光纤的自身折射率都出现变动，当光栅的周期与折射率发生变化时，则会使光纤布拉格光栅的中心波长的变化。利用这个原理，就能够先检测反射的波长，然后用公式的计算，来推算出外界环境参量的变化。而光纤布拉格光栅的波长与外界参量，如温度、应变的大小成正比例关系。因此，将光纤布拉格光栅做成温度与应变传感器。这样就可以测量很多参量(应变、温度、振动或者电磁场等)。一般情况下，要对某一种参量进行测量，其他的参量都会影响要测量参量的大小。光纤布拉格光栅可以测量多种参量，因此要测量单一参量时，就要排除其他参量变化带来的影响。

当光源发出固定功率的光谱，光入射到光纤沿着光纤的内部向前传输，符合光纤布拉格光栅周期波长的光原路返回，其余波长的光则直接按原方向透射过去。其被反射回的光的布拉格波长可表示为：

λ_Back＝2n_effd (1)

上式中，n_eff是FBG中，纤芯区内的有用折射率，一般来说，应用最为普及的光纤材质是二氧化硅。二氧化硅的折射率为1.45，d是布拉格光栅栅格的分布周期，它是刻写在光纤内部的多道平行特殊凹槽的间隔。λ_Back则为FBG的中心波长。当外界参量出现变化时，布拉格光栅的周期也会出现变化，折射率也会出现变化，能够得出当纤芯的折射率n_eff或光栅周期d出现变动时，会引起布拉格光栅的反光谱出现变化，透射谱也会变化。

ASE宽谱光源发光，通过FBG时将有一些光被反射。被反射回来的光波通过环形器后传输到布拉格光栅波长解调模块。如果光纤布拉格光栅受到外面的参量变化，纤芯区的折射率和栅格周期将发生相应的变化，又因为FBG的中心波长由上述两个因素决定，因此中心波长就产生与之相对应的改变。基于这个原理，只要通过解调反射回来的光波得出λ_Back的变化的大小，将能够通过公式解得出应变或者温度的大小，用Δλ_Back表示中心波长的变化量，有

Δλ_Back＝2dΔn_eff+2n_effΔd (2)

变形得到：

(3)式中，ΔT为温度变化的大小；p_e为FBG的弹光系数，有效弹光系数就是形容应变的改变所产生的光纤折射率大小的变动的一种物理量；ε_x为光纤光栅处的轴向处产生的应变的大小，α为光纤的受热导致体积增大的程度的系数，即热膨胀系数。ξ为折射指数的温度常数，又称之为热光系数。当ε_x为0时，也就是当布拉格光栅处没有出现没有轴向的变化时，Δλ_Back与ΔT成线性关系；当ΔT为0时，也就是说，当温度不发生任何变化时，Δλ_Back与ε_x成正比例函数关系。

温度灵敏度系数可以用下面公式表示

K_T＝(α+ξ)＝Δλ_Back/λ_Back (4)

光纤布拉格光栅作为一个应变传感器具有很好的应变响应特征。实验表明，灵敏度大小可达0.00987nm/με以上，具有非常优秀的应变响应特征，且光纤布拉格光栅的中心波长与应变具有正比例函数关系。

本实用新型一种基于光纤布拉格光栅的风力发电自检测除冰系统与现有技术相比，其有益效果是：

1.本检测除冰系统结合光纤光栅作为传感元器件而形成检测结构，不受到光源功率、光纤弯曲以及其他元器件老化等因素的影响，在强干扰和强腐蚀的检测环境下具有无可比拟的优势，更加适合在恶劣的环境下工作；

2.本检测除冰系统结构简单，尺寸较小所以适用范围很广，易于埋入或附着结构体表面，特别针对一些大型的结构或者智能风力发电系统，还可以对其内部的温度、压力等参量进行高分辨率的精准测量；

3.本检测网络具备很强的复用性，在同一根光纤上可以安装多个独立的光纤光栅，多个光栅组成的传感网络可以实现对待测量实时的分布式测量；

4.本系统设计的网络结构结合常用原件所特有的性质，其加工的稳定性高，而且在价格成本方面具有较大的优势。

附图说明

图1为本实用新型一种基于光纤布拉格光栅的风力发电自检测除冰系统的原理框图；

图2为基于光纤布拉格光栅的风力发电自检测除冰系统在风叶片上的的安装示意图；

图3为图2中K-K的剖视图；

图4为图3中F的放大图。

图中：1.可调谐激光器，2.光纤布拉格光栅温度探头，3.光学环形器，4.波长对比调节模块，5.环境温度检测模块，6.光电转化模块，7.放大器，8.信息处理模块，9.加热反馈模块，10.加热阵元，11.风叶片，12.导流槽，301.端口I，302.端口II，303.端口III。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例对本实用新型一种基于光纤布拉格光栅的风力发电自检测除冰系统作进一步的描述：

图1为本实用新型一种基于光纤布拉格光栅的风力发电自检测除冰系统的原理框图；图2为基于光纤布拉格光栅的风力发电自检测除冰系统在风叶片上的的安装示意图；图3为图2中K-K的剖视图；图4为图3中F的放大图。图中，该风力发电自检测除冰系统，包括风力发电的风叶片11，还包括可调谐激光器1、光纤布拉格光栅温度探头2、光环形器3、波长对比调节模块4、光电转化模块6、放大器7；光环形器设有端口I301、端口II302和端口III303，其作用为从端口I301输入的光只能从端口II302输出，从端口II302输入的光只能从端口III303输出，可调谐激光器1通过光纤连接端口I301，光纤布拉格光栅温度探头2通过光纤连接端口II302，光纤布拉格光栅温度探头2设于风叶片11上，波长对比调节模块4通过光纤连接端口III303，波长对比调节模块4向后依次连接光电转化模块6、放大器7、信息处理模块8、加热反馈模块9和加热阵元10，加热阵元10均布于风叶片11上的光纤布拉格光栅温度探头2的周围。

优选的是，风叶片11包括展向和弦向，加热阵元10位于风叶片11的叶片尖部采用展向布置，形成展向融化水流通道，融化水通道形成后，随着叶片的旋转，融化水在风叶片的尖部流出；加热阵元10位于风叶片11的叶片根部采用弦向布置，形成弦向融化水流通道，融化水通道形成后，随着叶片的旋转，融化水在叶片的根部流出。

在此基础上，风叶片11上位于加热阵元10之间均布设置导流槽12，更加促进形成加速融化水流的通道，光纤布拉格光栅温度探头2埋入导流槽12。导流槽12与加热阵元10的布置方向相一致。

优选的，除冰关键是要保证热端与冷端的温度差不能太大，否则会造成热量剩余浪费这就要求电阻丝要有合理的布置间距。加热阵元采用电阻丝点阵，风叶片11的叶片尖部的加热阵元10布置间距大于风叶片11的叶片根部布置间距，对于叶片尖部，水滴收集系数和对流散热系数较大，布置间距相对较小，对于叶片根部，布置间距相对较大，这样依据电阻丝发热的温度分布特点，电阻丝内通入电流后，温度首先升高热量逐渐向外扩散，形成温度梯度分布。光电转化模块6还连接环境温度检测模块5用于是实时测量环境温度。

工作时，可协调激光器发出1550nm信号通过光学环形器3输向光纤布拉格光栅温度探头2，依靠光纤布拉格光栅温度探头2使光纤布拉格光栅的周期与光纤的自身折射率都出现变动，若风叶片11上有冰形成，可以快速的检查出风叶片11覆冰范围，依靠风叶片11覆盖冰层重量变化引起光栅周期的变化来加热，这时候信息处理模块8使加热阵元10的电流通电，依靠热电阻来对风叶片11上结冰或重量增大位置进行热电阻的加热。除冰加热时，水滴在运动的风叶片11表面主要受到以下两种力的作用，风叶片11对水滴的作用力和重力，其合力提供水滴随叶片转动的向心力，在靠近风叶片11的叶尖端处，由于水滴做圆周运动的半径较大，所需向心力也较大，当和重力的合力不足以提供向心力，水滴就会发生滑动，滑动轨迹会沿着叶片伸展方向，最后在叶尖处涌出；而在靠近叶根的位置，水滴做圆周运动的向心力较小，但随着水滴的累积，重力会越来越大，当垂直地面向上的分力不足以抵消重力作用时，水滴会发生沿着弦向的滑动而脱离叶片。融化水流通通道与导流槽12形成引流，加速冰层融化效率，最终叶片尖部冰层发生脱落消除冰层，根部冰层被融化消除冰层。

本实用新型自检测除冰系统结合光纤光栅作为传感元器件而形成检测结构，在强干扰和强腐蚀的检测环境下具有无可比拟的优势，更加适合在恶劣的环境下工作，本检测网络具备很强的复用性，可以实现对待测量实时的分布式测量；系统结构简单，尺寸较小所以适用范围很广，易于埋入或附着结构体表面，特别针对一些大型的结构或者智能风力发电系统，其加工的稳定性高，而且在价格成本方面具有较大的优势。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种基于光纤布拉格光栅的风力发电自检测除冰系统，包括风力发电的风叶片(11)，其特征在于：还包括可调谐激光器(1)、光纤布拉格光栅温度探头(2)、光环形器(3)、波长对比调节模块(4)、光电转化模块(6)、放大器(7)；所述光环形器(3)设有端口I(301)、端口II(302)和端口III(303)，所述可调谐激光器(1)连接光纤连接端口I(301)，所述光纤布拉格光栅温度探头(2)连接光纤连接端口II(302)，所述光纤布拉格光栅温度探头(2)设于风叶片(11)上，所述波长对比调节模块(4)连接光纤连接端口III(303)，所述波长对比调节模块(4)向后依次连接光电转化模块(6)、放大器(7)、信息处理模块(8)、加热反馈模块(9)和加热阵元(10)，所述加热阵元(10)均布于风叶片(11)上的光纤布拉格光栅温度探头(2)周围。

2.根据权利要求1所述一种基于光纤布拉格光栅的风力发电自检测除冰系统，其特征在于：所述风叶片(11)包括展向和弦向，所述加热阵元(10)位于风叶片(11)的叶片尖部采用展向布置，形成展向融化水流通道，所述加热阵元(10)位于风叶片(11)的叶片根部采用弦向布置，形成弦向融化水流通道。

3.根据权利要求2所述一种基于光纤布拉格光栅的风力发电自检测除冰系统，其特征在于：所述风叶片(11)上位于加热阵元(10)之间均布设置导流槽(12)，形成加速融化水流通道，所述光纤布拉格光栅温度探头(2)埋入导流槽(12)。

4.根据权利要求3所述一种基于光纤布拉格光栅的风力发电自检测除冰系统，其特征在于：所述导流槽(12)与加热阵元(10)的布置方向相一致。

5.根据权利要求2所述一种基于光纤布拉格光栅的风力发电自检测除冰系统，其特征在于：所述风叶片(11)的叶片尖部的加热阵元(10)布置间距大于风叶片(11)的叶片根部布置间距。

6.根据权利要求2或4所述一种基于光纤布拉格光栅的风力发电自检测除冰系统，其特征在于：所述加热阵元(10)采用电阻丝点阵。

7.根据权利要求1所述一种基于光纤布拉格光栅的风力发电自检测除冰系统，其特征在于：所述光电转化模块(6)还连接环境温度检测模块(5)。

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