TWI770776B - 基於物聯網的風力發電葉片測距雷達裝置 - Google Patents

Abstract

一種基於物聯網的風力發電葉片測距雷達裝置，包含：複數個探測方向的毫米波雷達模組、IOT通訊模組、電池模組、太陽能充電模組、IOT主機模組以及橡膠線纜。其中，毫米波雷達模組、IOT通訊模組與電池模組統一包裹在橡膠線纜中，太陽能充電模組在橡膠線纜表層，並由透明塑膠層包裹；所述IOT主機模組位於塔頂處，與風力發電組進行資訊交互，為風力發電機組的控制提供資訊。所述毫米波雷達模組通過葉片精確測距，測距資訊將即時地通過IOT通訊模組發射到IOT主機模組處，IOT主機模組將資訊匯總發送給風力發電機組，以便機組進行控制，整個設計通過IOT的低功耗設計，由太陽能電池進行供電，可以長時間高可靠性地工作。本發明同時具有低成本、高性能、容易實現準確測距並易於安裝的優點。

Description

基於物聯網的風力發電葉片測距雷達裝置

本發明涉及新能源電力系統中風力發電設備元件技術領域，特別是風力發電葉片測距雷達裝置，具體是一種新的基於IOT技術的風力發電葉片測距雷達系統，可用於電力系統的風力發電機組中。

近年來，隨著新能源電力發電系統的快速發展，風力發電得到了深入而廣泛的研究和建設，陸基、海基的風力發電機組得到了國家新基礎建設的大面積建設。在新能源建設的大環境下，風力發電設備的單台功率逐步增強，發電系統的葉片尺寸逐步增長，同時由於成本和重量的限制，葉片採用了新材料來製造，隨著風速的加強，葉片的受力巨大，葉片很容易在旋轉過程中發生彎曲，容易撞擊風機塔筒，形成對機組的損壞，造成重大損失，因此全天候、全氣候地測試葉片和塔筒的距離是現代風力發電系統所必須的測試向量。利用測試的距離信息，發電機組可以即時地對系統進行控制，甚至安全停機，從而保證風力發電系統的安全運行。在這種背景之下，具有較大優勢的毫米波雷達測距系統成為了研究熱點。

一般的毫米波雷達測距系統應用於葉片測距系統時，利用毫米波雷達發射調頻連續波(FMCW)來獲取目標的位置資訊，毫米波雷達通常安裝在塔頂位置，毫米波雷達向位於80米~100米的葉片發射FMCW信號，完成葉片的直線測距和測角。當測試到葉片的直線距離和角度後，通過座標變換，就可以間接估計出來葉片和塔筒的距離。這種方案目前面臨著幾個重大難題，一是在80米~100米處的距離測試精度，因為毫米波是傾斜入射打到葉片上的，在遠距離時的入射角度(這裡定義為波矢和葉片水平面的角度)非常小，此時雷達的反射介面(RCS)非常小，導致回波功率水平較低，這會導致雷達系統的測試精度降低；另外一個問題是，80米~100米處的測角的精度難以保證，由於目前雷達系統的發射和接收天線孔徑有限，角度解析度一般在5度左右，在這種測試精度下的角 度誤差會比較大，難以滿足系統精度要求。最後一個問題是，整個葉片毫米波雷達需要放置在塔頂位置，由於安裝位置的限制，葉片和塔柱重合時，塔柱將遮擋毫米波，無法測量葉片和塔柱間的距離，因此一般毫米波雷達測試的葉片和塔柱之間的距離不是直接距離，這將導致測試誤差，並造成一定程度的系統誤差，因此需要人們提出新的能夠準確測量葉片和塔柱距離的毫米波雷達系統。

本發明揭露了一種基於物聯網的風力發電葉片測距雷達裝置，提供了一種新的葉片測距系統設計方案，具有可靠性高、易於實現、低成本、低功耗、高性能，便於批量生產的特點。

一種基於物聯網的風力發電葉片測距雷達裝置，包含複數個用以探測方向的毫米波雷達模組、IOT通訊模組、電池模組、太陽能充電模組、IOT主機模組以及橡膠線纜。其中，所述毫米波雷達模組、IOT通訊模組、電池模組統一包裹在橡膠線纜中，太陽能充電模組設置在橡膠線纜表層，並由透明塑膠層包裹；所述IOT主機模組位於塔頂處，與風力發電組進行資訊交互，為風力發電機組的控制提供資訊。所述毫米波雷達模組通過發射和接收毫米波調頻連續波完成區域內的葉片精確測距，測距資訊將即時地通過IOT通訊模組發射到IOT主機模組，IOT主機模組將資訊匯總發送給風力發電機組，以便機組進行控制，整個設計通過IOT的低功耗設計，由太陽能電池進行供電，可以長時間、高可靠性地工作。

在其中一個實施例中，所述雷達裝置採用了複數個低成本毫米波雷達模組，通過毫米波雷達模組完成葉片測距功能。

在其中一個實施例中，所述雷達裝置和IOT通訊模組包裹在橡膠線纜中，太陽能充電模組位於橡膠線纜表層。

在其中一個實施例中，所述毫米波雷達模組可以在60GHz~77GHz的毫米波的頻段工作。

在其中一個實施例中，所述毫米波雷達模組通過發射線性調頻連續波完成測距的功能，所述毫米波雷達模組採用一發一收或多發多收等多種模式進行距離測量。

在其中一個實施例中，所述毫米波雷達模組採用片上天線的形式，其天線方向圖為單個貼片天線方向圖，其水平和俯仰覆蓋角度為正負45度，通過複數個所述毫米波雷達模組相互工作，以覆蓋360度的範圍。

在其中一個實施例中，所述毫米波雷達模組和所述IOT通訊模組都低功耗情況下工作，整個裝置通過電池供電並且通過太陽能充電。

在其中一個實施例中，位於所述線纜中的所述IOT通訊模組與位於所述塔頂的所述IOT主機模組通過無線信號即時傳輸，所述IOT主機模組綜合整個雷達的測距資訊後即時向一控制台進行距離資訊傳輸。

在其中一個實施例中，包裹所述毫米波雷達模組和所述IOT通訊模組的所述線纜為橡膠或塑膠之防水、耐腐蝕、耐磨損材料。

在其中一個實施例中，整體所述雷達裝置的安裝方式為一次性安裝而不需後期維護。

在其中一個實施例中，所述雷達裝置可以接收一控制主機的資訊，進而進入睡眠狀態以節省功耗。

在其中一個實施例中，所述毫米波雷達模組和所述IOT通訊模組之外表面的包裹形狀是以模具成型，使整個所述雷達裝置具有低成本及高可靠性。

上述本發明之基於物聯網的風力發電葉片測距雷達裝置，採用低成本的毫米波雷達和物聯網系統，毫米波雷達通過即時的發射和接收線性調頻連續波來直接測視風力發電葉片和塔柱的距離，因為直接測量時距離遠小於80米~100米的測試情況，本發明的整個雷達信號的信噪比遠高於傳統方法，可以簡化整體系統方案，並能達到優越的性能。與此同時，本發明採用IOT的方法，可以極大地降低整體成本。通過一次性安裝電池和太陽能充電裝置，可以保證本發明的基於物聯網的風力發電葉片測距系統24小時可靠地工作。所以，本發明的新式風力發電葉片測距雷達裝置具有高性能、易生產、低成本、低功耗等特點，可以廣泛應用於陸基、海基的風力發電機組。

1:塔柱

2:感測器

2-1:毫米波雷達模組

2-2:IOT通訊模組

2-3:電池模組

2-4:太陽能充電模組

2-5:橡膠纜線

3:葉片

4:IOT主機模組

5:塔台

圖1為本發明實例提供的一種基於物聯網的風力發電葉片測距雷達裝置的安 裝位置側視圖；圖2為本發明實例提供的一種基於物聯網的風力發電葉片測距雷達裝置的安裝位置前視圖；圖3為圖1中基於物聯網的風力發電葉片測距雷達裝置的感測器的結構圖；圖4為圖3中毫米波雷達模組的片上天線的一種分佈形式圖；圖5為圖4中毫米波雷達模組的片上天線的方向圖；以及圖6為圖3中毫米波雷達模組的發射波形和工作模式圖。

為了便於理解本發明，下面結合附圖和實施例對本發明作詳細說明。附圖中給出了本發明的一部分實施例，而不是全部實施例。本發明可以以許多不同的形式來實現，並不限於本文所描述的實施例。相反地，提供這些實施例的目的是使對本發明的公開內容的理解更加透徹全面。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有付出進步性心力前提下所獲得的所有其它實施例，都屬於本發明保護的範圍。

除非另有定義，本文所使用的所有技術和科學術語與屬於本發明技術領域的技術人員通常理解的含義相同。在本發明的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施例目的，不是旨在於限制本發明。本文所使用的術語「和/或」包括一個或複數個相關的所列項目的任意的和所有的組合。

《實施例》

圖1為本發明基於物聯網的風力發電葉片測距雷達裝置的安裝位置圖，圖2為本發明實例提供的一種基於物聯網的風力發電葉片測距雷達裝置的安裝位置前視圖；如圖1和圖2所示，該基於物聯網的風力發電葉片測距雷達裝置的感測器2安裝在塔柱上1，雷達裝置的IOT主機模組4安裝在塔台5上，感測器2通過毫米波雷達發射和接收線性調頻連續波信號來測試塔柱1和葉片3之間的距離，感測器2中的IOT通訊模組終端與塔台5上的IOT主機模組4進行通訊，IOT主機模組4匯總感測器2的整體資訊後，將塔柱1和葉片3之間的距離資訊發送給風力發電機組(圖中未顯示)。風力發電機組通過距離資訊進行葉片3的控制，以改變葉片3的轉速或角度。

圖3為圖1中基於物聯網的風力發電葉片測距雷達裝置的感測器2的結構圖，感測器2包含有複數個用以探測方向的毫米波雷達模組2-1，IOT通訊模組2-2，電池模組2-3，太陽能充電模組2-4以及橡膠線纜2-5。複數個用以探測方向的毫米波雷達模組2-1在60GHz~77GHz的頻段工作，可以發射和接收線性調頻連續波，通過快速的傅立葉運算，可以輸出圖1中的塔柱1和葉片3之間的距離；IOT通訊模組2-2負責和圖1中的IOT主機模組4通訊，主要為上傳距離資訊；電池模組2-3為毫米波雷達模組2-1和IOT通訊模組2-2等電子設備供電；太陽能充電模組2-4通過接收太陽能對電池模組2-3進行充電，保證整個大系統能夠長時間24小時工作。為了達到防水防雨等作用，毫米波雷達模組2-1，IOT通訊模組2-2和電池模組2-3包裹在橡膠線纜2-5內部，太陽能充電模組2-4位於橡膠線纜2-5表層並由透明材料如塑膠層包裹。

圖4為圖3中毫米波雷達模組2-1的片上天線的一種分佈形式。該雷達在一個發射與三個接收狀態下工作，所述接收可以具有水平和俯仰的解析度，在信號處理中將三個接收到的信號進行非相關處理，藉此可以調高信噪比，增加探測精度。

圖5為圖4中毫米波雷達模組的片上天線的方向圖，該片上天線可以覆蓋+/-45度的探測範圍，因此可以佈置四組感測器以完成360度的探測。此處需要說明的是，因為整體感測器成本低廉，為了探測的準確度，可以佈置多組，例如八組感測器，以完成360度的覆蓋。由於感測器的尺寸較小，而塔柱的直徑較大，因此在空餘部分可以佈置較多的電池模組2-3和太陽能充電模組2-4，以保證整體感測器模組的長時間可靠工作。

圖6為圖3中毫米波雷達模組的發射波形和工作模式，發射的線性調頻連續波在t_s的時間中掃頻了f_s的頻率，回波型號經過t_return的時間回到雷達，經過混頻器的處理，可以求的t_return為：

其中f_b為中頻頻率，進一步可以求的距離R為：

根據上述公式，通過在後端處理器中簡單的快速傅立葉運算，可以直接獲得葉片和塔柱之間的距離。由於本發明採用了直接距離測量的方案，因此系統的信噪比較高，也可以採用一個線性調頻連續波的計算得到距離資訊，演算法要求較低。

以上所述實施例的各技術特徵可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術特徵所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術特徵的組合不存在矛盾，都應當認為是本說明書記載的範圍。

以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對本發明之專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干改變和改良，這些都屬於本發明的保護範圍。因此，本發明的保護範圍應以申請專利範圍為准。

1:塔柱

2:感測器

3:葉片

4:IOT主機模組

5:塔台

Claims (10)

1. 一種基於物聯網的風力發電葉片測距雷達裝置，具有一感測器與一IOT主機模組，所述感測器包含：複數個用以探測方向的毫米波雷達模組、IOT通訊模組、電池模組、太陽能充電模組以及橡膠線纜，其中，所述毫米波雷達模組、所述IOT通訊模組和所述電池模組統一包裹在所述橡膠線纜中，所述太陽能充電模組由一透明塑膠層包裹；所述IOT主機模組設於一塔頂處，用以與一風力發電機組進行資訊交換，為所述風力發電機組的控制提供資訊，所述毫米波雷達模組通過發射和接收毫米波調頻連續波完成區域內的葉片精確測距，所得之測距資訊即時地通過所述IOT通訊模組發射到所述IOT主機模組，所述IOT主機模組將所述資訊匯總發送給所述風力發電機組，以便所述風力發電機組根據該測距資訊進行控制，以改變該葉片的轉速或角度，其中，所述毫米波雷達模組和所述IOT通訊模組之外表面的包裹形狀是以模具成型，使整個所述雷達裝置具有低成本及高可靠性。
2. 根據請求項1所述的基於物聯網的風力發電葉片測距雷達裝置，其中，採用複數個毫米波雷達模組以完成所述葉片測距功能。
3. 根據請求項1或2所述的基於物聯網的風力發電葉片測距雷達裝置，其中，所述太陽能充電模組由所述透明塑膠層包裹後位於所述橡膠線纜表層。
4. 根據請求項3所述的基於物聯網的風力發電葉片測距雷達裝置，其中，所述毫米波雷達模組在60GHz~77GHz的毫米波頻段工作。
5. 根據請求項4所述的基於物聯網的風力發電葉片測距雷達裝置，其中，所述毫米波雷達模組通過發射線性調頻連續波完成測距的功能，並且所述毫米板雷達模組採用一發一收或多發多收之模式進行距離測量。
6. 根據請求項5所述的基於物聯網的風力發電葉片測距雷達裝置，其中，所述毫米波雷達模組採用片上天線的形式，其天線方向的水平和俯 仰覆蓋角度為正負45度，通過複數個所述毫米波雷達模組相互工作，以覆蓋360度的範圍。
7. 根據請求項6所述的基於物聯網的風力發電葉片測距雷達裝置，其中，所述毫米波雷達模組和所述IOT通訊模組都在低功耗情況下工作，整個裝置通過所述電池模組供電並且通過太陽能充電。
8. 根據請求項7所述的基於物聯網的風力發電葉片測距雷達裝置，其中，位於所述橡膠線纜中的所述IOT通訊模組與位於所述塔頂的所述IOT主機模組通過無線信號即時傳輸，所述IOT主機模組綜合整個雷達的測距資訊後即時向一控制台進行距離資訊傳輸。
9. 根據請求項8所述的基於物聯網的風力發電葉片測距雷達裝置，其中，包裹所述毫米波雷達模組、所述IOT通訊模組和電池模組的所述橡膠線纜為防水、耐腐蝕、耐磨損材料。
10. 根據請求項9所述的基於物聯網的風力發電葉片測距雷達裝置，其中，所述雷達裝置可以接收一控制主機的資訊，進而進入睡眠狀態以節省功耗。

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