專利名稱：一種基于動能電池的風(fēng)電葉片無線振動監(jiān)測裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風(fēng)電技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于動能電池的風(fēng)電葉片無線振動監(jiān)測裝置及方法。
背景技術(shù)：
風(fēng)電機組是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的大型電力設(shè)備。葉片是捕獲風(fēng)能的主要部件，在運行過程中要承受很大范圍的載荷波動。在風(fēng)電機組的長期運行中，葉片可能會受結(jié)冰、風(fēng)沙或自身材料性能的變化影響，造成捕風(fēng)能力下降、功率損失，更可能出現(xiàn)葉片斷裂，造成巨大的經(jīng)濟損失。通過監(jiān)測葉片的振動狀態(tài)，可以評估葉片的工作特性，探測到葉片的材料損傷或結(jié)冰狀況。目前，對風(fēng)電葉片進行振動測試局限于葉片內(nèi)部空間限制以及旋轉(zhuǎn)工況下的信號傳輸。一般利用激光測振技術(shù)進行測試，該方法要求風(fēng)力機停機，激光測振儀放置在塔筒周圍一定距離內(nèi)，確定好激光束仰角，將激光束陣列投射在葉片上，然后記錄葉片振動時反射的激光信號，通過電腦分析計算，得到葉片的振動響應(yīng)即模態(tài)參數(shù)。還有的方法是在葉片表面粘貼太陽能供電的無線傳感器，將振動信號傳輸?shù)綑C艙內(nèi)部的接收單元進行處理。上述兩種方法雖然能夠較準(zhǔn)確地測量葉片模態(tài)參數(shù)，但都存在一定缺陷。前者需要對風(fēng)機進行停機，只能定期對葉片進行監(jiān)測，不能起到探測損傷的作用；而后者受限于太陽能電池板的壽命，且其裸露在外，風(fēng)沙磨損會使傳感器加速老化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種可自行供電、并實時探測風(fēng)電葉片損傷的風(fēng)電葉片無線振動監(jiān)測裝置。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:一種基于動能電池的風(fēng)電葉片無線振動監(jiān)測裝置，包括:位于風(fēng)力發(fā)電機組葉片內(nèi)的傳感器節(jié)點和位于機艙內(nèi)部的協(xié)調(diào)器；其中，所述傳感器節(jié)點通過無線通信與所述協(xié)調(diào)器連接，根據(jù)協(xié)調(diào)器的控制信號進行葉片振動信號采集，并將振動信號發(fā)送給協(xié)調(diào)器進行處理，所述傳感器節(jié)點包括具有自供電功能的動能電池模塊。進一步地，所述傳感器節(jié)點布置在近葉尖處的葉片內(nèi)腔的腹板上。進一步地，所述動能電池模塊包括:動能采集裝置，包括固定在兩個方向上的定子線圈、彈簧和磁性塊，所述磁性塊通過彈簧連接在定子線圈內(nèi)部，通過所述磁性塊隨風(fēng)電葉片旋轉(zhuǎn)或振動時的往復(fù)運動將動能轉(zhuǎn)化為電能；整流電路，與所述動能采集裝置連接，用于將動能采集裝置轉(zhuǎn)化的電能轉(zhuǎn)換為直流電能；鋰電池，與所述整流電流連接，用于儲存直流電能；以及保護電路，與所述動能采集裝置和鋰電池連接，用于監(jiān)視充、放電過程。進一步地，所述傳感器節(jié)點還包括:傳感器、單片機及無線通信模塊；所述傳感器，由動能電池模 塊供電，并由單片機控制采集風(fēng)電葉片的振動信號；單片機，由動能電池模塊供電，通過無線通訊模塊接收來自協(xié)調(diào)器的控制信號，并將從傳感器采集到的振動信號發(fā)送至協(xié)調(diào)器。進一步地，在所述傳感器及單片機之間還設(shè)置有信號調(diào)理電路，用于對風(fēng)電葉片的振動信號進行整形、濾波。進一步地，所述傳感器為3軸加速度傳感器，所述3軸加速度傳感器的Y軸指向輪轂，X軸與風(fēng)電葉片法線方向平行。進一步地，所述3軸加速度傳感器為電容式傳感器。進一步地，所述協(xié)調(diào)器包括:單片機，用于通過無線通信發(fā)送采集控制信號給所述傳感器節(jié)點，并接收所述傳感器節(jié)點發(fā)送的振動信號，進行存儲、計算和處理；和無線通信模塊，用于實現(xiàn)無線通信。進一步地，所述協(xié)調(diào)器上還擴展有GPRS遠程無線通信模塊。進一步地，所述無線通信模塊滿足2.4GHz頻段短距離無線通信協(xié)議。進一步地，所述無線通信模塊還連接有功率放大器。本發(fā)明的另一個目的是提供一種使用上述基于動能電池的風(fēng)電葉片無線振動監(jiān)測裝置的監(jiān)測方法，采用如下技術(shù)方案:當(dāng)風(fēng)電葉片運動時，所述傳感器節(jié)點的動能電池模塊不斷積累電能，具有無線通信功能的無線通信模塊以低功耗的模式監(jiān)聽命令，傳感器節(jié)點的其他部分處于休眠模式；設(shè)定所述協(xié)調(diào)器間隔數(shù)小時向傳感器節(jié)點發(fā)送一次啟動指令，此時傳感器節(jié)點啟動，根據(jù)設(shè)定的采樣頻率和采樣長度采集信號并無線發(fā)送到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器對接收到的信號進行處理和計算，得到葉片的振動數(shù)據(jù)。由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明至少具有以下優(yōu)點:(1)由于采用動能電池技術(shù)進行供電，將葉片旋轉(zhuǎn)、振動時產(chǎn)生的動能轉(zhuǎn)化為傳感器節(jié)點工作所需的電能，傳感器節(jié)點不需要外接電源線，解決了傳感器節(jié)點供電的難題。(2)由于采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對葉片振動的監(jiān)測，避免了旋轉(zhuǎn)機械信號有線傳輸?shù)母蓴_。(3)由于傳感器節(jié)點安裝在葉片內(nèi)部，不破壞葉片表面，受環(huán)境干擾小，可以免維護長期使用。(4)由于采用3軸電容式加速度傳感器采集葉片振動，可以實現(xiàn)同時采集多個方向的低頻振動。(5)由于大部分時間傳感器節(jié)點處于待機狀態(tài)，只有得到采樣命令時才進入工作模式，這種工作模式低功耗、使用壽命長。


上述僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，以下結(jié)合附圖與具體實施方式
對本發(fā)明作進一步的詳細說明。圖1是本發(fā)明的一種基于動能電池的風(fēng)電葉片無線振動監(jiān)測裝置整體布置示意圖。圖2A、圖2B分別是葉片處于水平和側(cè)立時傳感器節(jié)點的布置示意圖。圖3是傳感器節(jié)點示意圖。圖4是動能電池模塊示意圖。圖5是協(xié)調(diào)器示意圖。
具體實施例方式請參閱圖1所示，本發(fā)明公開了一種基于動能電池的風(fēng)電葉片無線振動監(jiān)測裝置，包括傳感器節(jié)點2和協(xié)調(diào)器1，可以根據(jù)實際情況由多個傳感器節(jié)點2和一個協(xié)調(diào)器I組成。其中，傳感器節(jié)點2位于風(fēng)力發(fā)電機組葉片內(nèi)，優(yōu)選布置在近葉尖處的葉片內(nèi)腔的腹板上，在葉片制造之前進行安裝。協(xié)調(diào)器I安裝在機艙內(nèi)部，由機艙控制柜內(nèi)的直流電源供電，與各傳感器節(jié)點2之間無線通信。請配合參閱圖3、4，傳感器節(jié)點包括具有自供電功能的動能電池模塊、傳感器、單片機以及無線通信模塊。傳感器由動能電池模塊供電，并由單片機控制采集風(fēng)電葉片的振動信號；單片機由動能電池模塊供電，通過無線通訊模塊接收來自協(xié)調(diào)器的控制信號，并將從傳感器采集 到的振動信號發(fā)送至協(xié)調(diào)器。其中，動能電池模塊包括:動能采集裝置，包括固定在兩個方向上的定子線圈2、彈簧3和磁性塊1，所述磁性塊I通過彈簧3連接在定子線圈2內(nèi)部，通過磁性塊I隨風(fēng)電葉片旋轉(zhuǎn)或振動時的往復(fù)運動將動能轉(zhuǎn)化為電能；整流電路，與所述動能采集裝置連接，用于將動能采集裝置轉(zhuǎn)化的電能轉(zhuǎn)換為直流電能(AC-DCR換)；鋰電池，與所述整流電流連接，用于儲存直流電能；以及保護電路，與所述動能采集裝置和鋰電池連接，用于監(jiān)視充、放電過程。當(dāng)傳感器節(jié)點隨風(fēng)機葉片擺動或振動時，兩個磁性塊I開始產(chǎn)生位移，彈簧3將其動能轉(zhuǎn)化為勢能，帶動磁性塊I在定子線圈2內(nèi)部做往復(fù)運動，定子線圈2產(chǎn)生的交變電流不斷被整流電路轉(zhuǎn)為直流電并輸入鋰電池，從而實現(xiàn)自供電，如圖3中所示，動能電池模塊為傳感器和單片機供電，供電電壓分別為5V和3.3V。傳感器可以為3軸加速度傳感器，如圖2A、2B中所示，傳感器Y軸指向輪轂，X軸與風(fēng)電葉片法線方向平行。進一步地，3軸加速度傳感器為電容式傳感器，可集成在一個芯片內(nèi)部，通過電氣連接與相關(guān)電路板融為一體。在傳感器及單片機之間還設(shè)置有信號調(diào)理電路，傳感器將3個方向的加速度轉(zhuǎn)化為電壓信號，再通過信號調(diào)理電路進行整形、濾波后，通過無線通信由單片機進行采樣。單片機內(nèi)置了 AD轉(zhuǎn)換模塊，接收到采樣指令后根據(jù)采樣頻率和采樣長度對3路模擬信號進行采樣，采樣完成后將數(shù)據(jù)打包，利用無線通信模塊實現(xiàn)無線通信。請配合參閱圖5，協(xié)調(diào)器電路采用與傳感器節(jié)點相同的單片機作為核心單元，用于采集控制信號并通過無線通信發(fā)送給傳感器節(jié)點，并接收所述傳感器節(jié)點發(fā)送的振動信號，進行存儲、計算和處理?？蓪⒆儤刂乒褚龅?4V直流電源轉(zhuǎn)化為3.3V為單片機供電；可利用串口通訊模塊實現(xiàn)與風(fēng)機主控通信。單片機將傳感器節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)寫入SD卡儲，協(xié)調(diào)器上還可以配置GPRS模塊定期啟動，將SD卡中的數(shù)據(jù)遠程傳輸?shù)椒治鼋K端。傳感器節(jié)點和協(xié)調(diào)器的無線通信模塊相同，設(shè)置為滿足2.4GHz頻段低功耗短距離無線通信協(xié)議的程序，能實現(xiàn)150米以內(nèi)的有效數(shù)據(jù)傳輸。此外均可以連接功率放大器，以保證傳感器節(jié)點與協(xié)調(diào)器之間的有效通信。當(dāng)風(fēng)電機組正常運轉(zhuǎn)時，傳感器節(jié)點隨葉片一同擺動和振動，動能電池內(nèi)部的磁性塊將動能轉(zhuǎn)化為電能儲存，為傳感器和無線通信模塊供電，協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)傳感器節(jié)點的工作并接收三個葉片內(nèi)傳感器節(jié)點發(fā)來的信號，進行處理和計算，得到葉片的振動數(shù)據(jù)。本發(fā)明采用低功耗的工業(yè)短距離無線通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。大部分時候，傳感器節(jié)點的動能電池不斷積累電能，傳感器及單片機處于休眠模式，無線通信模塊以低功耗的模式監(jiān)聽命令。設(shè)定協(xié)調(diào)器間隔數(shù)小時向各傳感器節(jié)點發(fā)送一次啟動指令。此時傳感器節(jié)點啟動，單片機根據(jù)設(shè)定的采樣頻率和采樣長度采集3軸加速度傳感器的電壓信號，采集完成后將其以數(shù)據(jù)包的方式無線發(fā)送到協(xié)調(diào)器，隨后傳感器及單片機繼續(xù)進入休眠模式，動能電池繼續(xù)蓄積電量。
以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，本領(lǐng)域技術(shù)人員利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容做出些許簡單修改、等同變化或修飾，均落在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于動能電池的風(fēng)電葉片無線振動監(jiān)測裝置，其特征在于，包括:位于風(fēng)力發(fā)電機組葉片內(nèi)的傳感器節(jié)點和位于機艙內(nèi)部的協(xié)調(diào)器；其中，所述傳感器節(jié)點通過無線通信與所述協(xié)調(diào)器連接，根據(jù)協(xié)調(diào)器的控制信號進行葉片振動信號采集，并將振動信號發(fā)送給協(xié)調(diào)器進行處理，所述傳感器節(jié)點包括具有自供電功能的動能電池模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于動能電池的風(fēng)電葉片無線振動監(jiān)測裝置，其特征在于，所述傳感器節(jié)點布置在近葉尖處的葉片內(nèi)腔的腹板上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于動能電池的風(fēng)電葉片無線振動監(jiān)測裝置，其特征在于，所述動能電池模塊包括: 動能采集裝置，包括固定在兩個方向上的定子線圈、彈簧和磁性塊，所述磁性塊通過彈簧連接在定子線圈內(nèi)部，通過所述磁性塊隨風(fēng)電葉片旋轉(zhuǎn)或振動時的往復(fù)運動將動能轉(zhuǎn)化為電能； 整流電路，與所述動能采集裝置連接，用于將動能采集裝置轉(zhuǎn)化的電能轉(zhuǎn)換為直流電倉泛; 鋰電池，與所述整流電流連接，用于儲存直流電能； 以及保護電路，與所述動能采集裝置和鋰電池連接，用于監(jiān)視充、放電過程。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于動能電池的風(fēng)電葉片無線振動監(jiān)測裝置，其特征在于，所述傳感器節(jié)點還包括:傳感器、單片機及無線通信模塊； 所述傳感器，由動能電池模塊供電，并由單片機控制采集風(fēng)電葉片的振動信號； 單片機，由動能電池模塊供電，通過無線通訊模塊接收來自協(xié)調(diào)器的控制信號，并將從傳感器采集到的振動信號發(fā)送至協(xié)調(diào)器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于動能電池的風(fēng)電葉片無線振動監(jiān)測裝置，其特征在于，在所述傳感器及單片機之間還設(shè)置有信號調(diào)理電路，用于對風(fēng)電葉片的振動信號進行整形、濾波。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于動能電池的風(fēng)電葉片無線振動監(jiān)測裝置，其特征在于，所述傳感器為3軸加速度傳感器，所述3軸加速度傳感器的Y軸指向輪轂，X軸與風(fēng)電葉片法線方向平行。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于動能電池的風(fēng)電葉片無線振動監(jiān)測裝置，其特征在于，所述3軸加速度傳感器為電容式傳感器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于動能電池的風(fēng)電葉片無線振動監(jiān)測裝置，其特征在于，所述協(xié)調(diào)器包括: 單片機，用于通過無線通信發(fā)送采集控制信號給所述傳感器節(jié)點，并接收所述傳感器節(jié)點發(fā)送的振動信號，進行存儲、計算和處理； 和無線通信模塊，用于實現(xiàn)無線通信。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于動能電池的風(fēng)電葉片無線振動監(jiān)測裝置，其特征在于，所述協(xié)調(diào)器上還擴展有GPRS遠程無線通信模塊。
10.根據(jù)權(quán)利要求4或8所述的基于動能電池的風(fēng)電葉片無線振動監(jiān)測裝置，其特征在于，所述無線通信模塊滿足2.4GHz頻段短距離無線通信協(xié)議。
11.根據(jù)權(quán)利要求4或8所述的基于動能電池的風(fēng)電葉片無線振動監(jiān)測裝置，其特征在于，所述無線通信模塊還連接 有功率放大器。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-11任一項所述的基于動能電池的風(fēng)電葉片無線振動監(jiān)測裝置的監(jiān)測方法，其特征在于，當(dāng)風(fēng)電葉片運動時，所述傳感器節(jié)點的動能電池模塊不斷積累電能，具有無線通信功能的無線通信模塊以低功耗的模式監(jiān)聽命令，傳感器節(jié)點的其他部分處于休眠模式；設(shè)定所述協(xié)調(diào)器間隔數(shù)小時向傳感器節(jié)點發(fā)送一次啟動指令，此時傳感器節(jié)點啟動，根據(jù)設(shè)定的采樣頻率和采樣長度采集信號并無線發(fā)送到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器對接收到的信號進行 處理和計算，得到葉片的振動數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于動能電池的風(fēng)電葉片無線振動監(jiān)測裝置，包括位于風(fēng)力發(fā)電機組葉片內(nèi)的傳感器節(jié)點和位于機艙內(nèi)部的協(xié)調(diào)器；其中，所述傳感器節(jié)點通過無線通信與所述協(xié)調(diào)器連接，根據(jù)協(xié)調(diào)器的控制信號進行葉片振動信號采集，并將振動信號發(fā)送給協(xié)調(diào)器進行處理，所述傳感器節(jié)點包括具有自供電功能的動能電池模塊。本發(fā)明還公開了上述風(fēng)電葉片無線振動監(jiān)測裝置的監(jiān)測方法。本發(fā)明采用動能電池模塊進行自供電，傳感器節(jié)點不需要外接電源線，解決了供電的難題；同時采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對葉片振動的監(jiān)測，避免了旋轉(zhuǎn)機械信號有線傳輸?shù)母蓴_；此外，傳感器節(jié)點安裝在葉片內(nèi)部，不破壞葉片表面，受環(huán)境干擾小，可以免維護長期使用。
文檔編號G01H11/06GK103234621SQ20131013646
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月19日
發(fā)明者于遲, 王千, 董禮 申請人:國電聯(lián)合動力技術(shù)有限公司