专利名称：一种基于动能电池的风电叶片无线振动监测装置及方法
技术领域：
本发明涉及风电技术领域，特别是涉及一种基于动能电池的风电叶片无线振动监测装置及方法。
背景技术：
风电机组是将风能转化为电能的大型电力设备。叶片是捕获风能的主要部件，在运行过程中要承受很大范围的载荷波动。在风电机组的长期运行中，叶片可能会受结冰、风沙或自身材料性能的变化影响，造成捕风能力下降、功率损失，更可能出现叶片断裂，造成巨大的经济损失。通过监测叶片的振动状态，可以评估叶片的工作特性，探测到叶片的材料损伤或结冰状况。目前，对风电叶片进行振动测试局限于叶片内部空间限制以及旋转工况下的信号传输。一般利用激光测振技术进行测试，该方法要求风力机停机，激光测振仪放置在塔筒周围一定距离内，确定好激光束仰角，将激光束阵列投射在叶片上，然后记录叶片振动时反射的激光信号，通过电脑分析计算，得到叶片的振动响应即模态参数。还有的方法是在叶片表面粘贴太阳能供电的无线传感器，将振动信号传输到机舱内部的接收单元进行处理。上述两种方法虽然能够较准确地测量叶片模态参数，但都存在一定缺陷。前者需要对风机进行停机，只能定期对叶片进行监测，不能起到探测损伤的作用；而后者受限于太阳能电池板的寿命，且其裸露在外，风沙磨损会使传感器加速老化。
发明内容
本发明的目的是提供一种可自行供电、并实时探测风电叶片损伤的风电叶片无线振动监测装置。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:一种基于动能电池的风电叶片无线振动监测装置，包括:位于风力发电机组叶片内的传感器节点和位于机舱内部的协调器；其中，所述传感器节点通过无线通信与所述协调器连接，根据协调器的控制信号进行叶片振动信号采集，并将振动信号发送给协调器进行处理，所述传感器节点包括具有自供电功能的动能电池模块。进一步地，所述传感器节点布置在近叶尖处的叶片内腔的腹板上。进一步地，所述动能电池模块包括:动能采集装置，包括固定在两个方向上的定子线圈、弹簧和磁性块，所述磁性块通过弹簧连接在定子线圈内部，通过所述磁性块随风电叶片旋转或振动时的往复运动将动能转化为电能；整流电路，与所述动能采集装置连接，用于将动能采集装置转化的电能转换为直流电能；锂电池，与所述整流电流连接，用于储存直流电能；以及保护电路，与所述动能采集装置和锂电池连接，用于监视充、放电过程。进一步地，所述传感器节点还包括:传感器、单片机及无线通信模块；所述传感器，由动能电池模 块供电，并由单片机控制采集风电叶片的振动信号；单片机，由动能电池模块供电，通过无线通讯模块接收来自协调器的控制信号，并将从传感器采集到的振动信号发送至协调器。进一步地，在所述传感器及单片机之间还设置有信号调理电路，用于对风电叶片的振动信号进行整形、滤波。进一步地，所述传感器为3轴加速度传感器，所述3轴加速度传感器的Y轴指向轮毂，X轴与风电叶片法线方向平行。进一步地，所述3轴加速度传感器为电容式传感器。进一步地，所述协调器包括:单片机，用于通过无线通信发送采集控制信号给所述传感器节点，并接收所述传感器节点发送的振动信号，进行存储、计算和处理；和无线通信模块，用于实现无线通信。进一步地，所述协调器上还扩展有GPRS远程无线通信模块。进一步地，所述无线通信模块满足2.4GHz频段短距离无线通信协议。进一步地，所述无线通信模块还连接有功率放大器。本发明的另一个目的是提供一种使用上述基于动能电池的风电叶片无线振动监测装置的监测方法，采用如下技术方案:当风电叶片运动时，所述传感器节点的动能电池模块不断积累电能，具有无线通信功能的无线通信模块以低功耗的模式监听命令，传感器节点的其他部分处于休眠模式；设定所述协调器间隔数小时向传感器节点发送一次启动指令，此时传感器节点启动，根据设定的采样频率和采样长度采集信号并无线发送到协调器，协调器对接收到的信号进行处理和计算，得到叶片的振动数据。由于采用上述技术方案，本发明至少具有以下优点:(1)由于采用动能电池技术进行供电，将叶片旋转、振动时产生的动能转化为传感器节点工作所需的电能，传感器节点不需要外接电源线，解决了传感器节点供电的难题。(2)由于采用无线传感器网络实现对叶片振动的监测，避免了旋转机械信号有线传输的干扰。(3)由于传感器节点安装在叶片内部，不破坏叶片表面，受环境干扰小，可以免维护长期使用。(4)由于采用3轴电容式加速度传感器采集叶片振动，可以实现同时采集多个方向的低频振动。(5)由于大部分时间传感器节点处于待机状态，只有得到采样命令时才进入工作模式，这种工作模式低功耗、使用寿命长。
上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式
对本发明作进一步的详细说明。图1是本发明的一种基于动能电池的风电叶片无线振动监测装置整体布置示意图。图2A、图2B分别是叶片处于水平和侧立时传感器节点的布置示意图。图3是传感器节点示意图。图4是动能电池模块示意图。图5是协调器示意图。
具体实施例方式请参阅图1所示，本发明公开了一种基于动能电池的风电叶片无线振动监测装置，包括传感器节点2和协调器1，可以根据实际情况由多个传感器节点2和一个协调器I组成。其中，传感器节点2位于风力发电机组叶片内，优选布置在近叶尖处的叶片内腔的腹板上，在叶片制造之前进行安装。协调器I安装在机舱内部，由机舱控制柜内的直流电源供电，与各传感器节点2之间无线通信。请配合参阅图3、4，传感器节点包括具有自供电功能的动能电池模块、传感器、单片机以及无线通信模块。传感器由动能电池模块供电，并由单片机控制采集风电叶片的振动信号；单片机由动能电池模块供电，通过无线通讯模块接收来自协调器的控制信号，并将从传感器采集 到的振动信号发送至协调器。其中，动能电池模块包括:动能采集装置，包括固定在两个方向上的定子线圈2、弹簧3和磁性块1，所述磁性块I通过弹簧3连接在定子线圈2内部，通过磁性块I随风电叶片旋转或振动时的往复运动将动能转化为电能；整流电路，与所述动能采集装置连接，用于将动能采集装置转化的电能转换为直流电能(AC-DCR换)；锂电池，与所述整流电流连接，用于储存直流电能；以及保护电路，与所述动能采集装置和锂电池连接，用于监视充、放电过程。当传感器节点随风机叶片摆动或振动时，两个磁性块I开始产生位移，弹簧3将其动能转化为势能，带动磁性块I在定子线圈2内部做往复运动，定子线圈2产生的交变电流不断被整流电路转为直流电并输入锂电池，从而实现自供电，如图3中所示，动能电池模块为传感器和单片机供电，供电电压分别为5V和3.3V。传感器可以为3轴加速度传感器，如图2A、2B中所示，传感器Y轴指向轮毂，X轴与风电叶片法线方向平行。进一步地，3轴加速度传感器为电容式传感器，可集成在一个芯片内部，通过电气连接与相关电路板融为一体。在传感器及单片机之间还设置有信号调理电路，传感器将3个方向的加速度转化为电压信号，再通过信号调理电路进行整形、滤波后，通过无线通信由单片机进行采样。单片机内置了 AD转换模块，接收到采样指令后根据采样频率和采样长度对3路模拟信号进行采样，采样完成后将数据打包，利用无线通信模块实现无线通信。请配合参阅图5，协调器电路采用与传感器节点相同的单片机作为核心单元，用于采集控制信号并通过无线通信发送给传感器节点，并接收所述传感器节点发送的振动信号，进行存储、计算和处理。可将变桨控制柜引出的24V直流电源转化为3.3V为单片机供电；可利用串口通讯模块实现与风机主控通信。单片机将传感器节点传来的数据写入SD卡储，协调器上还可以配置GPRS模块定期启动，将SD卡中的数据远程传输到分析终端。传感器节点和协调器的无线通信模块相同，设置为满足2.4GHz频段低功耗短距离无线通信协议的程序，能实现150米以内的有效数据传输。此外均可以连接功率放大器，以保证传感器节点与协调器之间的有效通信。当风电机组正常运转时，传感器节点随叶片一同摆动和振动，动能电池内部的磁性块将动能转化为电能储存，为传感器和无线通信模块供电，协调器协调传感器节点的工作并接收三个叶片内传感器节点发来的信号，进行处理和计算，得到叶片的振动数据。本发明采用低功耗的工业短距离无线通信协议进行数据传输。大部分时候，传感器节点的动能电池不断积累电能，传感器及单片机处于休眠模式，无线通信模块以低功耗的模式监听命令。设定协调器间隔数小时向各传感器节点发送一次启动指令。此时传感器节点启动，单片机根据设定的采样频率和采样长度采集3轴加速度传感器的电压信号，采集完成后将其以数据包的方式无线发送到协调器，随后传感器及单片机继续进入休眠模式，动能电池继续蓄积电量。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种基于动能电池的风电叶片无线振动监测装置，其特征在于，包括:位于风力发电机组叶片内的传感器节点和位于机舱内部的协调器；其中，所述传感器节点通过无线通信与所述协调器连接，根据协调器的控制信号进行叶片振动信号采集，并将振动信号发送给协调器进行处理，所述传感器节点包括具有自供电功能的动能电池模块。
2.根据权利要求1所述的基于动能电池的风电叶片无线振动监测装置，其特征在于，所述传感器节点布置在近叶尖处的叶片内腔的腹板上。
3.根据权利要求1所述的基于动能电池的风电叶片无线振动监测装置，其特征在于，所述动能电池模块包括: 动能采集装置，包括固定在两个方向上的定子线圈、弹簧和磁性块，所述磁性块通过弹簧连接在定子线圈内部，通过所述磁性块随风电叶片旋转或振动时的往复运动将动能转化为电能； 整流电路，与所述动能采集装置连接，用于将动能采集装置转化的电能转换为直流电倉泛; 锂电池，与所述整流电流连接，用于储存直流电能； 以及保护电路，与所述动能采集装置和锂电池连接，用于监视充、放电过程。
4.根据权利要求1所述的基于动能电池的风电叶片无线振动监测装置，其特征在于，所述传感器节点还包括:传感器、单片机及无线通信模块； 所述传感器，由动能电池模块供电，并由单片机控制采集风电叶片的振动信号； 单片机，由动能电池模块供电，通过无线通讯模块接收来自协调器的控制信号，并将从传感器采集到的振动信号发送至协调器。
5.根据权利要求4所述的基于动能电池的风电叶片无线振动监测装置，其特征在于，在所述传感器及单片机之间还设置有信号调理电路，用于对风电叶片的振动信号进行整形、滤波。
6.根据权利要求4所述的基于动能电池的风电叶片无线振动监测装置，其特征在于，所述传感器为3轴加速度传感器，所述3轴加速度传感器的Y轴指向轮毂，X轴与风电叶片法线方向平行。
7.根据权利要求6所述的基于动能电池的风电叶片无线振动监测装置，其特征在于，所述3轴加速度传感器为电容式传感器。
8.根据权利要求1所述的基于动能电池的风电叶片无线振动监测装置，其特征在于，所述协调器包括: 单片机，用于通过无线通信发送采集控制信号给所述传感器节点，并接收所述传感器节点发送的振动信号，进行存储、计算和处理； 和无线通信模块，用于实现无线通信。
9.根据权利要求8所述的基于动能电池的风电叶片无线振动监测装置，其特征在于，所述协调器上还扩展有GPRS远程无线通信模块。
10.根据权利要求4或8所述的基于动能电池的风电叶片无线振动监测装置，其特征在于，所述无线通信模块满足2.4GHz频段短距离无线通信协议。
11.根据权利要求4或8所述的基于动能电池的风电叶片无线振动监测装置，其特征在于，所述无线通信模块还连接 有功率放大器。
12.根据权利要求1-11任一项所述的基于动能电池的风电叶片无线振动监测装置的监测方法，其特征在于，当风电叶片运动时，所述传感器节点的动能电池模块不断积累电能，具有无线通信功能的无线通信模块以低功耗的模式监听命令，传感器节点的其他部分处于休眠模式；设定所述协调器间隔数小时向传感器节点发送一次启动指令，此时传感器节点启动，根据设定的采样频率和采样长度采集信号并无线发送到协调器，协调器对接收到的信号进行 处理和计算，得到叶片的振动数据。
全文摘要
本发明公开了一种基于动能电池的风电叶片无线振动监测装置，包括位于风力发电机组叶片内的传感器节点和位于机舱内部的协调器；其中，所述传感器节点通过无线通信与所述协调器连接，根据协调器的控制信号进行叶片振动信号采集，并将振动信号发送给协调器进行处理，所述传感器节点包括具有自供电功能的动能电池模块。本发明还公开了上述风电叶片无线振动监测装置的监测方法。本发明采用动能电池模块进行自供电，传感器节点不需要外接电源线，解决了供电的难题；同时采用无线传感器网络实现对叶片振动的监测，避免了旋转机械信号有线传输的干扰；此外，传感器节点安装在叶片内部，不破坏叶片表面，受环境干扰小，可以免维护长期使用。
文档编号G01H11/06GK103234621SQ20131013646
公开日2013年8月7日 申请日期2013年4月19日 优先权日2013年4月19日
发明者于迟, 王千, 董礼 申请人:国电联合动力技术有限公司