一种在线监测风机结冰特性及除冰涂层性能的装置和方法与流程

本发明属于风力发电机的叶片防除冰领域，尤其是涉及一种在线监测风机结冰特性及除冰涂层性能的装置和方法。

背景技术：

1、自石油危机以来，在常规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下，风能作为一种可再生、无污染、储量大、分布广的清洁能源，越来越受国内外的青睐。随着风力发电行业在国内外的快速发展，风力机的装机容量骤增，为解决能源短缺问题提供了一种极为有效的解决方案。而随着低温湿润地区风力机装机容量的增加，风力机叶片表面发生了结冰问题，使得风力机塔架和叶片增加了载荷，降低了风力机输出功率，破坏了风力机叶片的动态平衡，导致风力机结构发生损坏或发生故障，产生了经济损失，增加了风电场周围的安全隐患。现有的风力机防除冰方法主要分为主动除冰和被动除冰两类，主动除冰主要包括电加热除冰、热气除冰、微波除冰等，但这些方法存在能耗高、成本高等缺点；被动除冰主要包括疏水涂层法、吸热涂料法、化学溶剂法等，主要是通过降低雨水与叶片的接触面积和结冰的黏附力而达到防除冰的目的，其中除冰涂层法是目前风力机防除冰技术的重要研究方向，例如申请人于2022年3月22日公布的“一种应用于旋转风力机叶片除冰的涂层及其制作方法”，申请公布号cn114213972a。

2、除冰涂层法是一种较理想的防除冰方法，具有能耗小、成本低、易于实施、防冰性能好、作用时间长、容易维护、污染小等诸多优点，应用前景广阔。然而目前缺少特别有效且实用的装置对风机叶片结冰特性、除冰涂层的防除冰性能进行监测，以优化除冰涂层或开发除冰技术。因此，研究一种在线监测风机结冰特性及除冰涂层性能的装置及方法，对解决风力机结冰问题具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种在线监测风机结冰特性及除冰涂层性能的装置和方法，用于风力机叶片结冰特性的研究和除冰涂层的除冰性能的检测，亦可用于研究除冰涂层的老化寿命。

2、本发明实施例解决上述问题所采用的技术方案是：一种在线监测风机结冰特性及除冰涂层性能的装置，其特征在于：所述装置包括风力机支架、可调转速驱动模块、风力机叶片、风力机尾翼、叶片振动监测模块、叶片可视化模块、气象参数采集模块、空气压缩机、流量调节阀、控制系统、控制信号和数据采集信号，其中

3、风力机支架，为内部中空结构，其上方顶端设置有可调转速驱动模块，可调转速驱动模块的前端设置有风力机叶片，风力机支架用于支撑所述风力机叶片和可调转速驱动模块；

4、可调转速驱动模块，包括高速电机、联轴器和减速机，用于驱动风力机叶片以不同转速旋转，其中高速电机由控制系统通过减速机控制转速；

5、风力机叶片，包括第一叶片、第二叶片和第三叶片，所述第一叶片上涂覆有除冰涂层一，第二叶片上涂覆有除冰涂层二，第三叶片上无涂层；

6、风力机尾翼，设置于可调转速驱动模块的后端，用于使风力机叶片正对风向，根据风向变化对风力机转向进行自动修正；

7、叶片振动监测模块，设置于风力机叶片的内部，用于监测每个叶片的振动信号，根据振动频率和幅度反演计算叶片上的结冰量，同时监测结冰对风力机安全运行的影响；

8、叶片可视化模块，设置于风力机支架的侧壁上并与控制系统电性连接，用于连续观测叶片上除冰涂层的形态，判断除冰涂层的寿命或记录结冰气象条件下叶片上的结冰情况，从而分析有/无除冰涂层下叶片的结冰特征及除冰涂层的除冰过程；

9、气象参数采集模块，与控制系统电性连接，包括风速传感器、温度传感器、湿度传感器、气压传感器和支架，用于连续记录试验期间气象条件参数；

10、空气压缩机，与控制系统电性连接，用于为叶片可视化模块提供高压气源；

11、流量调节阀，设置于空气压缩机的前端，用于调节压缩空气的流量，避免叶片可视化模块的光学窗口结冰；

12、控制系统，用于发出控制信号和接收数据采集信号，包括控制叶片的转速，记录气象条件参数、叶片可视化模块的数据及叶片振动监测模块的数据，形成不同气象条件下结冰形态及结冰量与叶片振动信号相关性的模型。

13、为了精确控制叶片的转速，优选的，可调转速驱动模块中高速电机可通过控制系统通过减速机控制转速，减速机的速比大于100，风速5～20m/s工况下叶片转速可通过高速电机主动控制。由于叶片为实际风力机叶片，在高风速下若无制动装置会失速，因此设计高速比的减速机，配合高速电机，放大电机的扭矩，控制叶片的转速和启停。

14、为了最大程度的利用风力机叶片开展试验，在其中的两个叶片前缘涂覆了不同配方的除冰涂层，另一个为无涂层的对照叶片。

15、为了得到每个叶片振动信号，所述叶片振动监测模块包括第一振动传感器、第二振动传感器、第三振动传感器、振动信号传输线、振动信号采集器、振动信号存储器、移动电源和保温防护罩；为了便于监测到风力机叶片的振动信号，在叶片振动监测模块中每一个振动传感器分别对应一个风力机的叶片，三个振动传感器安装在距叶片叶尖三分之一至五分之一处，随叶片一起旋转；为了本装置安全运行和便于振动信号的采集(第一振动传感器、第二振动传感器、第三振动传感器和叶片一起旋转)，振动信号采集器、数据储存器、移动电源和保温罩固定在风力机中心，随叶片一起旋转，振动信号采集器将来自第一振动传感器、第二振动传感器、第三振动传感器的振动信号保存在数据储存器中，或通过无线发射模块传输到控制系统。由于对随叶片旋转的第一振动传感器、第二振动传感器、第三振动传感器和振动信号采集器直接供电较难，因此本发明采用移动电源为第一振动传感器、第二振动传感器、第三振动传感器和振动信号采集器供电。由于风力机运行时低温天气较多，为了保证振动信号采集器、数据储存器和移动电源在低温下持续运行，在振动监测模块周围安装了保温防护罩。

16、优选的，所述叶片可视化模块包括相机、脉冲光源、信号探测器和信号发生器，所述相机位于叶片可视化模块的最前端，且相机与脉冲光源、信号探测器齐平布置，所述信号发生器位于相机的后方并接收信号探测器发出的信号，同时信号发生器发出触发信号给相机和脉冲光源，由脉冲光源发光时相机记录被照亮叶片的图像。为了得到叶片上涂层或结冰的可视化图像，所述结冰可视化模块安装在距风力机支架顶端1/2～1/3位置处。

17、为了有利于拍摄到完整叶片，所述叶片可视化模块分为若干组，相机聚焦于最先结冰的叶片前缘，通过多组布置拼接记录整个叶片前缘图像或前缘结冰图像。

18、由于叶片在旋转，为了精确记录动态旋转下叶片的可视化图像，在叶片可视化模块中安装了信号探测器和信号发生器，所述信号探测器用于探测叶片的位置，当叶片前缘进入相机拍摄视场时，信号探测器被触发，将信号传递给信号发生器，信号发生器接收信号后将信号传递至相机，相机进行捕捉拍摄，记录叶片表面结冰状态或涂层表面状态。为了便于在夜间或光线不足时拍摄叶片表面形态，在叶片可视化模块中安装了脉冲光源，受控制系统和信号发生器控制，在接收到信号发生器的信号时开始工作，发光照亮相机视场。

19、优选的，所述叶片可视化模块还包括高压空气接口、均流室、内层气体均流格栅、内层压缩空气保护气膜和外层压缩空气保护气膜，所述高压空气接口的一侧与流量调节阀相连，另一侧分别与均流室、内层气体均流格栅连通，由于一般结冰时空气湿度大，为了避免叶片可视化模块中相机镜头在结冰气象条件下结冰影响观测，本发明布置了空气压缩机，用于为叶片可视化模块提供高压气源，并安装了流量调节阀，用于调节压缩空气的流量。在叶片可视化模块中设计了内、外层压缩空气流道，形成内层压缩空气保护气膜和外层压缩空气保护气膜，且可以通过调节压缩空气流量调节阀的开度，调节保护气膜刚性。

20、通过布置叶片可视化模块，可以实时监测叶片涂层的状态，研究涂层的老化过程，包括叶片涂层表面沾污状态，涂层受风蚀情况，为优化涂层提供基础数据；或在结冰气象条件下，记录叶片上结冰过程和涂层上冰块的脱落过程，对比分析涂层的除冰效果和涂层的除冰机理。

21、优选的，所述控制系统分析无结冰气象条件下涂层的外观形貌(例如：风力机叶片表面灰尘沾污、风蚀、局部破损情况)，得到涂层的老化寿命特征，在结冰气象条件下记录叶片结冰形态和振动信号，得到有/无涂层叶片结冰形貌特征和振动特征。

22、本发明的叶片振动监测模块与叶片可视化模块相互耦合，研究解决风力机结冰问题。一方面对风力机利用除冰涂层的除冰性能进行试验验证，为解决风力机结冰问题提供解决方法；另一方面，叶片振动监测模块可以获得不同结冰条件下风机叶片振动频率和幅值信号，叶片可视化模块直接显示结冰量的变化，根据叶片可视化模块的结冰量变化数据，可以解耦计算振动信号与结冰量的定量关系式，得到风机叶片振动信号与结冰量的数学模型。

23、所述控制系统根据叶片可视化模块记录的叶片结冰形貌计算叶片上结冰的质量，计算公式如下：

24、

25、其中，

26、m冰为风力机叶片上结冰质量，单位是kg；

27、ρ冰为冰块的密度，明冰和霜冰取不同数值(根据形貌判断)，单位是kg/m3；

28、δ0+为风力机叶片的厚度，单位是m；

29、为第i组相机记录的叶片上结冰面积，单位是m2；

30、为第j组相机记录的叶片上结冰面积，单位是m2；

31、li1和li2分别指第i组相机记录视场距离叶根的距离，单位是m；

32、lj1和lj2分别指第j组相机记录视场距离叶根的距离，单位是m；

33、h(li)为第i组相机记录视场内叶片上结冰高度随距离叶根距离的变化，单位是m；

34、h(lj)为第j组相机记录视场内叶片上结冰高度随距离叶根距离的变化，单位是m；

35、dli为第i组相机记录视场内叶片上结冰高度积分微元，单位是m；

36、dlj为第j组相机记录视场内叶片上结冰高度积分微元，单位是m。

37、优选的，根据叶片结冰质量数据从而定量评估涂层的性能，结合叶片振动的特征频率(多个频率)数据，从而标定叶片结冰质量与叶片特征频率的关系式：

38、

39、m冰＝m1-m0

40、其中，

41、m0为叶片或涂涂层叶片固有质量，单位是kg；

42、m1为叶片结冰后质量，单位是kg；

43、m冰为叶片上冰块质量，单位是kg；

44、k1，k2，k3为系数；

45、n1，n2，n3为系数；

46、f01，f02，f03为叶片无结冰时特征频率，单位是hz；

47、f11，f12，f13为叶片结冰后特征频率，单位是hz。

48、根据叶片可视化模块得到叶片上的结冰量，叶片振动监测模块记录不同结冰量下叶片振动的特征频率，通过多组数据求解得到叶片质量与叶片振动特征频率的关系式。通过计算结冰后叶片的重量与原叶片重量差，可以得到叶片上冰块的重量。

49、在实际大风机的应用中，较难布置多组相机记录叶片结冰全部形貌，因此根据叶片振动信号与结冰量的数学模型，可以从叶片的振动信号推算叶片结冰量，叶片上的结冰高度与叶尖(叶片端部较细的一侧)到叶根(叶片端部较粗的一侧)的距离成正比，根据冰块的质量进而可以推算叶片上的结冰高度，评估叶片结冰对风力机运行安全性的影响。

50、由于现场环境参数复杂，对除冰涂层除冰性能和老化寿命研究影响较大，为了研究影响除冰涂层的气象参数影响，气象参数采集模块设置了风速传感器、温度传感器、湿度传感器、气压传感器。

51、由于在不同的气象条件下，风力机叶片的结冰的形态也不同，为了便于记录不同气象参数条件下的结冰形态，气象参数采集模块在试验过程中连续运行，并将参数传递至控制系统。

52、为了实现在线监测风力机结冰特性及除冰涂层性能的装置自动化运行，控制系统根据气象参数采集模块到的气象参数条件，判断是否会结冰，进行相机拍摄频率的调整和振动监测模块的起停。

53、本发明还提供了一种在线监测风机结冰特性及除冰涂层性能的方法，包括如下步骤：

54、s1：控制系统根据接收到的气象参数或人工干预判断是否会引起叶片结冰，如无结冰条件，本装置将按第s2、s3、s4、s5步骤运行，如有结冰条件，本装置将按第s2、s3、s5、s6、s7、s8骤运行；

55、s2：气象参数采集模块连续采集风力机运行时的气象参数条件，为控制系统提供判断参数；

56、s3：本装置根据风力机叶片叶尖旋转线速度，在高速电机的驱动下连续模拟风力机叶片的旋转线速度，风力机尾翼根据风向变化对转向进行自动修正；

57、s4：当叶片前缘进入相机拍摄视场时，信号探测器被触发，将信号传递给信号发生器，信号发生器接收信号后给脉冲光源信号让其发光(光线充足时脉冲光源暂停工作)，同时信号传递至相机，相机进行捕捉拍摄，每三次拍摄为一个循环，每小时进行一次循环拍摄，每个循环分别拍摄涂有配方一的第一叶片、配方二的第二叶片和无涂层的第三叶片(例如：配方一为专利cn114213972b，配方二为专利cn114213972b涂层加0.2～0.3％疏水性气相二氧化硅)，记录涂层表面状态，对多种不同配方的除冰涂层进行老化寿命研究；

58、s5：空气压缩机将常压冷空气加压为高压空气，高压空气经流量调节阀调压后，由高压空气接口进入均流室和内层气体均流格栅，经均流后压缩空气分别进入内、外层压缩空气流道，并形成内层压缩空气保护气膜和外层压缩空气保护气膜，避免叶片可视化模块中相机镜头被在结冰气象条件下结冰影响观测；

59、s6：叶片振动监测模块接收到控制系统的信号后开始工作，移动电源为第一振动传感器、第二振动传感器、第三振动传感器和振动信号采集器供电，第一振动传感器、第二振动传感器、第三振动传感器将振动信号经振动信号传输线将信号传递至振动信号采集器，由振动信号储存器储存振动频率和幅度；

60、s7：当控制系统判断出结冰条件时，当叶片前缘进入相机拍摄视场时，信号探测器被触发，将信号传递给信号发生器，信号发生器接收信号后给脉冲光源信号让其发光，同时信号传递至相机，相机进行捕捉拍摄，每三次拍摄为一个循环，每分钟进行一次循环拍摄，每个循环分别拍摄涂有配方一的第一叶片、配方二的第二叶片和无涂层的第三叶片，记录风机叶片表面和涂层表面结冰状态，对多种不同配方的除冰涂层进行除冰性能研究；

61、s8：在结冰时，控制系统(10)根据叶片上结冰的形貌特征及图像计算叶片结冰质量，结合叶片振动的特征频率数据，解耦叶片结冰质量与叶片特征频率的关系，形成不同气象条件下结冰形态及结冰量与叶片振动信号相关性的模型。

62、本发明与现有技术相比，具有以下一条或多条优点或效果：本发明的一种在线监测风机结冰特性及除冰涂层性能的装置及方法，可以监测风力机叶片结冰后载荷变化对风力机性能的影响，可以对除冰涂层的防除冰性能进行测试，并对除冰涂层的老化寿命研究，对涂层的使用周期做定量分析。