[发明专利]基于无线声发射传感器网络的风电叶片损伤监测定位系统

说明书

 

技术领域

本发明涉及风电叶片健康监测与安全评估领域，具体提供了一种基于无线声发射传感器网络的风电叶片损伤监测与定位系统。

 

背景技术

近年来，随着国家大力支持可再生能源的发展，风电装机容量的迅猛增长和单机容量不断增大，对风电设备的安全可靠性、运行稳定性提出了极高的要求。风力发电机组是由叶片、传动系统、发电机、储能设备、塔架及电器系统等组成的发电装置。风力发电机叶片（简称风电叶片）是其中最重要的部件，其服役状态对整个风电机组的安全运行影响极大。

由于我国的风力发电场主要分布在三北(东北、华北、西北)以及沿海地区，风电叶片在服役过程中需要长期承受强风载荷、雨雪、砂粒冲刷、紫外线照射、大气氧化与盐雾腐蚀等外界侵蚀，相对国外风电叶片的工作环境来说，我国的风电叶片服役环境更为复杂和恶劣，对风电叶片的服役安全造成了极大威胁。因此，为了保障我国风电叶片的服役安全，减少重大经济损失，避免灾难性事故的发生,合理维修、减少维护成本,采取有效的技术手段及方法对风电叶片进行健康监测具有十分重要的理论意义和实际意义。

风电叶片具有尺寸和重量大、服役环境恶劣、外形和载荷复杂等特点，而且我国的风电叶片主要采用玻璃钢等复合材料，制作工艺受环境和人工影响很大，有一定的随机性和不确定性。目前，对风电叶片主要采用定期停机检修的方式进行维护，缺乏行之有效的健康监测与损伤预测方法，存在重大安全隐患。然而，考虑到风电叶片自身和服役特点，利用传统的有线、有源的在线监测方式对其进行健康监测将会面临布线施工难、后期维护难、可扩展性和可维护性差的问题。

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一种新兴的数据采集与传输技术，它利用无线通信的方式将大量的传感器节点形成一个多跳的、自组织的监控网络，具有无线通信传输、可靠性高、自组织、维护方便、扩展性好等特点，可以有效地解决风电叶片健康监测存在的问题。由于材料或构件在受到外力或内力作用时，内部的应变能以弹性波的形式迅速释放出来，声发射对材料或构件缺陷的起始和扩展具有特殊的敏感性，并且具有动态检测能力，是复合材料的损伤研究的最有效的方法之一。因此，结合无线传感器网络与声发射技术对风电叶片的损伤进行监测和定位，有利于建立实时、可靠、长期监测的风电叶片健康监测系统，为风电叶片的健康状态评价建立统一有效的标准提供理论依据和数据支持。目前，与本发明相关的公开文献如下：

(1) 中国专利（申请号：201120265063.1）公开了一种风电机组智能预警应急系统无线传感器网络装置，包括传感器模块、数据处理控制模块、无线通信模块和供电模块。该装置可以对风电机舱和塔体内控制柜内的温度、烟雾、图像等物理信息进行感知和识别，实现对机舱内温度和空气中烟谱变化情况进行精确自动监测；可以对机舱内氧气浓度进行检测，进行环境安全抱紧，以确保人员的身体健康与生命安全。

(2) 北京化工大学的杨剑锋、韩敬宇研究了基于声发射技术的风电叶片裂纹无线监测系统，论文实现了基于CC2480与ATmegal28的硬件节点，而且可进行声发射数据的特征值计算，无线通信部分则负责把这三个特征参数进行传输。

(3) 中国专利（申请号：CN200820165073.6）公开了一种植物检测装置。目的是提供的植物声发射信号检测装置应具有功耗低、可靠性强、安装及维护便利等特点，并且成本较低。该方案包括随机部署在田间不同植株茎上的一组无线传感器网络节点，每个节点包括声发射传感器和及配套模块；所述的无线传感器网络节点通过一个或数个网关、基站与远程数据库服务器通信；数据传送的过程是每个无线传感器网络节点所采集的数据通过相邻节点接力传送的方式传送回网关，网关将数据处理后转发给基站，通过基站以卫星信道或者有线网络连接的方式传送给远程数据库服务器；其特征在于所述的每个声发射传感器设置在植物茎部，以直接感知植物的声发射信号。