一種風力發電機組葉片載荷測量裝置及其測量方法
【專利摘要】本發明之一的風力發電機組載荷測量裝置，其包括至少三光纖光柵傳感器陣列，一解調模塊及一載荷數據處理模塊；每一光纖光柵傳感器陣列均由至少四光纖光柵傳感器組依次串聯而成，每一光纖光柵傳感器組均由一應變傳感器及一溫度傳感器組成，應變傳感器用于測量葉片在受載荷情況下的應變量，溫度傳感器用于補償環境溫度變化造成的應變傳感器溫度漂移；解調模塊用于將應變傳感器、溫度傳感器的信號分別轉換成對應的應變量值和溫度值；載荷數據處理模塊集成載荷算法，將各測量點的應變量值和溫度值進行處理，轉換成葉片揮舞彎矩和擺振彎矩并輸出給風力發電機組變槳距控制系統或主控系統。
【專利說明】—種風力發電機組葉片載荷測量裝置及其測量方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及風力發電監測領域，尤其涉及一種應用于風力發電機組葉片載荷測量裝置及其測量方法。
【背景技術】
[0002]風力發電成本是制約風力發電行業發展的主要因素，為了減小千瓦時發電成本，設計的風力發電機葉片尺寸越來越大，大型風力發電機葉片直徑已經達到百米以上，單個葉片重量達幾十噸，在葉片掃過的區域內，由于受地形等因素影響，風速不均衡，造成葉片風載荷不均勻，容易產生葉片過度疲勞和風力發電機振動，降低發電效率。因此，實時地了解風力葉片的載荷非常重要，及時地了解葉片載荷狀況不僅為葉片的健康狀況評估提供重要參數，同時也可以為風力發電機組變槳距控制提供依據。當葉片受到的載荷較大時，可以通過變槳等操作實現迎風面積減小，從而減小葉片風載荷，降低葉片的損傷彎矩等不利因素。
[0003]風力發電機通常工作在環境惡劣的偏遠地區，電磁環境復雜，對傳感測量系統要求較高。光纖光柵傳感器具有抗電磁干擾，可靠性高，使用壽命長等特點，非常適合風力葉片的健康監測。
[0004]葉片的載荷與葉片根部的彎曲程度成對應關系，通過檢測葉片根部的應變量可以計算出葉片所受載荷大小。但目前還很少有專門適合風力發電葉片用的載荷監測傳感器，常見的電阻式應變傳感器在風力發電的惡劣環境如雷擊，鹽霧，晝夜高溫差等狀況下容易失效，同時這類傳感器接線復雜，不易于大容量組網測量。光纖傳感器具有抗電磁干擾，耐腐蝕，易于復用組網測量等優點，成為風力發電機組葉片載荷監測的首選。光纖傳感器封裝后通常通過表面粘貼方式安裝于葉片測量點，因此，這種傳感器封裝材料需要與葉片材料特性相同，最大程度上減小應變測量的傳遞誤差，同時增加可靠性和使用壽命。目前大型風力發電機組的葉片材料都采用具有輕質高強特點的玻璃纖維增強復合材料制成，因此采用玻璃纖維材料封裝具有相似力學特性的傳感器具有十分重要的意義。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是針對上述【背景技術】存在的缺陷，提供一種可有效且準確測量風力發電機組葉片載荷測量裝置及其測量方法。
[0006]為實現上述目的，本發明之一在于提供一種風力發電機組葉片載荷測量裝置，其包括:至少三光纖光柵傳感器陣列，一解調模塊及一載荷數據處理模塊；每一光纖光柵傳感器陣列裝設在風力發電機組葉片根部的內圓表面，且每一光纖光柵傳感器陣列均由至少四光纖光柵傳感器組依次串聯而成，每一光纖光柵傳感器組均由一應變傳感器及一溫度傳感器組成，應變傳感器用于測量葉片在受載荷情況下對應的應變量，溫度傳感器用于補償環境溫度變化造成的應變傳感器溫度漂移；每一光纖光柵傳感器陣列中，至少兩傳感器組安裝在葉片迎風面，另至少兩傳感器組安裝在葉片的背風面；解調模塊用于將應變傳感器、溫度傳感器的信號分別轉換成對應的應變量值和溫度值；載荷數據處理模塊集成載荷算法，將各測量點的應變量值和溫度值進行處理，轉換成葉片揮舞彎矩和擺振彎矩并輸出給風力發電機組變槳距控制系統或主控系統。
[0007]本發明之二在于提供一種風力發電機組葉片載荷的測量方法，其包括:步驟1:將葉根半徑和葉根傳感器安裝截面的抗彎剛度參數輸入載荷數據處理模塊；
[0008]步驟2:解調模塊將光纖光柵傳感器陣列測量得到應變及環境溫度數據發送到載荷數據處理模塊，載荷數據處理模塊對各測量點的應變量數據進行溫度補償，得到葉片根部迎風面應變傳感器測得的應變量eps、背風面應變傳感器測得的應變量ess、前緣應變傳感器測得的應變量及后緣應變傳感器測得的應變量
[0009]步驟3:載荷數據處理模塊利用得到的R#、抗彎剛度、ε ps及ε ss計算葉片根部迎風面和背風面的揮舞彎矩，具體計算公式為:
[0010]
【權利要求】
1.一種風力發電機組葉片載荷測量裝置，至少三光纖光柵傳感器陣列，一解調模塊及一載荷數據處理模塊，每一光纖光柵傳感器陣列裝設在風力發電機組葉片根部，其特征在于: 每一光纖光柵傳感器陣列均由至少四光纖光柵傳感器組依次串聯而成，每一光纖光柵傳感器組均由一應變傳感器及一溫度傳感器組成，應變傳感器用于測量葉片在受載荷情況下對應的應變量，溫度傳感器用于補償環境溫度變化造成的應變傳感器溫度漂移；每一光纖光柵傳感器陣列中，至少兩傳感器組安裝在葉片迎風面，另至少兩傳感器組安裝在葉片的背風面； 解調模塊用于將應變傳感器、溫度傳感器的信號分別轉換成對應的應變量值和溫度值； 載荷數據處理模塊集成載荷算法，將各測量點的應變量值和溫度值進行處理，轉換成葉片揮舞彎矩和擺振彎矩并輸出給風力發電機組變槳距控制系統或主控系統。
2.根據權利要求1所述的一種風力發電機組葉片載荷測量裝置，其特征在于:應變傳感器由玻璃纖維材料封裝而成，且應變傳感器大致呈片狀。
3.根據權利要求1或者2所述的一種風力發電機組葉片載荷測量裝置，其特征在于:應變傳感器通過表面粘貼的方式裝設在風力發電機組葉片根部的內圓表面。
4.根據權利要求2所述的一種風力發電機組葉片載荷測量裝置，其特征在于:每一光纖光柵傳感器組均通過光纖串聯而成。
5.一種如權利要求1所述的風力發電機組葉片載荷測量裝置采用的葉片載荷測量方法，包括 步驟1:將葉 根半徑和葉根傳感器安裝截面的抗彎剛度參數輸入載荷數據處理模塊； 步驟2:解調模塊將光纖光柵傳感器陣列測量得到應變及環境溫度數據發送到載荷數據處理模塊，載荷數據處理模塊對各測量點的應變量數據進行溫度補償，得到葉片根部迎風面應變傳感器測得的應變量eps、背風面應變傳感器測得的應變量ess、前緣應變傳感器測得的應變量及后緣應變傳感器測得的應變量 步驟3:載荷數據處理模塊利用R#、抗彎剛度、ε ps及ε ss計算葉片根部迎風面和背風面的揮舞彎矩，具體計算公式為:
6.根據權利要求5所述的一種風力發電機組葉片載荷的測量方法，其特征在于:在步驟I中，通過同一葉片葉根處兩相交的內圓直徑求平均半徑的方式獲得R&即
7.根據權利要求6所述的一種風力發電機組葉片載荷的測量方法，其特征在于:裝設有應變傳感器及溫度傳感器的面板安裝位置處的截面與葉根截面的距離L為范圍為0.5m~2.5m中的任意一個值，安裝截面位置的選取目標是風力發電機組葉片葉根圓截面且避開葉根連接結構。
8.根據權利要求6所述的一種風力發電機組葉片載荷的測量方法，其特征在于:其中兩相對的光纖光柵傳感器組需偏離偏離葉片的合縫處a角度進行安裝，偏離角度(安裝角度)a范圍為10。~20。。
9.根據權利要求5到8任一項所述的一種風力發電機組葉片載荷的測量方法，其特征在于:步驟2中，載荷數據處理模塊對各測量點通過具體測量點的應變數據減去對應點的溫度漂移量的方式進行溫度補償。
【文檔編號】G01L1/24GK103698063SQ201310631787
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月2日 優先權日:2013年12月2日
【發明者】代勇波 申請人:成都阜特科技股份有限公司
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