风电叶片结冰监测与自适应除冰一体化的系统与方法技术方案

本发明专利技术公开了一种风电叶片结冰监测与自适应除冰一体化的系统与方法。上位机与多通道信号控制与处理模块相连，多通道信号控制与处理模块经功率放大模块与布置在风电叶片上的监测换能器阵列、除冰换能器阵列的输入端相连，两个阵列的输出端与前置放大模块相连，前置放大模块与多通道信号控制与处理模块相连，时序控制单元分别与多通道激励信号发生单元和多通道回波信号处理单元连接；换能器阵列向风电叶片产生超声导波，回波信号再被换能器阵列接收经前置放大模块处理后发送到多通道回波处理单元。本发明专利技术实现了叶片结冰位置和面积等综合信息的定量监测，进行强度可控和区域可设定的主动除冰，使除冰和防冰更为高效、节能且智能。

A system and method for the integration of wind turbine blade ice monitoring and adaptive deicing

The invention discloses a system and method for the integration of wind power blade ice monitoring and adaptive deicing. The host computer and the multi channel signal control and processing module is connected with the multi-channel control and signal processing module and power amplifier module and arrangement connected in wind power input monitoring transducer array, blade deicing transducer array end of the output terminal of the two array and the preamplifier module is connected with the preamplifier module is connected with the multi-channel signal control and processing module, timing control unit is respectively connected with the multi-channel signal generating unit and multi-channel echo signal processing unit is connected to the transducer array; the wind blades generate ultrasonic guided wave echo signal is received by the transducer array preamplifier module after treatment sent to the multi-channel echo processing unit. The invention realizes the quantitative monitoring of the comprehensive information of the blade icing location and area, and carries out the active de icing with controllable intensity and regional settings, making the de icing and anti icing more efficient, energy saving and intelligent.

【技术实现步骤摘要】
风电叶片结冰监测与自适应除冰一体化的系统与方法
本专利技术属于新能源产业中超声导波无损检测及功率导波应用
，具体涉及一种风电叶片结冰监测与自适应除冰一体化的系统与方法。
技术介绍
我国风能储备丰富，但风资源主要分布在寒冷的北方、高海拔和沿海地区，据统计在1000米海拔高度以上每增加100米风速增大约0.1m/s，在高海拔和寒冷地区，结冰成为影响风机运行效率和安全的最大问题。风电叶片结冰会改变叶片的外部形状和气动性能，增大叶片阻力，减小升力，影响全机操纵性和稳定性，最终导致风能的转化效率降低，叶片覆冰导致机组不平衡、负载增大容易过载；结冰严重时，机组不得不脱网停机，否则可能造成叶片断裂，引发机组自燃甚至坍塌等严重的安全事故。当前，对风电叶片结冰进行监测并自适应进行除冰具有很大的意义。对于风电叶片结冰进行监测常用的方法有光学成像法、电热法、电容法等。上述基于单个传感器的检测技术对于风电叶片存在明显不足，首先由于风电叶片结冰的不均匀和传感器安装数量的有限，因此存在大范围的探测盲区；其次由于某些位置，很多传感器需安装在外表面直接接触冰层，这会影响结构的空气动力学性能。对于风电叶片除冰常用的方法有冰点抑制法、热融法和表面变形法等。这些方法都存在各自的不足，可能对风电叶片造成损伤或者对环境造成污染等等。因此研发一种简单高效、低成本、能够实现对风电叶片进行结冰监测与自适应除冰一体化方法与系统成为当前研究的热点之一。导波以其传播距离远、对缺陷敏感、单点激励、衰减小、能量大等优点使其适合风电叶片的结冰监测和除冰工作。然而目前我国对于风电叶片超声导波无损检测技术的研究较少。专利公开号CN104458910A的专利技术专利《一种风力机叶片壳体与腹板粘接缺陷的无损检测方法》提出使用超声导波对风力机叶片壳体与腹板粘接过程中存在的缺胶缺陷进行检测。然而由于结冰监测和缺陷检测并不相同，缺陷检测的能量也远远不能实现除冰的目的，因此这种方法并不适合结冰监测和除冰一体化。哈尔滨工业大学的王鹏等人在《基于超声导波方法的风机叶片覆冰检测》中提出了一种使用lamb波对于风电叶片覆冰进行检测的方法，然而Lamb波存在频散，检测信号存在失真。在复合材料中中Lamb波能量泄漏严重，传播距离不长，并不适用于风电叶片大范围的结冰检测，而且，仅仅提出了对结冰进行检测的方法，对除冰工作没有进行深入的研究。现有的技术对于风电叶片结冰监测和除冰工作，尚无一种快速高效、定位准确、快速成像并且可以实现结冰监测和除冰一体化的检测方法与系统。
技术实现思路
本专利技术意为克服风电叶片超声导波检测领域的不足，提出了一种风电叶片结冰监测与自适应除冰一体化的系统与方法，快速高效、定位准确、快速成像，利用磁致伸缩相控阵SH导波实现了结冰监测和除冰一体化。本专利技术采用的技术方案是：一、一种风电叶片结冰监测与自适应除冰一体化的系统：系统包括上位机、功率放大模块、监测换能器阵列、除冰换能器阵列、风电叶片、前置放大模块和多通道信号控制与处理模块，多通道信号控制与处理模块包括多通道激励信号发生单元、多通道回波信号处理单元和时序控制单元；在风电叶片上布置有监测换能器阵列和除冰换能器阵列，上位机与多通道信号控制与处理模块相连，多通道信号控制与处理模块中的多通道激励信号发生单元与功率放大模块相连，功率放大模块分别与布置在风电叶片上的监测换能器阵列、除冰换能器阵列的输入端相连；监测换能器阵列、除冰换能器阵列的输出端与前置放大模块相连，前置放大模块与多通道信号控制与处理模块中的多通道回波信号处理单元相连，多通道回波处理单元与上位机相连，时序控制单元分别与多通道激励信号发生单元和多通道回波信号处理单元连接。所述的多通道激励信号发生单元发出激励信号经功率放大模块放大后输入到监测换能器阵列和除冰换能器阵列中，分别控制监测换能器阵列和除冰换能器阵列向风电叶片产生超声导波，经风电叶片的回波信号再被监测换能器阵列和除冰换能器阵列接收经前置放大模块处理后发送到多通道回波处理单元，再发送到上位机；所述的时序控制单元对多通道激励信号发生单元发出的激励信号和多通道回波处理单元接收的回波信号进行时序调整。所述的超声导波是磁致伸缩相控阵SH导波。所述的监测换能器阵列和除冰换能器阵列均布置在风电叶片蒙皮层的内侧或者风电叶片内腔的上下表面或者两者的结合：风电叶片沿自身长度方向分为多段区域，每段区域中，紧挨风电叶片的肋板沿肋板方向间隔布置除冰换能器阵列，形成除冰换能器阵列，并且在每段区域的边缘布置一圈监测换能器，形成监测换能器阵列。风电叶片上下面的蒙皮层的内侧或者风电叶片内腔的上下表面或者两者的结合均布置有监测换能器阵列和除冰换能器阵列。所述的除冰换能器阵列布置在风电叶片的肋板的一侧或者两侧。所述的监测换能器阵列中，在相邻区域之间的邻边边缘处各自的两排垂直于风电叶片长度方向的监测换能器合并为一排。本专利技术的监测换能器阵列和除冰换能器阵列在风电叶片上不能随便布置，必须布置在上述位置才能实现监测和除冰的一体化。具体实施中，所述的监测换能器阵列采用的是片上相控阵磁致伸缩导波换能器。所述的除冰换能器阵列采用的是多层堆叠式磁致伸缩薄片结构，使总输出应变为单片材料的多倍。多层的数量和多倍的数量相同。二、一种风电叶片结冰监测与自适应除冰一体化的方法，包括如下步骤：步骤一：布置监测换能器阵列；步骤二：每段区域中，每次以监测换能器阵列中的一个监测换能器作为激励源进行监测处理，遍历各个监测换能器获得多次监测处理，每段区域中一共接收到n2个信号，n为监测换能器阵列中监测换能器总数，由n2个信号构成所在段区域的原始采集数据矩阵S；步骤三：重复步骤二的过程，获得各个段区域各自的原始采集数据矩阵Sj，j＝1,2,3,…,m,m为划分的区域个数；步骤四：在风电叶片无结冰缺陷的情况下，采用层析成像方法对各个区域的原始采集数据矩阵Sj进行数据处理，得到标准采样数据及其二维分布图；步骤五：在风电叶片有结冰缺陷的情况下，实时采用层析成像方法对各个区域的原始采集数据矩阵Sj进行数据处理，得到实时监测数据及其二维分布图；步骤六：将实时监测数据的二维分布图与标准采样数据的二维分布图进行比较，找到结冰缺陷位置；步骤七：布置除冰换能器阵列，控制各除冰换能器发出超声导波的幅度和激励时间延时，使除冰换能器阵列发出的超声导波朝向结冰区域位置在结冰缺陷位置最大叠加，即使得各个除冰换能器发出的超声导波同时到达结冰缺陷位置，结冰缺陷位置处形成的超声导波功率最大，实现导波声束的聚焦，达到增大剪切应力和提高导波作用功率的目的，进行除冰工作；具体实施中，将风电叶片上下表面的中间肋板的一端为原点建立坐标系，记录在肋板方向设置的除冰换能器阵列位置的坐标，然后将除冰换能器安装于设定的位置。步骤八：除冰工作后再重复步骤步骤一～步骤六，获得新的结冰缺陷位置作为残冰区域位置，从而将除冰前后监测数据进行对比，评估除冰效果。当不满足要求时，重新调整各个除冰换能器的延时时间，使发出的超声导波偏转朝向残冰区域位置，对残冰区域位置进行再次进行除冰工作，直到没有结冰满足要求为止，由此实现除冰区域和除冰强度的主动控制。所述步骤二中，每次监测处理具体为：1)一个监测换能器激励产生超声导波信号，超声导波信号是两路经过汉本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种风电叶片结冰监测与自适应除冰一体化的系统，其特征在于：包括上位机(1)、功率放大模块(3)、监测换能器阵列(4)、除冰换能器阵列(5)、风电叶片(6)、前置放大模块(7)和多通道信号控制与处理模块(10)，多通道信号控制与处理模块(10)包括多通道激励信号发生单元(2)、多通道回波信号处理单元(8)和时序控制单元(9)；在风电叶片(6)上布置有监测换能器阵列(4)和除冰换能器阵列(5)，上位机(1)与多通道信号控制与处理模块(10)相连，多通道信号控制与处理模块(10)中的多通道激励信号发生单元(2)与功率放大模块(3)相连，功率放大模块(3)分别与布置在风电叶片(6)上的监测换能器阵列(4)、除冰换能器阵列(5)的输入端相连；监测换能器阵列(4)、除冰换能器阵列(5)的输出端与前置放大模块(7)相连，前置放大模块(7)与多通道信号控制与处理模块(10)中的多通道回波信号处理单元(8)相连，多通道回波处理单元(8)与上位机(1)相连，时序控制单元(9)分别与多通道激励信号发生单元(2)和多通道回波信号处理单元(8)连接。

【技术特征摘要】
1.一种风电叶片结冰监测与自适应除冰一体化的系统，其特征在于：包括上位机(1)、功率放大模块(3)、监测换能器阵列(4)、除冰换能器阵列(5)、风电叶片(6)、前置放大模块(7)和多通道信号控制与处理模块(10)，多通道信号控制与处理模块(10)包括多通道激励信号发生单元(2)、多通道回波信号处理单元(8)和时序控制单元(9)；在风电叶片(6)上布置有监测换能器阵列(4)和除冰换能器阵列(5)，上位机(1)与多通道信号控制与处理模块(10)相连，多通道信号控制与处理模块(10)中的多通道激励信号发生单元(2)与功率放大模块(3)相连，功率放大模块(3)分别与布置在风电叶片(6)上的监测换能器阵列(4)、除冰换能器阵列(5)的输入端相连；监测换能器阵列(4)、除冰换能器阵列(5)的输出端与前置放大模块(7)相连，前置放大模块(7)与多通道信号控制与处理模块(10)中的多通道回波信号处理单元(8)相连，多通道回波处理单元(8)与上位机(1)相连，时序控制单元(9)分别与多通道激励信号发生单元(2)和多通道回波信号处理单元(8)连接。2.根据权利要求1所述的一种风电叶片结冰监测与自适应除冰一体化的系统，其特征在于：所述的多通道激励信号发生单元(2)发出激励信号经功率放大模块(3)放大后输入到监测换能器阵列(4)和除冰换能器阵列(5)中，分别控制监测换能器阵列(4)和除冰换能器阵列(5)向风电叶片产生超声导波，经风电叶片的回波信号再被监测换能器阵列(4)和除冰换能器阵列(5)接收经前置放大模块(7)处理后发送到多通道回波处理单元(8)，再发送到上位机(1)；所述的时序控制单元(9)对多通道激励信号发生单元(2)发出的激励信号和多通道回波处理单元(8)接收的回波信号进行时序调整。3.根据权利要求1所述的一种风电叶片结冰监测与自适应除冰一体化的系统，其特征在于：所述的监测换能器阵列(4)和除冰换能器阵列(5)均布置在风电叶片蒙皮层的内侧或者风电叶片内腔的上下表面或者两者的结合：风电叶片沿自身长度方向分为多段区域，每段区域中，紧挨风电叶片的肋板沿肋板方向间隔布置除冰换能器阵列，形成除冰换能器阵列(5)，并且在每段区域的边缘布置一圈监测换能器，形成监测换能器阵列(4)。4.根据权利要求1所述的一种风电叶片结冰监测与自适应除冰一体化的系统，其特征在于：所述的除冰换能器阵列(5)布置在风电叶片的肋板的一侧或者两侧。5.根据权利要求1所述的一种风电叶片结冰监测与自适应除冰一体化的系统，其特征在于：所述的监测换能器阵列(4)中，在相邻区域之间的邻边边缘处各自的两排垂直于风电叶片长度方向的监测换能器合并为一...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐志峰，吕福在，李硕，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33