[发明专利]风电叶片结冰监测与自适应除冰一体化的系统与方法

说明书

技术领域

本发明属于新能源产业中超声导波无损检测及功率导波应用技术领域，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。

背景技术

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的发明专利《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。

发明内容

本发明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。

本发明采用的技术方案是：

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。