本发明总体上涉及清洁能源领域，具体而言涉及一种用于监测叶片的变形的方法。此外，本发明还涉及一种能够监测叶片的变形的风力发电机。
背景技术
风力发电机的叶片是接收风能的关键组件，其可靠性直接影响风力发电机的安全运行。例如，兆瓦级风力发电机的叶片展长可超过50m，最长的可达80m，而越大的叶片的损坏将导致越高的维护成本。同时，叶片的承载比较复杂，主要承受的有空气动力、惯性力和离心力等。影响叶片受力的因素，既有风速、风向、层流分布、叶片覆冰、地形等气象和地理环境因素，又有叶片结构、安装等机械因素。上述因素都可能造成叶片损伤进而导致结构性能如刚度的损失，通常刚度的损失会导致叶片变形更大。如何实时且准确地监测叶片的变形以及时发现可能的叶片损坏，是一个保证风力发电机安全运行和降低维护成本的重要手段。
在现有技术中公开了采用声发射或激光雷达的监测方法，但是这些监测方法简单地对所监测的变形数据进行分析，造成精确度较低，不能准确发现和定位风机因变形造成的故障。
技术实现要素：
本发明的任务是提供一种用于监测叶片的变形的方法和一种能够监测叶片的变形的风力发电机，通过该方法或该风力发电机，可以准确地确定叶片的变形，从而及时发现可能的叶片损坏，由此保证风力发电机安全运行和降低维护成本。
在本发明的第一方面，前述任务通过一种用于监测叶片的变形的方法来解决，该方法包括：
确定风力发电机的叶片在风速低于风速阈值且所述叶片处于竖直位置时的初始变形量；
在风速低于阈值时测量叶片在处于水平位置时的第一变形量以确定静态挥舞变形参考响应；
在风速低于阈值时将叶片的桨角改变90°并测量叶片的第二变形量以确定静态摆阵变形参考响应；
在风力发电机的运行期间从叶片变形监测装置接收叶片变形数据；以及
根据静态挥舞变形参考响应、静态摆阵变形参考响应和风机运行中叶片动态变形数据确定叶片的变形。
根据权利要求1所述的方法，其中在风速低于阈值时确定风力发电机的叶片在处于竖直位置时的初始变形量包括：设定初始变形量等于0。
在本发明的一个优选方案中规定，该方法还包括下列步骤：
在所确定的变形大于损伤阈值时输出表示叶片已损伤的信号。
在本发明的另一优选方案中规定，该方法还包括下列步骤：
在所确定的变形小于损伤阈值时根据风力发电机提供的风机信息确定风速，所述风机信息包括：扭矩、桨角、转速、以及叶片在对应时刻的变形量。
在本发明的又一优选方案中规定，该方法还包括下列步骤：
根据所述风速计算风轮平面的风载荷。
在本发明的另一优选方案中规定，该方法还包括下列步骤：
根据所确定的变形确定叶片的振动幅度；以及
根据所述振动幅度确定叶片是否损坏以及是否结冰。
在本发明的第二方面，前述任务通过一种能够监测叶片的变形的风力发电机来解决，该风力发电机包括：
风轮，所述风轮具有叶片，其中在叶片处安装有激光雷达，所述激光雷达被配置为对叶片进行扫描以获得叶片的变形数据并且将所述叶片变形数据发送给控制器；以及
控制器，其被配置为执行下列动作：
确定风力发电机的叶片在风速低于风速阈值且所述叶片处于竖直位置时的初始变形量；
在风速低于阈值时测量叶片在处于水平位置时的第一变形量以确定静态挥舞变形响应；
在风速低于阈值时将叶片的桨角改变90°并测量叶片的第二变形量以确定静态摆阵变形响应；
在风力发电机的运行期间从所述激光雷达接收叶片变形数据；以及
根据静态挥舞变形响应、静态摆阵变形响应和叶片变形数据确定叶片的变形。
在本发明的一个优选方案中规定，所述激光雷达安装在叶片根部的腹板处。
在本发明的另一优选方案中规定，所述激光雷达是多线激光雷达。
在本发明的又一优选方案中规定，该方法所述控制器安装在风轮的轮毂中。
本发明至少具有下列有益效果：(1)通过本发明获取的叶片刚度等结构参数变化的实时监测信息，能够第一时间精确地识别叶片的重大结构损伤，并将信息反馈给控制系统，避免叶片因损伤而造成的断裂和掉落等重大事故的发生，这是因为本发明采用独特的标定(calibration)措施：即在风力较小时确定静态挥舞(叶片面内)变形响应和静态摆阵(叶片面外)变形响应，并根据所述变形响应准确地识别叶片损伤；(2)此外该系统也可同时基于叶片实时的变形数据重构叶片展向风速分布，准确界定不同位置的风速变化，如正、负风剪切等信息。
附图说明
下面结合附图参考具体实施例来进一步阐述本发明。
图1a示出了根据本发明的风力发电机的叶片的示意图；
图1b示出了根据本发明的风力发电机的叶片的三维扫描角度；以及
图2示出了根据本发明的风力发电机的风轮的示意图。
具体实施方式
应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。
在本发明中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。
在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。
在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。
在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。
图1示出了根据本发明的风力发电机的叶片100的示意图。
如图1a所示，在叶片100的根部、优选腹板的起始区域处安装有3d扫描式激光雷达101、或称多线激光雷达101。安装在叶片100的根部的激光雷达101能够更好地扫描整个叶片，从而全面地提供叶片变形数据。此外，3d扫描式激光雷达101能够发射多条扫描激光束，从而提供更准确的变形数据。所述激光雷达101的三维扫描角度例如为45°(参见图2)，但是其它扫描角度也是可设想的。在此应当指出，尽管在此采用了多线激光雷达101作为变形监测装置，但是能够理解，其它变形监测装置、例如声发射装置、红外监测仪等装置也是可设想的。
图2示出了根据本发明的风力发电机的风轮200的示意图。
如图2所示，风轮200的三个叶片201、202和203中均安装有3d扫描式激光雷达101。这些激光雷达101实时地扫描相应叶片201、202和203并将所获得的叶片变形数据传输给数据处理系统204。数据处理系统204例如可以用软件、固件或诸如asic、fpga之类的硬件来实现。在此实施例中，数据处理系统204安装在风轮的轮毂205内，以减少诸如中继器、信号收发器之类的中间收发和传输环节，从而减少成本和故障风险。数据处理系统204对所接收的叶片变形数据进行处理，以确定叶片的损伤可能性等。然后，数据处理系统204与可选的可编程逻辑控制器plc206通信，以控制叶片的转速、桨角等，从而减小叶片的风载荷，由此避免实际的损伤。
在本申请中，采用独特的定标措施来提高监测准确度，具体的定标措施如下：在小风速情况下，当叶片处于竖直位置时，设定叶片的起始变形量为0；当叶片处于水平位置时，通过重力对叶片的静态挥舞变形响应进行标定，并确定叶片的挥舞刚度水平；然后，改变叶片桨角90°，对静态摆阵变形响应进行标定，并确定叶片的摆阵刚度水平。以挥舞和摆阵的变形标定值为基础，可定期监测叶片运行期间的变形及与刚度相关结构性能的变化。
在本申请中，叶片刚度变化的识别及控制反馈逻辑如下：叶片装机调试完成后，通过该多线激光雷达采集叶片挥舞、摆振的变形信息，并与对应范围的风速、转速及桨角建立配对基础数据，作为判定标定值；风机后续运行生命周期内，通过多线激光雷达直接获取实时叶片挥舞、摆阵变形信息，根据变形信息，结合风机主控系统通过风速测量系统所获取的叶片桨角、转速、风速等信息，以标定数据为对照，可判定叶片挥舞、摆阵及扭转刚度的变化；并反馈控制系统，控制系统通过内置算法给出控制动作，如报警、亚健康等，并基于不同风险等级给出不同维护要求。
在本申请中，通过如下方式来重构风速：该多线激光雷达系统实时获取叶片挥舞、摆阵变形，在判定叶片刚度处于健康状态时，该变形值可进一步结合初始变形标定值(实验台标定结果)实时重构叶片展向的风速分布情况，给出更为精确的风速、风剪切等关键风资源特性参数，并将该信息反馈控制系统，作出更为可靠的控制动作。对于应用于山地等复杂地形的风机，该系统可确保风机在此类复杂风况下更安全的运行。
虽然本发明的一些实施方式已经在本申请文件中予以了描述，但是对本领域技术人员显而易见的是，这些实施方式仅仅是作为示例示出的。本领域技术人员可以想到众多的变型方案、替代方案和改进方案而不超出本发明的范围。所附权利要求书旨在限定本发明的范围，并藉此涵盖这些权利要求本身及其等同变换的范围内的方法和结构。