一种监测风力发电设备的叶片形变的装置及系统的制作方法

本发明涉及叶片状态监测领域，尤其涉及一种监测风力发电设备的叶片形变的装置及系统。

背景技术：

风力发电作为一种重要的可再生新能源，受到广泛关注。而风力发电设备的叶片作为风力发电机组中捕获风能的关键部位，其健康状况直接影响到整个风电系统的运行。叶片的结构和受力相当复杂，由于叶片的工作环境十分恶劣，春夏秋冬、酷暑严寒、雷电、冰雹、雨雪、沙尘等随时都有可能对风机叶片产生损伤，因此叶片成为风力发电设备中最容易出现事故的位置。据统计，叶片损伤产生的事故约占风机总事故的三分之一。常见风机叶片在遭受损伤之后会出现裂纹、分层、空隙和脱粘等典型的疲劳缺陷，这些损伤随着叶片的运行而不断积累最终会导致叶片断裂。在叶片产生疲劳缺陷到断裂的过程中，叶片在运行时各部分会发生不同程度应变或形变。通常叶片发生损伤事故时必须停机维修，同时一旦叶片折断，则很有可能损坏塔筒，这必将导致高额的维修费用，也给风电场带来很大的经济损失。因此，若能有效监测叶片的健康状况，必能有效的减少风机叶片造成的停机故障，避免产生巨额经济损失。

目前，风力发电设备的叶片应变常见的监测手段有应变片应力监测法和光纤光栅监测法等。这些监测方法都有着其适用的缺陷类型与优缺点，其技术要求比较苛刻，监测过程受运行环境、天气状况以及其他因素的影响，而且通常需要借助复杂的检测仪器设备和专业的分析人员的介入才能做结果判定，极大的增加了监测成本和普及的困难程度。

因此需要一种新型的监测风力发电设备的叶片形变的方案。

技术实现要素：

鉴于此，本发明提供了一种新的监测风力发电设备的叶片形变的方案，以力图解决或至少缓解上面存在的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种监测风力发电设备的叶片形变的装置，包括：激光发射器，布置于叶片内表面上根部近轮毂处，并适于沿叶片轴向向叶尖发射激光；光屏，布置于叶片内表面上测量点处，形状为矩形，并与激光发射器发射的激光垂直相交，光屏适于遮挡激光以便其在光屏上形成光点，还适于随叶片的形变沿叶片轴向发生偏转；摄像头，布置于叶片内表面上距光屏预定距离处，并不遮挡激光，摄像头适于摄取激光在光屏上形成光点的光屏图像；以及信号处理装置，适于根据摄像头摄取的光屏图像计算测量点处叶片的形变。

可选地，在根据本发明的装置中，光屏图像记录当前光点在光屏上的位置和叶片未发生形变时初始光点在光屏上的位置，叶片的形变表示为叶片形变量和叶片偏转角，信号处理装置适于根据光屏图像计算第一坐标系下当前光点和初始光点的坐标，第一坐标系以光屏相邻两边为横纵轴；还适于根据计算的当前光点坐标、初始光点坐标、测量点处叶片形变量与当前光点坐标、初始光点坐标和叶片偏转角的关系、以及测量点处挠度与叶片偏转角的关系计算所述测量点处叶片形变量和叶片偏转角。

可选地，在根据本发明的装置中，信号处理装置适于根据光屏图像计算当前光点和初始光点在第二坐标系下的坐标，通过坐标变换得到当前光点和初始光点在第一坐标系下的坐标，第二坐标系由第一坐标系变形得到，并以光屏图像所表示的光屏的相邻两边为横纵轴。

可选地，在根据本发明的装置中，信号处理装置还适于判断叶片形变量、形变量的微分值、以及叶片偏转角、偏转角的微分值是否超过阈值，若任一超过阈值，则发出警报。

可选地，在根据本发明的装置中，信号处理装置还适于向激光发射器和摄像头供电。

可选地，在根据本发明的装置中，摄像头的帧数为20fps。

可选地，在根据本发明的装置中，测量点与激光发射器相距1/3叶片长度。

可选地，在根据本发明的装置中，还包括：布置于叶片内表面上另一测量点处，向光屏另一面、沿叶片轴向发射激光的另一激光发射器，光屏另一面与另一激光发射器发射的激光垂直相交，并适于遮挡该激光以便其在光屏另一面上形成光点；布置于叶片内表面上、距光屏另一面预定距离处的另一摄像头，其镜头平面与叶片内表面垂直，并不遮挡另一激光发射器发射的激光，还摄像头适于摄取另一激光发射器发射的激光在光屏另一面上形成光点的光屏图像；以及信号处理装置还适于根据另一摄像头摄取的光屏图像计算所述另一测量点处叶片的形变。

根据本发明的另一个方面，提供了一种监测风力发电设备的叶片形变的系统，包括至少一个根据本发明的监测风力发电设备的叶片形变的装置。

根据本发明的还有一个方面，提供了一种风力发电设备的叶片，包括根据本发明的监测风力发电设备的叶片形变的系统。

根据本发明的监测风力发电设备的叶片形变的方案，通过在叶片根部近轮毂处布置激光发射器、在测量点布置对应的遮挡激光发射器发射的激光的光屏，再通过摄像头摄取激光落在光屏上形成光点的光屏图像，根据光屏图像上光点坐标变化来实现对叶片形变的检测，因而可以快速有效且实时地反映叶片的损伤状况，同时极大地降低了监测的成本。

进一步地，通过在光屏另一面同样设置激光发射器，实现了监测范围的扩大化。

附图说明

为了实现上述以及相关目的，本文结合下面的描述和附图来描述某些说明性方面，这些方面指示了可以实践本文所公开的原理的各种方式，并且所有方面及其等效方面旨在落入所要求保护的主题的范围内。通过结合附图阅读下面的详细描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。遍及本公开，相同的附图标记通常指代相同的部件或元素。

图1示出了根据本发明一个示例性实施例的监测风力发电设备的叶片形变的系统100的结构示意图；

图2示出了根据本发明一个示例性实施例的监测风力发电设备的叶片形变的装置200的结构示意图；

图3示出了根据本发明一个示例性实施例的布置有监测风力发电设备的叶片形变的装置200的叶片的剖面结构示意图；

图4示出了根据本发明一个示例性实施例的叶片无形变的示意图；

图5示出了根据本发明一个示例性实施例的叶片发生形变的示意图；

图6示出了根据本发明一个示例性实施例的叶片发生形变的第一坐标系下横轴方向的几何模型示意图；

图7示出了根据本发明一个示例性实施例的叶片发生形变在第一坐标系下纵轴方向的几何模型示意图；

图8示出了根据本发明一个示例性实施例的建立第一坐标系的光屏220的示意图；

图9示出了根据本发明一个示例性实施例的建立第二坐标系的光屏图像所表示的光屏220的示意图；以及

图10示出了根据本发明另一个示例性实施例的监测风力发电设备的叶片形变的装置200的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

叶片作为风力发电机组中捕获风能的关键部位，其健康状况直接影响到整个风电系统的运行。风力发电设备的叶片一般很长，运转过程中，在风力作用下各个部位都会发生不同程度的形变。并且随着叶片运行时间的增长，叶片的疲劳损伤会逐渐增多，这些疲劳的积累会降低叶片运行的可靠性，严重的则会导致风机出现故障。因此，叶片在运行时的形变的大小能够有效的反映叶片整体的健康状况。

图1示出了根据本发明一个示例性实施例的监测风力发电设备的叶片形变的系统100的结构示意图。如图1所示，监测风力发电设备的叶片形变的系统100包括至少一个监测风力发电设备的叶片形变的装置200。

图2示出了根据本发明一个示例性实施例的监测风力发电设备的叶片形变的装置200的结构示意图。如图2所示，监测风力发电设备的叶片形变的装置200可以包括激光发射器210、光屏220、摄像头230和信号处理装置240。

激光发射器210布置于叶片内表面上根部近轮毂处，并沿叶片轴向、向叶尖发射激光。激光发射器210通常通过支撑架来固定，支撑架可以是单脚、双脚或者多脚结构。该支撑架底部通过结构胶或者其他固定方式固定于叶片内表面，支撑架与激光发射器210通过可调节固定夹连接固定，该固定夹在固定激光发射器210后可以通过螺栓或者其他方式调节激光发射器210的高度和方向。

在一个实施例中，激光发射器210的线缆通过叶片的盖板孔与信号处理装置240连接，由该信号处理装置240向激光发射器210供电。在另一个实施例中，激光发射器210还可以由锂电池供电。

相应地，在激光发射器210至叶尖方向、叶片内表面上的测量点处布置与激光发射器210位置对应的光屏220，该光屏平面垂直于激光发射器210发射的激光，形状通常为矩形，其大小可以根据实际叶片在该测量点处的空间调整。光屏220可以遮挡该激光发射器210发射的激光以便激光在光屏220上形成光点。这里，测量点通常为叶片易发生形变的位置，例如叶片内表面上与激光发射器210相距1/3叶片长度处。

光屏220可以通过支架固定在叶片内表面，该支架通过结构胶或者其他固定方式与叶片固定，并且可以调节光屏220的高度。

图4和图5分别示出了叶片无形变正常运行时以及叶片发生形变时的状态示意图。显然地，当叶片发生形变时，光屏220随着叶片的形变沿叶片轴向发生偏转。可以理解地，光屏220发生偏转，但激光仍沿直线传播，这样激光射至光屏220上的光点会随着叶片形变而变化，因此可以根据光点在光屏上的变化就实现对叶片形变的在线监测，简便且直观。

本发明可以通过布置摄像头230来获取光点在光屏上的变化。摄像头230布置于叶片内表面上距光屏220预定距离处，同时不会遮挡激光发射器210发射的激光，可以摄取激光在光屏上形成光点的光屏图像。其中本发明对摄像头230布置的具体方位和距离不作限制，能够拍摄到光屏220的全景画面均属于本发明的保护范围，例如可以布置在光屏220的正前方、侧前方等。

在一个实施例中，激光发射器210、光屏220以及摄像头230在叶片内表面上的布置可以如图3所示。进一步地，摄像头230还可以与光屏220集成一体，而不是分立布置，本发明对此不作限制。

摄像头230可以通过支架在叶片内表面固定，可以调节支架来调节摄像头230的俯仰角，便于摄像头230拍摄光屏220的全景画面，其中，摄像头平面的长或宽方向中的一个需与光屏220对应的长或宽方向平行。这里摄像头230的帧数通常设置为20fps。

摄像头230摄取光屏图像后，可以将图像传输至信号处理装置240进行处理。信号处理装置240可以根据摄像头230摄取的光屏图像计算上述测量点处叶片的形变。信号处理装置240通常可以固定于叶片轮毂内控制柜上。

在一个实施例中，摄像头230的末端连接有线缆，该线缆通过叶片内壁走线，经过叶片盖板孔与信号处理装置240连接。此时信号处理装置240向摄像头230供电，并通过线缆接收摄像头230传输的图像。在另一个实施例中，摄像头230还可以由锂电池供电，此时信号处理装置240通过无线网络与摄像头230连接通讯。在初始布置时，可以在光屏上记录下叶片未形变时的初始光点在光屏上的位置，便于后期观察。该位置具体可以通过调整激光发射器210和光屏220位置来调整。

自然地，摄像头230摄取的光屏图像则同时记录有当前光点在光屏220上的位置和叶片未发生形变时初始光点在光屏220上的位置。信号处理装置240可以根据该光屏图像计算第一坐标系下当前光点和初始光点的坐标，这里的第一坐标系以光屏220的相邻两边为横纵轴建立。

而由于叶片的形变以及摄像头230布置方位的不同，摄取的光屏图像所表示的光屏可能由于拍摄角度的变化出现变形，例如由矩形变形为相邻两边不垂直的不规则四边形。信号处理装置240可以根据该光屏图像计算当前光点和初始光点在第二坐标系下的坐标，这里第二坐标系由第一坐标系变形而来，即以光屏图像所表示的光屏相邻两边为横纵轴建立。而后信号处理装置240可以通过坐标变换得到当前光点和初始光点在上述第一坐标系下的坐标。

可以理解地，叶片形变可以用叶片形变量和叶片偏转角来表现。得到当前光点和初始光点在第一坐标系下的坐标后，信号处理装置230可以根据当前光点坐标、初始光点坐标、测量点处叶片形变量与当前光点坐标、初始光点坐标和叶片偏转角的关系、以及测量点处挠度与叶片偏转角的关系计算测量点处叶片形变量和叶片偏转角。下面举例对信号处理装置240根据光屏图像计算叶片形变的过程进行具体描述。

图6示出了根据本发明一个示例性实施例的叶片发生形变的第一坐标系下横轴的几何模型示意图。如图6所示，当叶片未发生形变(以虚线表示)时，光点落在光屏220上C₀点处。当叶片发生形变时，光点落在光屏220上C点处。其中，d为光屏220(即测量点)与激光发射器210的距离，x₀为C₀点横坐标，x为C点横坐标，Δx为横轴方向的叶片形变量，α为横轴方向的叶片偏移角。

图7示出了根据本发明一个示例性实施例的叶片发生形变在第一坐标系纵轴方向的几何模型示意图，可以理解地，与图5所示模型原理相同。其中，当叶片未发生形变(以虚线表示)时，光点落在光屏220上C₀点处。当叶片发生形变时，光点落在光屏220上C点处。其中，y₀为C₀点纵坐标，y为C点纵坐标，Δy为纵轴方向的叶片形变量，β为纵轴方向的叶片偏移角。

假设光屏220为矩形，此时实际的光屏如图8所示，以光屏左下交点为原点，相邻两边为横纵轴建立第一坐标系，横轴为X轴，纵轴为Y轴。A点为初始光点，光屏220纵轴方向的两边长度为b，A点在该第一坐标系下的坐标为(x₀,y₀)。B点为当前光点，光屏220横轴方向的两边长度为a，B点在该第一坐标系下的坐标为(x,y)。

而此时摄像头230摄取到的光屏图像所表示的光屏如图9所示，矩形变形为邻边不垂直的不规则四边形，第一坐标系变形为第二坐标系，该第二坐标系以该不规则四边形左下交点为原点，两邻边为横纵轴建立，横轴为X’轴，纵轴为Y’轴。A点为初始光点，l₁和l₂分别为A点距光屏220纵轴方向的两边的距离，p₁为A点沿纵轴方向到横轴的距离，光屏220横轴方向的两边长度为a'，光屏220纵轴方向的两边长度为b'，A点在该第二坐标系下的坐标为(x₀',y₀')。B点为当前光点，m₁和m₂分别为B点距光屏220纵轴方向的两边的距离，q₁为B点沿纵轴方向到横轴的距离，B点在该第二坐标系下的坐标为(x',y')。其中，a'，b'，m₁，m₂，l₁，l₂，p₁和q₁均可以由信号处理装置240通过对光屏图像进行图像处理得到。综上可以计算得出第二坐标系下初始光点和当前光点的横坐标和纵坐标：

而后需要将光屏图像所表示的光屏变换为实际的光屏，即将第二坐标系转换为第一坐标系，具体地，可以通过坐标变换计算得到：

观察图6和图7所示的几何模型可以得到测量点处叶片的形变量为：

Δx＝xcosα-x₀，Δy＝ycosβ-y₀

将此时叶片的形变简化为悬臂梁受分布载荷模型，可以得到测量点处的挠度和叶片偏移角之间的关系为：

最后结合两个方程可以解出测量点处的横轴方向的叶片形变量Δx及叶片偏移角α，纵轴方向的叶片形变量Δy及叶片偏移角β。其中当α,β较小时，还可以近似认为：Δx＝x-x₀，Δy＝y-y₀。

在获取叶片形变量和叶片偏移角后，信号处理装置240还可以判断叶片的形变量、形变量的微分值、偏移角和偏移角的微分值是否超过阈值，若任一超过阈值，则发出警报。其中，根据实验可以测定叶片在运行时发生的形变量和偏移角的正常变化范围，并根据该正常变化范围来设置叶片形变量和偏移角的阈值。一旦叶片发生异常形变或断裂，上述任一数值超过阈值时，系统会自动发出警报，通知工作人员设备异常。。

此外，为了增大对叶片形变的监测范围，如图10所示，装置200还可以包括：布置于叶片内表面上另一测量点处，向光屏220另一面、沿叶片轴向发射激光的另一激光发射器250，光屏220另一面与另一激光发射器250发射的激光垂直相交，并可以遮挡该激光以便其在光屏220另一面上形成光点。其中，另一测量点通常为距离光屏1/3叶片长度处。

装置200还可以包括：布置于叶片内表面上、距光屏220另一面预定距离处的另一摄像头260，其不遮挡另一激光发射器250发射的激光，该摄像头260与摄像头230相同，可以摄取另一激光发射器250发射的激光在光屏220另一面上形成光点的光屏图像。

相应地，信号处理装置240则还可以根据另一摄像头260摄取的光屏图像计算另一测量点处叶片的形变，具体计算原理与对摄像头230摄取的光屏图像的计算相同，此处不再赘述。

综上所述，风电场一般地处风力资源丰富的野外，服役环境恶劣，受载复杂，零部件的保养维护和监控成本较高。而叶片作为风力发电设备中重要的部件，其可靠性直接影响到风力发电设备的正常运转。很多重大的风机事故都起源于叶片断裂，如果能对叶片断裂进行有效监控将能避免发生事故，极大的减少损失。本发明主要通过布置激光发射器和光屏，可以直观、有效地监测叶片形变，从而达到对叶片健康状况监测的目的。同时，本发明的系统简易、稳定、可靠，安装便捷，显著降低了叶片的应变在线监测成本。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域那些技术人员应当理解在本文所公开的示例中的设备的模块或单元或组件可以布置在如该实施例中所描述的设备中，或者可替换地可以定位在与该示例中的设备不同的一个或多个设备中。前述示例中的模块可以组合为一个模块或者此外可以分成多个子模块。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

此外，所述实施例中的一些在此被描述成可以由计算机系统的处理器或者由执行所述功能的其它装置实施的方法或方法元素的组合。因此，具有用于实施所述方法或方法元素的必要指令的处理器形成用于实施该方法或方法元素的装置。此外，装置实施例的在此所述的元素是如下装置的例子：该装置用于实施由为了实施该发明的目的的元素所执行的功能。

如在此所使用的那样，除非另行规定，使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等等来描述普通对象仅仅表示涉及类似对象的不同实例，并且并不意图暗示这样被描述的对象必须具有时间上、空间上、排序方面或者以任意其它方式的给定顺序。

尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。