本發(fā)明屬于風力發(fā)電機的葉片防除冰領域，尤其是涉及一種在線監(jiān)測風機結(jié)冰特性及除冰涂層性能的裝置和方法。

背景技術：

1、自石油危機以來，在常規(guī)能源告急和全球生態(tài)環(huán)境惡化的雙重壓力下，風能作為一種可再生、無污染、儲量大、分布廣的清潔能源，越來越受國內(nèi)外的青睞。隨著風力發(fā)電行業(yè)在國內(nèi)外的快速發(fā)展，風力機的裝機容量驟增，為解決能源短缺問題提供了一種極為有效的解決方案。而隨著低溫濕潤地區(qū)風力機裝機容量的增加，風力機葉片表面發(fā)生了結(jié)冰問題，使得風力機塔架和葉片增加了載荷，降低了風力機輸出功率，破壞了風力機葉片的動態(tài)平衡，導致風力機結(jié)構發(fā)生損壞或發(fā)生故障，產(chǎn)生了經(jīng)濟損失，增加了風電場周圍的安全隱患?，F(xiàn)有的風力機防除冰方法主要分為主動除冰和被動除冰兩類，主動除冰主要包括電加熱除冰、熱氣除冰、微波除冰等，但這些方法存在能耗高、成本高等缺點；被動除冰主要包括疏水涂層法、吸熱涂料法、化學溶劑法等，主要是通過降低雨水與葉片的接觸面積和結(jié)冰的黏附力而達到防除冰的目的，其中除冰涂層法是目前風力機防除冰技術的重要研究方向，例如申請人于2022年3月22日公布的“一種應用于旋轉(zhuǎn)風力機葉片除冰的涂層及其制作方法”，申請公布號cn114213972a。

2、除冰涂層法是一種較理想的防除冰方法，具有能耗小、成本低、易于實施、防冰性能好、作用時間長、容易維護、污染小等諸多優(yōu)點，應用前景廣闊。然而目前缺少特別有效且實用的裝置對風機葉片結(jié)冰特性、除冰涂層的防除冰性能進行監(jiān)測，以優(yōu)化除冰涂層或開發(fā)除冰技術。因此，研究一種在線監(jiān)測風機結(jié)冰特性及除冰涂層性能的裝置及方法，對解決風力機結(jié)冰問題具有重要意義。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術中存在的上述不足，而提供一種在線監(jiān)測風機結(jié)冰特性及除冰涂層性能的裝置和方法，用于風力機葉片結(jié)冰特性的研究和除冰涂層的除冰性能的檢測，亦可用于研究除冰涂層的老化壽命。

2、本發(fā)明實施例解決上述問題所采用的技術方案是：一種在線監(jiān)測風機結(jié)冰特性及除冰涂層性能的裝置，其特征在于：所述裝置包括風力機支架、可調(diào)轉(zhuǎn)速驅(qū)動模塊、風力機葉片、風力機尾翼、葉片振動監(jiān)測模塊、葉片可視化模塊、氣象參數(shù)采集模塊、空氣壓縮機、流量調(diào)節(jié)閥、控制系統(tǒng)、控制信號和數(shù)據(jù)采集信號，其中

3、風力機支架，為內(nèi)部中空結(jié)構，其上方頂端設置有可調(diào)轉(zhuǎn)速驅(qū)動模塊，可調(diào)轉(zhuǎn)速驅(qū)動模塊的前端設置有風力機葉片，風力機支架用于支撐所述風力機葉片和可調(diào)轉(zhuǎn)速驅(qū)動模塊；

4、可調(diào)轉(zhuǎn)速驅(qū)動模塊，包括高速電機、聯(lián)軸器和減速機，用于驅(qū)動風力機葉片以不同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，其中高速電機由控制系統(tǒng)通過減速機控制轉(zhuǎn)速；

5、風力機葉片，包括第一葉片、第二葉片和第三葉片，所述第一葉片上涂覆有除冰涂層一，第二葉片上涂覆有除冰涂層二，第三葉片上無涂層；

6、風力機尾翼，設置于可調(diào)轉(zhuǎn)速驅(qū)動模塊的后端，用于使風力機葉片正對風向，根據(jù)風向變化對風力機轉(zhuǎn)向進行自動修正；

7、葉片振動監(jiān)測模塊，設置于風力機葉片的內(nèi)部，用于監(jiān)測每個葉片的振動信號，根據(jù)振動頻率和幅度反演計算葉片上的結(jié)冰量，同時監(jiān)測結(jié)冰對風力機安全運行的影響；

8、葉片可視化模塊，設置于風力機支架的側(cè)壁上并與控制系統(tǒng)電性連接，用于連續(xù)觀測葉片上除冰涂層的形態(tài)，判斷除冰涂層的壽命或記錄結(jié)冰氣象條件下葉片上的結(jié)冰情況，從而分析有/無除冰涂層下葉片的結(jié)冰特征及除冰涂層的除冰過程；

9、氣象參數(shù)采集模塊，與控制系統(tǒng)電性連接，包括風速傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、氣壓傳感器和支架，用于連續(xù)記錄試驗期間氣象條件參數(shù)；

10、空氣壓縮機，與控制系統(tǒng)電性連接，用于為葉片可視化模塊提供高壓氣源；

11、流量調(diào)節(jié)閥，設置于空氣壓縮機的前端，用于調(diào)節(jié)壓縮空氣的流量，避免葉片可視化模塊的光學窗口結(jié)冰；

12、控制系統(tǒng)，用于發(fā)出控制信號和接收數(shù)據(jù)采集信號，包括控制葉片的轉(zhuǎn)速，記錄氣象條件參數(shù)、葉片可視化模塊的數(shù)據(jù)及葉片振動監(jiān)測模塊的數(shù)據(jù)，形成不同氣象條件下結(jié)冰形態(tài)及結(jié)冰量與葉片振動信號相關性的模型。

13、為了精確控制葉片的轉(zhuǎn)速，優(yōu)選的，可調(diào)轉(zhuǎn)速驅(qū)動模塊中高速電機可通過控制系統(tǒng)通過減速機控制轉(zhuǎn)速，減速機的速比大于100，風速5～20m/s工況下葉片轉(zhuǎn)速可通過高速電機主動控制。由于葉片為實際風力機葉片，在高風速下若無制動裝置會失速，因此設計高速比的減速機，配合高速電機，放大電機的扭矩，控制葉片的轉(zhuǎn)速和啟停。

14、為了最大程度的利用風力機葉片開展試驗，在其中的兩個葉片前緣涂覆了不同配方的除冰涂層，另一個為無涂層的對照葉片。

15、為了得到每個葉片振動信號，所述葉片振動監(jiān)測模塊包括第一振動傳感器、第二振動傳感器、第三振動傳感器、振動信號傳輸線、振動信號采集器、振動信號存儲器、移動電源和保溫防護罩；為了便于監(jiān)測到風力機葉片的振動信號，在葉片振動監(jiān)測模塊中每一個振動傳感器分別對應一個風力機的葉片，三個振動傳感器安裝在距葉片葉尖三分之一至五分之一處，隨葉片一起旋轉(zhuǎn)；為了本裝置安全運行和便于振動信號的采集(第一振動傳感器、第二振動傳感器、第三振動傳感器和葉片一起旋轉(zhuǎn))，振動信號采集器、數(shù)據(jù)儲存器、移動電源和保溫罩固定在風力機中心，隨葉片一起旋轉(zhuǎn)，振動信號采集器將來自第一振動傳感器、第二振動傳感器、第三振動傳感器的振動信號保存在數(shù)據(jù)儲存器中，或通過無線發(fā)射模塊傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)。由于對隨葉片旋轉(zhuǎn)的第一振動傳感器、第二振動傳感器、第三振動傳感器和振動信號采集器直接供電較難，因此本發(fā)明采用移動電源為第一振動傳感器、第二振動傳感器、第三振動傳感器和振動信號采集器供電。由于風力機運行時低溫天氣較多，為了保證振動信號采集器、數(shù)據(jù)儲存器和移動電源在低溫下持續(xù)運行，在振動監(jiān)測模塊周圍安裝了保溫防護罩。

16、優(yōu)選的，所述葉片可視化模塊包括相機、脈沖光源、信號探測器和信號發(fā)生器，所述相機位于葉片可視化模塊的最前端，且相機與脈沖光源、信號探測器齊平布置，所述信號發(fā)生器位于相機的后方并接收信號探測器發(fā)出的信號，同時信號發(fā)生器發(fā)出觸發(fā)信號給相機和脈沖光源，由脈沖光源發(fā)光時相機記錄被照亮葉片的圖像。為了得到葉片上涂層或結(jié)冰的可視化圖像，所述結(jié)冰可視化模塊安裝在距風力機支架頂端1/2～1/3位置處。

17、為了有利于拍攝到完整葉片，所述葉片可視化模塊分為若干組，相機聚焦于最先結(jié)冰的葉片前緣，通過多組布置拼接記錄整個葉片前緣圖像或前緣結(jié)冰圖像。

18、由于葉片在旋轉(zhuǎn)，為了精確記錄動態(tài)旋轉(zhuǎn)下葉片的可視化圖像，在葉片可視化模塊中安裝了信號探測器和信號發(fā)生器，所述信號探測器用于探測葉片的位置，當葉片前緣進入相機拍攝視場時，信號探測器被觸發(fā)，將信號傳遞給信號發(fā)生器，信號發(fā)生器接收信號后將信號傳遞至相機，相機進行捕捉拍攝，記錄葉片表面結(jié)冰狀態(tài)或涂層表面狀態(tài)。為了便于在夜間或光線不足時拍攝葉片表面形態(tài)，在葉片可視化模塊中安裝了脈沖光源，受控制系統(tǒng)和信號發(fā)生器控制，在接收到信號發(fā)生器的信號時開始工作，發(fā)光照亮相機視場。

19、優(yōu)選的，所述葉片可視化模塊還包括高壓空氣接口、均流室、內(nèi)層氣體均流格柵、內(nèi)層壓縮空氣保護氣膜和外層壓縮空氣保護氣膜，所述高壓空氣接口的一側(cè)與流量調(diào)節(jié)閥相連，另一側(cè)分別與均流室、內(nèi)層氣體均流格柵連通，由于一般結(jié)冰時空氣濕度大，為了避免葉片可視化模塊中相機鏡頭在結(jié)冰氣象條件下結(jié)冰影響觀測，本發(fā)明布置了空氣壓縮機，用于為葉片可視化模塊提供高壓氣源，并安裝了流量調(diào)節(jié)閥，用于調(diào)節(jié)壓縮空氣的流量。在葉片可視化模塊中設計了內(nèi)、外層壓縮空氣流道，形成內(nèi)層壓縮空氣保護氣膜和外層壓縮空氣保護氣膜，且可以通過調(diào)節(jié)壓縮空氣流量調(diào)節(jié)閥的開度，調(diào)節(jié)保護氣膜剛性。

20、通過布置葉片可視化模塊，可以實時監(jiān)測葉片涂層的狀態(tài)，研究涂層的老化過程，包括葉片涂層表面沾污狀態(tài)，涂層受風蝕情況，為優(yōu)化涂層提供基礎數(shù)據(jù)；或在結(jié)冰氣象條件下，記錄葉片上結(jié)冰過程和涂層上冰塊的脫落過程，對比分析涂層的除冰效果和涂層的除冰機理。

21、優(yōu)選的，所述控制系統(tǒng)分析無結(jié)冰氣象條件下涂層的外觀形貌(例如：風力機葉片表面灰塵沾污、風蝕、局部破損情況)，得到涂層的老化壽命特征，在結(jié)冰氣象條件下記錄葉片結(jié)冰形態(tài)和振動信號，得到有/無涂層葉片結(jié)冰形貌特征和振動特征。

22、本發(fā)明的葉片振動監(jiān)測模塊與葉片可視化模塊相互耦合，研究解決風力機結(jié)冰問題。一方面對風力機利用除冰涂層的除冰性能進行試驗驗證，為解決風力機結(jié)冰問題提供解決方法；另一方面，葉片振動監(jiān)測模塊可以獲得不同結(jié)冰條件下風機葉片振動頻率和幅值信號，葉片可視化模塊直接顯示結(jié)冰量的變化，根據(jù)葉片可視化模塊的結(jié)冰量變化數(shù)據(jù)，可以解耦計算振動信號與結(jié)冰量的定量關系式，得到風機葉片振動信號與結(jié)冰量的數(shù)學模型。

23、所述控制系統(tǒng)根據(jù)葉片可視化模塊記錄的葉片結(jié)冰形貌計算葉片上結(jié)冰的質(zhì)量，計算公式如下：

24、

25、其中，

26、m冰為風力機葉片上結(jié)冰質(zhì)量，單位是kg；

27、ρ冰為冰塊的密度，明冰和霜冰取不同數(shù)值(根據(jù)形貌判斷)，單位是kg/m3；

28、δ0+為風力機葉片的厚度，單位是m；

29、為第i組相機記錄的葉片上結(jié)冰面積，單位是m2；

30、為第j組相機記錄的葉片上結(jié)冰面積，單位是m2；

31、li1和li2分別指第i組相機記錄視場距離葉根的距離，單位是m；

32、lj1和lj2分別指第j組相機記錄視場距離葉根的距離，單位是m；

33、h(li)為第i組相機記錄視場內(nèi)葉片上結(jié)冰高度隨距離葉根距離的變化，單位是m；

34、h(lj)為第j組相機記錄視場內(nèi)葉片上結(jié)冰高度隨距離葉根距離的變化，單位是m；

35、dli為第i組相機記錄視場內(nèi)葉片上結(jié)冰高度積分微元，單位是m；

36、dlj為第j組相機記錄視場內(nèi)葉片上結(jié)冰高度積分微元，單位是m。

37、優(yōu)選的，根據(jù)葉片結(jié)冰質(zhì)量數(shù)據(jù)從而定量評估涂層的性能，結(jié)合葉片振動的特征頻率(多個頻率)數(shù)據(jù)，從而標定葉片結(jié)冰質(zhì)量與葉片特征頻率的關系式：

38、

39、m冰＝m1-m0

40、其中，

41、m0為葉片或涂涂層葉片固有質(zhì)量，單位是kg；

42、m1為葉片結(jié)冰后質(zhì)量，單位是kg；

43、m冰為葉片上冰塊質(zhì)量，單位是kg；

44、k1，k2，k3為系數(shù)；

45、n1，n2，n3為系數(shù)；

46、f01，f02，f03為葉片無結(jié)冰時特征頻率，單位是hz；

47、f11，f12，f13為葉片結(jié)冰后特征頻率，單位是hz。

48、根據(jù)葉片可視化模塊得到葉片上的結(jié)冰量，葉片振動監(jiān)測模塊記錄不同結(jié)冰量下葉片振動的特征頻率，通過多組數(shù)據(jù)求解得到葉片質(zhì)量與葉片振動特征頻率的關系式。通過計算結(jié)冰后葉片的重量與原葉片重量差，可以得到葉片上冰塊的重量。

49、在實際大風機的應用中，較難布置多組相機記錄葉片結(jié)冰全部形貌，因此根據(jù)葉片振動信號與結(jié)冰量的數(shù)學模型，可以從葉片的振動信號推算葉片結(jié)冰量，葉片上的結(jié)冰高度與葉尖(葉片端部較細的一側(cè))到葉根(葉片端部較粗的一側(cè))的距離成正比，根據(jù)冰塊的質(zhì)量進而可以推算葉片上的結(jié)冰高度，評估葉片結(jié)冰對風力機運行安全性的影響。

50、由于現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)復雜，對除冰涂層除冰性能和老化壽命研究影響較大，為了研究影響除冰涂層的氣象參數(shù)影響，氣象參數(shù)采集模塊設置了風速傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、氣壓傳感器。

51、由于在不同的氣象條件下，風力機葉片的結(jié)冰的形態(tài)也不同，為了便于記錄不同氣象參數(shù)條件下的結(jié)冰形態(tài)，氣象參數(shù)采集模塊在試驗過程中連續(xù)運行，并將參數(shù)傳遞至控制系統(tǒng)。

52、為了實現(xiàn)在線監(jiān)測風力機結(jié)冰特性及除冰涂層性能的裝置自動化運行，控制系統(tǒng)根據(jù)氣象參數(shù)采集模塊到的氣象參數(shù)條件，判斷是否會結(jié)冰，進行相機拍攝頻率的調(diào)整和振動監(jiān)測模塊的起停。

53、本發(fā)明還提供了一種在線監(jiān)測風機結(jié)冰特性及除冰涂層性能的方法，包括如下步驟：

54、s1：控制系統(tǒng)根據(jù)接收到的氣象參數(shù)或人工干預判斷是否會引起葉片結(jié)冰，如無結(jié)冰條件，本裝置將按第s2、s3、s4、s5步驟運行，如有結(jié)冰條件，本裝置將按第s2、s3、s5、s6、s7、s8驟運行；

55、s2：氣象參數(shù)采集模塊連續(xù)采集風力機運行時的氣象參數(shù)條件，為控制系統(tǒng)提供判斷參數(shù)；

56、s3：本裝置根據(jù)風力機葉片葉尖旋轉(zhuǎn)線速度，在高速電機的驅(qū)動下連續(xù)模擬風力機葉片的旋轉(zhuǎn)線速度，風力機尾翼根據(jù)風向變化對轉(zhuǎn)向進行自動修正；

57、s4：當葉片前緣進入相機拍攝視場時，信號探測器被觸發(fā)，將信號傳遞給信號發(fā)生器，信號發(fā)生器接收信號后給脈沖光源信號讓其發(fā)光(光線充足時脈沖光源暫停工作)，同時信號傳遞至相機，相機進行捕捉拍攝，每三次拍攝為一個循環(huán)，每小時進行一次循環(huán)拍攝，每個循環(huán)分別拍攝涂有配方一的第一葉片、配方二的第二葉片和無涂層的第三葉片(例如：配方一為專利cn114213972b，配方二為專利cn114213972b涂層加0.2～0.3％疏水性氣相二氧化硅)，記錄涂層表面狀態(tài)，對多種不同配方的除冰涂層進行老化壽命研究；

58、s5：空氣壓縮機將常壓冷空氣加壓為高壓空氣，高壓空氣經(jīng)流量調(diào)節(jié)閥調(diào)壓后，由高壓空氣接口進入均流室和內(nèi)層氣體均流格柵，經(jīng)均流后壓縮空氣分別進入內(nèi)、外層壓縮空氣流道，并形成內(nèi)層壓縮空氣保護氣膜和外層壓縮空氣保護氣膜，避免葉片可視化模塊中相機鏡頭被在結(jié)冰氣象條件下結(jié)冰影響觀測；

59、s6：葉片振動監(jiān)測模塊接收到控制系統(tǒng)的信號后開始工作，移動電源為第一振動傳感器、第二振動傳感器、第三振動傳感器和振動信號采集器供電，第一振動傳感器、第二振動傳感器、第三振動傳感器將振動信號經(jīng)振動信號傳輸線將信號傳遞至振動信號采集器，由振動信號儲存器儲存振動頻率和幅度；

60、s7：當控制系統(tǒng)判斷出結(jié)冰條件時，當葉片前緣進入相機拍攝視場時，信號探測器被觸發(fā)，將信號傳遞給信號發(fā)生器，信號發(fā)生器接收信號后給脈沖光源信號讓其發(fā)光，同時信號傳遞至相機，相機進行捕捉拍攝，每三次拍攝為一個循環(huán)，每分鐘進行一次循環(huán)拍攝，每個循環(huán)分別拍攝涂有配方一的第一葉片、配方二的第二葉片和無涂層的第三葉片，記錄風機葉片表面和涂層表面結(jié)冰狀態(tài)，對多種不同配方的除冰涂層進行除冰性能研究；

61、s8：在結(jié)冰時，控制系統(tǒng)(10)根據(jù)葉片上結(jié)冰的形貌特征及圖像計算葉片結(jié)冰質(zhì)量，結(jié)合葉片振動的特征頻率數(shù)據(jù)，解耦葉片結(jié)冰質(zhì)量與葉片特征頻率的關系，形成不同氣象條件下結(jié)冰形態(tài)及結(jié)冰量與葉片振動信號相關性的模型。

62、本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下一條或多條優(yōu)點或效果：本發(fā)明的一種在線監(jiān)測風機結(jié)冰特性及除冰涂層性能的裝置及方法，可以監(jiān)測風力機葉片結(jié)冰后載荷變化對風力機性能的影響，可以對除冰涂層的防除冰性能進行測試，并對除冰涂層的老化壽命研究，對涂層的使用周期做定量分析。