【技術領域】

新能源

【研究背景】

在碳達峰碳中和的“雙碳”背景之下，風電作為綠色清潔能源之一正在全世界迅猛發(fā)展。葉片是風力發(fā)電機的關鍵部件，由于風力發(fā)電機長期在高山、沙漠、海洋等氣候條件惡劣的地方工作，在重載荷，大扭矩以及鹽霧侵蝕下，導致葉片出現(xiàn)裂紋、砂眼、腐蝕孔、開裂等缺陷，如果不能及時發(fā)現(xiàn)和維修，隨著裂紋和腐蝕孔的擴大將會導致葉片斷裂，給風場帶來巨大的經(jīng)濟損失和安全問題。如何保證風力發(fā)電機組長年安全、正常運行是風電發(fā)展的一個極具挑戰(zhàn)性的問題。因此，為了能夠盡早地發(fā)現(xiàn)風力發(fā)電機葉片的故障，以便根據(jù)實際狀況有計劃的實施維修，避免由于突發(fā)事故導致的經(jīng)濟損失、安全威脅、社會影響，進行風力發(fā)電機葉片遠程在線實時智能健康監(jiān)測具有十分重要的現(xiàn)實意義和廣闊的應用前景。 

【成果介紹】

本系統(tǒng)能對風力發(fā)電場的風機葉片進行分布式遠程在線智能健康監(jiān)測，系統(tǒng)組成如圖1所示，該系統(tǒng)包括戶外麥克風、信號采集與通信單元、光網(wǎng)絡和風場監(jiān)控中心服務器等。戶外麥克風以非接觸的方式采集風機葉片運行時產(chǎn)生的聲信號，并傳送給數(shù)據(jù)采集與通信單元，由通信單元將采集的信號通過網(wǎng)絡上傳至監(jiān)控中心服務器，服務器包括接收端通信單元、信號處理與特征提取模塊、神經(jīng)網(wǎng)絡和用戶交互應用軟件，由神經(jīng)網(wǎng)絡對風機葉片的健康狀態(tài)進行判斷，對缺陷進行分類，并發(fā)出報警。服務器交互應用軟件能給用戶提供友好的交互界面，用戶可以通過PC機和手機遠程登錄服務器，實時查看聲音監(jiān)測信息，如時域圖、頻域圖、時頻域圖等，也可以聽取原始聲信號，獲得授權的工作人員可以對給出的故障信號進行再一次確認，并給出標注，還可以調(diào)取其歷史記錄，幫助用戶分析。該系統(tǒng)能夠遠程實時非接觸監(jiān)測各風機葉片的健康狀態(tài)并及時反饋給用戶，有效解決了檢測設備不易安裝維護、無法遠程在線監(jiān)測、實時性差等技術問題。

【技術優(yōu)勢】

最新裝機的風電機組一般都在1兆瓦以上，葉片直徑可達七八十米甚至上百米。對于旋轉(zhuǎn)設備的缺陷檢測來說，傳統(tǒng)的方法多為接觸式檢測法，存在傳感器安裝困難，檢測范圍有限等技術障礙，本成果開發(fā)的基于聲學特征的風機葉片遠程在線智能健康監(jiān)測系統(tǒng)具有成本低、非接觸、測量范圍大、安裝方便等優(yōu)點。

無論對于陸地風機或海洋風機來說，要像對通常的設備那樣進行日常的維護幾乎是不可能，每個風場都由許多分散的風力發(fā)電機組組成，由于風力發(fā)電機均工作在荒山、沙漠或海洋上，為了能夠有效地對所有機組進行監(jiān)測，就需要有能夠?qū)Ψ稚⒌娘L力發(fā)電機組進行統(tǒng)一有效監(jiān)測的網(wǎng)絡及服務器系統(tǒng)，本系統(tǒng)可實現(xiàn)分布式遠程實時智能監(jiān)測，提供了友好的人機交互功能，能夠?qū)⑷~片健康狀態(tài)直觀地呈現(xiàn)給用戶，從而在葉片出現(xiàn)故障時及時預警，便于用戶采取相應的措施，保證風力發(fā)電機的正常運行。

【市場前景】

目前全球范圍內(nèi)發(fā)展風電產(chǎn)業(yè)的國家高達90多個，其中尤以中國、美國、印度、西班牙和瑞典為主，總計占全球７３％的份額。近年來，中國后來者居上已逐步取代美國成為具備世界最大規(guī)模的風電市場，我國風電累計裝機容量突飛猛進，從無到有，現(xiàn)已占全球累計裝機容量的百分之三十多，實現(xiàn)了從追趕到引領的偉大歷史跨越。2022年1月26日，國家能源局發(fā)布2021年全國電力工業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)。 截至2021年12月底，風電裝機容量約3.3億千瓦，同比增長16.6%。同時，2021年海上風電異軍突起，全年新增裝機1690萬千瓦，是此前累計建成總規(guī)模的1.8倍，目前累計裝機規(guī)模達到2638萬千瓦，躍居世界第一。

安裝風力發(fā)電機葉片遠程在線智能健康監(jiān)測系統(tǒng)后，能夠及時發(fā)現(xiàn)風力發(fā)電機葉片的故障，防止故障繼續(xù)擴大，如任由故障發(fā)展，可能導致葉片報廢，甚至發(fā)生機組倒塌，單臺更換整套葉片成本約爲210萬，葉片運輸費30萬，吊裝費30萬，直接經(jīng)濟損失270萬，如果發(fā)生機組倒塌，直接經(jīng)濟損失500萬。如果某公司運行風機為5萬臺，估算每年有10%的機組進行葉片更換，每年直接經(jīng)濟損失將減少40.5億元。

因此，風力發(fā)電機葉片遠程在線智能健康監(jiān)測系統(tǒng)具有廣闊的市場前景。