基于光纤检测系统的风电叶片多区域损伤在线定位机理研究

As the most critical and core component of the wind power generation system, the safety performance of wind turbine blades plays a decisive role in the performance and operation status of the whole system. In particular, with the arrival of the design life of wind turbine blades for 20 years, the wind power blades that have been put into operation are entering the critical period of peak maintenance. Therefore, realization of wind turbine blades on-line detectionhas becomes the hot spot which at present studies. The main research goal is to study the online optical fiber detection system of wind turbine blades and its multi-area damage on-line location. Firstly, this project studies new fiber optic detection elements, flexible optical fiber connectors and high-frequency optical fiber signal demodulation elements based on MOEMS, and optimizes the layout of optical fiber detection elements, so as to realize the on-line detection of wind turbine blades. Secondly, the strain transmission loss compensation model between fiber optic detection element and wind turbine blade is studied and proposed, and then an improved signal extraction and recognition method is proposed for wind turbine blade multi-area damage mixed signal. Finally, the 3D surface damage location algorithm of wind turbine blade is studied and verified, and the mechanism research of multi-area damage on-line location is realized. To overcome the disadvantages of off-line detection and difficult signal extraction, the project adopts the non-destructive contact online detection method and lays solid foundation for the rapid and intelligent health development of wind power generation system.

风电叶片作为风力发电系统的核心关键部件，其本身的安全性能对于整个系统的发电性能及运行状态起着决定性的作用。特别是随着风电叶片设计寿命20年的到来，已投入运行的风电叶片正进入检修的高峰关键时期。因此，如何实现风电叶片的在线检测已经成为目前研究的热点。本课题以研究风电叶片光纤在线检测系统及其多区域损伤在线定位机理作为主要研究目标，首先，研究新型光纤检测元件、柔性光纤连接器及基于MOEMS的高频光纤信号解调元件，并优化光纤检测元件布设方式，从而实现风电叶片的光纤在线检测；其次，研究并提出光纤检测元件与风电叶片的应变传递损耗补偿模型，进而针对风电叶片多区域损伤混合信号提出改进的信号提取识别方法；最终，研究并验证风电叶片三维曲面损伤定位算法，实现其多区域损伤在线定位机理的研究。本课题采用无损接触式在线检测方式，克服了以往停机离线检测、信号难提取等弊端，为风力发电系统的快速智能健康发展奠定坚实的基础。

本项目围绕国家“十四五”发展规划推动绿色发展，促进人与自然和谐共生的新能源技术，以实现风电叶片光纤在线检测系统及其多区域损伤在线定位机理作为主要研究目标，主要完成：1）风电叶片光纤在线检测系统研究：项目研究新型光纤检测元件与柔性光纤旋转连接器、优化光纤检测元件的布设，并基于MOEMS技术研发高精度高频的光纤解调方式，实现风电叶片的光纤在线检测系统。进而，建立了FBG弧度应变传感器在曲面与平面之间的应变传递机理模型，并提出了其对FBG反射光谱的影响模型。数据分析得出：①随着光纤光栅弧度应变传感器长度的增加，应变传递系数、最大值和平均值均增大。②在实际应用中，为了保证较大的应变传递系数和FBG弧度应变传感器的精度，FBG应变传感器长度与被测物体半径的比值应大于8.75%，胶层厚度可选择1.3mm。③在上述条件下，FBG弧度应变传感器的FBG反射光谱没有变宽。2）风电叶片多区域损伤光纤混合信号的提取与识别：①为了实现异质光纤光栅光谱的有效分离，本项目提出了一种基于传输矩阵和自适应算法的HFGPS方法。经过仿真实验数据分析，分离出的光谱信号与非均匀原始信号的相对误差不大于5%，该分离算法可以实现单波长混合或多波长混合的非均匀光谱高效分离，精度较高。②为了减少传感器的数量，降低损伤检测系统的成本，本项目研究了一种改进的快速ICA算法。为了解决分离后原始信号的序列识别问题，引入Kendall秩相关系数，提出了改进的快速ICA。经过仿真实验的数据分析，本项目提出的改进的快速ICA能够实现混合信号的提取和识别，有效地解决了分离出的原始信号的序列识别问题。3）风电叶片多区域损伤在线定位机理研究：本项目主要使用SolidWorks对风电叶片进行建模，再利用ANSYS workbench对SolidWorks的模型进行应力分析，掌握风电叶片的应力承受范围。最后，对于风电叶片的损伤分析，给风电叶片添加一个小裂纹，从而去得到有裂纹的风电叶片的应力分析。与之前的应力分析进行对比，从而为风电叶片的优化做好了进一步准备。