基于物联网的风力发电叶片测距雷达装置的制作方法

1.本实用新型涉及新能源电力系统中风力发电设备组件技术领域，特别是风力发电叶片测距雷达装置，具体是一种新的基于iot技术的风力发电叶片测距雷达系统，可用于电力系统的风力发电机组中。


背景技术：

2.近年来，随着新能源电力发电系统的快速发展，风力发电得到了深入而广泛的研究和建设，陆基、海基的风力发电机组得到了国家新基建的大面积建设。在新能源建设的大环境下，风力发电设备的单台功率逐步增强，发电系统的叶片尺寸逐步增长，同时由于成本和重量的限制，叶片采用了新材料来制造，随着风速的加强，叶片的受力巨大，叶片很容易在旋转过程中发生弯曲，容易撞击风机塔筒，形成对机组的损坏，造成重大损失，因此全天候，全气候的测试叶片和塔筒的距离是现代风力发电系统所必须的测试向量。利用测试的距离信息，发电机组可以实时的对系统进行控制，甚至安全停机，从而保证风力发电系统的安全运行。在这种背景之下，具有较大优势的毫米波雷达测距系统成为了研究热点。
3.一般的毫米波雷达测距系统应用于风叶测距系统时，利用毫米波雷达发射调频连续波(fmcw)来获取目标的位置信息，毫米波雷达通常安装在塔顶位置，毫米波雷达向位于80米
‑
100米的风叶发射fmcw信号，完成叶片的直线测距和测角。当测试到叶片的直线距离和角度后，通过坐标变换，就可以间接估计出来叶片和塔筒的距离。这种方案目前面临着几个重大难点问题，一是在80米
‑
100米处的距离测试精度，因为毫米波是斜入射打到叶片上的，在远距离时入射角度(这里定义为波矢和叶片水平面的角度)非常小，此时雷达的反射界面(rcs)非常小，导致回波功率水平较低，这会导致雷达系统的测试精度降低；另外一个问题是，80米
‑
100米处的测角的精度难以保证，由于目前雷达系统的发射和接收天线孔径有限，角度分辨率一般在5度左右，在这种测试精度下的角度误差会比较大，难以满足系统精度要求。最后一个问题是，整个风叶毫米波雷达需要放置在塔顶位置，由于安装位置的限制，风叶和塔柱重合时，塔柱将遮挡毫米波，无法测量风叶和塔柱间的距离，因此一般毫米波雷达测试的风叶和塔柱之间的距离不是直接距离，这将导致测试误差，并造成一定程度的系统误差，因此需要人们提出新的能够准确测量风叶和塔柱距离的毫米波雷达系统。


技术实现要素：

4.本实用新型公开了一种基于物联网的风力发电叶片测距雷达装置，提供了一种新的风叶测距系统设计方案，具有可靠性高、易于实现、低成本、低功耗、高性能，便于批量生产的特点。
5.一种基于物联网的风力发电叶片测距雷达装置，包含多个探测方向的毫米波雷达模块，iot通信模块，电池模块，太阳能充电模块，iot主机模块，以及橡胶线缆。其中，毫米波雷达模块，iot通信模块，电池模块统一包裹在橡胶线缆中，太阳能充电模块在橡胶线缆表层，由透明塑料层包裹；iot 主机模块位于塔顶处，与风力发电组进行信息交互，为风力发
电机组的控制提供信息。毫米波模块通过发射和接收毫米波调频连续波完成区域内的叶片精确测距，测距信息将实时的通过iot模块，发射到iot主机处，iot主机将信息汇总发送给风力发电机组，以便机组进行控制，整个设计通过iot的低功耗设计，由太阳能电池进行供电，可以长时间高可靠性的工作。
6.在其中一个实施例中，系统采用了多个低成本毫米波雷达模块，毫米波雷达模块完成叶片测距功能。
7.在其中一个实施例中，雷达装置和iot模块包括在橡胶线缆中，太阳能充电模块位于橡胶线缆表层。
8.在其中一个实施例中，雷达模块可以工作在毫米波的频段，如60ghz， 77ghz等。
9.在其中一个实施例中，雷达模块通过发射线性调频连续波完成测距的功能，雷达模块采用一发一收，多发多收等多种模式进行距离测量。
10.在其中一个实施例中，雷达模块采用片上天线的形式，天线方向图为单个贴片天线方向图，水平和俯仰覆盖角度为正负45度，通过多个雷达模块相互工作，覆盖360度的范围。
11.在其中一个实施例中，雷达模块和iot模块都工作于低功耗情况下，整个装置通过电池供电，通过太阳能充电。
12.在其中一个实施例中，位于线缆中iot终端与位于塔顶的iot主机通过无线信号实时传输，iot主机综合整个雷达的测距信息后实时向控制台进行距离信息传输。
13.在其中一个实施例中，包裹雷达模块和iot模块的为橡胶、塑料等防水，耐腐蚀，耐磨损等材料。
14.在其中一个实施例中，整体装置的安装方式为一次性安装，后期不需要维护。
15.在其中一个实施例中，为了节省功耗，雷达装置可以接收控制主机的信息，进入睡眠状态。
16.在其中一个实施例中，整个装置具有低成本的特点，雷达模块和iot模块采用超低成本方案，外表面包裹形状为开模聚后一次成型设计，达到高可靠性，低成本的目的。
17.上述的基于物联网的风力发电叶片测距雷达装置，采用低成本的毫米波雷达和物联网系统，毫米波雷达通过实时的发射和接收线性调频连续波来直接测视风力发电叶片和塔柱的距离，因为直接测量时距离远小于80m
‑
100m 的测试情况，本实用新型的整个雷达信号的信噪比远高于传统方法，可以简化整体系统方案，并能达到优越的性能。与此同时，本实用新型采用iot的方法，可以极大的降低整体成本。通过一次性安装电池和太阳能充电装置，可以保证本实用新型的基于物联网的风力发电叶片测距系统24小时可靠工作。所以，本实用新型的新型风力发电叶片测距雷达装置具有高性能，易生产，低成本，低功耗等特点，可以广泛应用于陆基、海基的风力发电机组中去。
附图说明
18.图1为本实用新型实例提供的一种基于物联网的风力发电叶片测距雷达装置的安装位置测视图；
19.图2为本实用新型实例提供的一种基于物联网的风力发电叶片测距雷达装置的安装位置正视图；
20.图3为图1中基于物联网的风力发电叶片测距雷达装置的传感器部分(2) 的结构图；
21.图4为图3中毫米波雷达模块(2
‑
1)的片上天线的一种分布形式图。
22.图5为图4中毫米波雷达模块的片上天线的方向图；
23.图6为图3中毫米波雷达模块的发射波形和工作模式图；
具体实施方式
24.为了便于理解本实用新型，下面结合附图和实施例对本实用新型作详细说明。附图中给出了本实用新型的一部分实施例，而不是全部实施例。本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
25.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
26.实施例
27.图1为一种基于物联网的风力发电叶片测距雷达装置的安装位置图，图 2为本实用新型实例提供的一种基于物联网的风力发电叶片测距雷达装置的安装位置正视图，如图1和图2所示，该基于物联网的风力发电叶片测距雷达装置的传感器部分(2)安装在塔柱上(1)，装置的iot主机(4)安装在塔台(5) 上，传感器部分(2)通过毫米波雷达发射和接收线性调频连续波信号来测试塔柱(1)和风叶(2)之间的距离，传感器部分(2)中的iot终端与塔台(5)上的iot 主机(4)进行通信，iot主机(4)汇总传感器部分(2)的整体信息后，将塔柱(1) 和风叶(2)之间的距离信息发送给风力发电系统。风力发电设备通过距离信息进行风叶(2)的控制。
28.图3为图1中基于物联网的风力发电叶片测距雷达装置的传感器部分(2) 的结构图，传感器部分(2)由多个探测方向的毫米波雷达模块(2
‑
1)，iot通信模块(2
‑
2)，电池模块(2
‑
3)，太阳能充电模块(2
‑
4)以及橡胶线缆组成(2
‑
5)。多个探测方向的毫米波雷达模块(2
‑
1)工作与60ghz
‑
65ghz，可以发射和接收线性调频连续波，通过快速的傅立叶运算，可以输出图1中塔柱(1)和风叶(2)之间的距离；iot通信模块(2
‑
2)负责和图1中的iot主机(2
‑
3)通信，主要为上报距离信息；电池模块(2
‑
3)为毫米波雷达模块(2
‑
1)和iot通信模块(2
‑
2)等电子设备供电；太阳能充电模块(2
‑
4)通过接收太阳能对电池模块(2
‑
3)进行充电，保证整个大系统能够长时间24小时工作。为了达到防水防雨等作用，毫米波雷达模块(2
‑
1)，iot通信模块(2
‑
2)和电池模块(2
‑
3)包裹在橡胶(2_5)内部，太阳能充电模块(2
‑
4)由透明材料如塑料包裹。
29.图4为图3中毫米波雷达模块(2
‑
1)的片上天线的一种分布形式。该雷达工作在一个发射，三个接收状态，接收可以具有水平和俯仰的分辨率，在信号处理中将三个接收到的信号进行非相干处理，可以调高信噪比，增加探测精度。
30.图5为图4中毫米波雷达模块的片上天线的方向图，该片上天线可以覆盖 /
‑
45度的探测范围，因此可以布置4组传感器完成360度的探测。此处需要说明的是，因为整体传感器成本低廉，为了探测的准备度，可以布置多组，例如8组传感器，来完成360度的覆盖。传感器的尺寸较小，而塔柱的直径较大，在空余部分可以布置较多的电池模块(2
‑
3)和太阳能充电模块(2
‑
4)，保证整体传感器模块的长时间可靠工作。
31.图6为图3中毫米波雷达模块的发射波形和工作模式，发射的线性调频连续波在t
s
的时间中扫频了f
s
的频率，回波型号经过t
return
的时间回到雷达，经过混频器的处理，可以求的t
return
为:
[0032][0033]
其中f
b
为中频频率，进一步可以求的距离r为：
[0034][0035]
根据上述公式，通过在后端处理器中简单的快速傅里叶运算，可以直接获得风叶和塔柱之间的距离，由于本实用新型采用了直接距离测量的方案，因此系统的信噪比较高，可以采用一个线性调频连续波的计算得到距离信息，算法要求较低。
[0036]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0037]
以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。