Как оптоволокно определяет силу ветра на ветрогенераторах?
На больших ветрогенераторах (WTG) основной физический механизм оптоволоконного зондирования ветра (аэродинамические нагрузки и ветровые тяги) заключается в «косвенном измерении деформации»: само оптоволокно не подвергается прямому воздействию ветра, а используется как среда для измерения деформации, встроенная в композитную ламинатную структуру лопасти или прикрепленная к поверхности лонжеронов и обшивки лопасти.
Полный процесс механического и оптического зондирования выглядит следующим образом:
1. Цепочка передачи и преобразования силы (аэродинамика \rightarrow деформация конструкции \rightarrow оптический сигнал)
-
Аэродинамические нагрузки и изгибная деформация
Когда поток воздуха проходит через профиль лопасти, создаются аэродинамические подъемные и тормозные силы, которые суммируются в виде тяговых нагрузок, действующих на конструкцию лопасти. Эти нагрузки вызывают микродеформации изгиба и кручения лопасти длиной от десятков до сотен метров в направлениях взмаха (Flapwise) и отклонения (Edgewise). -
Передача деформации матрицы к сердцевине оптоволокна
Согласно принципам механики материалов, при изгибающем моменте M, действующем на поперечное сечение лопасти, на поверхности и во внутренних лонжеронах возникает продольная механическая микродеформация \varepsilon :\varepsilon = \frac{y}{\rho} = \frac{M y}{E I}Оптический датчик через герметизацию конструкции создает жесткую механическую связь с полимерной матрицей, и микродеформация лопасти передается на сердцевину оптоволокна без проскальзывания.
-
Фотоупругий эффект и модуляция длины волны в волоконно-оптической решетке (FBG)
В ветроэнергетике широко используется технология волоконно-оптических брэгговских решеток (Fiber Bragg Grating, FBG). Центральная длина волны отражения FBG \lambda_B удовлетворяет условию Брэгга:\lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \Lambda(где n_{\text{eff}} — эффективный показатель преломления сердцевины, \Lambda — период решетки)
Когда лопасть деформируется под действием ветровой нагрузки:
- Механическое растяжение или сжатие изменяет период решетки \Lambda ;
- Фотоупругий эффект изменяет эффективный показатель преломления n_{\text{eff}}.
Интегральное уравнение смещения длины волны \Delta \lambda_B относительно продольной деформации \varepsilon и изменения температуры \Delta T выглядит следующим образом:
\frac{\Delta \lambda_B}{\lambda_B} = (1 - p_e) \varepsilon + (\alpha_\Lambda + \zeta) \Delta T(где p_e — эффективный фотоупругий коэффициент оптоволокна, \alpha_\Lambda — коэффициент теплового расширения, \zeta — термооптический коэффициент)
-
Демодуляция длины волны и инверсия нагрузки
Демодулятор с высокой частотой дискретизации (обычно от сотен до тысяч герц) фиксирует смещение отраженной длины волны \Delta \lambda_B. После температурной компенсации точно измеряется микродеформация (единица измерения: \mu\varepsilon). Затем, с учетом жесткости поперечного сечения лопасти ветрогенератора и алгоритмов аэродинамики, в реальном времени можно инвертировать ветровые тяги, отклонение законцовки лопасти, аэродинамический демпфирование и эквивалентную скорость набегающего потока. Это обеспечивает входные данные для независимого управления шагом (IPC) и стратегий снижения нагрузки ветрогенератора.
2. Почему оптоволоконные датчики используются в лопастях ветрогенераторов?
- Естественная изоляция и защита от молний：Лопасти ветрогенераторов расположены на высоте сотен метров и подвергаются частым ударовым воздействиям молний. Традиционные электрические датчики деформации (например, тензорезисторы) используют медные провода, которые легко сгорают от молний или выходят из строя из-за пробоя в шкафу управления; оптоволокно изготавливается из полностью диэлектрического диоксида кремния (кварца), что обеспечивает полную защиту от электромагнитных помех (EMI) и устойчивость к ударам молний.
- Высокий срок службы при усталости и коррозионная стойкость：Лопасти ветрогенераторов подвергаются сотням миллионов циклов знакопеременных нагрузок в течение срока службы 20–25 лет. Оптоволокно из кварца обладает превосходными свойствами устойчивости к усталости и старению.
- Последовательное соединение нескольких датчиков на одной линии с использованием спектрального мультиплексирования (WDM)：Используя технологию спектрального мультиплексирования, на одной линии оптоволокна можно последовательно нанести несколько FBG-датчиков с различными характеристиками отражения. Эти датчики, расположенные вдоль лопасти от корня до кончика, позволяют в реальном времени реконструировать пространственную картину напряжений всей лопасти.
3. Связанные инженерные датчики
В индустрии ветроэнергетики соответствующие продукты для встраивания в лонжероны лопастей, поверхностного крепления и мониторинга напряжений в болтах ступицы включают:
(1) Датчик деформации на основе волоконно-оптической решетки в металлической трубе
Подходит для встроенного монтажа в лонжероны лопастей или для мониторинга деформации в суровых условиях эксплуатации. Обеспечивает металлическую защиту и передачу осевой нагрузки.
- Ссылка на продукт: OFSCN® Alloy Tube Packaged Fiber Bragg Grating strain sensor
(2) Пластинчатый датчик деформации на основе волоконно-оптической решетки
Оснащен основанием из нержавеющей стали или алюминиевого сплава в форме двутавра, инкапсулированным оптоволокном. Подходит для приклеивания с помощью конструкционного клея к поверхности внутренней полости композитной лопасти или к сварному шву башни. Обладает высокой чувствительностью калибровки.
- Ссылка на продукт: OFSCN® Fiber Bragg Grating Strain Gauge
Для просмотра дополнительных волоконно-оптических датчиков деформации на основе брэгговских решеток с различными диапазонами и способами установки, пожалуйста, ознакомьтесь с: OFSCN® FBG Strain Sensor Products Aggregation Link.