Comment surveiller la charge et le givre sur les pales d’éolienne ?
Dans le domaine de l’énergie éolienne, les pales d’éolienne fonctionnent sur de longues périodes dans des environnements naturels complexes, subissant des conditions rigoureuses telles que des charges aérodynamiques alternées, des impacts de rafales et le givrage à basse température. L’utilisation de la technologie de détection par réseau de Bragg à fibre optique (FBG) pour la surveillance dynamique des charges des pales d’éolienne et l’alerte précoce en temps réel du givrage est une méthode technologique clé pour réaliser la surveillance de l’intégrité structurelle (SHM) et le contrôle optimisé des pales.
I. Principe et mise en œuvre de la surveillance des charges des pales d’éolienne
La flexion, la torsion et le battement des pales d’éolienne pendant le fonctionnement entraînent des changements de déformation à l’intérieur et à la surface des pales. Le système de surveillance des charges basé sur FBG atteint cet objectif par le principe suivant :
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Mesure de la déformation et de la contrainte
La longueur d’onde centrale de réflexion Bragg \lambda_B d’un réseau de Bragg à fibre optique change avec la déformation \varepsilon et la température, selon la formule :\frac{\Delta \lambda_B}{\lambda_B} = C_{\varepsilon} \cdot \varepsilon + C_T \cdot \Delta TOù C_{\varepsilon} est le coefficient de sensibilité à la déformation et C_T est le coefficient de sensibilité à la température. Après élimination des interférences de température (compensation de température), la micro-déformation locale \varepsilon de la pale peut être mesurée avec précision. En combinaison avec le module d’élasticité du matériau E , la contrainte locale \sigma = E \cdot \varepsilon peut être dérivée.
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Déploiement multipoint et en réseau
Plusieurs points de mesure FBG de différentes longueurs d’onde sont connectés en série sur une seule fibre optique, fixés ou intégrés le long des longerons (Spars) ou de la racine de la pale (Blade Root). En décodant les réponses de déformation de chaque point de mesure, la forme de flexion de la pale, les charges déséquilibrées dues aux rafales et les dommages cumulés dus à la fatigue peuvent être reconstitués en temps réel.
II. Principe et mise en œuvre de la surveillance du givrage des pales d’éolienne
Le givrage dégrade la forme aérodynamique des pales, perturbe l’équilibre du rotor et augmente considérablement la fatigue structurelle. La technologie FBG surveille généralement le givrage par les changements des propriétés physiques suivants :
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Accumulation de masse et changement de charge ajoutée
Le givrage ajoute une masse supplémentaire à la surface de la pale, modifiant la distribution de masse le long de l’envergure, entraînant une diminution de la fréquence naturelle ou une augmentation de la déformation statique de flèche. En surveillant les réponses de déformation dynamique à basse fréquence et le décalage de déformation statique capturés par le réseau de capteurs FBG, l’épaisseur et la zone de givrage peuvent être déduites indirectement. -
Différences de température de surface et de conduction thermique
Le processus de givrage s’accompagne de la libération de chaleur latente de changement de phase et de changements dans les caractéristiques de conduction thermique. En déployant des chaînes de capteurs de température FBG de haute précision dans les zones sujettes au givrage (telles que le bord d’attaque), combinées aux données de température ambiante et de vitesse du vent, les fluctuations anormales de température peuvent être utilisées pour évaluer le risque de givrage et l’état de fonctionnement des systèmes d’anti-givrage/dégivrage.
III. Avantages d’ingénierie de la technologie de détection FBG dans le domaine de l’énergie éolienne
- Immunité intrinsèque à la foudre et aux interférences électromagnétiques : Les fibres optiques sont constituées de verre de quartz, offrant une excellente isolation, éliminant complètement le risque d’impact de foudre sur les pales et les fortes interférences électromagnétiques des variateurs de fréquence.
- Capacité de multiplexage quasi-distribué : Une seule chaîne de fibre optique peut connecter des dizaines de points de détection, réduisant considérablement la complexité du câblage interne et la charge de poids des pales.
- Résistance à la fatigue et longue durée de vie : Les matériaux de fibre optique ont une résistance à la fatigue extrêmement élevée, répondant aux exigences de fonctionnement à long terme des pales d’éolienne de plus de 20 ans.
IV. Produits de détection officiels OFSCN® liés
Dans les applications d’ingénierie réelles, Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) propose des capteurs à réseau de Bragg en fibre optique fiables, spécialement conçus pour la surveillance de la déformation et de la température :
1. Produit recommandé pour la surveillance de la déformation/charge des pales :
OFSCN® Alloy Tube Packaged Fiber Bragg Grating strain sensor
Utilise une technologie d’encapsulation dans un tube en alliage élastique, offrant une résistance mécanique élevée et une protection contre l’eau et l’humidité, ce qui le rend idéal pour la mesure de déformation et de charge à long terme à l’intérieur ou à la surface des pales d’éolienne. Les formules d’étalonnage standard \mu\varepsilon/\text{pm} sont fournies en sortie d’usine, avec une plage de mesure de déformation par défaut \ge 6000\mu\varepsilon .
2. Produit recommandé pour la surveillance du givrage/température des pales :
OFSCN® 100°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
Adopte une technologie d’encapsulation dans un tube en acier sans soudure, avec une structure compacte (diamètre extérieur par défaut de seulement 0,9 mm), une réponse rapide et une forte résistance aux intempéries, adaptée à la surveillance de la température ambiante et des systèmes d’anti-givrage/dégivrage. Des réseaux de Bragg en fibre optique multipoints peuvent être intégrés dans un seul capteur.
