激光雷达叶轮监测装置及风力发电装置

技术领域

本发明涉及激光雷达及风力发电技术领域，具体涉及一种激光雷达叶轮监测装置及风力发电装置。

背景技术

风能是一种清洁能源，利用风能来进行发电是一种环保无污染的发电技术，风力发电机组就是利用风能进行发电的装置。风力发电机组按照使用场景的不同，又分为陆上发电机组和海上发电机组，其包括叶片，通过叶片的旋转进行发电。由于风力的不同，叶片在旋转过程中变形的程度也不同，如果风力过大，叶片可能变形过渡而断裂损毁或撞击到风力发电机组的之间而损毁，为了保证叶片在正常的变形范围内工作，一般使用激光雷达监控叶片的变形程度。

但是，海上风力发电机组由于设置在海上或邻近水域，激光作用于水面被完全吸收致使激光测距无数据，进而无法准确监控叶片的变形程度。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种可准确监控叶片的变形程度的激光雷达叶轮监测装置和风力发电装置。

一种激光雷达叶轮监测装置，用于监测叶轮位置形态，所述叶轮受外力作用时，所述叶轮发生多种形态位置的形变，该装置包括：壳体和收容于壳体内的激光收发组件和控制器，所述激光收发组件包括分别连接至所述控制器的多个激光收发器，所述多个激光收发器朝多种形态位置对应发射多条激光，以监测所述叶轮的形变并向所述控制器发送反馈信号，所述控制器根据所述反馈信号发出停止信号或报警信号。

进一步地，所述多种形态位置包括第一形态位置和第二形态位置，所述反馈信号包括第一信号和第二信号，所述多个激光收发器包括第一激光收发器和第二激光收发器，所述第二激光收发器和所述第二激光收发器分别朝所述第一位置形态和所述第二位置形态发出第一激光和第二激光，当所述叶轮发生形变而位于所述第一位置形态或所述第二位置形态时，所述叶轮反射所述第一激光或所述第二激光至所述第一激光收发器或所述第二激光收发器，所述第一激光收发器或所述第二激光收发器向所述控制器发送所述第一信号或所述第二信号，所述控制器根据所述第一信号或所述第二信号发出停止信号或报警信号。

进一步地，所述多种形态位置还包括第三形态位置，所述反馈信号还包括第三信号，所述多个激光收发器还包括第三激光收发器，所述第三激光收发器朝所述第三位置形态发出第三激光，当所述叶轮发生形变而位于所述第三位置形态时，所述叶轮反射所述第三激光至所述第三激光收发器，所述第三激光收发器向所述控制器发送所述第三信号，只有所述控制器接收到所述第三信号之后才根据所述第一信号或所述第二信号发出停止信号或报警信号。

进一步地，所述激光雷达叶轮监测装置还包括指示激光器，所述指示激光器朝所述第三位置形态发出第四激光，所述第四激光与所述第三激光重合。

进一步地，所述叶轮包括尖端部，所述叶轮发生多种形态位置的形变，所述尖端部位于不同的形变位置，所述多个激光收发器朝所述不同的形变位置发出多条激光。

进一步地，所述第一激光与所述第二激光之间的夹角和所述第二激光与所述第三激光之间的夹角相等。

进一步地，所述第一激光与所述第二激光之间的夹角和所述第二激光与所述第三激光之间的夹角范围均为1.5°至2.5°。

本发明还提供一种风力发电装置，其包括支架、固定于支架上的机舱以及安装于机舱上的处理器、激光雷达叶轮监测装置和叶轮，所述激光雷达叶轮监测装置和所述叶轮对应为上述的激光雷达叶轮监测装置和叶轮，所述叶轮为用于风力发电的叶片；所述激光雷达叶轮监测装置还包括通讯模块，所述处理器与所述控制器通过所述通讯模块通讯连接，所述处理器根据所述控制器发出的所述报警信号或/和所述停止信号，相应的发出警报或/和停止工作。

进一步地，所述叶轮包括远离所述机舱的尖端部，所述控制器根据所述多个接收器接收所述尖端部反射的所述多条激光发出所述报警信号或/和所述停止信号。

进一步地，所述通讯模块包括电缆连接模块和/或无线通讯模块，所述电缆连接模块包括TCP/IP接口或RS-485接口，所述无线通讯模块包括2.4G、3G模块、4G模块、5G模块和WiFi模块中的一种或多种。

上述激光雷达叶轮监测装置和所述风力发电装置通过朝不同方向对应发射多条激光来检测叶轮的位置，控制器根据上述位置发出报警信号或/和停止信号，进而使上述激光雷达叶轮监测装置向监控人员发出警报或/和停止工作，故障率低，使用可靠性好，使用寿命长；安装方便，使用方便。

附图说明

图1为本发明的激光雷达叶轮监测装置的结构示意图。

图2为图1所示的激光雷达叶轮监测装置移除中壳和前盖后的结构示意图。

图3为图1所示激光雷达叶轮监测装置的结构框图。

图4为本发明的风力发电装置的结构示意图。

图5为本发明的所述激光雷达叶轮监测装置监控的所述风力发电装置的叶片变形程度的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合具体实施例和附图对本发明进行详细说明。

请参照图1至图5，本发明提供的一种激光雷达叶轮监测装置100，其用于监控叶轮230的位置形态，如叶轮230可以是风力发电的转动部分（如叶片）。本发明还提供一种风力发电装置200，其包括支架210、固定于支架210上的机舱220以及安装于机舱220内的上述激光雷达叶轮监测装置100和叶轮230。其中，风力发电装置200包括多个叶轮230，叶轮230为用于风力发电的叶片，机舱220内部设有发电组件，多个叶轮230与发电组件连接，当风力驱动叶轮230旋转，叶轮230带动发电组件转动而发电。上述风力发电装置200通过上述激光雷达叶轮监测装置100实时监控多个叶轮230的位置形态，即叶轮230的变形程度，上述激光雷达叶轮监测装置100采集多个叶轮230的多组参数来判断多个叶轮230不同的变形程度，并根据多个叶轮230的变形程度向风力发电装置200发出不同的信号，如报警信号或/和停止信号，及时提醒监控人员，避免叶轮230由于变形过渡或撞击支架210而损毁，保证上述风力发电装置200的正常工作，提高其使用寿命。

具体地，上述激光雷达叶轮监测装置100包括壳体10、收容于壳体10内的指示激光器20、激光收发组件30、电路板5、设于电路板5上的控制器50以及安装于壳体10外的通讯模块40，指示激光器20、激光收发组件30和通讯模块40分别与控制器50电连接。壳体10包括中壳11和固定于中壳11两侧的前盖12和后盖13，指示激光器20和激光收发组件30固定于前盖12并自前盖12中露出，电路板5固定于后盖13。通讯模块40还与机舱220内的处理器连接，从而将控制器50与处理器通讯连接，以使控制器50可向处理器发送报警信号或/和停止信号，使得处理器可通过机舱220外的指示灯闪烁而向监控人员发出警报，以及停止上述风力发电装置200的发电。

在本实施例中，通讯模块40包括电缆连接模块41和无线通讯模块42，电缆连接模块41包括TCP/IP接口或RS-485接口，控制器50通过网线或RJ45电缆与处理器进行通讯连接。通讯模块40包括无线通讯模块42，如2.4G、3G模块、4G模块5G模块、WiFi模块，控制器50还可以通过无线通讯模块42向其他监控设备发送报警信号或/和停止信号，提醒监控人员及时处理。另外，机舱220内还可设置与上述无线通讯模块42匹配的无线通讯模块，使得处理器与控制器50可通过无线通讯方式的连接。在其他实施例中，通讯模块40也只包括电缆连接模块41和无线通讯模块42中的一种。

进一步地，所述激光收发组件30包括分别连接至所述控制器50的多个激光收发器（31、32、33），多个激光收发器（31、32、33）包括分别与控制器50电连接的第一激光收发器31、第二激光收发器32以及第三激光收发器33，第一激光收发器31、第二激光收发器32、第三激光收发器33用于检测叶轮230的在受到外力（如风力）的作用下的不同位置形态，即叶轮230的变形程度，具体通过检测叶轮230远离机舱220的尖端部231相对上述激光雷达叶轮监测装置100的水平距离来实现。指示激光器20用于校正尖端部231的初始位置，即叶轮230为变形时尖端231的位置。

具体地，当所述叶轮230受外力作用时，所述叶轮230发生多种形态位置（S1、S2、S3）的形变，可使用多个激光收发器（31、32、33）朝多种形态位置对应发射多条激光（A、B、C），以监测所述叶轮230的形变并向所述控制器50发送反馈信号，所述控制器50根据所述反馈信号发出停止信号或报警信号。叶轮230发生不同的形变，尖端部231所处位置也不同，而且尖端231的位置变化最大，也最容易因碰到其他物体，如风力发电装置200的支架210，而损坏，因此尖端部231的形变位置为最佳的形变监测目标。

如图5所示，当所述叶轮230受风力300作用时，所述叶轮230发生多种形态位置（S1、S2、S3）的形变，所述多种形态位置（S1、S2、S3）包括第一形态位置S1、第二形态位置S2和第三形态位置S3，尖端部231则位于不同的形变位置（D1、D2、D3），形变位置（D1、D2、D3）包括第一形变位置D1、第二形变位置D2和第三形变位置D3。第一激光收发器31、第二激光收发器32、第三激光收发器33分别第一形变位置D1、第二形变位置D2和第三形变位置D3发出第一激光A、第二激光B、第三激光C，所述反馈信号包括第一信号、第二信号和第三信号，第一信号、第二信号和第三信号分别对应尖端部（231、231’、231’’）在第一形变位置D1、第二形变位置D2和第三形变位置D3时第一激光收发器31、第二激光收发器32、第三激光收发器33向控制器50发出的反馈信号，只有所述控制器50接收到所述第三信号之后才根据所述第一信号或所述第二信号发出停止信号或报警信号。

其中，第一形变位置D1、第二形变位置D2和第三形变位置D3与激光雷达叶轮监测装置100的水平距离分别为L1、L2、L3，且L1、L2、L3依序减小。也就是说，第一形变位置D1为叶轮230未形变时的位置，其与激光雷达叶轮监测装置100距离L1最大，第二形变位置D2和第三形变位置D3为叶轮230发生形变后的位置，故其与激光雷达叶轮监测装置100距离逐渐减小。其中，第一激光A与第二激光B之间的夹角a和第二激光B与第三激光C之间的夹角b相等。可选地，第一激光A与所述第二激光B之间的夹角a和第二激光B与第三激光C之间的夹角b范围均为1.5°至2.5°。

请参照图3，使用上述风力发电装置200之前，先控制指示激光器20发出用于校正的指示激光D，调整指示激光D的照射角度使其刚好照到尖端部231，然后控制第三激光收发器33沿着相同的方向发出与指示激光D重合的第三激光C。

请一并参照图1、图2和图4，当风力发电装置200工作时，在风力300的作用下，叶轮（230、230’、230’’）在旋转的同时还朝靠近上述激光雷达叶轮监测装置100的方向变形，风力300越大，叶轮（230、230’、230’’）发生多种形态位置(S1、S2、S3)的形变，多种形态位置(S1、S2、S3)分别为第一形态位置S1、第二形态位置S2和第三形态位置S3。而在叶轮（230、230’、230’’）的变形过程中，尖端部（231、231’、231’’）随着风力300的变大而逐渐朝述激光雷达叶轮监测装置100移动，在叶轮（230、230’、230’’）位于第一形态位置S1、第二形态位置S2和第三形态位置S3时，尖端部（231、231’、231’’）位于第一形变位置D1、第二形变位置D2和第三形变位置D3。

具体地，风力300较弱时，叶轮230几乎不变形，在尖端部231旋转的过程中，尖端部231与第三激光C间歇性的接触而使第三激光C被反射至第三激光收发器33，第三激光收发器33向控制器发送第三信号，并将检测到的第三激光C的参数发送至控制器50，使控制器50获知叶轮230在正常范围内工作，此时尖端部231相对激光雷达叶轮监测装置100的距离为L1。

风力300较强时，叶轮230’发生了明显的变形，第二激光B刚好可以照射到叶轮230’的尖端部231’，第二激光收发器32每次在第二激光B接照射到尖端部231’时都会接收到尖端部231’反射过来的第二激光B，第二激光收发器32向控制器发送第三信号，并将检测到的第二激光B的参数发送至控制器50，使控制器50获知叶轮230’的形变已经达到了预警范围，控制器50通过通讯模块40将报警信息发送至处理器，处理器控制机舱220外的指示灯闪烁以向监控人员发出警报，此时尖端部231’相对激光雷达叶轮监测装置100的距离为L2，L2小于L1。

风力300最强时，叶轮230’’发生了巨大的变形，第一激光A刚好照射到叶轮230’’的尖端部231’’，第一激光收发器31每次在第一激光A接照射到尖端部231’’时都会接收到尖端部231’’反射过来的第一激光A，第一激光收发器31将检测到的第一激光A的参数发送至控制器50，使控制器50获知叶轮230’’的形变已经达到了危险范围，如果叶轮230’’再继续发送形变则可能触碰到支架210而发生危险，或叶轮230’’过渡发生形变容易损毁，控制器50通过通讯模块40将停止信息发送至处理器，处理器控制机舱220内的部件停止工作（如在机舱20内设置刹车部件，处理器控制刹车部件阻止叶轮230’’的旋转），并向监控人员发出警报，此时尖端部231’’相对激光雷达叶轮监测装置100的距离为L3，L3小于L2。

可以理解，上述三种情况是临界情况，当叶轮（230、230’、230’’）发生的形变在上述临界区间时，控制器50发出相应的信号。例如，当叶轮230’朝第二激光B和第一激光A之间的位置移动时，叶轮230’会先经过第二激光B，尖端部231’接触并反射所述第二激光B，所述第二激光收发器32接收所述第二激光B并使控制器50向处理器发出报警信号。

当叶轮230’’朝第一激光A移动并接触第一激光A时，叶轮230’’先经过第二激光B，第二激光收发器32先接收第二激光B并使控制器50发出报警信号，第一激光收发器31后接收到叶轮230’’的尖端部231’’反射的第一激光A并使所述控制器50发出所述停止信号。

也就是说，由于叶轮230的变形方向是自第三激光C朝第一激光A变形，叶轮230会先经过第三激光C才会经过第二激光B和第一激光A，叶轮230与第三激光C的接触位置为初始监测位置，第二激光B为报警的临界位置，因此，只有第三接收器33接收到第三激光C之后，控制器50在后续第二接收器32接收到第二激光B或/和第一接收器31接收到第一激光A才发出报警信号或/和停止信号，避免由于外力撞击叶轮230（如鸟类撞击）使其变形而造成控制器50的误判，提高了上述激光雷达叶轮监测装置100监控的准确性。

可见，上述激光雷达叶轮监测装置100和所述风力发电装置200通过朝不同方向对应发射多条激光（A、B、C）来检测叶轮（230、230’、230’’）的位置，控制器50根据上述位置发出报警信号或/和停止信号，进而使上述激光雷达叶轮监测装置100向监控人员发出警报或/和停止工作，故障率低，使用可靠性好，使用寿命长；安装方便，使用方便。

需要说明的是，本发明并不局限于上述实施方式，根据本发明的创造精神，本领域技术人员还可以做出其他变化，这些依据本发明的创造精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。