Table of Contents
הפוטנציאל של חומרים Piezoelectric ב Wind Turbine Blade חיישן
אנרגיית הרוח הפכה אבן הפינה של המעבר העולמי לאנרגיה מתחדשת, עם טורבינות בקנה מידה רב יותר 200 מטר בקוטר רוטטור.כפי מכונות אלה לגדול ולפעול בטמפרטורות קשות יותר ויותר על החוף, שמירה על יושרה להב הופכת הן קריטיות יותר ומאתגרות יותר. Blade לא רק לגרום חומרים גמישים בזמן למטה, אלא גם יכול להוביל לנזק מבני, כגון בדיקות חזותיות או קוליות, הם לעתים קרובות אותות מתקדמים יותר ויותר מעקב אחר לחץ אווירי לחץ אווירי כוח.
מה הם חומרים Piezoelectric?
פיזואלקטריות – מהיוונית FLT:0 (EfLT) , כלומר ללחוץ - היא רכוש של חומרים גבישיים מסוימים כדי ליצור מטען חשמלי כאשר נתון ללחץ מכני.אפקט זה הוא ניתוק: החל שדה חשמלי לאותו חומר גורם לו לפענוח חומרים מכניים.
עם זאת, חומר פיזיקלי הידוע ביותר מתרחש באופן טבעי הוא quartz ( דו חמצני silicon). עם זאת, עבור יישומים הנדסיים, חומרים סינתטיים פותחו המציעים הרבה יותר רגישות וגמישות.
- (ב) [15] ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
- (FLT:0)Polyvinylidene fluoride (PVDFrea) 1FLT 1 - פולימר גמיש שניתן ליצור לסרטים דקים. PVDF הוא פחות רגיש מאשר PZT אבל מציע תאימות מכנית גבוהה, מה שהופך אותו מתאים להחזקה בהתאמה למשטחי להב מעוקלים.
- (FLT:0) מסובלים מטבוליזם של Piezoelectric (FLT:1), חומרים המשלבים חלקיקים אדזואלקטריים עם מאטריקס פולימרי, המציעים איזון של רגישות וגמישות.אלה יכולים להיות מותאמים למגוון תדרים ספציפיים או תנאים סביבתיים.
- (FLT:0Lead-freeventalvesFLT:1 - בשל חששות סביבתיים לגבי מוביל, החוקרים מפתחים חומרים כגון אשלגן נתרן ניבייט (KN) ו- bismuth sodium titanate (BNT) אלה הם פחות בוגר אבל להראות הבטחה עבור פריסה בקנה מידה גדול.
בחיישנים להב טורבינות הרוח, PZT נשאר הבחירה הנפוצה ביותר עבור חישה פעילה בגלל הרגישות הגבוהה שלה למתח.עם זאת, עבור יישומים הדורשים חישה מבוזרת על פני אזורים גדולים, סרטי PVDF או מטבולים אדזואלקטריים הם לעתים קרובות מועדים כי הם יכולים להשתלב במבנה המורכב של להב ללא הצגת נוקשות משמעותית או עונשי משקל.
כיצד חיישן Piezoelectric עובד ב- Blade Monitoring
התפקיד הבסיסי של חיישן אדזואלקטרי בלהב של טורבינות רוח הוא לזהות וריאציות מתוחכמות דינמיות הנגרמות על ידי עומסים אווירודינמיים, מצבי רטט, או אירועים משפיעים. פלט החיישן הוא אות מתח לקצב הזן המיידי. על ידי ניתוח המאפיינים של הזמן- ⁇ של אותות אלה, מפעילי יכול להפר מידע על מצב להב.
מיקום ואינטגרציה
חיישני Piezoelectric בדרך כלל מחוברים אל פני הלהב או מוטבעים בתוך השכבות הנשגבות במהלך הייצור.
- (ב) [ה]:0] ⁇ ⁇ [ה], כדי לפקח על הרטטים הגמישות וההרסאליים, רגישים לדיכאון או לכשלון משותף.
- (ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
- (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
- (ב) [ה]ה'], [ה'], [ה'], [ה'], [ה'], [ה'], [ה'], [ה']'[ב]'], [ה'], [לעמוד על ה''''''''[בארץ]'], ו'[ב[[ה']
כאשר משובצים, יש להגן על החיישנים מפני הטמפרטורות והלחץ הגבוהים של ייצור מורכב.זה דורש מבחר זהיר של אריזות חיישן ושכבות בידוד. עבור חיישנים בעלי הקרקע, ציפויי הגנה מוחלים כדי להפחית את ההשפעות של שחיקה וכתות ברק. בשני המקרים, חיוט משולב לתוך הלהב כדי לשאת אותות ליחידת רכישה נתונים הממוקמת במרכז או בתא.
המונחים: data Analysis
פלט מתח גולמי מ חיישן אדזואלקטרי הוא בדרך כלל קטן מאוד (מילימטרים לתנוכים) ודורש מגברה ומסנן. a Charge amplifier או מגבר מתח משמש, יחד עם מסנן נמוך או פס קבוצתי כדי להסיר רעש ולבודד את טווח הריבית - בדרך כלל 0.1Hz עד כמה k עבור ניטור רטט.
שתי גישות ניתוח עיקריות מועסקות:
- (FLT:0) חישה (פליטת חומרים אקוסטיים)FLT:1 - החיישן מקשיב לגלי מתח גבוהים המיוצרים על ידי צמיחה סדקים או פריצה סיבים.זה אנלוגי להקשיב לקול של מבנה פורץ.זה מאפשר זיהוי מוקדם של נזק, אבל האותות הם transient וצריכים הכרה מתקדמת.
- (FLT:0) חישה קולקטיבית (pitch-catch או הדופק-echo)cioFLT:1 - פועל אדזואלקטרי שולח גל אלסטי מבוקר דרך הלהב, ו חיישן שני אוסף אותו.שינויים במאפיינים של גל (דייב, העצמה, המרה) מצביעים על נזק לאורך הדרך.
במערכות מודרניות, אלגוריתמי למידת מכונה משמשים יותר ויותר לסווג סוגים של נזק ולהעריך את החיים שימושיים.לדוגמה, מכונת וקטורת תמיכה או רשת עצבית מהפכתית ניתן לאמן נתונים מעבדה כדי לזהות חתימות של דלמנטום, סדקים עייפות או כישלונות קישור פורצי דרך.
היתרונות של חיישן Piezoelectric עבור Wind Turbine Blades
חיישני Piezoelectric מציעים כמה יתרונות נפרדים על טכנולוגיות חלופיות כגון מדדי זנים אופטיים סיבים, מאיץ'ים, או חיישני פליטה אקוסטיים:
רגישות גבוהה לשינויים מכניים
חומרים Piezoelectric יכול לזהות זנים קטנים מאוד - כלפי מיקרו-אימון (1 × 10-6 או פחות. זה הרגישות מאפשר להם לזהות שינויים עדינים בנוקשות להב או לחט לפני שנזק גלוי מופיע.
אפשרויות ל Harsh Environment
להבים של Wind טורבינות חווים מחזורי טמפרטורה קיצוניים, קרינה UV, לחות באגרסיביות, ומלח ריסוס (במתקנים offshore) Piezoceramics כמו PZT הם לא אינפורט מטבעם ויכולים לפעול על פני טווח טמפרטורה רחב (-50 מעלות צלזיוס ל +150 מעלות צלזיוס) ללא השפלה משמעותית, בתנאי שהם מחלחלים כראוי.
עיצוב קומפקטי וקל משקל
אלמנט חיישן אגרפי הוא בדרך כלל דיסק דק או סרט רק כמה מ"מ עבה ומשקלו כמה גרם.מסה רשלנית זו אינה משנה את הדינמיקה המבנית של הלהב, בניגוד לאקמטרים קונבנציונליים שעשויים לשקול עשרות גרם ודורשים חזיונות הרים.פרופיל נמוך גם מאפשר חיישנים מרובים להיות מופץ בצפיפות על פני הלהב ללא השפעה על ביצועים אירוביים.
צריכת חשמל נמוכה
במצב פסיבי, חיישני דגנים יונקים אינם דורשים כוח חיצוני – הם מייצרים את המתח שלהם מהאנרגיה המכנית של הלהב.זהו יתרון גדול לרשתות חיישן המופעלות על ידי עצמי, במיוחד בחוות מרוחקות שבהן החלפת סוללות היא יקרה גם במצבי חשונות פעילים, הכוח הנדרש לדופקים פסים קצרים נמוך בהרבה ממה שנדרש עבור מערכות גלימות מתמשכים.
תגובה רחבה
חיישני Piezoelectric יכולים לפעול בין קרוב ל-DC עד כמה MHz, המכסה את המגוון המלא של רטטי להב, החל תדרי מעבר רוטטור איטי (0.1-1 Hz) ועד פליטות אקוסטיות גבוהות של ⁇ (100 kHz-1 MHz) זה סוג חיישן יחיד יכול לשרת מספר פונקציות SHM, צמצום המורכבות החומרית.
אתגרים והגבלות נוכחיות
למרות הפוטנציאל שלהם, חיישני דגנים אטואלקטריים עומדים בפני כמה מכשולים מעשיים שיש להתגבר עליהם לפני שהם הופכים לתכונה סטנדרטית על כל להב טורבינות.
תוצאות חיפוש > THE TIME
אחד החששות העיקריים הוא היציבות ארוכת הטווח של משככי כאבים דגנים. קרמיקה PZT יכול לפענוח לאורך זמן בשל רכיבה תרמית, עייפות מכנית, ושדות חשמליים חזקים.מחקרים הראו כי לאחר מיליוני מחזורי עומס - כפי שחווה להב מעל עשרות שנים - פלט החיישן יכול לרדת ב 20-30 אחוזים.
מורכבות וגמישות
חיישנים Embedding לתוך להבים מורכבים מציג נקודות כשלון פוטנציאליות.ממשק בין החיישן לבין המריצה המורכבת חייב להיות נועד להימנע ריכוזי מתח שיכולים ליזום את ה- delamination. יתר על כן, חיבורים חשמליים - חוטים, מחברים, וקשרים בין-לעתים קרובות הקישור החלש ביותר במערכת.בלהב נתון למיליונים של מחזורי כפייה, חוטים יכולים להתעייף ולפרוץ כוח וניתן לחקור אותו.
פרשנות אותות ו Calibration
אותות אדזואלקטריים של Raw מושפעים מטמפרטורה, לחות ועומסים תפעוליים (מהירות רוח, מהירות רוטטור, זווית סטון) , ניתוק שינויים הקשורים לנזק מהוריאציות הסביבתיות והמבצעיות הוא אתגר משמעותי.ספריית חתימה בבסיס בתנאים שונים נדרשת לזיהוי אמין.
עלויות ו Scalability
בעוד אלמנטים ⁇ חשמלי בודדים הם זולים, העלות הכוללת של המערכת הכוללת חיוט, אלקטרוניקה של תאורה, חומרה רכישת נתונים, והעבודה ההתקנה. עבור להב עם 50-100 צניפים חיישן, העלות יכולה בקלות להגיע כמה אלפי דולרים להב - הוצאה לא טריוויאלית עבור חווה רוח גדולה.עם זאת, כמו עלייה בנפח הייצור והופכים למיניסטרציה, עלויות צפויים לרדת משמעותית.
מחקר ופיתוח מקרה
מספר קבוצות מחקר ותחנות ניהול בתעשייה כבר הוכיחו ניטור להב מבוסס אלקטריק במעבדה וניסויים בשטח.
מעבדות סןדיה (ארה"ב)
חוקרים בסןדיה יש מערךים משובצים של חיישני PZT ב להבים טורבינות רוח סיביג וניתחו אותם לבדיקות עייפות.הם זיהו בהצלחה את הנזקים ואת ההתקדמות בקו האג"ח החדשני, תוך שינוי בפלט חיישן עם נתוני בדיקה חזותית.המחקר הדגיש את החשיבות של חיישן ונדנסית כדי לפצות על ההידרדרות האישית.
האוניברסיטה הטכנית של דנמרק (DTU)
החוקרים העריכו כי חיישנים מבוססי PVDF על להב בקנה מידה מלא תחת עומס סטטי ודינמי.הם מצאו כי PVDF יכול למדוד באופן אמין תדרים מודוליים ויחסי לחות, אפילו תחת גשם ועלייה בקרח.הגמישות של PVDF אפשרה לו להתאים משטחים מעוקלים ללא גרימת דלמנציה.
Fraunhofer Institute for Wind Energy Systems (גרמניה)
Fraunhofer IWES שילבה חיישנים אדזואלקטריים עם מודול העברת נתונים אלחוטי אבטיפוס להב 30 מטר.המערכת העבירה נתונים לתנוחה בתחנת קרקע במהלך המבצע, השגת חיי סוללה של כמה חודשים.הוכחה זו של תפיסה הראו כי רשתות חיישן אלחוטיות מופעלות עצמית ניתנות ליישומים בחו"ל.
כיוונים עתידיים וחדשנות
במבט קדימה, טכנולוגיית חיישן אדזואלקטרית נוטה להתפתח במספר כיוונים שיכולים לשפר באופן דרמטי את ניטור בריאות הלבבות של טורבינת הרוח.
חיישנים עוצמתיים ואנרגיה
מכיוון שחומרי ⁇ חשמליים מייצרים מטען תחת לחץ מכני, הם יכולים להכפיל כמו קצירי אנרגיה.חוקרים מפתחים מעגלים שמאוחסנים את האנרגיה המנוסחת בסופר-capacitors או סוללות קטנות, ויוצרים צמתים אלחוטיים אוטונומיים באמת.זה יבטל את הצורך בסוללות או כוח מחווט, לפשט את ההתקנה ולהפחית את התחזוקה.טיפוסים מוקדמים הוכיחו את החוזקות מספיק כדי להניע משדר אנרגיה נמוכה של Bluetooth עבור העברת נתונים לסירוגין.
« « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « «
עיצובי להב עתידיים עשויים לכלול אלפי אלמנטים מיניזואלקטריים מיניים מודפסים ישירות על השכבות המורכבות במהלך הייצור.שימוש בטכניקות ייצור תוספת (למשל, הדפסה מטוס אווירול), דיו אגזואלקטרי ניתן להפקיד בדפוסים המעצבים mesh חיישן צפוף.זה יאפשר מיפוי מלא שדה, כמו גם יש "עור דיגיטלי" על גבי להב משולב עם אינטליגנציה מלאכותית, כזה יכול אפילו לדמיין אסטרטגיות יעילות כדי להפחית את רמת הדיוק והפחתת רמת הדיוק.
שילוב עם מידע אווירי ואווירי
חיישני Piezoelectric יכולים לספק נתונים גבוהים על רטטי להב, אבל הפרש הנתונים האלה דורש ידע של הכוחות האירודינמיים שמניעים אותם.על ידי מיצוי פלט חיישן עם מדידות בזמן אמת בזרימה מ LIDAR בעל שם מטאורולוגי וממטים מטאורולוגיים, מפעילי יכולים להבחין בין תגובה מבצעית נורמלית שינויים מושרה נזק.
עיבוד אותות מתקדם באמצעות Machine Learning
מודלים של למידת מכונה נוכחית עבור SHM הם לעתים קרובות מאומן על נתונים מוגבלים.הצעד הבא הוא לפתח טכניקות למידה העברה שיכול להתאים מודלים מאומן על סוג טורבינות אחד למשנהו, צמצום הצורך בנתונים נרחבים של בסיס נתונים.בנוסף, מחשוב קצה - עיבוד נתונים ישירות על חיישן node - יכול להפחית את רוחב הפס של העברת נתונים ומאפשר זיהוי בזמן אמת ללא קישוריות בענן.
מסקנה
חומרים Piezoelectric מציעים שילוב משכנע של רגישות, עמידות וצריכת חשמל נמוכה שהופך אותם מתאימים אידיאלי ניטור בריאות מבני של להבים טורבינות רוח.מבדיקות מעבדה ראשוניות להפגנות שדה בקנה מידה מלא, הטכנולוגיה הוכיחה מסוגל לזהות נזק בשלבים מוקדמים ואספקת הנתונים בזמן אמת צורך לעבור מלהבים יעילים יותר לתחזוקה חיזוי. בעוד אתגרים נשארים בחומרה, אינטגרציה, עלות, ועלות, מחקר מתמשך, ככל הנראה, לחץ אווירי, הוא יעיל יותר, כדי לקדם בעיות אנרגיה סטנדרטיות יותר, כמו גם לחץ אוויריות, כמו גם לחץ אוויריות, כמו גם יותר יעיל יותר, כמו גם לחץ אוויריות, כמו גם לחץ אוויריות, כמו גם לחץ אוויריות יעילה יותר, כמו גם יותר, כמו גם לחץ אוויריות יעילה יותר, כדי להמשיך לנוע יותר יעיל יותר, כמו גם לחץ אוויר יעיל יותר, כמו גם לחץ אוויר יעיל יותר, כמו גם לחץ אוויר יעיל יותר, כמו גם לחץ אוויר יעיל יותר, כדי להמשיך לנוע בין היתר, כמו גם לחץ אוויר יעיל יותר יעיל יותר יעיל יותר, כמו גם לחץ אוויר יעיל יותר יעיל יותר יעיל יותר יעיל יותר יעיל יותר, כמו גם לחץ אוויר יעיל יותר, כמו גם כדי למנוע, כמו גם כדי להמשיך את עלויות לטווח ארוך יותר יעיל יותר, כדי להמשיך את עלויות לטווח ארוך יותר, כמו גם
(ב) לקריאה נוספת על הפיזיקה הבסיסית ועל ההתקדמות האחרונה, הקוראים עשויים להתייעץ עם הסקירה המקיפה של חיישנים אדזואלקטריים FLT:1 או דף המחקר FLT:2NREL על ניטור בריאות מבני עבור טורבינות רוח 3,5 ו- 3, מאמרים ממוקדים על ניטור להב ניתן למצוא ב-7F:4 LT Power EngineeringF:5 ו-FMD חיישנים מיוחדים על גבי טורבוני הרוח (הדגש על 7MLT) 7MLT 7.