摘要：针对无线传感器网络节点在风力发电机叶片在线监测系统中应用存在的能量受限、布线困难等问题，设计一种将风机叶片旋转产生的动力势能转换为电能的能量自给型风力发电机叶片监测无线传感器网络节点，从而解决传统无线传感器网络节点在布署时存在的电源布线问题和电池供电产生的维护问题。

关键词：能量自给；风力发电机；叶片；在线监测

引言

随着全球能源结构的调整，风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到重视。利用风机进行风力发电的技术也越来越成熟。为了能够及时发现风机在运行过程中出现的各种问题，需要在风机上安装各种传感器，对风机工况进行监测，以期能够及时发现运行中的问题，避免重大事故的发生。为此，设计一种以回收风力发电机叶片摆动过程中产生的势能作为能量的风机叶片监测无线传感器网络节点。

能量自给型风力发电机叶片监测节点设计

在风力发电机运行过程中叶片的旋转会产生大量的动力势能，设计的摆动能量回收风力发电机叶片监测节点可以实现将这些势能转化为电能供节点使用，同时将多余的能量进行存储，在风机出现故障停止转动时，能够确保传感器节点正常工作。节点结构如图1所示，主要包括摆动能量回收模块、电源调理与储能模块以及叶片监测模块三个部分。

摆动能量回收模块主要进行能量采集，实现将风机叶片的动力势能转化为电能输出。电源调理与储能模块将摆动能量回收模块产生的较低的电压通过升压器件达到无线传感器可用的电压，同时进行存储。在风机正常运行时，传感器节点的能量直接由摆动能量回收模块提供，而在风机停止转动时才由储能装置提供。无线传感器节点的能耗都比较小，经过电源调理与储能模块处理后的电能可以实时供应给节点使用。叶片监测模块用来检测风机叶片上的温度、湿度、声音、振动等信号，并将其通过无线传感器网络传输给上位机，用来综合监测风机叶片的工况。

摆动能量回收模块设计

摆动式能量回收模块核心是摆动式微型发电模块，其利用风机叶片旋转的特有性质及风机转速相对稳定的特性，通过采集转化风机叶片的动力势能来给无线传感器节点提供能量。

摆动式微型发电模块结构如图2所示。在该发电装置中，由于重力的作用，当风机叶片转动时，摆锤与叶片之间会产生相对转动，从而带动安装在微发电机转轴上的小齿轮2的转动。由于小齿轮2与微型直流发电机相连，因此可以带动微型直流发电机发电将风机叶片转动产生的动力势能转化为电能。

摆动式微型发电模块的输出功率可以通过计算摆锤的力矩来确定。摆锤部件的计算如图3所示，其中图3(a)为摆锤的截面图，图3(b)为摆锤的外形图，图3(c)为分析计算图。

电源调理与储能模块设计

因为外界环境的不可控性，所以风机的转速会随着风量的变化而变化，将导致摆动能量回收模块输出不稳定的电压电流，因此需要利用电源调理与储能模块对摆动能量回收模块的输出进行整流、升压、稳压处理后，才能为监测节点供电。对多余的电能，电源调理与储能模块可以利用储能器件进行存储，在风机停转或不能正常工作时为监测节点的正常工作提供电能。电源调理与储能模块选用超级电容作为存储器件。超级电容是一种介于电池和传统电容器之间的一种新型储能元件，体积小，具有超大的容量，功率密度比电池大10——倍，充放电效率高，充放电次数可达次以上，可以小功率充电，充放电电路简单，过电压不击穿。电源调理与储能模块原理如图4所示。模块电路由三部分组成：间歇振荡器（T、L）和整流器（D1、C2）用来提升发电机发出的电压，通过TPS将输出电压升至3.6V；超级电容C带反向保护二极管存储能量；比较器MIC控制输出电压，主要取决于超级电容C两端的电压，激活时为3.3V，关闭时为2.5V，由于超级电容的输出电压随电容量的减少而下降，因此需要通过DC/DC转换才能有恒定的电压输出，电路中采用整流器TPS起稳定比较电压的作用。

叶片监测模块设计

叶片监测模块用来检测风机叶片上的温度、湿度、声音、振动等信号，并将其通过无线传输给上位机，用来综合监测风机叶片的工况。该模块主要包括电源模块、微处理器模块、射频模块、传感器模块等。其中微处理器采用TI公司生产的CC芯片，该芯片集成了无线收发功能，其外接电路如图5所示。

实验测试

摆动式能量回收模块中的原动机即摆锤，在设计中选用密度较大的硬质合金材料，密度为14.8g/cm3，横截面高度H取2cm，半径约10cm，扇形摆锤的圆心角取π/2。发电机选用低速无阻型直流电机，额定转速为——r/min，其转速与输出功率的对应关系如表1所示。

当风机运转时，摆锤与风机叶片的相对转速和风机并网时的额定转速相同，约为9——17.5r/min。根据式

(3)、(5)可以得出摆锤的静力矩M约为1.37N·m，原动机的输出功率P1的范围为1.29——2.5W。部署在风机叶片上的监测节点模块的工作电压一般为2——3.3V，工作电流一般为1μA——29mA，其工作时最大功率在0.W左右。经测试,该节点的摆动式能量回收模块输出的功率范围为0.89——1.98W，完全能够满足正常工作的需要，达到了设计要求。

结语

该节点具有结构简单、体积小、安装方便、成本低廉、基本免维护、对风机的正常运行没有影响等特点，可以广泛布置在风力发电机叶片等需要监测的旋转机构上，为实现对风机叶片等旋转机构的在线监测提供了一种可行的节点解决方案。

作者：孙强1，王雪松2，昌凯2，鲍祚睿2，方景辉1

1.上海电机学院电子信息学院,2.上海电机学院电气学院

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来源新能源

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