陳 浩 譚景巍

（武漢理工大學(xué)，湖北 武漢430000）

1 海上風(fēng)機(jī)基樁自動(dòng)檢測(cè)裝置需求分析

能源是人類生存和發(fā)展的必需品，隨著人類對(duì)于海洋的探索以及意識(shí)到可持續(xù)發(fā)展才是長(zhǎng)遠(yuǎn)之計(jì)，海上風(fēng)能這種清潔能源隨之發(fā)展，海上風(fēng)機(jī)作為將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，它的發(fā)展前景自然十分可觀。

為了獲得更高的轉(zhuǎn)化效率，風(fēng)機(jī)一般會(huì)轉(zhuǎn)成迎風(fēng)面，因此受到風(fēng)力荷載會(huì)比較大，同時(shí)風(fēng)機(jī)的塔筒也會(huì)受到海浪的影響，因此風(fēng)機(jī)會(huì)逐漸發(fā)生傾斜和侵蝕，影響風(fēng)機(jī)的發(fā)電效率，甚至日積月累下，當(dāng)風(fēng)機(jī)的基樁傾斜或者破壞到一定程度，風(fēng)機(jī)甚至?xí)l(fā)生倒塌等嚴(yán)重事故。為了使風(fēng)機(jī)能夠正常保持高效率地發(fā)電工作，定期進(jìn)行檢測(cè)和維修是必不可少的。

現(xiàn)在的風(fēng)機(jī)塔筒檢測(cè)工作一般都是由人工進(jìn)行的。對(duì)于風(fēng)機(jī)塔筒的垂直度檢測(cè)，通常采用常規(guī)檢測(cè)技術(shù)，即利用全站儀在風(fēng)機(jī)塔筒結(jié)構(gòu)的搭接處、焊縫明顯處觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的計(jì)算得到風(fēng)機(jī)塔筒的垂直度。因此人工進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)免不了有人為誤差，而且全站儀的精度、壽命等因素也是會(huì)影響測(cè)量的數(shù)據(jù)。對(duì)于海水侵蝕檢測(cè)，人眼雖然可以直觀地觀察到相應(yīng)情況，但是對(duì)于侵蝕的程度來說比較主觀，因此對(duì)于維修的決策會(huì)有誤判的情況，產(chǎn)生浪費(fèi)人力物力的情況?？偟膩碚f，人工檢測(cè)十分費(fèi)時(shí)費(fèi)力且難免存在誤差。

圖1 自動(dòng)升降檢測(cè)環(huán)俯視透視圖及建模圖

圖2 保護(hù)充電樁剖面圖及建模

因此準(zhǔn)確進(jìn)行風(fēng)機(jī)塔筒垂直度、侵蝕程度的檢測(cè)就是十分有必要的。為此作者設(shè)計(jì)出一種海上風(fēng)機(jī)基樁自動(dòng)檢測(cè)裝置及檢修方法（申請(qǐng)?zhí)?、專利?hào)202011550642.0），該裝置總的來說由三部分構(gòu)成：自動(dòng)升降檢測(cè)環(huán)、保護(hù)充電樁、GNSS-R 海面風(fēng)場(chǎng)遙感信號(hào)反射裝置。該裝置利用三維激光掃描技術(shù)等技術(shù)途徑，實(shí)現(xiàn)了海上風(fēng)機(jī)傾斜度和侵蝕衰老程度等指標(biāo)的檢測(cè)、遠(yuǎn)程信號(hào)傳輸?shù)裙δ?，解決了海上風(fēng)機(jī)檢修繁瑣且風(fēng)險(xiǎn)高、人力資源成本大等問題，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程檢測(cè)，具有較高的行業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

2 裝置組成

自動(dòng)升降檢測(cè)環(huán)由容納保護(hù)盒、伸縮桿、球形滾輪、電池、掃描檢測(cè)儀、陀螺儀傳感器六部分組成。四個(gè)容納保護(hù)盒通過伸縮桿連接，形成一個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)，球形滾輪安裝于每一個(gè)容納保護(hù)盒的內(nèi)側(cè)中部，掃描檢測(cè)儀安裝于容納保護(hù)盒內(nèi)側(cè)并在球形滾輪上方，掃描檢測(cè)儀的徑向?qū)挾确謩e小于所述球形滾輪的直徑，電池和陀螺儀傳感器安裝于容納保護(hù)盒內(nèi)部。（圖1）

保護(hù)充電樁由充電口、指示燈、海拔傳感器三部分組成。指示燈位于錐形塔尖，海拔傳感器安裝于中軸線上，充電口安裝于保護(hù)充電樁內(nèi)部。

信號(hào)處理傳輸裝置包括信號(hào)接收裝置、信號(hào)處理裝置和信號(hào)發(fā)送裝置，安裝在保護(hù)充電樁塔頂。（圖2）

3 實(shí)施方式

3.1 自動(dòng)升降檢測(cè)環(huán)的升降

在檢測(cè)時(shí)，自動(dòng)升降檢測(cè)環(huán)通過球形滾輪的滾動(dòng)結(jié)合伸縮桿的長(zhǎng)度變化進(jìn)行水平和垂直運(yùn)動(dòng)。具體表現(xiàn)為：在下降時(shí)，伸縮桿長(zhǎng)度變長(zhǎng)，在重力的作用下自動(dòng)升降檢測(cè)環(huán)會(huì)下降，同時(shí)風(fēng)機(jī)塔筒的輕微傾斜度（上細(xì)下粗）會(huì)給環(huán)提供一個(gè)支持力，使其下降平穩(wěn)，這個(gè)方法可以減少能量消耗；在上升時(shí)，球形滾輪提供向上的動(dòng)力，同時(shí)伸縮桿長(zhǎng)度變短；在發(fā)生意外時(shí)，球形滾輪的制動(dòng)裝置將自動(dòng)制動(dòng)，與伸縮桿的收縮同步進(jìn)行。（圖3）

3.2 自動(dòng)升降檢測(cè)環(huán)的檢測(cè)

圖3 球形滾輪示意圖及裝置與風(fēng)機(jī)建模

圖4 海上風(fēng)機(jī)基樁自動(dòng)檢測(cè)裝置工作流程圖

在自動(dòng)升降檢測(cè)環(huán)升降的過程中，環(huán)上的掃描儀將同步工作，為了確保掃描的準(zhǔn)確性，球形滾輪會(huì)在進(jìn)行水平滾動(dòng)后多次掃描，避免有掃描盲區(qū)。環(huán)上的陀螺儀傳感器也會(huì)同時(shí)工作，陀螺儀傳感器的存在，使得掃描出來的模型與大環(huán)境結(jié)合，即能夠表明某截面的水平傾斜朝向，這會(huì)進(jìn)一步的提升掃描精度和準(zhǔn)確性。在掃描完畢后，自動(dòng)升降檢測(cè)環(huán)將會(huì)回歸保護(hù)充電樁。

3.3 信息傳輸

在自動(dòng)升降檢測(cè)環(huán)回歸保護(hù)充電樁后，掃描的數(shù)據(jù)將通過保護(hù)充電樁頂部的信號(hào)處理傳輸裝置傳輸回遠(yuǎn)程辦公室，同時(shí)充電樁里的海拔傳感器的數(shù)據(jù)也將同步傳輸。

3.4 信息處理

辦公室里的工作人員可以將傳輸回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較。掃描儀傳輸回來的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行建模，建出來的模型可以直觀的反應(yīng)出侵蝕的部位、大小、范圍等，同時(shí)也可以直觀計(jì)算出風(fēng)機(jī)塔筒各處的傾斜程度。

海拔傳感器放在固定的充電樁上看起來沒用，實(shí)際上通過掃描儀的數(shù)據(jù)建立的模型我們可以計(jì)算出塔筒的變化高度，而通過海拔傳感器我們則可以知道風(fēng)機(jī)基樁的海拔變化，將兩者進(jìn)行對(duì)比，我們便可以知道風(fēng)機(jī)高度變矮是因?yàn)樗沧冃芜€是因?yàn)榈鼗两?，因?yàn)榈鼗两狄彩且粋€(gè)不容小覷的問題。

同樣的為了使遠(yuǎn)程辦公人員能夠進(jìn)行更有依據(jù)的、客觀的判斷，該裝置采用了GNSS-R 海面風(fēng)場(chǎng)遙感技術(shù)，該技術(shù)不僅可以進(jìn)行信號(hào)傳輸，還可以利用反射信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的海洋環(huán)境的遙感檢測(cè)，獲得海面風(fēng)場(chǎng)、海面高度、有效波高等參數(shù)來配合相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算推斷出相應(yīng)的維修時(shí)間。這里的維修時(shí)間不僅僅是風(fēng)機(jī)大概多久之后需要進(jìn)行維修，也是指當(dāng)確定需要維修后，計(jì)算出一個(gè)天氣好、海洋環(huán)境好，適合維修的時(shí)間，讓維修工作安全高效。

遠(yuǎn)程辦公人員在結(jié)合各方面信息后進(jìn)行判斷后，若確定需要維修，則會(huì)發(fā)出信號(hào)，使得保護(hù)充電樁的指示燈亮起，這個(gè)舉措可以人性化地指出對(duì)應(yīng)需要維修的風(fēng)機(jī)，方便工作人員直觀地找到問題風(fēng)機(jī)并進(jìn)行維修，省去了找風(fēng)機(jī)這種浪費(fèi)時(shí)間的工作。（圖4）

3.5 能量來源及工作保護(hù)

保護(hù)充電樁的能量來源無疑就是海上風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的電，直接利用風(fēng)機(jī)發(fā)的電有利也有弊，好處是可以直接使用，避免傳輸過程的損耗；弊端則是風(fēng)機(jī)發(fā)的電并不穩(wěn)定，可能存在沒有風(fēng)、風(fēng)不大等等不可抗力因素，因此保護(hù)機(jī)制就十分重要了。自動(dòng)升降檢測(cè)環(huán)在回歸充電樁后，將進(jìn)行充電以及電量檢測(cè)，若檢測(cè)到自動(dòng)升降檢測(cè)環(huán)的電量不足以完成一次檢測(cè)或電池衰老嚴(yán)重時(shí)，充電口將鎖緊自動(dòng)升降檢測(cè)環(huán)，以免檢測(cè)環(huán)因電量不足無法返回充電樁；在自動(dòng)升降檢測(cè)環(huán)發(fā)生電池衰老嚴(yán)重、掃描儀損壞、長(zhǎng)時(shí)間沒有回歸保護(hù)充電樁時(shí)，指示燈將自動(dòng)亮起并發(fā)出相應(yīng)信號(hào)通知遠(yuǎn)程工作人員。

海洋環(huán)境具有高溫、高濕、有鹽霧，光照和反射強(qiáng)等特點(diǎn)，裝置工作環(huán)境較為惡劣。因此將有以下舉措提高裝置壽命：裝置外露部分（容納盒、伸縮桿、充電樁）使用10CrMoAl 鋼材，同時(shí)涂上ZS-711 防腐涂料，這會(huì)大大提高抗腐蝕性和抗氧化性。同時(shí)充電口為嵌入式，避免充電器發(fā)生銹蝕問題，甚至造成整個(gè)風(fēng)機(jī)損壞。

4 結(jié)論

綜上所述，海上風(fēng)機(jī)基樁自動(dòng)檢測(cè)裝置的發(fā)展前景顯而易見的樂觀，解決風(fēng)機(jī)基樁自動(dòng)檢測(cè)迫在眉睫。本文針對(duì)現(xiàn)在的海上風(fēng)機(jī)基樁的窘迫現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)出能夠完美解決相應(yīng)問題的裝置，該裝置不僅可以進(jìn)行精確自動(dòng)檢測(cè)，還可以結(jié)合相應(yīng)的GNSS-R 海面風(fēng)場(chǎng)遙感技術(shù)，進(jìn)行維修時(shí)間的推斷，并且人性化地指出相應(yīng)的問題風(fēng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程檢測(cè)，具有較高的行業(yè)應(yīng)用價(jià)值。