CN112769084A - 一种激光-微波复合除冰系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光‑微波复合除冰系统及方法，除冰系统：包含有综合控制系统、与综合控制系统分别电连接的冷却系统、激光光源、微波电源、准直调节系统、磁控管系统、光电传感器、吸波材料喷洒装置、扫描系统及供电系统、与磁控管系统相连的加热天线以及用于承载所有子系统的可移动式载体系统。除冰方法主要是先采用脉冲激光束对冰层进行作用，在冰层表面形成水与多孔空隙；然后将吸波材料喷洒至冰层表面与冰层空隙中；最后再采用大幅面连续激光束与微波远距离对冰层进行加热，达到快速、大面积去除目标物表面覆冰。本发明的优点有：应用灵活，使用范围广，能耗低，无污染，工作效率高，性较比高，不损伤基材。
Description
技术领域
本发明涉及激光应用技术领域，具体的说是涉及一种激光-微波复合除冰系统及方法。
背景技术
风电厂与高压电线大多坐落在高原、山脊、山顶等高海拔寒冷地区和风能资源丰富的高纬度地区。由于海拔较高且气温较低，这些区域的风机叶片与高压电线在冬季极易发生覆冰现象；而叶片或高压电线结冰后不仅会引起载荷增加，影响叶片寿命或高压电线正常运行，而且在结冰严重时还会出现机组不得不脱网停机或高压电线被断裂的问题，使得长年处于低温地区的机组利用率大为降低。另外，在叶片或高压电线结冰后，随着温度升高，冰块会脱落，不仅会对机组和现场人员造成很大安全隐患，而且当叶片或高压电线积冰严重时，还会导致叶片或高压电线出现被断裂的问题，从而威胁到风电场或变电站的人员安全；同时，当叶片覆冰时，还会造成机组效率降低，造成年发电量损失1％-10％，在条件恶劣的地区年发电量损失甚至会达到20％-50％。
目前，风力机叶片的除冰方式有很多种，如：机械除冰、热力除冰、化学喷洒除冰、超声振动除冰、电磁脉冲除冰等，但这些都是基于热力、电力、人力等被动除冰方式，不仅耗时耗力、耗能、效率低，而且成本昂贵，并不能从根本上解决上述问题。
发明内容
针对背景技术中的问题，本发明的目的在于提供一种激光-微波复合除冰系统及方法，以实现大面积、高效地清除风机叶片、高压电线及其他物体表面覆冰。
本发明采取的技术思路是：为实现大面积快速除冰，本申请采取将激光除冰技术与微波除冰技术进行融合，同时引入吸波材料，起到除冰催化效果，从而达到能快速实现风机叶片、高压电线、道路、铁轨隧道等场景表面覆冰去除的目的；其中，激光除冰主要是利用覆冰对激光的热吸收与热应力效应，通过连续激光束实现较大面积表面除冰，通过脉冲激光束在覆冰表面形成蜂窝状小空隙孔；吸波材料则喷洒在覆冰空隙或脉冲激光形成的孔矩阵中，可以起到提高除冰效率至5～10倍的作用；微波除冰则直接作用于水和吸波材料上，与激光起到复合加热覆冰层的目的，而不伤害基材。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种激光-微波复合除冰系统，包含有冷却系统、激光光源、微波电源、综合控制系统、准直调节系统、磁控管系统、光电传感器、吸波材料喷洒装置、扫描系统及加热天线，所述综合控制系统分别与所述冷却系统、激光光源、微波电源、准直调节系统、磁控管系统、光电传感器、吸波材料喷洒装置及扫描系统电连接；
其中，冷却系统、用于给激光-微波复合除冰系统的所有子系统进行冷却散热；
激光光源、用于输出高强度的激光束；
微波电源、用于输出磁控管系统所需的电能；
准直调节系统、用于将激光光源输出的高强度激光束准直后，经扫描系统调整为宽幅连续激光光束并作用于除冰目标表面；
磁控管系统，用于将微波电源输出的电能转换成微波能；
加热天线，用于将磁控管系统输出的微波能以微波束的方式辐射到除冰目标表面，并经过衰减损耗后转换成热能达到对除冰目标表面加热的效果；
光电传感器、用于探测除冰目标表面的覆冰面积及冰层厚度；
吸波材料喷洒装置，用于喷洒吸波材料至除冰目标表面的冰层上；
扫描系统、用于获取宽幅连续激光光束面并作用于除冰目标表面；
综合控制系统、用于控制协调激光-微波复合除冰系统的所有子系统工作，实现精准、快速去除除冰目标表面覆冰。
进一步上述除冰系统，还包含用于给激光-微波复合除冰系统的所有子系统提供电能的供电系统。
进一步上述除冰系统，还包含有用于承载激光-微波复合除冰系统的所有子系统的可移动式载体系统。
进一步上述除冰系统中，所述综合控制系统包含FPGA模块、远端人机相互界面、通讯模块、冷却系统驱动电路、激光光源驱动电路、微波电源开关调节驱动电路、扫描系统驱动电路、光电传感器驱动电路及气动驱动电路；
所述远端人机相互界面通过通讯模块与所述FPGA模块通讯连接，所述FPGA模块分别与所述冷却系统驱动电路、激光光源驱动电路、微波电源开关调节驱动电路、扫描系统驱动电路、光电传感器驱动电路、气动驱动电路及供电系统电连接；
所述冷却系统驱动电路与所述冷却系统电连接，所述激光光源驱动电路与所述激光光源电连接，所述微波电源开关调节驱动电路与所述微波电源电连接，所述扫描系统驱动电路与所述扫描系统电连接，所述光电传感器驱动电路与所述光电传感器电连接,所述气动驱动电路与所述吸波材料喷洒装置电连接。
进一步上述除冰系统中，所述激光光源采用的是输出波长为1.06μm或1.55μm或2.0μm或2.9μm或10.6μm、输出功率为10W～2000W、工作模式含连续模式与脉冲模式的激光器。
进一步上述除冰系统中，所述准直调节系统为激光准直仪。
进一步上述除冰系统中，所述扫描系统为激光振镜扫描系统统。
进一步上述除冰系统中，所述吸波材料为合金粉末颗粒或陶瓷颗粒。
一种基于上述激光-微波复合除冰系统的除冰方法，包含如下步骤：
S1、利用光电传感器探测除冰目标表面的覆冰面积及冰层厚度，并将探测到的覆冰面积及冰层厚度信息反馈至综合控制系统；
S2、根据光电传感器反馈回来的覆冰面积及冰层厚度信号，在综合控制系统进行模拟量计算，并预设出激光光源、微波电源及吸波材料喷洒装置的相应工作参数；
S3、通过综合控制系统控制激光光源输出脉冲激光束，并依次经准直调节系统准直、扫描系统扫描后，获得脉冲型宽幅激光光斑，然后按系统预设好的路径作用到除冰目标表面冰层上，并在冰层表面形成蜂窝状小空隙；
S4、待冰层表面出现水分与小空隙后，通过综合控制系统控制吸波材料喷洒装置喷洒出吸波材料至除冰目标的冰层表面及冰层空隙中；
S5、利用光电传感器实时探测到除冰目标的冰层表面及冰层空隙中的吸波材料吸附情况；
当光电传感器探测到冰层表面及冰层空隙中吸附有吸波材料时，通过综合控制系统控制激光光源工作，产生连续激光，然后通过扫描系统获取宽幅连续激光光束面并作用于冰层表面；与此同时，通过综合控制系统控制微波电源工作，产生微波电源，并经磁控管系统转换成微波能后，再通过加热天线辐射到除冰目标表面的冰层上；
S6、重复步骤S1至S5，直到完成除冰目标表面的整个冰层。
上述除冰方法中，除冰时，扫描系统距除冰目标表面冰层距离为2～4m；加热天线距除冰目标表面冰层距离为2～5m。
与现有技术相比，本发明的优点有：
1)应用灵活：可实现对大、中、小型风电设备超远距离除冰；这是由于高能量激光可以实现远距离非接触式空间传输50～2000米左右，对于大、中、小型风电设备除冰均可胜任，故而超远的作用距离，使得工程应用的灵活性大大增加；
2)使用方便、灵活：激光、微波均属于外加热源且均装载移动设备上，无需在风电设备上增加任何额外的附属装备，无需对原有设备进行改造，使用方便，移动灵活。
3)节能：激光本身不导电、可控性好、方向性好，可以精准的控制作用区域和范围大小，故而减少了能量浪费；
4)用途广：激光的瞬时能量密度和作用范围可以调节很小，能够利用脉冲特性对冰层施加热应力，实现较厚冰层的除去，同时还可以切割粉碎覆冰；
5)除冰速度快，性价比高：激光的扫描速度快，可以保证在比较短的时间内去除较大面积的覆冰，同时还能够很好且快速的去除局部的厚冰层；
6)无污染：微波加热具有加热均匀、不伤害物体表面、不污染环境；激光-微波复合加热仅仅消耗了电能，天然具有可控性强、清洁、无污染的优点；
7)通过引入吸波材料，使除冰效率可以提升5～10倍。
附图说明
图1为本发明激光-微波复合除冰系统的工作原理图；
图2为图1中综合控制系统的结构框图；
附图标记说明：
101、冷却系统；102、激光光源；103、微波电源；104、综合控制系统；104a、FPGA模块；104b、远端人机相互界面；104c、通讯模块；104d、冷却系统驱动电路；104e、激光光源驱动电路；104f、微波电源开关调节驱动电路；104g、扫描系统驱动电路；104h、光电传感器驱动电路；104i、气动驱动电路；105、准直调节系统；106、磁控管系统；107、光电传感器；108、吸波材料喷洒装置；109、扫描系统；110、加热天线；111、供电系统；112、可移动式载体系统；113、除冰目标；114、冰层；115、吸波材料；116、激光光束；117、微波束。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图和具体实施方式，进一步阐述本发明是如何实施的。
参阅图1所示，本发明提供的一种激光-微波复合除冰系统包含有冷却系统101、激光光源102、微波电源103、综合控制系统104、准直调节系统105、磁控管系统106、光电传感器107、吸波材料喷洒装置108、扫描系统109及加热天线110，综合控制系统105分别与冷却系统101、激光光源102、微波电源103、准直调节系统106、磁控管系统106、光电传感器107、吸波材料喷洒装置108及扫描系统109电连接；
其中，冷却系统101用于给激光-微波复合除冰系统的所有子系统进行冷却散热，特别是对激光光源102及磁控管系统106，激光光源102用于将电能转换为高强度的激光束，然经准直调节系统105准直和扫描系统109调整为宽幅连续激光光束116后作用于除冰目标113表面；微波电源103用于将直流电能转换磁控管系统107所需的电能；磁控管系统106用于将微波电源103输出的电能转换成微波能并馈给波导后，经过加热天线110以微波束117的方式辐射到除冰目标114表面，并经过衰减损耗后转换成热能达到对除冰目标114表面加热的效果；光电传感器107、用于探测除冰目标113表面的覆冰面积及冰层114厚度；吸波材料喷洒装置108，用于喷洒吸波材料115至除冰目标113表面的冰层114上；扫描系统109、用于获取宽幅连续激光光束面并作用于除冰目标113表面；综合控制系统105、作为整个除冰系统的大脑中枢，用于控制协调激光-微波复合除冰系统中的所有子系统工作，以达到精准、快速去除除冰目标113表面的覆冰。
在本发明激光-微波复合除冰系统中，参阅图1所示，还包含用于给激光-微波复合除冰系统的所有子系统提供电能的供电系统111；具体的说，该供电系统111可以为现有的市电系统、或者为与本发明除冰系统配套的自制供电设备，例如：开关电源。
在本发明激光-微波复合除冰系统中，参阅图1所示，还包含用于承载激光-微波复合除冰系统的所有子系统的可移动式载体系统112；使用时，激光-微波复合除冰系统包含的所有子系统均装载在可移动式载体系统112上，随着可移动式载体系统112一起移动；具体的说，该可移动式载体系统112可以是无人机、直升机、机器人或小型车等可移动装载设备。
更具体的说，在本发明激光-微波复合除冰系统中，参阅图2所示，综合控制系统104包含FPGA模块104a、远端人机相互界面104b、通讯模块104c、冷却系统驱动电路104d、激光光源驱动电路104e、微波电源开关调节驱动电路104f、扫描系统驱动电路104g、光电传感器驱动电路104h及气动驱动电路104i；
其中，远端人机相互界面104b通过通讯模块104c(例如4G通讯网络)与FPGA模块104a通讯连接，FPGA模块104a分别与冷却系统驱动电路104d、激光光源驱动电路104e、微波电源开关调节驱动电路104f、扫描系统驱动电路104g、光电传感器驱动电路104h、气动驱动电路104i及供电系统111电连接；冷却系统驱动电路104d与冷却系统101电连接，激光光源驱动电路104e与激光光源102电连接，微波电源开关调节驱动电路104f与微波电源103电连接，扫描系统驱动电路104g与扫描系统109电连接，光电传感器驱动电路104h与光电传感器107电连接,气动驱动电路104i与吸波材料喷洒装置108电连接；
其中，冷却系统驱动电路104d用于驱动冷却系统101工作，以实现对应给激光-微波复合除冰系统的所有子系统进行冷却散热，特别是对激光光源102及磁控管系统106的冷却散热；
激光光源驱动电路104e用于调节激光光源102的电流，实现激光功率调节，以及用于调控电流频率与脉冲波形，实现激光输出模式调节；
微波电源开关调节驱动电路104f用于调节微波电源103的电压与电流；
扫描系统驱动电路104g用于控制扫描系统109工作，以实现调节激光光源102输出的激光束光斑幅面宽度；
光电传感器驱动电路104h用于控制光电传感器107工作，以实现对除冰目标113表面的覆冰面积及冰层113厚度信号的探测与反馈；
气动驱动电路104i用于调节吸波材料喷洒装置108的喷洒气压，以实现吸波材料115的喷洒。
在本发明激光-微波复合除冰系统中，激光光源102采用的是输出波长为1.06μm或1.55μm或2.0μm或2.9μm或10.6μm、输出功率为10W～2000W、工作模式含连续模式与脉冲模式的激光器。
在本发明激光-微波复合除冰系统中，准直调节系统105可以采用市售的任何一款激光准直仪。
在本发明激光-微波复合除冰系统中，扫描系统109采用的是激光振镜扫描系统。
在本发明激光-微波复合除冰系统中，吸波材料115可以为合金粉末颗粒，也可以陶瓷颗粒，还可以是其他磁损耗正切值较大的材料。
在本发明激光-微波复合除冰系统中，除冰目标113可以是风机叶片、高压电线、道路及铁轨隧道等任何一种表面覆冰的物体。
本发明提供的一种基于上激光-微波复合除冰系统的除冰方法，其具体包含如下步骤：
S1、由综合控制系统104中的FPGA模块104a施加命令给光电传感器驱动电路104h，由光电传感器驱动电路104h驱动光电传感器107工作，利用光电传感器107去探测除冰目标113表面的覆冰面积及冰层114厚度，并将探测到的覆冰面积及冰层厚度信息再反馈至综合控制系统104的FPGA模块104a中，最后再由FPGA模块104a通过通讯模块104c反馈至远端人机相互界面104b；
S2、在综合控制系统104的FPGA模块104a中根据光电传感器107反馈回来的覆冰面积及冰层厚度进行模拟量计算，设定出激光光源102、微波电源103及吸波材料喷洒装置108的相应工作参数；
S3、通过综合控制系统104中的FPGA模块104a施加命令给激光光源驱动电路104e，由激光光源驱动电路104e控制激光光源102输出脉冲激光束，并依次经准直调节系统105准直、扫描系统109后，获得脉冲型宽幅激光光斑，然后按系统预设好的路径作用到除冰目标113表面冰层114上，对冰层114进行加热，使冰层114表面形成蜂窝状小空隙；
S4、待冰层114表面出现水分与小空隙后，通过综合控制系统104中的FPGA模块104a施加命令给气动驱动电路104i，由气动驱动电路104i控制吸波材料喷洒装置108喷洒出吸波材料115，并将吸波材料115喷洒至除冰目标113的冰层114表面及冰层114空隙中；
S5、利用光电传感器107实时探测到除冰目标113的冰层114表面及冰层114空隙中的吸波材料115吸附情况；
当光电传感器107探测到冰层114表面及冰层114空隙中吸附有吸波材料115时，通过综合控制系统104中的FPGA模块104a发送指令调节激光光源驱动电路104e，由激光光源驱动电路104e控制激光光源102工作，并输出连续激光，然后通过扫描系统驱动电路104g控制扫描系统109工作，以获取宽幅连续激光光束116面，并作用于冰层114表面；与此同时，通过综合控制系统104中的FPGA模块104a发送指令调节微波电源开关调节驱动电路104f控制微波电源103工作，产生微波电源，并经磁控管系统107转换成微波能后，再通过加热天线110远距离辐射到除冰目标113表面的冰层114上；
S6、重复步骤S1至S5，直到完成除冰目标113表面的整个冰层114。
在本发明除冰方法中：扫描系统109距除冰目标113表面冰层114距离一般的取值范围为2～4m；加热天线110距除冰目标113表面冰层114距离一般的取值范围为2～5m。
当采用本发明提供的激光-微波复合除冰系统，对高压电线上的冰层进行去除时，其中的激光光源102优选为波长1.06μm、功率100W、光束质量1.2、工作模式含连续模式与脉冲模式的脉冲激光器；扫描系统109优选为扫描幅面是100mmx50mm的激光振镜扫描系统，且在工作时，其距离高压电线约25m；磁控管系统106优选为平均阳极功率1.7～2kW、电能转换为微波能效率70～80％、等丝电压2.7～3.6V的风冷磁控管系统；加热天线110优选为微波频率2.45GHz的喇叭天线，且工作时，其距离高压电线上的冰层约3m。
本发明提供的一种基于上激光-微波复合除冰系统的除冰方法，整个除冰过程大致可以简化为如下几步：
1、采用脉冲激光束对冰层进行作用，在冰层表面形成水与多孔空隙；
2、将吸波材料喷洒至冰层表面与冰层空隙中；
3、采用大幅面连续激光束与微波远距离对冰层进行加热，达到快速、大面积去除目标物表面覆冰。
最后说明，以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种激光-微波复合除冰系统，其特征在于：包含有冷却系统(101)、激光光源(102)、微波电源(103)、综合控制系统(104)、准直调节系统(105)、磁控管系统(106)、光电传感器(107)、吸波材料喷洒装置(108)、扫描系统(109)及加热天线(110)，所述综合控制系统(105)分别与所述冷却系统(101)、激光光源(102)、微波电源(103)、准直调节系统(106)、磁控管系统(106)、光电传感器(107)、吸波材料喷洒装置(108)及扫描系统(109)电连接；
其中，冷却系统(101)、用于给激光-微波复合除冰系统的所有子系统进行冷却散热；
激光光源(102)、用于输出高强度的激光束；
微波电源(103)、用于输出磁控管系统(107)所需的电能；
准直调节系统(105)、用于将激光光源(102)输出的高强度激光束准直后，经扫描系统(109)调整为宽幅连续激光光束(116)并作用于除冰目标(112)表面；
磁控管系统(106)、用于将微波电源(103)输出的电能转换成微波能；
加热天线(110)、用于将磁控管系统(106)输出的微波能以微波束(117)的方式辐射到除冰目标(113)表面，并经过衰减损耗后转换成热能达到对除冰目标(112)表面加热的效果；
光电传感器(107)、用于探测除冰目标(113)表面的覆冰面积及冰层(113)厚度；
吸波材料喷洒装置(108)、用于喷洒吸波材料(115)至除冰目标(113)表面的冰层(114)上；
扫描系统(109)、用于获取宽幅连续激光光束面并作用于除冰目标(113)表面；
综合控制系统(105)、用于控制协调激光-微波复合除冰系统的所有子系统工作，实现精准、快速去除除冰目标(113)表面覆冰。
2.根据权利要求1所述的激光-微波复合除冰系统，其特征在于：还包含用于给激光-微波复合除冰系统的所有子系统提供电能的供电系统(111)。
3.根据权利要求2所述的激光-微波复合除冰系统，其特征在于：还包含有用于承载激光-微波复合除冰系统的所有子系统的可移动式载体系统(112)。
4.根据权利要求3所述的激光-微波复合除冰系统，其特征在于：所述综合控制系统(104)包含FPGA模块(104a)、远端人机相互界面(104b)、通讯模块(104c)、冷却系统驱动电路(104d)、激光光源驱动电路(104e)、微波电源开关调节驱动电路(104f)、扫描系统驱动电路(104g)、光电传感器驱动电路(104h)及气动驱动电路(104i)；
所述远端人机相互界面(104b)通过通讯模块(104c)与所述FPGA模块(104a)通讯连接，所述FPGA模块(104a)分别与所述冷却系统驱动电路(104d)、激光光源驱动电路(104e)、微波电源开关调节驱动电路(104f)、扫描系统驱动电路(104g)、光电传感器驱动电路(104h)、气动驱动电路(104i)及供电系统(111)电连接；
所述冷却系统驱动电路(104d)与所述冷却系统(101)电连接，所述激光光源驱动电路(104e)与所述激光光源(102)电连接，所述微波电源开关调节驱动电路(104f)与所述微波电源(103)电连接，所述扫描系统驱动电路(104g)与所述扫描系统(109)电连接，所述光电传感器驱动电路(104h)与所述光电传感器(107)电连接,所述气动驱动电路(104i)与所述吸波材料喷洒装置(108)电连接。
5.根据权利要求4所述的激光-微波复合除冰系统，其特征在于：所述激光光源(102)采用的是输出波长为1.06μm或1.55μm或2.0μm或2.9μm或10.6μm、输出功率为10W～2000W、工作模式含连续模式与脉冲模式的激光器。
6.根据权利要求4所述的激光-微波复合除冰系统，其特征在于：所述准直调节系统(105)为激光准直仪。
7.根据权利要求4所述的激光-微波复合除冰系统，其特征在于：所述扫描系统(109)为激光振镜扫描系统。
8.根据权利要求4所述的激光-微波复合除冰系统，其特征在于：所述吸波材料(115)为合金粉末颗粒或陶瓷颗粒。
9.一种基于权利要求1中所述激光-微波复合除冰系统的除冰方法，其特征在于：包含如下步骤：
S1、利用光电传感器(107)探测除冰目标(113)表面的覆冰面积及冰层(114)厚度，并将探测到的覆冰面积及冰层厚度信息反馈至综合控制系统(104)；
S2、根据光电传感器(107)反馈回来的覆冰面积及冰层厚度信号，在综合控制系统(104)进行模拟量计算，并预设出激光光源(102)、微波电源(103)及吸波材料喷洒装置(108)的相应工作参数；
S3、通过综合控制系统(104)控制激光光源(102)输出脉冲激光束，并依次经准直调节系统(105)准直、扫描系统(109)后，获得脉冲型宽幅激光光斑，然后按系统预设好的路径作用到除冰目标(113)表面冰层(114)上，并在冰层(114)表面形成蜂窝状小空隙；
S4、待冰层(114)表面出现水分与小空隙后，通过综合控制系统(104)控制吸波材料喷洒装置(108)喷洒出吸波材料(115)至除冰目标(113)的冰层(114)表面及冰层(114)空隙中；
S5、利用光电传感器(107)实时探测到除冰目标(113)的冰层(114)表面及冰层(114)空隙中的吸波材料(115)吸附情况；
当光电传感器(107)探测到冰层(114)表面及冰层(114)空隙中吸附有吸波材料(115)时，通过综合控制系统(104)控制激光光源(102)工作，产生连续激光，然后通过扫描系统(109)获取宽幅连续激光光束面并作用于冰层(114)表面；与此同时，通过综合控制系统(104)控制微波电源(103)工作，产生微波电源，并经磁控管系统(107)转换成微波能后，再通过加热天线(110)辐射到除冰目标(113)表面的冰层(114)上；
S6、重复步骤S1至S5，直到完成除冰目标(113)表面的整个冰层(114)。
10.根据权利要求9所述的激光-微波复合除冰方法，其特征在于：除冰时，所述扫描系统(109)距除冰目标(113)表面冰层(114)距离为2～4m；加热天线(110)距除冰目标(113)表面冰层(114)距离为2～5m。
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