CN114084348A - 一种风电叶片的微波除冰系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风电叶片的微波除冰系统和方法，该系统本发明利用无人机可灵活操作性，通过红外摄像头对风电叶片进行全面拍摄，发现结冰点。RTK定位系统精准定位并记录风电叶片结冰点的坐标信息，全向雷达系统可控制无人机悬停在结冰点位置附近，保证无人机与风电叶片之间有2.5米的安全距离，以免无人机晃动对风电叶片造成损伤；喷头与喷嘴之间的舵机可调整喷头与喷嘴的方向，保证喷洒的准确性；FPV摄像头全程拍摄融冰除冰过程，并实时传递给操作手柄屏幕，使除冰清洗过程及时高效；地面系统能给给予系留无人机动力保证和信号保证，能使无人机在高空长续航，高响应的执行除冰任务。
Description
技术领域
本发明属于风能发电技术领域，具体涉及一种风电叶片的微波除冰系统和方法。
背景技术
随着全球环境问题和能源危机的日益严重，清洁能源越来越受到各国的重视。风能作为一种可再生能源蕴藏量巨大，分布面广，具有很大开发利用潜力。
风力发电机组的工作环境在风力资源较为丰富的室外，而在一些环境湿度大、降水量大、温度低的风场，当气温降到零摄氏度以下时，风力发电机叶片上可能就会结冰，冰附着在叶片上，改变了叶片翼型，不仅影响了叶片的气动性能，降低了风力发电机装置的发电效率，还增加了整个风力发电机装置的动静载荷，对整机强度和稳定性产生更为不利的影响。因此，防止和及时去除风机叶片上的结冰，对于保证风力发电机装置的正常高效运行有着极为重要的意义。
目前常见的叶片防冰/除冰技术包括：热力除冰、机械除冰、液体除冰等。热力除冰通常有内部设置空腔通入热溶液的方式、在叶片内部布置电阻丝。叶片内部设置空腔的方式会造成风电叶片应力集中，且该方式并不能完全去除叶片的冰层；叶片内部布置电阻丝的方式工艺复杂，成本高，且电阻丝加热性能无法保障。热力除冰技术的缺点是能耗相对较高，需额外引入加热器消耗电能，降低风力发电效率。机械除冰是用力学方法把结冰层破碎，再使碎冰在叶片表面被气流冲击而滑落，或者利用叶片旋转时的离心力或叶片微震的形式去除冰层。但该方式需要在风力发电机组建成初始就固定安装在每个叶片上，使用时间较长后导致设备失灵维修困难，且长时间运行时，会有齿根折断的风险。液体除冰主要是将除冰剂喷洒至叶片表面，以使风电叶片表面的结冰点降低或改变叶片表面与冰层的附着力，但现有的除冰剂会对环境造成二次污染，腐蚀叶片表面涂层，不可大面积喷涂在叶片表面。因此如何提供一种操作便捷，使用灵活，成本低，对风电叶片无腐蚀影响，不会对周围环境造成二次污染，除冰效率高的方法是风电叶片除冰技术领域亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种风电叶片的微波除冰系统和方法，以解决现有技术中除冰成本高，除冰效率低下，有齿根折断的风险。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种风电叶片的微波除冰系统，包括无人机本体，所述无人机本体包括本体结构，所述本体结构连接有六个折叠机架，每一个折叠机架的外端上部设置有螺旋桨；所述本体结构中设置有RTK定位单元和飞控单元；
所述本体结构的下部连接有粉末箱体，粉末箱体中设置有碳纤维压缩玻璃瓶，碳纤维压缩玻璃瓶连接有空气入口管路，碳纤维压缩玻璃瓶和空气入口管路之间设置有电磁阀，所述空气入口管路连接至喷杆；所述无人机本体中设置有吸波生热除冰剂粉末储存箱，吸波生热除冰剂粉末储存箱的下端连接有进料漏斗，进料漏斗的下端连接有可调节通槽，可调节通槽的下端通过粉末入口管路和喷杆连通，所述进料漏斗和可调节通槽之间设置有气动阀门，喷杆的出口端设置有旋转喷嘴；
所述粉末箱体的下部连接有微波箱体，所述微波箱体内设置有电源，电源连接有磁控管，磁控管的前端连接有激励腔，激励腔的前端连接有天线。
本发明的进一步改进在于：
优选的，所述喷杆的内部设置有伸缩部分，所述伸缩部分的调节长度为1-3m。
优选的，所述伸缩部分的内部设置有螺旋硅胶管路。
优选的，所述旋转喷嘴为金属雾化喷嘴，所述旋转喷嘴内部的喷雾区域为实心锥形。
优选的，所述可调节通槽的流量为0.3～0.8kg/min；所述碳纤维压缩玻璃瓶输出的空气流量为0.3～0.5m3/min；所述碳纤维压缩玻璃瓶的出口压力为0.4～0.6MPa。
优选的，所述吸波生热除冰剂粉末储存箱中装载有吸波生热除冰剂粉末；
以质量份数计，所述吸波生热除冰剂粉末由以下物质组成：石墨粉30～40份；活性炭粉10～25份；硅藻土5～10份；碳酸钠5～10份；氧化钙或无水氯化钙或无水氯化镁10～20份；铈铁合金粉末3～8份；铝粉3～5份；羧甲基纤维素2～5份；硼酸4～7份；蔗糖2～5份。
优选的，所述天线架装在移动铰座上，移动铰座固定设置在微波箱体中。
优选的，所述天线的微波发射频率为2400MHz～2500MHz。
优选的，所述无人机本体通过系留电缆连接有设置在地面的综合控制系统。
一种基于上述的除冰系统的风电叶片的微波除冰方法，包括以下步骤：
步骤1，通过飞控单元控制无人机飞升至风电叶片高度，无人机悬停至风电叶片旁，无人机和风电叶片之间的水平距离＞3m；
步骤2，开启红外摄像头对风电叶片进行全方位拍摄，确定风电叶片的结冰点，开启RTK定位单元记录风电叶片结冰点的坐标信息；
步骤3，调整旋转喷嘴的方向，将旋转喷嘴对准结冰点，启动融冰喷洒装置喷出吸波生热除冰剂粉末，等待15秒；
步骤4，开启微波发射装置，将天线205调整方向对准粉末覆冰位置，促进吸波生热除冰剂清除冰块；
步骤5，当前位置结冰点完成工作后，无人机根据RTK定位单元，在飞控单元的控制下，飞行至下一个结冰点位置附近，继续进行除冰操作。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种风电叶片的微波除冰系统，该系统本发明利用无人机可灵活操作性，通过红外摄像头对风电叶片进行全面拍摄，发现结冰点。RTK定位系统精准定位并记录风电叶片结冰点的坐标信息，全向雷达系统可控制无人机悬停在结冰点位置附近，保证无人机与风电叶片之间有2.5米的安全距离，以免无人机晃动对风电叶片造成损伤；喷头与喷嘴之间的舵机可调整喷头与喷嘴的方向，保证喷洒的准确性；FPV摄像头全程拍摄融冰除冰过程，并实时传递给操作手柄屏幕，使除冰清洗过程及时高效；地面系统能给给予系留无人机动力保证和信号保证，能使无人机在高空长续航，高响应的执行除冰任务。
本发明还公开了一种风电叶片的微波除冰方法，该方法配合融冰剂的使用，针对风电叶片结冰点，将微波融冰粉末均匀喷洒至除冰表面，其中的铝粉遇水后能在表面产生微爆炸，使叶片表面覆冰产生裂纹，微波吸收发热融冰剂能更好的渗入冰与叶片之间的界面层。然后开启微波发射装置，将微波天线调整方向对准粉末覆冰位置，微波除冰吸收剂协同微波除冰，能更好的吸收微波能量，转变成热能，快速融冰。加速冰面界面分离，冰更容易脱落。具有吸收强，频带宽，融冰效率高等优势；采用环保除冰剂，将相应的除冰剂喷洒模块搭载在系留无人机上，协同无人机上的微波发射模块，通过远程遥控无人机，通过系留方式进行持续供电，可长时间滞空并高效去除风电叶片表面冰层，对风电叶片无腐蚀影响，不会对周围环境造成二次污染，操作灵活便捷。
附图说明
图1为本发明系统的俯视图；
图2为本发明系统的侧视图；
图3为微波发射装置和融冰喷洒装置的细节图；
图4为整个系统的结构图。
其中：1-无人机本体；2-微波发射装置；3-融冰喷洒装置；4-系留无人机地面系统；5-地面通信端；6-发电机；7-综合控制系统；8-系留电缆；101-本体结构；102-折叠机架；103-螺旋桨；104-支撑架；105-前后FPV摄像头；106-红外摄像头；107-全向避障雷达；108-防护壳；201-电源；202-磁控管；203-激励腔；204-移动铰座；205-天线；206-微波箱体；301-碳纤维压缩空气瓶；302-电磁阀；303-减压阀；304-吸波生热除冰剂粉末；305-进料漏斗；306-气动阀门；307-可调节通槽；308-空气入口管路；309-粉末入口；310-喷杆；311-伸缩部分；312-旋转喷嘴；313-粉末箱体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
一种用于风电叶片除冰的系统和方法，该系统包括留无人机本体1、融冰喷洒装置3、微波发射装置2和系留无人机地面系统4。
参见图1，所述无人机本体1，包括本体结构101、折叠机臂102、螺旋桨103、支撑架104、前后FPV摄像头105、红外摄像头106、全向避障雷达107、RTK定位系统、飞控单元和系留电源稳压系统。本体结构101为无人机的中心部分，围绕本体结构101的周向，设置有六个折叠机臂102，六个折叠机臂102两两对称，有两个对称的折叠机臂102设置在本体结构101长度方向的中心线上，剩余的四个折叠机臂102相对于长度方向中心线两两对称，每一个折叠机臂102的内端和本体结构101连接，外端上设置有螺旋桨103。全向避障雷达107设置有6个，每一个分别设置在一个折叠机臂102的上。
本体结构102上设置有防护壳108，防护壳108内部设置有RTK定位单元、飞控单元和系留电源降压电源。
参见图2，无人机本体结构101的下部设置有支撑架109，应用支撑无人机；至少两个折叠机臂102的下部分别连接有一组FPV摄像头105和红外摄像头106，一组FPV摄像头105和红外摄像头106中包括一个FPV摄像头105和一个红外摄像头106。
参见图2和图3，无人机本体101的下部设置有融冰喷洒装置，融冰喷洒装置包括粉末箱体313，粉末箱体313内设置有碳纤维压缩空气瓶301、电磁阀302、减压阀303、可调节通槽307、空气入口管路308、粉末入口309、喷杆310、伸缩部分311和旋转喷嘴312。吸波生热除冰剂粉末储存箱304、进料漏斗305、气动阀门306和设置在无人机本体结构101中
其中吸波生热除冰剂粉末储存箱304穿过无人机本体结构101，最上方在无人机本体结构101的上方，吸波生热除冰剂粉末储存箱304设置在防护壳108的前方，吸波生热除冰剂粉末储存箱304的下端和进料漏斗305的上端连通，进料漏斗305的下端和可调节通槽307连通，可调节通槽307设置在粉末箱体313中，进料漏斗305和可调节通槽307之间设置有气动阀门306。可调节通槽307的出口通过粉末入口管路309和喷杆310连通。
粉末箱体313内部的后端设置有碳纤维压缩空气瓶301，碳纤维压缩空气瓶301的输出端和减压阀302连接，所述的减压阀302一端连接碳纤维气瓶301出口，一端连接电磁阀303；电磁阀303出口和空气入口管路308连接。
空气入口管路308和粉末入口309在喷杆310前端汇合，喷杆310穿过粉末箱体313的前端面，喷杆310的出口端设置有旋转喷嘴312。
优选的，喷杆310包括内外两层，外层的伸缩管路311为可调节长度的硬质材料的管路，如拉杆结构的可伸缩管路，可调节长度为1-3m，能够避开无人机螺旋桨下方风区干扰。伸缩管路311的内部设置有软质的螺旋硅胶管路，使得除冰剂粉末能够在螺旋硅胶内并运输，螺旋硅胶管路的可调节长度为1～4m，配合可伸缩喷杆。
优选的，吸波生热除冰剂粉末的旋转喷嘴312为大角度金属喷嘴，为雾化喷嘴，其内部的喷雾区域为实心锥形，喷雾角度为30°；
优选的，吸波生热除冰剂粉末储存箱304可携带10～15kg吸波生热除冰剂粉末；
优选的可调节通槽307流量为0.3～0.8kg/min；
优选的压缩空气流量为0.3～0.5m3/min；
优选的碳纤维压缩空气瓶减压阀303出口压力为0.4～0.6MPa。
具体的，启动融冰喷洒装置3时，通过系留无人机地面控制系统，先开启减压阀303，调节碳纤维压缩空气减压阀303出口压力，再开启电磁阀302，使得压缩空气经空气入口管路308进入喷杆310中，然后从旋转喷嘴312中喷出，清洗管路中杂质气体；2秒后，触动气动阀门306开启，吸波生热除冰剂经可调节通槽307进入粉末入口309；吸波生热除冰剂粉末由压缩空气喷射到风电叶片结冰点上，利用氧化钙遇水产生大量热，可初步融化冰层，提高叶片温度。
具体的，关闭融冰喷洒装置3时，先关闭气动阀门306，1s中无粉末喷出后，然后再关闭碳纤维压缩空气减压阀303，再关闭电磁阀302，彻底中断融冰喷洒装置；
具体的，在吸波生热除冰剂粉末储存箱304中的用于风电叶片微波融冰的除冰剂，以质量分数计，包括：石墨粉30～40份；活性炭粉10～25份；硅藻土5～10份；碳酸钠5～10份；氧化钙或无水氯化钙或无水氯化镁10～20份；铈铁合金粉末3～8份；铝粉3～5份；羧甲基纤维素2～5份；硼酸4～7份；蔗糖2～5份。
融冰喷洒装置3的下部连接有微波发射装置2，微波发射装置2包括微波箱体206，微波箱体206内设置有从后向前依次设置有电源201、磁控管202、激励腔203和天线205。天线205设置在移动铰座204上，移动铰座204固定设置在微波箱体206中。所述电源201与磁控管202相连，电源201同时和系留电缆8连接，使得系留电缆8能够为微波发射装置2供电，磁控管202是微波电子管的一种，是一种重入式谐振型正交场振荡器，通常作为高功率微波能发生器，磁控管202和地面通信端5连接，受地面通信端5的控制，产生微波。磁控管202的输出端和激励腔203连接，激励腔203是磁控管输出元件，它的目地是把磁控管的微波震荡转变为波导中适当传播模式的电磁波。激励腔203的输出端和天线205连接，天线205与激励腔203相连接，通过移动铰座204来调节微波的发射方向。
优选的，微波发射频率为2400MHz～2500MHz.
参见图4，所述系留无人机系统4包括地面通信端5，发电机6和综合控制系统7。所述地面通信端5为无人机的整体控制装置，能够为PC端或手柄，地面通信端和全面避障雷达、RTK定位系统和飞控单元均连接，使得地面通信端5能够控制无人机的飞行位置，地面通信端5同时能够显示前后FPV摄像头105和红外摄像头106拍摄的画面，使得操作人员能够及时的观察情况，地面通信端5同时和气动阀门306和电磁阀302连接，使得能够操控融冰喷洒装置的启停，地面通信端5同时和磁控管202连接，以控制微波的产生和发出。所述综合控制系统7包括高压直流稳压系统、放线器、同步绕线轮、控制单元和系留电缆8，所述发电机6与综合控制系统7相连，提供电源，系留电缆8为融冰喷洒装置3和微波发射装置2提供电源。
所述FPV摄像头105、红外摄像头106、RTK定位单元和飞控单元均通过系留电缆8和综合控制系统7中的控制单元连接，系留电源降压电源和高压直流稳压电源连接。
一种用于风电叶片的除冰方法是：当风电叶片局部结冰时，会造成叶片的气动性能降低，进而影响机组发电效率，此时无人机对风电叶片进行巡检，先将无人机飞升至叶片高度，通过无人机飞控单元，将无人机悬停至水平方向距离风电叶片3米以外的位置，开启红外摄像头对风电叶片进行全方位拍摄，通过红外摄像头拍摄的实时图像，确定风电叶片的结冰点，此时开启RTK定位系统记录风电叶片结冰点的坐标信息，控制系留无人机悬停在结冰点位置附近，调整旋转喷嘴312方向，将吸波生热除冰剂粉末旋转喷嘴312对准结冰点位置，启动融冰喷洒装置，将微波融冰粉末均匀喷洒至除冰表面，等待15秒后，其中氧化钙遇水产生大量热，可初步融化冰层，提高叶片温度，其中的铝粉遇水后能在表面产生微爆炸，使叶片表面覆冰产生裂纹，微波吸收发热融冰剂能更好的渗入冰与叶片之间的界面层。然后开启微波发射装置，将微波天线205调整方向对准粉末覆冰位置，微波除冰吸收剂协同微波除冰，能更好的吸收微波能量，转变成热能，快速融冰。加速冰面界面分离，冰更容易脱落。该过程通过FPV摄像头拍摄，并记录融冰除冰清除过程、并及时查看清除效果；当前位置结冰点完成工作后，无人机根据RTK定位系统记录的结冰点坐标，自动飞行至下一个结冰点位置附近，继续进行除冰。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种风电叶片的微波除冰系统，其特征在于，包括无人机本体(1)，所述无人机本体(1)包括本体结构(101)，所述本体结构(101)连接有六个折叠机架(102)，每一个折叠机架(102)的外端上部设置有螺旋桨(103)；所述本体结构(101)中设置有RTK定位单元和飞控单元；
所述本体结构(101)的下部连接有粉末箱体(313)，粉末箱体(313)中设置有碳纤维压缩玻璃瓶(301)，碳纤维压缩玻璃瓶(301)连接有空气入口管路(308)，碳纤维压缩玻璃瓶(301)和空气入口管路(308)之间设置有电磁阀(303)，所述空气入口管路(308)连接至喷杆(310)；所述无人机本体(1)中设置有吸波生热除冰剂粉末储存箱(304)，吸波生热除冰剂粉末储存箱(304)的下端连接有进料漏斗(305)，进料漏斗(305)的下端连接有可调节通槽(307)，可调节通槽(307)的下端通过粉末入口管路(309)和喷杆(310)连通，所述进料漏斗(305)和可调节通槽(307)之间设置有气动阀门(306)，喷杆(310)的出口端设置有旋转喷嘴(312)；
所述粉末箱体(313)的下部连接有微波箱体(206)，所述微波箱体(206)内设置有电源(201)，电源(201)连接有磁控管(202)，磁控管(202)的前端连接有激励腔(203)，激励腔(203)的前端连接有天线(205)。
2.根据权利要求1所述的风电叶片的微波除冰系统，其特征在于，所述喷杆(310)的内部设置有伸缩部分(311)，所述伸缩部分(311)的调节长度为1-3m。
3.根据权利要求2所述的风电叶片的微波除冰系统，其特征在于，所述伸缩部分(311)的内部设置有螺旋硅胶管路。
4.根据权利要求1所述的风电叶片的微波除冰系统，其特征在于，所述旋转喷嘴(312)为金属雾化喷嘴，所述旋转喷嘴(312)内部的喷雾区域为实心锥形。
5.根据权利要求1所述的风电叶片的微波除冰系统，其特征在于，所述可调节通槽(307)的流量为0.3～0.8kg/min；所述碳纤维压缩玻璃瓶(301)输出的空气流量为0.3～0.5m3/min；所述碳纤维压缩玻璃瓶(301)的出口压力为0.4～0.6MPa。
6.根据权利要求1所述的风电叶片的微波除冰系统，其特征在于，所述吸波生热除冰剂粉末储存箱(304)中装载有吸波生热除冰剂粉末；
以质量份数计，所述吸波生热除冰剂粉末由以下物质组成：石墨粉30～40份；活性炭粉10～25份；硅藻土5～10份；碳酸钠5～10份；氧化钙或无水氯化钙或无水氯化镁10～20份；铈铁合金粉末3～8份；铝粉3～5份；羧甲基纤维素2～5份；硼酸4～7份；蔗糖2～5份。
7.根据权利要求1所述的风电叶片的微波除冰系统，其特征在于，所述天线(205)架装在移动铰座(204)上，移动铰座(204)固定设置在微波箱体(206)中。
8.根据权利要求1所述的风电叶片的微波除冰系统，其特征在于，所述天线(205)的微波发射频率为2400MHz～2500MHz。
9.根据权利要求1所述的风电叶片的微波除冰系统，其特征在于，所述无人机本体(1)通过系留电缆(8)连接有设置在地面的综合控制系统(7)。
10.一种基于权利要求1所述的除冰系统的风电叶片的微波除冰方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，通过飞控单元控制无人机飞升至风电叶片高度，无人机悬停至风电叶片旁，无人机和风电叶片之间的水平距离＞3m；
步骤2，开启红外摄像头(106)对风电叶片进行全方位拍摄，确定风电叶片的结冰点，开启RTK定位单元记录风电叶片结冰点的坐标信息；
步骤3，调整旋转喷嘴(312)的方向，将旋转喷嘴(312)对准结冰点，启动融冰喷洒装置(3)喷出吸波生热除冰剂粉末，等待15秒；
步骤4，开启微波发射装置，将天线205调整方向对准粉末覆冰位置，促进吸波生热除冰剂清除冰块；
步骤5，当前位置结冰点完成工作后，无人机根据RTK定位单元，在飞控单元的控制下，飞行至下一个结冰点位置附近，继续进行除冰操作。
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