CN115059590A - 一种用于风力发电机组叶片的激光融冰系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于风力发电机组叶片的激光融冰系统，包括融冰装置机体、融冰行走轨道、机头综合传感器、融冰装置方位角测量单元、风叶转速键相测量单元、叶片红外测温单元，融冰装置机体安装于环形行走轨道上，轨道固定于风力发电机组零米平台上；机头朝向测量单元安装于风力发电机组机舱上，融冰装置方位角测量单元、风叶转速键相测量单元、叶片红外测温单元安装于融冰装置机体上，融冰装置机体自动跟踪风力发电机组机头使其正对风机机头，通过测量风机风叶转速、风叶表面温度，控制激光透镜云台俯仰、水平角度和激光器的功率，实现连续的、非接触式的叶片加热/融冰，防融结合、以防为主，避免风机因叶片结冰而被迫停运。

Description

一种用于风力发电机组叶片的激光融冰系统

技术领域

本发明涉及风力发电机组叶片激光融冰技术领域，具体而言，涉及一种用于风力发电机组叶片的激光融冰系统。

背景技术

目前，随着国家对风电的大力支持，全国风电装机规模已经突破3亿千瓦时，风力发电机组遍布全国各地。近年来，随着低温雨雪冰冻天气的明显增多，高湿状况下的0℃及以下稍低天气，风力发电机组叶片结冰现象突出。受结冰的影响，风机叶片变重且叶型改变，做功能力下降，被迫风速-功率偏差大保护动作停机。保护停机不及时的，还可能造成叶片断裂等严重事故。

针对目前普遍存在的季节性风机叶片结冰问题，目前行业均在探索抗结冰方法。这些方法基本分五个方面，一是机械(抖动)除冰，此为进口风机的自带功能，但抖动起来对风叶的伤害很大，国内基本不使用该功能；二是涂料防结冰，多为叶片涂覆各种涂料来提高叶片的憎水或抗结冰能力；三是降低冰点温度抗结冰，对叶片喷涂类似飞机用的防冻液，可显著降低结冰温度，但操作复杂，污染环境；四是叶片内部加热，多为利用热风循环的方法提高叶片内部温度来实现抗结冰或融冰；五是叶片外部加热，有叶片表面敷设电加热膜的，有无人机加热的。上述方法中目前采用较多的是内部(空气)加热法，但是其耗电量大，且增加叶片自重，不仅影响叶片安全，还降低风机出力，且存在火灾隐患。

针对目前仍然缺乏有效的风机叶片抗结冰、融冰手段的问题，经过全面调研与了解，深入剖析问题根源及症结所在，我们提出了这种采用激光进行叶片抗结冰和融冰的系统。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提出一种风力发电机组叶片激光融冰系统，按照“防融结合、以防为主”的理念，能够实现在风力发电机组正常运行的前提下，自动判断结冰天气，自动激光功率控制，自动叶片扫描加热，于结冰初期主动提高风机叶片表面温度，有冰则融冰，无冰防结冰，全程自动化无需人工干预。

为了实现上述技术目的，本申请提供了一种用于风力发电机组叶片的激光融冰系统，包括：

环形行走轨道，固定于风力发电机组的零米平台上；

机头综合传感器，设置于风力发电机组的机舱上，用于检测第一机头方位角、环境温度、环境湿度；

融冰装置机体，安装于环形行走轨道；

以及，设置在融冰装置机体上的融冰装置方位角测量单元、风叶转速键相测量单元、叶片红外测温单元、具有方位可调的光纤激光系统、控制单元，其中，

控制单元用于通过获取第一机头方位角，和融冰装置方位角测量单元获取的第二机构方位角，控制融冰装置机体正对机头，同时，通过风叶转速键相测量单元获取风机风叶的转速并提供键相信号，控制光纤激光系统对风机叶片进行激光融冰，并通过风机叶片红外测温单元获取风机叶片的表面温度，用于配合光纤激光系统实现对风机叶片进行加热的温度控制与保护；

控制单元还用于根据环境温度、环境湿度，判断叶片是否结冰。

优选地，光纤激光系统由激光透镜云台、光纤激光器、激光透镜组、激光光纤组成，其中，光纤激光器设置在激光透镜云台或融冰装置机体上，激光透镜组设置在激光透镜云台上；

激光光纤用于将光纤激光器输出的激光传输至激光透镜组；

激光透镜组用于将激光变换成均匀的矩形光束。

优选地，控制单元分别与激光透镜云台和光纤激光器电性连接；

控制单元还用于通过控制光纤激光系统，产生矩形光束，动态扫描风机叶片。

优选地，激光融冰系统还包括人体识别单元，用于检测现场是否存在活动人员；

人体识别单元设置于融冰装置机体和/或风力发电机组。

优选地，光纤激光器的最大功率为5000W，可调功率为600～4000W；

光纤激光器采用空冷，其中，当超温时启用水冷。

优选地，激光透镜组按输出10(±2)×400(±10)mm矩形光束进行设计。

优选地，激光透镜云台为90º俯仰、180º水平旋转，且满足近100米距离、70～80º仰角、最小仰角范围5º、精度高达0.01º的云台控制/定位要求，其中，激光透镜云台自带碳纤维加热装置，电加热的功率以维持10m/s风速，使云台内部温度大于1℃。

优选地，控制单元还用于根据风力发电机组的基本参数，以及风机叶片的转速、键相信号，获取叶片实时位置/角度，并生成叶片的扫描范围，其中，根据叶片实时位置/角度，生成叶尖坐标、叶根坐标，基于叶尖坐标和叶根坐标，获取扫描范围；

基本参数包括：风机轮毂高度、融冰装置环形轨道半径、融冰装置高度、融冰装置透镜高度、叶片半径、叶型数据、风机零米平台海拔高度，其中，风机轮毂高度用于表示相对于风机零米平台的风机轮毂的高度。

优选地，控制单元还用于根据扫描范围，控制光纤激光系统按叶尖至叶根方向进行逐段扫描；

根据扫描的叶片径向位置，获取当前需要扫描的叶片水平宽度，控制光纤激光系统的扫描时间或云台旋转角度。

优选地，激光融冰系统的工作模式包括防结冰模式和融冰模式，其中，根据海拔高度、环境温度、环境湿度、风机转速，判断结冰天气概率，生成工作模式的控制指令；

优选地，激光融冰装置可以安装于风机轮毂（中心线）上，从而实现随动扫描。

防结冰模式用于控制风机叶片的表面不低于5℃为目标，小功率连续运行；

融冰模式用于控制风机叶片的的表面温度大于0℃目标，大小功率间歇运行、实时控制。

本发明公开了以下技术效果：

本发明以激光为载体实现叶片的非接触式加热/融冰，对现有的风机叶片无任何负重，不影响风机现有的运行方式、方法，能够在低温雨雪冰冻初期自动判断结冰天气，自动进行激光加热/融冰，功率自动控制，无冰防结冰，有冰则融冰，且不影响风力发电机组运行，能够保证相对恶劣天气状况下的“好风发好电”，杜绝风机因结冰停机，避免电量损失，具有非常显著的经济、社会效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述的立体结构示意图；

图2为本发明所述的系统框图；

图3为本发明所述的逻辑框图；

其中，10为风机叶片；11为融冰装置机体；110为环形行走轨道；111为融冰装置位置电机；112为激光透镜云台俯仰电机；113为激光透镜云台水平电机；114为光纤激光器；115为融冰装置方位角测量单元；116为风叶转速键测量单元；117为叶片红外测温单元；12为控制单元；121为叶片扫描控制单元；122为融冰装置位置控制单元；123为激光透镜俯仰角控制单元；124为激光透镜水平角控制单元；125为激光功率控制单元；13为驱动单元；131为融冰装置位置电机驱动单元；132为激光透镜云台俯仰电机驱动单元；133为激光透镜云台水平电机驱动单元；21为机头综合传感器。

具体实施方式

下为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1-3所示，本发明公开了一种用于风力发电机组叶片的激光融冰系统，包括：

环形行走轨道110，固定于风力发电机组的零米平台上；

机头综合传感器21，设置于风力发电机组的机舱上，用于检测第一机头方位角、环境温度、环境湿度；

融冰装置机体11，安装于环形行走轨道110；

以及，设置在融冰装置机体11上的融冰装置方位角测量单元115、风叶转速键相测量单元116、叶片红外测温单元117、具有方位可调的光纤激光系统、控制单元12，其中，

控制单元12用于通过获取第一机头方位角，和融冰装置方位角测量单元115获取的第二机构方位角，控制融冰装置机体11正对机头，同时，通过风叶转速键相测量单元116获取风机风叶10的转速并提供键相信号，控制光纤激光系统对风机叶片10进行激光融冰，并通过风机叶片红外测温单元117获取风机叶片10的表面温度，用于配合光纤激光系统实现对风机叶片10进行加热的温度控制与保护；

控制单元12还用于根据环境温度、环境湿度，判断叶片是否结冰。

进一步优选地，本发明公开的光纤激光系统由激光透镜云台、光纤激光器114、激光透镜组、激光光纤组成，其中，光纤激光器114设置在激光透镜云台或融冰装置机体11上，激光透镜组设置在激光透镜云台上；

本发明提到的激光光纤用于将光纤激光器114输出的激光传输至激光透镜组；

本发明提到的激光透镜组用于将激光变换成均匀的矩形光束。

进一步优选地，本发明公开的控制单元12分别与激光透镜云台和光纤激光器114电性连接；

本发明提到的控制单元12还用于通过控制光纤激光系统，产生矩形光束，动态扫描风机叶片10。

进一步优选地，本发明公开的激光融冰系统还包括人体识别单元118，用于检测现场是否存在活动人员；

本发明提到的人体识别单元118设置于融冰装置机体11和/或风力发电机组。

进一步优选地，本发明公开的光纤激光器114的最大功率为5000W，可调功率为600～4000W；

本发明提到的光纤激光器114采用空冷，其中，当超温时启用水冷。

进一步优选地，本发明提到的激光透镜组按输出10(±2)×400(±10)mm矩形光束进行设计。

进一步优选地，本发明公开的激光透镜云台为90º俯仰、180º水平旋转，且满足近100米距离、70～80º仰角、最小仰角范围5º、精度高达0.01º的云台控制/定位要求，其中，本发明提到的激光透镜云台自带碳纤维加热装置，电加热的功率以维持10m/s风速，使云台内部温度大于1℃。

进一步优选地，本发明公开的控制单元12还用于根据风力发电机组的基本参数，以及风机叶片10的转速、键相信号，获取叶片实时位置/角度，并生成叶片的扫描范围，其中，根据叶片实时位置/角度，生成叶尖坐标、叶根坐标，基于叶尖坐标和叶根坐标，获取扫描范围；

上述提到的基本参数包括：风机轮毂高度、融冰装置环形轨道半径、融冰装置高度、融冰装置透镜高度、叶片半径、叶型数据、风机零米平台海拔高度，其中，风机轮毂高度用于表示相对于风机零米平台的风机轮毂的高度。

进一步优选地，本发明公开的控制单元12还用于根据扫描范围，控制光纤激光系统按叶尖至叶根方向进行逐段扫描；

本发明根据扫描的叶片径向位置，获取当前需要扫描的叶片水平宽度，控制光纤激光系统的扫描时间或云台旋转角度。

进一步优选地，本发明公开的激光融冰系统的工作模式包括防结冰模式和融冰模式，其中，本发明根据系统收集的海拔高度、环境温度、环境湿度、风机转速，判断结冰天气概率，生成工作模式的控制指令；

本发明提到的防结冰模式用于控制风机叶片10的表面不低于5℃为目标，小功率连续运行；

本发明提到的融冰模式用于控制风机叶片10的的表面温度大于0℃目标，大小功率间歇运行、实时控制。

根据图1-3所示，本发明提供的用于风力发电机组叶片的激光融冰系统，包括融冰装置机体11、融冰行走轨道110和相关测量单元。融冰装置机体11安装于环形行走轨道110上，轨道固定于风力发电机组零米平台上；融冰装置机体11自动跟踪风力发电机组机头使其正对风机机头，相关测量单元给融冰装置机体11中的控制单元提供测量信号，融冰装置机体11中的控制单元控制激光透镜云台俯仰、水平角度和激光器功率，实现连续的、非接触式的叶片激光扫描、加热与融冰。

风力发电机组叶片激光融冰系统包含安装于风机机舱上的机头综合传感器21，机头综合传感器21实时输出机头朝向方位角（精度±0.1º）、环境温度（精度±0.1℃）、环境湿度（精度±4%RH），供系统MCU实现结冰环境判断和融冰装置的风机机头正对准。

融冰装置机体11内置大功率光纤激光器114，其功率按最大5000W设计，可调功率按600～4000W设定，激光器优先采用空冷，当超温时启用水冷。

为提高激光加热/融冰效果，激光透镜组置于8米或更高位置，外形圆形，减少风载，激光器与透镜组之间采用光纤连接，沿立柱内管敷设，确保激光安全。

激光透镜组按输出10(±2)×400(±10)mm矩形光束进行设计，并保证矩形激光光束能量密度均匀。

激光云台承载按不小于10kg设计，激光透镜云台可90º俯仰、180º水平旋转，为满足近100米距离、70～80º仰角、最小仰角范围5º、精度高达0.01º的云台控制/定位要求。激光透镜云台顶盖为圆形可旋转顶盖，正常时对透镜组进行防护，工作时自动旋转为激光扫描让出工作空间。

激光透镜云台自带碳纤维加热装置，内部温度自动控制，以确保透镜云台旋转顶盖不发生结冰卡住情况。电加热的功率以维持10m/s风速，云台内部温度大于1℃设计。

融冰装置机体11上设计安装融冰装置方位角测量单元115、风叶转速键相测量单元116、叶片红外测温单元117、人体识别单元118，融冰装置方位角测量单元115向系统提供融冰装置的方位角，配合机头综合传感器21输出的方位角实现融冰装置正对机头。风叶转速键相测量单元116向系统提供风叶转速和键相信号，保证激光扫描叶片时定位准确。叶片红外测温单元117向系统提供叶片的实时温度，配合系统实现叶片加热的温度控制与保护。

风力发电机组叶片激光融冰系统提供一套简洁的人机交互界面，方便输入风机轮毂高度（相对于风机零米平台）、融冰装置环形轨道半径、融冰装置高度、融冰装置透镜高度、叶片半径、叶型数据、风机零米平台海拔高度。

风力发电机组叶片激光融冰系统的控制逻辑包括且至少包含以下逻辑算法：

1）根据风机基本参数和风机叶片转速、键相信号准确计算出叶片实时位置/角度；

2）根据叶片位置/角度计算出叶尖、叶根坐标，计算叶片扫描范围；

3）根据叶片扫描范围按叶尖至叶根方向进行逐段扫描；

4）根据扫描的叶片径向位置，实时计算出当前需要扫描的叶片水平宽度，控制激光器的扫描时间或云台旋转角度；

5）根据海拔高度、环境温度、环境湿度、风机转速判断结冰天气概率，给出融冰装置的建议运行模式；

6）融冰装置运行模式有两种，一种是防结冰模式，一种是融冰模式。防结冰模式以控制叶片表面不低于5℃为目标，小功率连续运行；融冰模式以控制叶片表面温度大于0℃目标，大小功率间歇运行、实时控制。

7）根据环境参数系统计算出安全的激光器初始功率；

8）根据叶片红外温度测量单元的实时测温，对激光器功率进行闭环控制和保护；

9）根据人体活动检测单元的检测信号，当激光融冰装置和风机之间有人活动时，系统自动闭锁激光输出；

10）当气温低于2℃时，自动投入激光透镜云台电加热；当气温大于3℃时，自动退出电加热。

综上所述，本发明采用激光对叶片进行非接触式、连续扫描的加热与融冰，通过设置机头综合传感器解决了融冰装置与风机机头的方向对准，通过机头传感器的温度、湿度和独立设置的风机叶片转速键相测量单元，可以准确判断结冰天气，及时启动激光加热/融冰。激光功率可调，温度闭环控制，激光透镜输出矩形激光光束，且可随云台进行三维旋转，有效地解决对旋转中的叶片扫描问题，妥善地解决了运行中的风机叶片加热/融冰难题。同时装置考虑了恶劣天气下的融冰装置自身的结冰卡涩，设置了电加热装置；考虑激光潜在的人身伤害，设置了人体活动检测装置，对现场可能出现的人员活动进行主动保护。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种用于风力发电机组叶片的激光融冰系统，其特征在于，包括：

环形行走轨道（110），固定于风力发电机组的零米平台上；

机头综合传感器（21），设置于所述风力发电机组的机舱上，用于检测第一机头方位角、环境温度、环境湿度；

融冰装置机体（11），安装于所述环形行走轨道（110）；

以及，设置在所述融冰装置机体（11）上的融冰装置方位角测量单元（115）、风叶转速键相测量单元（116）、叶片红外测温单元（117）、具有方位可调的光纤激光系统、控制单元（12），其中，

所述控制单元（12）用于通过获取所述第一机头方位角，和所述融冰装置方位角测量单元（115）获取的第二机构方位角，控制所述融冰装置机体（11）正对机头，同时，通过所述风叶转速键相测量单元（116）获取风机风叶（10）的转速并提供键相信号，控制所述光纤激光系统对所述风机叶片（10）进行激光融冰，并通过风机叶片红外测温单元（117）获取所述风机叶片（10）的表面温度，用于配合所述光纤激光系统实现对所述风机叶片（10）进行加热的温度控制与保护；

所述控制单元（12）还用于根据所述环境温度、所述环境湿度，判断所述叶片是否结冰。

2.根据权利要求1所述一种用于风力发电机组叶片的激光融冰系统，其特征在于：

所述光纤激光系统由激光透镜云台、光纤激光器（114）、激光透镜组、激光光纤组成，其中，所述光纤激光器（114）设置在所述激光透镜云台或所述融冰装置机体（11）上，所述激光透镜组设置在所述激光透镜云台上；

所述激光光纤用于将所述光纤激光器（114）输出的激光传输至所述激光透镜组；

所述激光透镜组用于将激光变换成均匀的矩形光束。

3.根据权利要求2所述一种用于风力发电机组叶片的激光融冰系统，其特征在于：

所述控制单元（12）分别与所述激光透镜云台和所述光纤激光器（114）电性连接；

所述控制单元（12）还用于通过控制所述光纤激光系统，产生所述矩形光束，动态扫描所述风机叶片（10）。

4.根据权利要求3所述一种用于风力发电机组叶片的激光融冰系统，其特征在于：

所述激光融冰系统还包括人体识别单元（118），用于检测现场是否存在活动人员；

所述人体识别单元（118）设置于所述融冰装置机体（11）和/或所述风力发电机组。

5.根据权利要求4所述一种用于风力发电机组叶片的激光融冰系统，其特征在于：

所述光纤激光器（114）的最大功率为5000W，可调功率为600～4000W；

所述光纤激光器（114）采用空冷，其中，当超温时启用水冷。

6.根据权利要求5所述一种用于风力发电机组叶片的激光融冰系统，其特征在于：

所述激光透镜组按输出10(±2)×400(±10)mm矩形光束进行设计。

7.根据权利要求6所述一种用于风力发电机组叶片的激光融冰系统，其特征在于：

所述激光透镜云台为90º俯仰、180º水平旋转，且满足近100米距离、70～80º仰角、最小仰角范围5º、精度高达0.01º的云台控制/定位要求，其中，所述激光透镜云台自带碳纤维加热装置，电加热的功率以维持10m/s风速，使云台内部温度大于1℃。

8.根据权利要求7所述一种用于风力发电机组叶片的激光融冰系统，其特征在于：

所述控制单元（12）还用于根据所述风力发电机组的基本参数，以及所述风机叶片（10）的转速、所述键相信号，获取叶片实时位置/角度，并生成叶片的扫描范围，其中，根据所述叶片实时位置/角度，生成叶尖坐标、叶根坐标，基于所述叶尖坐标和叶根坐标，获取所述扫描范围；

所述基本参数包括：风机轮毂高度、融冰装置环形轨道半径、融冰装置高度、融冰装置透镜高度、叶片半径、叶型数据、风机零米平台海拔高度，其中，所述风机轮毂高度用于表示相对于风机零米平台的风机轮毂的高度。

9.根据权利要求8所述一种用于风力发电机组叶片的激光融冰系统，其特征在于：

所述控制单元（12）还用于根据所述扫描范围，控制所述光纤激光系统按叶尖至叶根方向进行逐段扫描；

根据扫描的叶片径向位置，获取当前需要扫描的叶片水平宽度，控制所述光纤激光系统的扫描时间或云台旋转角度。

10.根据权利要求9所述一种用于风力发电机组叶片的激光融冰系统，其特征在于：

所述激光融冰系统的工作模式包括防结冰模式和融冰模式，其中，根据海拔高度、环境温度、环境湿度、风机转速，判断结冰天气概率，生成所述工作模式的控制指令；

所述防结冰模式用于控制所述风机叶片（10）的表面不低于5℃为目标，小功率连续运行；

所述融冰模式用于控制所述风机叶片（10）的的表面温度大于0℃目标，大小功率间歇运行、实时控制。

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