一种结合光纤传输的无人机激光除冰系统的制作方法

1.本实用新型涉及新能源产业与激光结合技术领域，尤其涉及一种结合光纤传输的无人机激光除冰系统。


背景技术：

2.风电机组在易凝冻地区冬春季的叶片覆冰问题值得重视。叶片覆冰不仅影响气动效率，更会导致气动不平衡、载荷增加等问题，造成发电量损失的同时也影响机组与周边环境设备人员安全。激光除冰技术更多是用于电网传送电线路覆冰的移除，在风电机组叶片除冰上应用不多。激光除冰技术的原理是当激光束打在含有覆冰的叶片表面上，能量被叶片表面材料吸收(但不造成叶片材料的损伤)，热量瞬间积聚，温度升高，造成叶片表面覆冰的受热融化，同时，覆冰融化水继续快速受热发生相变在局部区域产生高压蒸汽，即覆冰受力而断裂成小块。在重力及叶片旋转产生离心力作用下，叶片表面的融化及断裂/破碎的覆冰将被移除。
3.现有通用的风机叶片覆冰移除基础主要包括热鼓风除冰法(在叶片内部通以热气流，用以加热叶片，当叶片表面温度超过0℃时将融化覆冰实现除冰)、电热除冰法(在叶片内部或表面铺设电阻，利用电阻通电产生热量融化覆冰)、涂层法(在叶片表面喷涂疏水防覆冰材料，抑制过冷水滴在叶片上形成覆冰)等，都不同程度地存在各种问题，比如热鼓风除冰法叶片加热效率差，热耗高；电热涂层施工难度大、易脱落、且有引发雷击风险；涂层法只能被动防冰，无法主动除冰，涂层寿命较短，且易受磨损腐蚀等，导致防冰性能下降。
4.上述除冰技术都需要在风机叶片上进行改造施工，需要进行防雷改造、载荷核验等多项工作。与其相比，激光除冰技术充分利用了激光的能量密度高、直线传播、不易散射等优点，可在距离风电机组相对较远的距离展开叶片除冰工作。但现有的激光除冰技术多是使用柱状激光对叶片进行除冰作业，虽然能量密度较高，但由于激光束直径小、传输距离远的限制，容易出现损伤叶片材料、除冰慢的问题。


技术实现要素：

5.本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
6.为达到上述目的，本实用新型提出了一种结合光纤传输的无人机激光除冰系统，包括地面移动能源平台，地面能源移动平台上设置有激光发射器，激光发射器连接有传输光纤，传输光纤的自由端连接有除冰组件，除冰组件包括无人机和吊篮，吊篮上设置有入射口和出射口，且在吊篮内设置有用于将柱状激光转化为平面状激光的光学转化系统，使平面状激光对风机叶片进行扫描式除冰，传输光纤与所述入射口连通设置，激光通过入射口进入光学转化系统之后会从出射口射出
7.本实用新型通过设置地面移动能源平台实现即使在恶劣气候条件下也可以将激光发射器运送至靠近目标风电机组位置，从而避免由于恶劣天气条件下激光发射器离目标风电机组过远导致激光无法有效投射到目标叶片的问题，同时设置有除冰组件，将激光通
过光纤传输至吊篮中得到光学转化系统，将原本从入射口进入的柱状激光转换为平面状激光并从出射口射出，完成对目标叶片的扫描式除冰，提升了除冰速度。
8.可选地，所述光学转化系统包括正对所述入射口设置的凸透镜以及正对所述出射口位置设置的凹透镜。
9.进一步地，所述凸透镜的光轴、凹透镜的光轴均与入射口至出射口的轴线同轴设置。
10.进一步地，所述凹透镜选用平凹透镜，所述凸透镜的轴线竖直设置。
11.进一步地，所述地面能源移动平台上设置有电源件，所述电源件与所述无人机之间电连接有传输电缆。
12.进一步地，所述无人机内设置有电池，所述电池作为备用电源件。
13.进一步地，其特征在于，还包括结冰检测组件，所述地面能源移动平台上设置有控制组件，控制组件与结冰检测组件、激光发射器、电源件以及除冰组件均电连接。
14.进一步地，所述无人机上设置有摄像头系统，所述摄像头系统与所述控制组件电连接。
15.本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
16.本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
17.图1为根据本发明一种结合光纤传输的无人机激光除冰系统的结构示意图；
18.图2为根据本发明一种结合光纤传输的无人机激光除冰系统的光学转化系统俯视结构示意图；
19.图3为根据本发明一种结合光纤传输的无人机激光除冰方法的流程图。
20.附图标记说明：
21.1、地面能源移动平台；2、激光发射器；3、传输光纤；4、除冰组件；41、无人机；42、吊篮；5、光学转化系统；51、凸透镜；52、凹透镜；6、电源件；7、传输电缆；8、风机叶片。
具体实施方式
22.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
23.参照图1，本发明提供一种结合光纤传输的无人机41激光除冰系统，包括地面移动能源平台，地面能源移动平台1上设置有激光发射器2和电源件6，激光发射器2连接有传输光纤3，传输光纤3的自由端连接有除冰组件4，除冰组件4包括无人机41和吊篮42，吊篮42上设置有入射口和出射口，且在吊篮42内固定设置有用于将柱状激光转化为平面状激光的光学转化系统5，使平面状激光对风机叶片8进行扫描式除冰，传输光纤3与入射口连通设置，激光通过入射口进入光学转化系统5之后会从出射口射出，如图1中b所示，b即为从出射口射出的平面状激光。
24.在一些实施例中，激光除冰系统还包括结冰检测组件，地面能源移动平台1上设置有控制组件，控制组件与结冰检测组件、激光发射器2、电源件6以及除冰组件4均电连接，无人机41上设置有摄像头系统，摄像头系统与控制组件电连接。
25.在本实施例中地面能源移动平台1可设置为轿车、卡车、铲雪车等各种车辆，在严重的雨雪天气下，工作人员可以将地面能源移动平台1开至里需要除冰的风电机组附近，从而减少了除冰组件4与目标风机叶片8的水平距离，当除冰组件4进行除冰作业时，由于减少了除冰组件4与目标风机叶片8的水平距离，传输光纤3的长度可以为除冰组件4提供更大的移动空间，方便了除冰作业的运行，同时减少了传输光纤3需要吊悬在空中的长度，减轻了无人机41负载，进一步的方便了除冰组件4的工作。
26.参照图2，a为柱状激光，b为平面状激光，光学转化系统5包括靠近入射口设置的凸透镜51以及靠近出射口位置设置的凹透镜52，凸透镜51的光轴、凹透镜52的光轴均与入射口至出射口的轴线同轴设置。在本实施例中选用焦距较大的凸透镜51和凹透镜52，且凹透镜52选用平凹透镜，平凹透镜的平面朝向凸透镜51一侧设置，平凹透镜的球面一侧朝向出射口方向设置，且平凹透镜的与凸透镜51平行设置，平凹透镜的轴线竖直设置，凸透镜51的设置可以将通过传输光纤3传输至入射口位置的柱形激光聚集，形成直径更小、能量密度更高的柱形激光束射入平凹透镜，在平凹透镜的作用下，将该激光束转变为在水平方向上呈一定角度扇形的激光束，这就使得最终从出射口射出并作用与风机叶片8上的激光束在水平方向上呈平面状，在高度方向上原本具有一定直径的柱形激光束在叶片上汇聚成点，使得作用于风机叶片8上的激光束具有较高的能量密度，从而保证激光束对风机叶片8在进行除冰时单位时间内的效率。呈平面状的激光可以对叶片进行扫描式的除冰操作，激光束具有较大宽度，对整个叶片将实现“扫描式”除冰，从叶根到叶尖逐步除冰，提升除冰速度，从而解决了传统激光除冰中由于原点状的激光覆盖面积较小导致的除冰速度慢、损伤叶片材料等问题。
27.由于光学转化系统5在吊篮42中固定安装，无人机41带动吊篮42移动过程中会带动光学转化系统5同步移动实现除冰组件4的除冰路径控制，进一步的通过控制吊篮42与目标风机叶片8之间的间距，来控制投射在风机叶片8上激光束的水平宽度，从而方便工作人员根据叶片宽度对投射在叶片上激光的水平宽度进行调整。当进行除冰作业时，控制组件会控制无人机41携带吊篮42移动至风机叶片8的正前方，使得出射口可以正对需除冰叶片，此时经过光学转化系统5转化后的平面状激光束即可以对叶片进行除冰作业。
28.进一步的，考虑到由于除冰作业时间较长，无人机41飞行的能源只依靠无人机41的电池并不能达到长时间的续航以供除冰作业的进行，因此在地面能源移动平台1上设置有电源件6，电源件6与无人机41之间电连接有传输电缆7。无人机41内设置有作为备用电源件的电池。当无人机41在飞行时，传输电缆7会将电源件6产生的电力传输至无人机41中，为无人机41提供动力。电池的设置可以在传输电缆7、电源件6出现问题时为无人机41提供应急电力供给，避免由于传输电缆7、电源件6出现供电问题导致无人机41坠落的情况发生。且传输光纤3与传输电缆7绑定，避免传输光纤3和传输电缆7在空中发生缠绕导致传输光纤3与入射口固定位置发生松动以及传输电缆7与无人机41固定位置发生松动的情况发生。
29.进一步的，为了对除冰情况进行较为详细的观测，当无人机41带动吊篮42上升时，设置在无人机41上的摄像头组件即开始工作，摄像头组件工作时会对目标叶片进行摄像、
扫描等作业，将目标叶片的结冰状况、叶片形状等视频信息传递至控制组件，由于控制组件设置于地面能源移动平台1上，因此工作人员可以在地面对控制组件显示的摄像头图像进行观测，工作人员可以通过观测图像信息来确定叶片形状、结冰情况，从而通过控制器控制无人机41与结冰叶片之间的距离，使得投射在叶片上的激光水平宽度可以根据叶片形状的宽窄进行跟随变化，从而在整个融冰过程可以使叶片均匀接受能量，不会由于激光覆盖面积不够导致同一水平方向上只有被激光覆盖的位置受到加热的情况发生。除冰组件4对叶片的除冰过程同样会通过摄像头组件反馈至控制组件，工作人员可以对叶片的除冰情况进行直观的观测，从而避免已完成除冰部分的叶片仍长时间收到激光投射导致叶片损坏的情况发生。
30.参照图3，在本发明的另一个实施例中，提供一种结合光纤传输的无人机41激光除冰方法，包括以下步骤：
31.s1、结冰检测组件对风机叶片8进行结冰检测，将结冰信号反馈至控制组件；
32.s2、控制组件根据结冰信号控制地面能源移动平台1执行移动动作，地面能源移动平台1移动至预定位置后向控制组件反馈就位信号；
33.s3、控制组件根据就位信号控制电源件6为无人机41供电，无人机41通电后执行飞行任务移动至需除冰叶片高度并向控制组件反馈预备信号；
34.s4、控制组件根据预备信号控制激光发射器2执行激光发射以及控制无人机41进行除冰任务。
35.其中，在无人机41进行除冰任务时，摄像头系统会对被除冰的风机叶片8进行观测，为控制组件反馈除冰路线、风机叶片8融冰情况的图像信息。结冰检测组件为风电机组本身部署的检测组件，本实施例中将结冰检测组件与控制组件电连接即可，方便对风电机组发生结冰时对控制组件进行信号反馈，不需要额外在风电机组进行相应改造。
36.在进行扫描式除冰过程中为了避免平面状激光分散过快，可以结合激光除冰的平面状激光能量密度阈值，合理选择凸透镜51和凹透镜52焦距，从而提升平面状激光的能量密度。进一步的考虑到无人机41在进行除冰作业时的安全性，选择凸透镜51时选用焦距接近于无人机41与叶片的距离的凸透镜51，从而使得无人机41与需要除冰的叶片不会由于距离过近而产生安全问题。
37.除冰时平面状的激光在无人机41的带动下会对需要除冰的叶片进行扫描式的除冰，由于平面状激光相较于传统激光对叶片上的冰层覆盖面积大，柱状激光叶片表面冰层吸收激光能量后会更加快速的融化，在快速融化过程中还会产生汽化，汽化过程中会产生较高压力，对未融化的冰层产生冲击，从而使得未融化的冰层破裂，而这个过程中对叶片材料本身并不影响，进而大幅提高对风机叶片8的除冰效率。
38.在进行除冰作业时，激光发射器2发射激光经过传输光缆的传输之后在在吊篮42的入射口处进入吊篮42中的光学转化系统5，由于激光在传输光缆中进行传输时不会受到外部气候环境的影响，因此激光在传输光纤3中趋近于全反射无损传递，也即可以使得激光所具有的能量在传递至光学转化系统5时几乎做到无中间损失，同时由于无人机41的飞行，无人机41可以带动吊篮42飞行至需要除冰叶片的高度，并且使得吊篮42可以保持静止悬停在需要除冰叶片的正前方，相较于传统的激光除冰从地面某位置发射激光，减少了激光传递的路径，可以大幅减少激光在投射至叶片上之前受到环境影响而损失的能量，大幅提高
了激光除冰时的有效能量利用率。与传统的激光除冰法相比，无人机41带动吊篮42的飞行移动，可以从多角度、多位置对需要除冰的叶片进行扫描式除冰，不会出现因为受到地形影响而导致激光发射器2无法部署在正确位置，最终导致激光除冰无法进行的情况发生，相较于传统的由地面发射激光束进行除冰的方法，本发明公开的方法更具有灵活性，受到环境地形因素影响极小，可以大幅提高激光除冰的实施成功率以及实施效率。
39.进一步的考虑到无人机41的载荷问题，当无人机41飞行高度越高，传输光纤3和传输电缆7悬空的部分就越大，悬空的传输光纤3和传输电缆7会增加无人机41的负载，这会使得除冰组件4中的无人机41在进行除冰作业时出现能耗过大、不易操作的问题，在一些实施例中可以通过配用辅助无人机将悬空部分的传输光纤3以及传输电缆7吊起，使得传输光纤3和传输电缆7的重量主要由辅助无人机承担，从而减少除冰组件4中无人机41的负载，从而使得除冰组件4中的无人机41可以带动吊篮42部分更加灵活的进行扫描式除冰作业，并且由于负载减小，除冰组件4的无人机41能耗会减小。
40.同时由于无人机41的电源是通过地面移动能源移动平台上的电源件6通过传输电缆7提供的，无人机41可以实现长时间的除冰操作，工作人员可以将地面移动能源平台移动至2台或2台以上的风电机组之间合适位置，使得无人机41的飞行范围可以覆盖2台或2台以上的风电机组，从而使用1套除冰组件4即可对2台或2台以上的风电机组进行除冰操作。
41.控制组件可以由人工控制。考虑到在进行除冰作业时可能会出现极端恶劣天气，由控制组件控制除冰组件4工作可能会由于控制组件无法处理在恶劣天气条件下的紧急情况导致除冰作业失败或出现其他问题，因此在极端天气下，当地面能源移动平台1移动至预定位置后，由工作人员操作控制组件，进而对无人机41进行操作，使无人机41靠近风机叶片8。
42.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
43.此外，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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
44.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。