基于无线充电技术的风电场巡检无人机的探索与研究

 基于无线充电技术的风电场巡检无人机的探索与研究

王圣坤 ,赵楠

华能河南清洁能源分公司  河南省郑州市  450000

摘要：本文主要详细的论述了基于无线充电技术的风电场巡检无人机及其控制系统，主要利用风机机舱作为停机坪和无线充电设备，以无线充电技术对执行飞行巡检任务的无人机进行自主无线充电，以定点巡航技术对风电场内的风机进行定点有序巡检，提高无人机续航里程及可靠性，节约人工成本，提高风电场巡检自动化水平。

关键词：风电场巡检；无人机；无线充电

在目前我国社会快速发展的同时，人们对于各种能源的需求量也在随之快速增长，主要表现出对电能的需求量在不断增加以及对电能的依赖程度也在不断提高的发展趋势。因此我国加大了对风电场的开发和建设力度，也在风电技术不断发展的同时，使得风电场大规模在不断扩大，风电的叶片长度和塔筒高度不断增加，同时也增加了风电场的运行维护难度。

加之风电场通常在比较偏远以及环境比较恶劣的地区，容易由于导致风机叶片的各种缺陷问题而影响风电的运行安全。这就需要加强对风电场巡检工作，而且目前比较常用且先进的方式就是无人机巡检的方式。

一、前沿

风力发电是资源潜力大，技术成熟的可再生能源，在减排温室气体、应对气候变化的新形势下，风电越来越受到世界各国的重视，并已在全球大规模开发利用。2020年9月，我国提出了“3060双碳目标”，将新能源的发展和新型电力系统的构建提升了新的高度，风力发电因此迎来了新的发展高潮，风力发电场的规模也正在朝大型化基地化的模式发展，例如目前已建成的全国单体容量最大的集中式平原风电场装机容量为500MW，场区范围总面积约120平方公里。因此对于大型风电场，日常巡检是一项重大的工作内容，也是一个至关重要的环节，但以目前的技术，即使最大功率的无人机也难以满足这种大型风电场的巡检要求，因此风电场长续航里程无人机的探索与研究意义重大。

二、目前风电场巡检的特点与困难分析。

风力发电作为一种新型的发电模式，具有安全、可靠、稳定、经济、高效等特点，非常适用于现代化的经济社会，不仅能够增加发电效率和发电质量，还能为风力发电企业创造经济效益。但是，由于自然、管理、人才缺失等因素的存在，极易导致风电场运营出现一系列问题。因此，分析风电场运营管理的特点，并总结存在的问题，才能有效的提出相应的解决措施，确保风电场的正常运营。

目前的风电场巡检一般为全部人工巡检或无人机辅助人工巡检，而无人机辅助巡检时，无人机续航能力一般在30分钟以内，很显然，无人机辅助巡检不满足巡检大型风力发电场的要求；并且无人机辅助巡检时，自动化、智能化程度较低，需要巡检员将无人机携带至风电场附近，再进行人工操控飞行和拍摄，在极端恶劣天气的情况下，巡检员无法到场，则导致风电场巡检无人机也无法正常使用，导致无法对风电场进行及时的巡检；此外，在远程操控和恶劣天气情况下，无人机拍摄和降落的精确度也会受到不同程度的影响，同时这也提高了巡检员的操作难度。巡检难和巡检效率低依然是我们面临的重大难题。

三、基于无线充电技术的风电场巡检无人机分析。

基于无线充电技术的风电场巡检无人机主要由无人机本体、控制器、无线充电模块、电机驱动模块、影像采集模块、GPS定位模块、无线通讯模块和电池电量检测模块等构成。风电场内所有风机机舱上方均设置有停机坪，每台风机上的停机坪就是一个无线充电电源点，方便无人机停靠充电或避险。通过各模块的配合使用，实现了对无人机进行现场无线充电，并快速高效投入到风机和集电线路的巡检任务中，无需人工对无人机进行充电，也无需集中在某个固定充电点充电，节约了无人机充电往返路程和时间，特别是对于大型风电场的巡检优势突显。

当有巡检任务时，巡检员将风电场场区范围拐点坐标，风机坐标以及停机坪坐标录入控制模块的单片机内，无人机巡检时，会根据风电场场区范围拐点坐标识别禁飞区域，根据风机坐标对风机进行定点巡航，并通过GPS定位模块和无线通讯模块实时向控制室发送所在位置信息，并记录飞行线路，实时反馈至集控室。通过位置可调的高清摄像头实时以及巡检内容进行拍摄记录，通过电量检测模块，可对无人机电池的电量进行检测，并传输至单片机进行分析，若是无人机电池的电量低于预定值，无人机会根据停机坪坐标信息和自身位置信息，寻找最近的停机坪，定点巡航，当到达停机坪附近时，摄像头利用停机坪上红色LED灯的位置进行影像精准定位，辅助无人机精准降落至停机坪上，无人机降落后，停机坪受到压力，压敏电阻导通，充电线圈发射端闭合，无人机旋翼电机停止转动后，单片机控制充电线圈接收端继电器闭合，充电线圈接收端闭合，无人机电池开始充电；当无人机电池电量充满后，继电器断开，充电线圈接收端断开，无人机自动起飞，继续执行巡检任务。集控室巡检员可在集控室对无人机的巡检模式、巡检内容等进行远程控制，并根据实际需求控制无人机临时改变既定的巡检路线，或者执行优先级更高的其他巡检任务。

基于无线充电技术的风电场巡检无人机替代人工巡检员和普通无人机巡检后，可实现无人机自主巡检风机、集电线路等工作内容，巡检员坐在集控室内便可以轻松完成整个风电场的巡检工作，减少了巡检员和巡检车辆现场出勤次数，极大地降低了巡检员和车辆的安全隐患，节约了巡检费用，特别是雨雪季节，巡检道路难行，无人机巡检的优势就更加明显。无人机配备专用锂电池，充电使用的也是风机发出的绿色电能，工作过程中不产生有害气体，不会造成环境污染。通过缓冲支架底端缓冲槽内缓冲弹簧和缓冲伸缩柱的收缩，可减少无人机本体降落时，缓冲支架传递至固定支架的冲力，可在无人机本体降落时减少冲力传递至无人机本体内部，增加了对无人机本体的缓冲减震防护。每台风机机舱都是一个无线充电电源点，无需人工主动充电，保障了无人机在风电场场区内自主巡检，不用担心因剩余电量不足而无法返航，彻底解决了普通巡检无人机续航里程短且需要人工辅助充电的问题。

随着风力发电技术的革新，风力发电场规模大型化发展趋势明显，基于无线充电技术的风电场巡检无人机恰恰适应了这一发展需求，并有效地解决了大型风电场巡检难和巡检效率低等问题，提高了风电场运维的自动化、智能化程度，为风电场运维工作提供了极大的方便，同时，对不同自然环境下风电场全生命周期智能化监测具有重要意义。

四、结语。

基于无线充电技术的风电场无人机巡检自动化、智能化程度高，不受地形地貌和巡检范围的限制，突破了大型风力发电场巡检难的瓶颈，实现了智能化自主巡检，对风电场风机、集电线路等电力设施的安全稳定运行具有重要意义，为“无人值班，少人值守”的智慧风电场的建设运营模式奠定了基础，随着无人机技术的发展成熟，基于无线充电技术的风电场巡检无人机一定会得到广泛的应用。

参考文献
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