一种用于风机雷击测试的无人机的制作方法

本发明涉及风机雷击测试技术领域，尤其涉及一种用于风机雷击测试的无人机、雷击测试系统和雷击测试方法。

背景技术：

随着能源问题日益彰显，风力发电技术得到了大力研究和发展。风力发电机组一般需要安装在野外空旷的区域，非常容易受到雷电袭击，因此，越来越多的风电企业开始针对抗雷击技术进行研究。在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：在现有的抗雷击测试系统中，一般会在每个待测试叶片内设置接闪器，从而完成测试。然而，每个叶片均设置接闪器，且接闪器的更换、维护难度大，耗费太多的人力同时又增加了成本。此外，现有的单叶轮风机的发电效率过低，急需提供一种多叶轮的风机结构，以根据风速做叶轮的选择和调整，同时也不会因为增加了叶轮数量而导致雷击测试成本的快速增加。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供了一种用于风机雷击测试的无人机、雷击测试系统及雷击测试方法，用以解决现有技术每个叶片均设置接闪器导致雷击测试成本过高的问题，同时通过改进风机的叶轮结构，在提高风机的发电效率的同时，不会因为叶轮数量的增加再提高雷击测试的成本。

本发明的第一方面提供了一种用于风机雷击测试的无人机，包括旋桨和机身，还包括：

接闪装置，其设置于无人机的机身第一位置处，所述接闪装置包括接闪器和接闪器安装装置，所述接闪器的一端与所述接闪器安装装置的一端连接，所述接闪器安装装置的另一端是与安装在待测试叶片上的底座装置相匹配的接口；

数据采集装置，其设置在所述机身内部，所述数据采集装置包括电阻单元、电压测试单元和数据接收单元，所述电阻单元的一端与待测试叶片内部的雷电引下线连接，所述电阻单元的另一端与接地保护单元连接，所述电压测试单元与所述电阻单元并联连接，且所述电压测试单元与所述数据接收单元电连接，所述数据接收单元用于将采集的雷击数据传送给远程计算机或无人机的控制系统；

摄像头，所述摄像头设置于机身第二位置处，用于对待测试叶片上的底座装置进行识别，所述底座装置与所述接闪器安装装置的接口相匹配；

控制系统，所述控制系统设置于机身内部，与所述数据采集装置和摄像头电连接，用于根据摄像头拍摄的画面控制所述无人机的飞行状态，使得接闪装置最终被安装在所述待测试叶片的底座装置上。

另一实施例中，所述接闪器安装装置的接口为一个凸起，所述凸起用于与所述底座装置上的凹槽过盈连接、卡接或磁性连接。

另一实施例中，所述接闪器安装装置的接口为凸起的电磁铁，其与所述底座装置的磁性凹槽相匹配，所述控制系统还用于控制所述电磁铁线圈中电流的通断。

另一实施例中，所述底座装置与所述待测试叶片的连接为铆接或螺栓连接或磁性连接。

另一实施例中，所述雷电引下线从所述待测试叶片的叶根处伸出。

另一实施例中，所述接闪装置和所述底座装置为金属材料制成。

本发明的第二方面还提供了一种双叶轮风机的雷击测试系统，所述系统包括双叶轮风机和上述第一方面所述的用于风机雷击测试的无人机；其中，

所述双叶轮风机包括:

一级叶轮、二级叶轮和叶轮转速合并机构；所述叶轮转速合并机构具有第一输入轴、第二输入轴、第一输出轴和第二输出轴，所述一级叶轮与所述第一输入轴驱动连接，所述二级叶轮与所述第二输入轴驱动连接，所述第一输出轴通过第一离合器与第一发电机的输入轴驱动连接，所述第二输出轴通过第二离合器与所述第二发电机的输入轴驱动连接；

所述一级叶轮与所述二级叶轮同轴连接，所述一级叶轮的叶片长度大于所述二级叶轮的叶片长度，且工作时的旋转方向相反，所述一级叶轮位于所述二级叶轮的前方；

所述叶轮转速合并机构包括同轴设置的太阳轮、齿圈和行星架，所述行星架上设有多个行星轮，所述齿圈设有内齿和外齿，所述行星轮啮合在所述齿圈的内齿和所述太阳轮之间，所述第一输入轴设有驱动齿轮，所述驱动齿轮与所述齿圈的外齿啮合，所述第二输入轴与所述太阳轮的转轴连接，所述行星架的转轴通过中间轴与输出轴驱动连接，所述输出轴的一端形成所述第一输出轴，另一端形成所述第二输出轴；

所述一级叶轮、二级叶轮均包含所述待测试叶片。

在另一实施例中，所述双叶轮风机根据风速调整发电状态：

当风速小于第一阈值时，对一级叶轮和二级叶轮的叶片进行变桨，使一级叶轮停止发电状态，二级叶轮处于旋转发电状态，第一离合器处于啮合状态，第二离合器出去分离状态；

当风速不小于第一阈值且不大于第二阈值时，对一级叶轮和二级叶轮的叶片进行变桨，使一级叶轮和二级叶轮均处于旋转发电状态，第一离合器处于啮合状态，第二离合器处于分离状态；

当风速大于第二阈值时，一级叶轮和二级叶轮均处于旋转发电状态，第一离合器和第二离合器均处于啮合状态。

本发明的第三方面还提供了一种第二方面所述的双叶轮风机的雷击测试系统进行雷击测试的方法，所述方法包括：

将无人机上的接闪装置安装到待测试叶片的底座装置上；

通过接闪装置将雷击电流导入雷电引下线；

通过数据采集装置采集所述待测试叶片内部的雷电引下线中的雷击数据，并将所述雷击数据转化为测试数据；

将所述测试数据传送给远程计算机。

上述技术方案具有如下有益效果：

无人机可以在需要对叶片测试时，飞行控制系统控制无人机将接闪器安装至待测试的叶片上，测试结束后还可以控制无人机将接闪器回收，用于其他叶片的测试，不用在每个叶片上安装接闪器，降低了成本，且做过测试后可以将接闪器回收，查看有无损坏，保证下次检测的准确性。上述无人机特别是对发明人研发的双风轮的风机结构效果明显，因为叶轮数量的增加直接导致叶片数量和接闪器数量的增加，本发明的上述无人机可以极大的节约雷击测试的成本，提高雷击测试的效率。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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它的附图。

图1是本发明第一实施例所提供的用于风机雷击测试的无人机示意图；

图2为本实施例二提供的双风轮风力发电机的结构示意图；

图3为本实施例二提供的叶轮转速合并机构的原理图；

图4为本发明实施例三所提供的无机人雷击测试方法流程图。

【具体实施方式】

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

实施例一

如附图1所示，本发明实施例给出一种用于风机雷击测试的无人机100，其特征在于，包括：接闪装置101，接闪装置101优选的可拆卸的设置于机身尾部远离旋桨的位置；数据采集装置102，数据采集装置102设置在机身内部，用于接收待测试叶片的雷击信息；图像识别装置103，图像识别装置103设置于机身头部，用于对物体进行识别，以引导无人机飞行，该图像识别装置103优选为小型摄像头；控制系统104，控制系统104设置于机身内部，数据采集装置102、图像识别装置103连接，用于根据摄像头拍摄的画面控制所述无人机的飞行状态，使得接闪装置最终被安装在所述待测试叶片的底座装置上。

其中，接闪装置101可以是仅仅包括一个接闪器，也可以是包括接闪器和接闪器安装装置。接闪器可以被无人机单独安装在待测试的叶片表面上，也可以通过接闪器安装装置安装在待测试的叶片的底座装置上。接闪装置101是单独接闪器时，可以直接插装在待测试叶片上，也可以黏贴在待测试叶片表面上。当接闪装置101包括接闪器和接闪器安装装置时，安装装置为导电金属材料制成的装置。其中接闪器的安装装置，接闪器安装装置可以包括一个形状为的凸起装置，凸起装置的凸起部分是中空结构，接闪器插装在中空部分，并通过凸起部分与待测试叶片的底座装置中的安装凹槽连接在一起。其中所述凸起装置还可以是永久磁铁或电磁铁，接闪器与磁铁的一端连接，磁铁的另一端用于与待测试叶片底座装置的金属凹槽连接，所述控制系统104还可以用于控制所述电磁铁线圈中电流的通断。

采用上述安装方式可以让接闪器简单方便的安装在叶片表面，方便在测试的时候安装，不用在每个叶片表面设置接闪器，只要在测试的时候控制无人机飞行至待测试叶片表面，安装接闪器即可。雷击测试后，无人机还可以飞至测试完的叶片表面取下接闪器，进行接闪器的维护，防止放置在室外引起的腐蚀、或者因为已出线损坏没有及时更替接闪器的情况，使得引雷后的雷击测试不安全。其中进行接闪器接收的雷击测试的雷，可以是人工引雷还可以是自然引雷。

数据采集装置102，其设置在所述机身内部，所述数据采集装置102包括电阻单元、电压测试单元和数据接收单元，所述电阻单元的一端与待测试叶片内部的雷电引下线连接，所述电阻单元的另一端与接地保护单元连接，所述电压测试单元与所述电阻单元并联连接，且所述电压测试单元与所述数据接收单元电连接，所述数据接收单元用于将采集的雷击数据传送给远程计算机或无人机的控制系统。

图像识别装置103，用于对待测试叶片进行识别，具体的包括识别是否为要检测叶片，如果不是继续飞行寻找待测试叶片，如果是则飞至叶片表面，拍摄图像，并识别待安装接闪装置101的底座装置的位置。

控制系统104，设置于机身内部，与所述数据采集装置和摄像头电连接，用于根据摄像头拍摄的画面控制所述无人机的飞行状态，使得接闪装置最终被安装在所述待测试叶片的底座装置上。如果无人机和待测试叶片的底座装置偏差范围较大则将进行系统报警，工作人员查看实际偏差情况后决定是否安装。

实施例二

本发明的第二方面提供了一种双叶轮风机的雷击测试系统，所述系统包括双叶轮风机和本发明实施例1所述的用于风机雷击测试的无人机。

图2为本实施例提供的双风轮风力发电机的结构示意图，图3为本实施例提供的叶轮转速合并机构的原理图。本实施例提供的双风轮风力发电机的方案极大的提高了风能利用率，但叶轮数量的增加也导致了接闪器数量的增加，提高了雷击测试的成本和检修难度。本实施例通过配合使用实施例一中的雷电测试无人机，大大减少了接闪器的数量，降低了双风轮风力发电机的雷击测试成本。

目前，提高风力发电机的发电功率的常用方法，通常是增大叶轮直径，从而增大叶轮的迎风面积，提高叶轮驱动力，从而提高发电功率。但是，叶轮直径增大后，为了保障风机的安全性，叶轮转速通常较小，在25转/分钟以内，气流很容易从相邻的叶片之间穿过，造成风能浪费。

为了有效利用风能，提高发电功率，同时降低雷击测试成本，本实施例提供了下述双叶轮的风力发电机，包括：一级叶轮1、二级叶轮2和叶轮转速合并机构；所述叶轮转速合并机构具有第一输入轴31、第二输入轴32、第一输出轴41和第二输出轴42，所述一级叶轮1与所述第一输入轴31驱动连接，所述二级叶轮2与所述第二输入轴32驱动连接，所述第一输出轴41通过第一离合器与第一发电机的输入轴驱动连接，所述第二输出轴42通过第二离合器与所述第二发电机的输入轴驱动连接。

所述一级叶轮1与所述二级叶轮2同轴连接，所述一级叶轮1的叶片长度大于所述二级叶轮2的叶片长度，且工作时的旋转方向相反，所述一级叶轮1位于所述二级叶轮2的前方。

工作时，气流先通过一级叶轮1，再通过二级叶轮2，二级叶轮2的直径小于一级叶轮1，因此，二级叶轮2工作所需的最低风速也小于一级叶轮1。为了增加机头工作时的稳定性，一级叶轮1与二级叶轮2的转动方向相反，从而抵消扭矩。

其中，叶轮转速合并机构能够将一级叶轮1和二级叶轮2的转速合并，从而获得更大的输出转速，驱动发电机工作，从而有效利用剩余风能，提高发电效率。

所述叶轮转速合并机构包括同轴设置的太阳轮51、齿圈52和行星架53，所述行星架53上设有多个行星轮54，所述齿圈52设有内齿和外齿，所述行星轮54啮合在所述齿圈52的内齿和所述太阳轮51之间，所述第一输入轴31设有驱动齿轮55，所述驱动齿轮55与所述齿圈52的外齿啮合，所述第二输入轴32与所述太阳轮51的转轴连接，所述行星架53的转轴通过中间轴6与输出轴驱动连接，所述输出轴的一端形成所述第一输出轴41，另一端形成所述第二输出轴42。

例如，太阳轮51的转速为n1，齿圈52的转速为n2，行星架53的转速为n3，齿圈52内齿和太阳轮51的齿数比值为a，n3＝(n1+a*n2)/(1+a)。从而实现转速和力矩的叠加。

在一个示例中，一级叶轮的叶片长度75m，二级叶轮的叶片长度35m。在一个发电机工作的情况下，且当仅有一级叶轮工作时，风机的启动风速4m/s，额定风速15m/s，安全风速25m/s，额定功率3mw，当仅有二级叶轮工作时，风机的启动风速3m/s，额定风速10m/s，安全风速25m/s，额定功率1.5mw。

由于低风速工作中，第一叶轮工作中的能量损耗较大，且功率低，为了使该风力发电机能够适应较大范围的风速，有效利用风资源，上述风力发电机的控制中涉及两个阈值，第一阈值为6m/s，第二阈值为10m/s。

具体控制方法如下：获得风速，当风速小于第一阈值时，对一级叶轮1和二级叶轮2的叶片进行变桨，使一级叶轮1停止发电状态，二级叶轮2处于旋转发电状态，第一离合器处于啮合状态，第二离合器处于分离状态。从而在低风速时启动风机进行发电，并减小风机发电过程中的内耗，提高发电效率。

当风速不小于第一阈值且不大于第二阈值时，对一级叶轮1和二级叶轮2的叶片进行变桨，使一级叶轮1和二级叶轮2均处于旋转发电状态，第一离合器处于啮合状态，第二离合器处于分离状态。从而通过第一叶轮进行高功率发电，并通过第二叶轮有效利用剩余风能。在该模式下，风机的最大功率能够达到4mw。

当风速大于第二阈值时，一级叶轮1和二级叶轮2均处于旋转发电状态，第一离合器和第二离合器均处于啮合状态。风速较大超过单台发电机所需的额定风速10m/s时，利用两台发电机同时发电，可达到最大发电功率为8mw，能够有效利用风能，提高发电功率，且不会增加叶轮的直径，避免叶片太长，增加制造、运输、和安装维护成本。

由于一级叶轮1的直径较大，当风力小于第一阈值时无法驱动一级叶轮1转动，因此调节一级叶轮1的桨叶，减小迎风面积，使气流经过一级叶轮1，直接驱动二级叶轮2转动，且为了减小启动风速，第二离合器处于分离状态，仅第一发电机工作。

当风力增大到第一阈值和第二阈值时，第一叶轮也开始转动，并通过第二叶轮有效利用剩余风能，第一叶轮和第二叶轮的转速经叶轮转速合并机构叠加后驱动第一发电机工作。

当风力继续增大到大于第二阈值后，由于叶轮的转速不能无限提升，但驱动力提高，将第二离合器啮合，同时驱动第一发电机和第二发电机发电，提高发电效率。

在一个示例中，由于一台风机有2个叶轮，每个叶片都需要进行雷击测试，如果每个叶片都安装接闪器将大大提高风机整体的成本和检修难度，因此通过使用实施例一中的雷击测试无人机，仅仅在无人机中设置接闪器，就可以通过一台无人机中的一个接闪器对多个叶片进行测试，大大降低了风机成本。

本实施例所采用的无人机结构以及待测试叶片上的雷击测试装置均与实施例一相同，为控制说明书的篇幅，在此不再赘述。

实施例三

本实施例提供了一种无人机雷击测试方法，请参考图4，其为本发明实施例所提供的无机人雷击测试方法流程图，本方法通过实施例一、二所提供的系统实现，该步骤具体可以包括：

s201，将无人机上的接闪装置安装到待测试叶片上。

具体地，控制模块控制无人机飞行至待测试叶片上，并控制无人机上的推动装置推动接闪装置远离无人机，并安装在待测试叶片上，安装完成后，无人机松开接闪装置，飞离待测试叶片。

可选地，待测试叶片包括底座装置，接闪装置包括接闪器和接闪器安装装置，所述将无人机上的接闪装置安装到待测试叶片上包括：通过所述接闪器安装装置将所述接闪器安装到所述底座装置上。即控制模块控制无人机飞行至待测试叶片的底座装置上，并控制无人机上的推动装置推动接闪器和接闪安装装置远离无人机，并将接闪装置中的接闪安装装置安装在底座装置上。

可选地，待测试叶片包括底座装置，接闪装置仅包括接闪器，所述将无人机上的接闪装置安装到待测试叶片上包括：直接将所述接闪器安装到所述底座装置上。

s202，通过接闪装置将雷击电流导入雷电引下线；

具体地，可以通过自然引雷或人工引雷的方式，将雷电引入到安装在待测试叶片上的接闪装置中并产生电流，电流通过雷电引下线接地。

s203，通过所述待测试叶片内部的雷电引下线电流导入数据采集模块；

s204，通过所述数据数据采集模块将所述电流转化为测试数据。

具体地，步骤s202中产生的电流通过待测试叶片内部的雷电引下线导入到数据采集模块中的电阻子模块中，并通过接地保护单元引入底下。此时，该电流在电阻子模块中转化为电压，电压测试子模块可以测量出电压数据并传输到数据接收子模块。通过和数据接收子模块连接的计算机对该电压数据进行记录分析，由此完成对雷击电流的测试和评估。

本发明实施例通过将接闪装置安装在无人机上，无人机可以在需要对叶片测试时，将接闪器安装到待测试的叶片的底座装置上，完成叶片的雷击测试。在雷击测试结束后还可以控制无人机将接闪器回收，用于其他叶片的测试，不需要在每个叶片上安装接闪器，降低了成本，提高了测试效率。

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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。