秦志龙
中材科技（邯郸）风电叶片有限公司 河北省邯郸市 056200
摘要：随着我国风电行业的发展，风机叶片不断增大，应用传统的检测方式对其进行巡检越来越困难，而通过无人机对风机叶片进行巡检，具有效率高、成本低等多方面优点，因此在风机叶片检测过程中无人机应用越来越广泛，基于此本文对无人机在风机叶片检测中的应用
进行了探讨。
关键词：无人机；风机叶片；检测
1 前言
2020年习近平主席在联合国大会上承诺宣布，中国的目标是在2030年达到碳排放峰值，2060年实现碳中和。在“30·60碳中和”目标下，可再生能源将不仅是补充和替代，而将成为能源供给侧的主力，因此我国风电、光伏发电等行业将再次进入发展的“快车道”。随着风力发电行业的快速发展，风机的叶片长度、风机容量也都在不断的增大，以风电叶片的龙头企业“中材科技风电叶片股份有限公司”为例（以下简称“中材叶片”），15-20年风机叶片的长度从40-50m左右，现在已经增大到了70-80m，单台发电功率也从1.5MW增长到3.3MW。在20年的理论生命周期内，风机叶片在各种因素的影响下，难免会出现故障，受到叶片结构和所处环境的复杂性影响，风机叶片的运行维护工作面临比较大的困难，特别是随着叶片的长度和重量的增加，进一步加大了其维护的难度。在传统的技术手段下，叶片的常规排查和缺陷的勘查通常采用望远镜、高倍相机、吊篮、便携式提升机等设备进行，这些方式不仅检查的效率低，工人的劳动强度大，而且由于存在高空作业，存在较大的安全风险，检测成本也比较高；此外，检测作业时较长的停机时间进一步造成的发电量的损失。在这样的背景下，围绕“安全第一、质量第二、效率第三”的风电售后作业方针，本文对无人机在风机叶片检测中的应用进行了探讨。
2 无人机分类及特点
根据飞行原理和结构的不同可以将无人机分为两种，即固定翼无人机和旋翼无人机。其中，固定翼无人机的形状类似于传统固定翼载人飞机，都是通过固定翼来获得升力；旋翼无人机的结构和直升机类似，利用旋转叶片的方式来获得升力，其能够利用叶片旋转表面的倾斜产生水平运动，这类无人机的特点在于能够实现垂直起飞和着陆，这使其具有更强的实用性。相较于旋翼无人机，固定翼无人机的任务荷载和续航时间方面都更为出色；选择无人机则能够实现低速悬停和飞行等功能，因此在进程、低速运行或者是长时间保持统一视角的观测任务重，旋翼无人机可以起到更好地效果。
3 风机叶片的常见故障
由于风力发电的特点，风力发电机组的位置通常都比较偏僻，自然环境相对恶劣，包括风沙大、紫外线强以及温差大等，在这种恶劣的条件下，风机叶片比较容易出现故障，常见的故障包括以下几类：
（1）雷击损伤。为了防止风机叶片遭受雷击，叶片上通常都会设置防雷系统，但是这不能够完全避免叶片遭受雷击，雷电会对叶片造成严重的破坏，根据“中材叶片16-20年在役叶片排查数据”显示，有9.37%的叶片在运行期间会遭受雷击，其中36.7%的雷击损伤到达中材叶片的报废标准。
（2）前缘腐蚀。在我国沿海或盐碱地区的风场中，经常出现前缘腐蚀的问题，在风机叶片出现前缘腐蚀之后，风电机组的运行效率会受到比较大的影响，叶片的振动和负荷也会随之增加，对风电机组的运行造成不利的影响。
（3）运行哨音。叶片运行哨音形成的原因有多种可能，常见的有叶尖排水孔堵塞，漆面损伤、叶片异物附着、保护膜损伤、叶片内外部压强差等，运行哨音不仅仅会影响机组发电效率，而且还会对附近的生态环境造成负面影响。
（4）螺栓断裂和脱落。叶片盖板螺栓的断裂或脱落会进一步引起人孔盖板功能的失效，导致叶片胶粒、胶渣甚至盖板进入轮毂，对电控设备造成二次破坏，而叶片根部的螺栓断裂，则可能会导致叶片掉落。
（5）整体结构失效。叶片整体结构失效是指叶片出现断裂，导致这种问题的原因包括叶片的设计缺陷、叶片的制造问题以及遭受运行扫塔、雷击等。
4 无人机在风机叶片检测中的应用
4.1 无人机叶片检测的流程
在使用该无人机进行叶片检测之前，可以通过人工巡检确认有故障的风机，将其作为样本风机，然后应用无人机对样本风机进行巡检，识别故障信息。具体的技术流程如图1所示：
.png)
图1 风机叶片故障识别技术路线
4.2 无人机叶片检测的特点
应用无人机来对风机叶片故障进行检测，具有以下几方面的特点：
（1）分布式检测。风力发电属于分布式的发电方式，风力发电装置在风电厂内分布设置，因此无人机在进行巡检时，不需要大规模的设备转运，机动性强，作业效率高。
（2）立体式观测。在对风机叶片进行观测时，需要对叶片的迎风侧、背风侧、前缘以及后缘进行监测。风机叶片具有厚度不均匀的特点，而且表面是曲面的，因此需要通过立体式观测来提高观测的效果，这对无人机的控制技术有较高的要求，同时由于拍摄的距离较远，单日作业的时间较长，对无人机的续航能力要求较高。
（3）图像清晰度。在对风机叶片进行观测时，需要对叶片的质量进行观测和分析，特别是需要观察是否存在横向裂纹、鼓包等问题，为了保证保证成像效果良好，要求无人机需要具有良好的稳定性。为了保证成像的清晰，除了要采用高清晰照相设备外，最好选择在高清晰度的条件下进行观测，即大气可见度良好，风速较低。
4.3 无人机在风机叶片检测中的应用
基于风机叶片的检测特点，选择多旋翼无人机来进行风机叶片检测，在本文的研究中，应用“大疆经纬 M600 PRO”系列无人机进行试验，验证其在无人机叶片检测中的应用效果。在测试过程中，无人机搭载佳能SD3相机进行拍照。测试时的条件如下：温度25℃，湿度65%RH，能见度一般，现场风速为6~8m/s。单套叶片的平均检测时间为30min，塔筒最大高度为140m，无人机的续航时间在20min。测试的步骤如下：
（1）遥控控制无人机，使无人机位于风机叶片的“下风”位置，距离控制在50m左右，防止无人机在风力作用下和风机叶片发生碰撞，保证无人机的安全。
（2）控制无人机缓慢靠近风机叶片，距离控制在20m，进行近距离拍摄。先对叶片的前后缘进行检测，在拍摄过程中要对无人机的位置进行微调，保证良好的成像效果；然后对无人机的迎风面和背风面进行监测，在检测时保证镜头轴线与迎风面和背风面呈 90°，这样可以获得比较好的拍摄效果。
（3）控制无人机返回，对其拍摄到的图像和数据进行保存、处理和分析，通过照片检查风机叶片是否存在损伤。
通过本次测试发现，应用大疆经纬 M600 PRO系列无人机对风机叶片进行检测，无人机在8m/s的风场中可以保持稳定，而且可以获得良好的成像效果，不过续航时间比较短。此外，由于搭载的是佳能SD3相机，采用的是固定焦距透镜，没有光学变焦功能，影响了照片的清晰度，如果采用焦距变焦的镜头，则能够获得更加清晰的照片，对叶片细节进行更好地检测。
通过对比同风场其他叶片检测数据对比，无人机设备检测在作业安全、作业效率上具有较大的优势，在作业质量上则需要通过更好的影像设备进行提升，但是综合成本仍低于吊篮和便携式提升机。
.png)
结论
通过应用无人机对风机叶片进行检测，能够有效地提高叶片检测的效率，降低高空作业带来的危险性，减少停机检查带来的发电量损失，具有很好的效果。多旋翼无人机具有控制简单、维护方便，使用成本低等特点，非常适合应用于风机叶片的检测。
参考文献
[1]徐进, 丁显, 宫永立,等. 无人机智能巡检在风电光伏故障检测中的应用[J]. 设备管理与维修, 2019, 000(007):170-172.
[2]王寅生, 周继威, 王栋. 风机叶片无人机检测试点应用总结[J]. 风力发电, 2015, 000(002):52-56.
[3]彭麟. 基于无人机获取图像的风机叶片表面故障的检测与分析[D]. 上海电机学院, 2019.
[4]王栋. 基于无人机的风电叶片检测应用[J]. 风能, 2016, 04(4):82-85.