CN101886617B - 一种风力发电机组及其叶片除冰系统 - Google Patents

一种风力发电机组及其叶片除冰系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于风力发电机组的叶片除冰系统，包括图像检测元件(1)、控制元件(2)和除冰元件(3)；所述叶片(4)包括前段、中间段和后段，所述除冰元件(3)安装于所述中间段；还包括动力元件，所述除冰元件(3)在所述动力元件的驱动下沿所述叶片(4)的长度方向运动。图像信号的精确程度较高，从而保证了结冰问题的及时发现，图像信号能够直接得到结冰情况的数据，误差较小，进而提高了结冰状况检测的可靠性，而且动力元件的驱动减少了除冰元件的数目，节约了成本。本发明还公开了一种包括上述叶片除冰系统的风力发电机组。

Description

一种风力发电机组及其叶片除冰系统
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，特别涉及一种用于风力发电机组的叶片除冰系统。本发明还涉及一种包括上述叶片除冰系统的风力发电机组。
背景技术
随着世界范围内能源危机的爆发，风力等可再生能源得到越来越广泛地应用，从而带动了风力发电系统的发展。
风力发电就是把风的动能转化为电能的一种发电方式，风力发电所需要的装置称作风力发电机组(以下简称风机)，该风机一般包括风轮、发电机和塔筒三部分。风机的工作环境在风力资源较为丰富的室外，在空气温度较低或者遇到雨雪天气的时候，叶片上可能会结冰。风机的叶片结冰会改变叶片的气动外形，风机在叶片结冰的状况下运行会明显降低功率输出，增大风机的载荷，严重时甚至导致风机长时间停机，严重影响风电场的电力生产。因此，能够有效地检测风机叶片的结冰状况，从而能够及时除冰，对于风机发电系统来讲是至关重要的。
在一种典型的风机叶片的除冰装置中，利用不同类型风速计算输出信号的偏差判定风机结冰状况，或者通过检测叶片质量的变化判定风机结冰的状况。这些检测风电机组或叶片结冰状况的方法，可能出现叶片未结冰而误判断叶片结冰的情况出现，也会出现叶片已经结冰但未达到严重程度而误判断叶片未结冰的情况，检测结果的可靠性较差。并且，上述除冰装置通过加热叶片的方式使冰层融化，由于叶片多为布质或者纤维材料，温度升高可能会出现性质变化而影响叶片的使用寿命，严重时可能由于温度过高而引起叶片的自燃等，影响风机的工作安全性能。
因此，如何提高风机中检测叶片结冰状况的检测可靠性，从而能够及时除冰，就成为本领域技术人员亟须解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于风力发电机组的叶片除冰系统，其能够较为准确地检测和判断出叶片的结冰程度，具有较高的检测可靠性。本发明的另一目的是提供一种包括上述叶片除冰系统的风力发电机组。
为解决上述技术问题，本发明提供一种用于风力发电机组的叶片除冰系统，包括图像检测元件、控制元件和除冰元件；
所述图像检测元件用于实时检测所述风力发电机组的叶片的结冰状况，并将所述结冰状况转换成图像信号；
所述控制元件用于接收所述图像信号，并根据比较所述图像信号和预定图像信号，控制所述除冰元件的动作；
所述除冰元件用于在所述控制元件的控制下清除所述叶片上的冰层；
所述叶片包括前段、中间段和后段，所述除冰元件安装于所述中间段；
还包括动力元件，所述除冰元件在所述动力元件的驱动下沿所述叶片的长度方向运动。
优选地，所述图像检测元件包括摄像头。
优选地，所述摄像头安装于所述叶片上，且与所述叶片同步转动。
优选地，所述摄像头上安装有清洁器。
优选地，所述除冰元件包括至少一个微波加热装置。
优选地，所述除冰元件包括至少一个激振装置。
优选地，所述激振装置的激振频率在所述叶片的冰层自振频率的95％至105％之间。
优选地，所述叶片上安装有温度传感器和报警元件；所述温度传感器实时检测所述叶片表面的温度，并将检测到的温度信号传送至所述报警元件，当所述叶片表面的温度高于预定温度值时，所述报警元件报警。
本发明还提供一种风力发电机组，包括上述任一项所述的叶片除冰系统。
本发明所提供的用于风力发电机组的叶片除冰系统，包括图像检测元件、控制元件和除冰元件；其中，图像检测元件用于实时检测所述叶片的结冰状况，并将所述结冰状况转换成图像信号；控制元件用于接收所述图像信号，并根据所述图像信号和预定图像信号控制所述除冰元件的动作；除冰元件用于在所述控制元件的控制下清除所述叶片上的冰层。这样，图像检测元件将检测到的图像信号传输至控制元件，控制元件接收到图像信号后，与预定图像信号相比较，通过接收到的图像信号与预定图像信号的匹配程度，判断叶片的结冰状况，图像信号的精确程度较高，从而保证了结冰问题的及时发现，图像信号的误差较小，从而提高了结冰状况检测的可靠性。
在一种优选的实施方式中，本发明所提供的除冰元件包括至少一个微波加热装置，当判断出风机叶片结冰时，启动微波加热装置，微波加热装置发射微波，微波具有较强的穿透性，能够与冰层中的水分子发生共振而产生热量，从而使得冰层与叶片分离，以实现除冰的目的。微波加热装置直接与冰层发生反应，除冰过程中不会使叶片的温度过度升高，从而保护了叶片免受加热造成的伤害；同时穿透叶片直接与冰层发生作用，也节约了能量，提高了能量的利用率。
在另一种具体实施方式中，上述叶片的表面安装有温度传感器和报警元件；所述温度传感器实时检测所述叶片表面的温度，并将检测到的温度信号传送至所述报警元件，当所述叶片表面的温度高于预定温度值时，所述报警元件报警，从而提高了叶片的使用寿命和安全性能。
附图说明
图1为本发明所提供风力发电机组第一种具体实施方式的原理框图；
图2为本发明提供用于风力发电机组的叶片除冰系统第一种具体实施方式的局部结构图；
图3为本发明提供用于风力发电机组的叶片除冰系统第二种具体实施方式的原理框图；
图4为本发明提供用于风力发电机组的叶片除冰系统第二种具体实施方式的结构示意图；
图5为本发明提供用于风力发电机组的叶片除冰系统第三种具体实施方式的原理框图；
图6为本发明提供用于风力发电机组的叶片除冰系统第三种具体实施方式的结构示意图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种用于风力发电机组的叶片除冰系统，其能够较为准确地检测和判断出叶片的结冰程度，具有较高的检测可靠性。本发明的另一核心是提供一种包括上述叶片除冰系统的风力发电机组。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
请参考图1和图2，图1为本发明所提供风力发电机组第一种具体实施方式的原理框图；图2为本发明提供用于风力发电机组的叶片除冰系统第一种具体实施方式的局部结构图。
在第一种具体实施方式中，本发明所提供的叶片除冰系统用于风力发电机组，该风力发电机组包括机舱01、支撑机舱01的塔筒02和安装于机舱01上的叶片4，叶片4的个数可以为一片、两片，也可以为三片或者更多片，叶片4的个数应根据实际的工作状况和发电要求确定，在此不做限定。叶片除冰系统包括图像检测元件1、控制元件2和除冰元件3；其中，图像检测元件1用于实时检测风力发电机组的叶片4的结冰状况，并将所述结冰状况转换成图像信号；控制元件2用于接收图像信号，并根据图像信号和预定图像信号控制除冰元件3的动作；除冰元件3用于在所述控制元件2的控制下清除叶片4上的冰层。
上述图像检测元件1可以为摄像头。摄像头可以安装在风机机舱01的外部，摄像头将得到的直观图像通过有线或者无线的方式传送到控制元件中，此时，控制元件可以为控制中心内部的屏幕，工作人员通过观察传输至屏幕上的直观图像，并与叶片未结冰时的预定图像相比较，判断叶片上的结冰程度，从而及时除冰。
上述图像检测元件1也不局限为摄像头，也可以为包括摄像头和分析软件的检测分析元件，摄像头将得到的图像传送至分析软件，分析软件根据接收到的图像得到相应的曲线，将该图像曲线与预定图像信号相对比和转换，并根据两曲线的匹配程度，得出此刻的结冰状况，自动获取结冰程度，从而无需人为判断结冰情况，降低了工作人员的劳动强度。
上述摄像头上可以安装有加热器和清洁器。由于摄像头需要安装在风机机舱01的外部，长期的室外工作可能会使摄像头受到冰雪和风沙的影响，安装有加热器可以避免摄像头由于外界的温度过低而降低图像质量，安装清洁器能够避免摄像头由于风沙的影响而降低图像质量，因此，安装加热器和清洁器能够提高摄像头的图像质量，保证图像的分辨率。
上述摄像头可以安装在叶片4上，并随叶片4同步转动，这样，摄像头与叶片4之间没有相对速度，摄像头捕捉到的是静态图像，相比动态图像来讲，静态图像能够更加清楚地显示此刻的结冰状况，并且对摄像头的像素要求等较低。
图像检测元件1将检测到的图像信号传输至控制元件2，控制元件2接收到图像信号后，与预定图像信号相比较，通过接收到的图像信号与预定图像信号的匹配程度，判断叶片4的结冰状况，图像信号的精确程度较高，从而保证了结冰问题的及时发现，图像信号的误差较小，从而提高了结冰状况检测的可靠性。
还可以对本发明所提供的用于风力发电机组的叶片除冰系统进行进一步的改进。
请参考图3和图4，图3为本发明提供用于风力发电机组的叶片除冰系统第二种具体实施方式的原理框图；图4为本发明提供用于风力发电机组的叶片除冰系统第二种具体实施方式的结构示意图。
在第二种具体实施方式中，本发明所提供的用于风力发电机组的叶片除冰系统的除冰元件3包括至少一个微波加热装置31，当控制元件2判断出风机叶片4需要除冰时，发出控制指令，启动微波加热装置31，微波加热装置31发射微波，利用微波加热原理除冰，而叶片4的材料一般为布、树脂、木材、碳纤维等绝缘材料，这些材料的介电常数都较小，吸收微波的能力较弱，在微波对冰层作用时，叶片4几乎对微波没有吸收。微波加热装置在工作过程中可以有选择性地直接作用于冰层，而不会使叶片的温度过高，对叶片不会造成高温伤害；且加热迅速，节能高效。
该微波加热装置31可以安装于叶片4的内腔中，以避免外界的雨雪风沙等对微波加热装置31的损坏，提高了微波加热装置31的使用寿命。具体地，可以在叶片4的内腔中安装至少一个支撑杆41，该支撑杆41可以沿叶片4的长度方向设置，将微波加热装置安装于支撑杆41中；还可以在叶片4的内腔的适当位置安装至少两个沿叶片4宽度方向设置的内腔支架42，将支撑杆41的两端分别安装在两内腔支架42上，以方便支撑杆41的安装，显然的，支撑杆41的两端也可以直接安装在叶片4的内壁上。
上述微波加热装置31的数目可以有多个，分别安装于支撑杆41上。为保证叶片4上各处的除冰效果的均衡同步，多个微波加热装置31可以沿支撑杆41的轴向均匀设置。微波加热装置31的具体数目应根据叶片4的长度和除冰要求确定，当叶片4的长度较长或者除冰要求较高时，微波加热装置31的数目可以适当增加。
微波加热装置31也不局限于安装于叶片4的内腔中，也可以直接安装于叶片4的表面。
叶片4可以分为前段、中间段和后段三部分，微波加热装置31可以仅安装于叶片的中间段，而不需安装在前段和后段。由于在叶片的工作过程中，中间段是产生旋转动力最大的一部分，中间段结冰对于叶片4的工作过程和风机的发电效率的影响最大，而后段是否结冰对风机的工作影响不大；并且，由于叶片4一般是弧形的，中间段的腔体空间较大，而前段的腔体空间较小，安装微波加热装置31较为困难，综合考虑实际情况，一般情况下仅在中间段安装微波加热装置，简化微波加热装置31的安装过程，节约生产成本。
上述微波加热装置31还可以在动力元件的驱动下沿所述叶片4的长度方向运动，这样，只需设置一个微波加热装置31就能够实现叶片4各处的除冰，进一步节约了生产成本。该动力元件可以为本领域中常规使用的各种动力机，例如发动机、电机等，微波加热装置31可以直接与动力元件连接，也可以通过齿轮减速器或者其他传动机构与动力元件连接。
叶片4上通常会设有防水层，以防止叶片4吸收水分，但是，叶片4上的防水层可能会脱落，当防水层脱落时，叶片4会吸收水分，微波除冰时会导致叶片4温度升高，因此可以在上述叶片4的表面上安装温度传感器5和报警元件；所述温度传感器5实时检测所述叶片4表面的温度，并将检测到的温度信号传送至所述报警元件，当叶片4表面的温度高于预定温度值时，报警元件报警，微波装置停止工作，避免了由于温度过高对叶片4造成的损坏。
温度传感器5和报警元件可以安装于叶片4的外表面，也可以安装于叶片4的内表面。还可以对本发明所提供的用于风力发电机组的叶片除冰系统进行进一步的改进。
请参考图5和图6，图5为本发明提供用于风力发电机组的叶片除冰系统第三种具体实施方式的原理框图；图6为本发明提供用于风力发电机组的叶片除冰系统第三种具体实施方式的结构示意图。
在第三种具体实施方式中叶片除冰系统，上述除冰元件3可以包括至少一个激振装置32，激振装置32产生振动传递至冰层，引起冰层的振动，通过高频率振动使冰层与叶片表面分离，然后使用低频率冲击使冰层从叶片上脱落，同样能够避免加热对叶片4造成的伤害，提高叶片4的使用寿命。
上述激振装置32可以安装于叶片4的腔体内部，具体为，激振装置32可以包括激振杆321、激振连杆322、橡胶球323以及激振源324，其中用于产生振动的激振源324安装于激振杆321的一端，激振杆321将振动传递到激振连杆322上，并通过安装在激振连杆322末端的橡胶球323作用于叶片4。激振装置32也不局限于上述具体形式，激振装置32可以仅包括安装于叶片4腔体内部的激振源324，该激振源324与叶片4相贴合，能够直接将振动传递至叶片4上的冰层。激振装置32也可以利用腔体内部的支撑杆41支撑，其布置方式与上述微波加热装置在支撑杆41上的布置方式相同，在此不再赘述。
上述激振装置32也不局限于安装于叶片4的腔体内部，其也可以安装于叶片4的内表面或者外表面。
上述激振装置32的激振频率可以在所述叶片4的冰层自振频率的95％至105％之间，在该振动范围之间，较易引起冰层的共振，从而提高除冰效果；同时，在该振动的频率范围与叶片4的自振频率相差较远，不会引起叶片4的共振。另外，需要指出的是，冰层在不同的结冰厚度和结冰状况下的自振频率也是有所不同的，因此，激振频率的具体数值也会有所不同。
与上述第二种具体实施方式中的原因和原理相同的，激振装置32也可以仅安装于叶片4的中间段，并且激振装置32也可以在动力元件的驱动下沿所述叶片4的长度方向运动。
本发明所提供的叶片除冰系统在通过振动或者微波加热的方式令冰层与叶片局部分离后，可以通过以下方式使冰层从叶片上脱落：启动风力发电机组的变桨系统使叶片4转动适当的角度，当风轮旋转达到某转速后，再启动液压刹车使风轮静止，利用惯性原理使得冰层自叶片4上脱落。
需要指出的是，上述第二种具体实施方式和第三种具体实施方式也可以结合起来使用，具体地，在同一个叶片除冰系统中，可以仅安装有微波加热装置31，也可以仅安装有激振装置32，也可以既安装微波加热装置31又安装激振装置32。
除了上述叶片除冰系统，本发明还提供一种包括上述叶片除冰系统的风力发电机组，该风力发电机组的其他各部分结构请参考现有技术，在此不再赘述。
以上对本发明所提供的一种风力发电机组及其叶片除冰系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于风力发电机组的叶片除冰系统，其特征在于，包括图像检测元件(1)、控制元件(2)和除冰元件(3)；
所述图像检测元件(1)用于实时检测所述风力发电机组的叶片(4)的结冰状况，并将所述结冰状况转换成图像信号；
所述控制元件(2)用于接收所述图像信号，并根据比较所述图像信号和预定图像信号，控制所述除冰元件(3)的动作；
所述除冰元件(3)用于在所述控制元件(2)的控制下清除所述叶片(4)上的冰层；
所述叶片(4)包括前段、中间段和后段，所述除冰元件(3)安装于所述中间段；还包括动力元件，所述除冰元件(3)在所述动力元件的驱动下沿所述叶片(4)的长度方向运动。
2.根据权利要求1所述的用于风力发电机组的叶片除冰系统，其特征在于，所述图像检测元件(1)包括摄像头。
3.根据权利要求2所述的用于风力发电机组的叶片除冰系统，其特征在于，所述摄像头安装于所述叶片(4)上，且与所述叶片(4)同步转动。
4.根据权利要求3所述的用于风力发电机组的叶片除冰系统，其特征在于，所述摄像头上安装有清洁器。
5.根据权利要求1所述的用于风力发电机组的叶片除冰系统，其特征在于，所述除冰元件(3)包括至少一个微波加热装置(31)。
6.根据权利要求1至5任一项所述的用于风力发电机组的叶片除冰系统，其特征在于，所述除冰元件(3)包括至少一个激振装置(32)。
7.根据权利要求6所述的用于风力发电机组的叶片除冰系统，其特征在于，所述激振装置(32)的激振频率在所述叶片(4)的冰层自振频率的95％至105％之间。
8.根据权利要求1至5任一项所述的用于风力发电机组的叶片除冰系统，其特征在于，所述叶片(4)上安装有温度传感器(5)和报警元件；所述温度传感器(5)实时检测所述叶片(4)表面的温度，并将检测到的温度信号传送至所述报警元件，当所述叶片(4)表面的温度高于预定温度值时，所述报警元件报警。
9.一种风力发电机组，其特征在于，包括权利要求1至8任一项所述的叶片除冰系统。
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