CN102003354A - 风力发电机组热交换除冰系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机组热交换除冰系统，包括三通电磁阀、水泵、制冷机、热能收集装置、辅助加热装置、增压器、控制器、叶片通风道内的温度传感器Ⅰ、结冰传感器以及检测环境温度的温度传感器Ⅱ；温度传感器Ⅱ检测的温度低于零度，开启三通电磁阀的第二出水口和制冷机，产生的热量输入叶片内，叶片未结冰时，可预防叶片结冰；结冰传感器检测到叶片上有结冰时，辅助加热装置对热空气再次加热，加大对叶片整体加热，达到融冰、除冰的目的；结冰传感器检测到叶片上没有结冰时停止加热。本发明利用风力发电机冷却系统排出的热量加热叶片，以达到除冰，既利用风力发电机系统产生的热量，又达到了冷却与除冰的双重目的，使整个系统更高效、节能。

Description

风力发电机组热交换除冰系统

技术领域

本发明涉及一种风力发电机，尤其涉及一种风力发电机叶片除冰系统。

背景技术

随着全球环境问题和能源危机的日益严重，清洁能源越来越受到各国的重视。风能作为一种可再生能源蕴藏量巨大，分布面广，具有很大开发利用潜力。

风力发电机组是将风能转化为电能的装置，风能经过风轮叶片时推动叶片转动，叶片转动又带动轮毂、主轴转动，主轴转动将动力输入齿轮箱，齿轮箱经过增速后，将转矩传递给发电机，带动发电机转子转动，从而产生电能。齿轮箱、发动机和变频器设置在机舱罩内，而齿轮箱、发动机和变频器主要依靠风力发动机冷却系统进行冷却，风力发动机冷却系统主要依靠循环水进行冷却，通过水泵将经过散热器冷却后的水输入变频器冷却装置、发电机冷却装置和齿轮箱冷却装置内与变频器、发电机和齿轮箱进行热交换，换热后的水又通过管道流入散热器内散热冷却。在风机的运行过程中，叶片起到一个捕捉风能的作用。叶片捕捉风能的大小，直接影响风力发电机的风电能力和发电量。因此，一个最优化的叶片翼形，能最大限度地提高风能的使用率。然而在一些高纬度的风场，当风场的气温降到零度以下时，风力发电机叶片上可能就会结冰，冰附着在叶片上改变了叶片翼形，不仅影响了叶片的气动性能，降低了风力发电机系统的发电效率，还增加了整个风力发电机系统的动静载荷，对整机强度和稳定性产生更为不利的影响。因此检测并及时除去风机叶片上的结冰，对于保证风力发电机系统的正常高效运行有着极为重要的意义。

现有技术中，对叶片进行除冰的方法主要有两种：一种为颤抖除冰的方法；另一种是使用热空气对叶片进行加热，融化叶片上结冰，达到除冰的目的。

例如，丹麦维斯塔斯风力系统有限公司申请的专利，公开号101821500A公开的“用于给风轮机的叶片除冰的方法、风轮机及其使用”，采取在风力发电机停机后叶片除冰的方法，即通过叶片变桨电机使叶片加速变桨后减速形成的冲击抖掉叶片上的结冰。该方法在叶尖部分振幅最大，但叶根部分振幅最小，虽可以除去叶片上的一些结冰，但叶根部分的结冰不易被抖掉，所以不能保证完全除去叶片上结冰；同时，这种加速、减速状态形成很大的冲击载荷，对整个风力发电机系统造成冲击，有可能造成相关零部件的损坏，降低风力发电机组的安全性和可靠性。

又如，美国通用电气公司申请的专利，公开号1727673公开的“用于除去翼型或转子叶片上的冰的方法和装置”，该方法通过用装在风力发电机叶片上的加热装置加热空气，再用鼓风机将热空气输送到叶片内的通风道内，通过热空气加热叶片，以达到除冰的目的。该方法虽可以加热叶片以除去结冰，但是热空气的加热完全通过电阻丝加热，不仅耗电量大，而且极不安全，因为叶片的材料一般为布、树脂、木材、碳纤维等材料，如果加热系统失火，可能立即引起叶片的燃烧，导致整个风机系统烧毁等严重灾难。

发明专利内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的是提供一种节约能源，安全性和可靠性更高的风力发电机组热交换除冰系统。

本发明提供的风力发电机组热交换除冰系统，包括三通电磁阀、水泵、制冷机、用于收集制冷机制冷时排出热量的热能收集装置、辅助加热装置、增压器、控制器、设置在叶片通风道内的温度传感器Ⅰ、设置在叶片上的结冰传感器以及检测叶片外温度的温度传感器Ⅱ；

所述三通电磁阀的第一出水口通过管道与散热器的进水口连通，散热器的出水口通过管道与水泵的进水口连通；所述水泵的出水口通过管道分别与变频器冷却装置、发电机冷却装置和齿轮箱冷却装置的进水口连通；所述变频器冷却装置、发电机冷却装置和齿轮箱冷却装置的出水口通过管道与三通电磁阀的进水口连通；三通电磁阀的第二出水口通过管道与制冷机的进水口连通，制冷机的出水口通过管道与水泵的进水口连通；

所述热能收集装置的热能输出端通过管道与辅助加热装置的进气口连通，辅助加热装置的出气口通过管道与增压器的进气口连通，增压器的出气口通过管道与叶片内的通风道连通；

所述温度传感器Ⅰ、温度传感器Ⅱ和结冰传感器的信号输出端连接控制器，控制器的控制信号输出端分别与三通电磁阀、制冷机、辅助加热装置和增压器连接。

本发明在原有风力发电机冷却系统的基础上加入了三通电磁阀和制冷机，通过制冷机制冷的水再进入齿轮箱冷却装置、发电机冷却装置和变频器冷却装置内，对齿轮箱、发电机和变频器进行冷却，使其冷却效果更佳；制冷机制冷时产生的热量通过热能收集装置进行收集，并输入辅助加热装置，再经增压器增压后输入叶片内的通风道内对叶片进行整体加热。当温度传感器Ⅱ检测到叶片外环境的温度低于零度时，控制器发出控制指令，使三通电磁阀的第二出水口通道接通，同时启动制冷机，制冷机产生的热量以热空气的形式并经增压后进入叶片内部，对叶片整体加热，同时可预防叶片结冰；而结冰传感器检测到叶片上有结冰时，控制器便会启动辅助加热装置，对制冷机制冷产生的热空气进行二次加热，使进入叶片内的温度增高，增大对叶片加热，以除掉叶片上的结冰。当叶片内的温度传感器Ⅰ检测到叶片内热空气的温度大于设定温度值（上限值）时，关闭辅助加热装置。当叶片内的温度传感器Ⅰ检测到叶片内热空气的温度小于设定温度值（下限值）、且结冰传感器检测到叶片上有结冰时，再次打开辅助加热装置，对制冷机制冷产生的热空气进行二次加热。当结冰传感器检测到叶片上没有结冰时，关闭辅助加热装置。当温度传感器Ⅱ检测的温度大于零度时，控制器发出控制指令，使三通电磁阀的第一出水口通道接通，同时关闭制冷机和增压器，此时该冷却系统通过散热器对风力发电机组进行正常的冷却。

与现有技术相比，本发明的风力发电机组热交换除冰系统具有如下优点：  

1、本发明将风力发电机系统的除冰系统和冷却系统结合在一起，利用风力发电机冷却系统排出的热量加热叶片，以达到除冰，不仅利用了风力发电机系统产生的热量，同时达到了冷却与除冰的双重目的，使整个系统更节能、叶片除冰和风力发电机组冷却效果更佳。

2、温度传感器Ⅱ检测到叶片外环境的温度低于零度，控制器发出控制指令，启动制冷机，制冷机产生的热量以热空气的形式并经增压后进入叶片内部，若此时叶片还没有结冰时，热空气对叶片加热可起着预防叶片结冰的作用。

3、避免了现有技术中采用电阻丝加热，耗电量大，不安全，易引起加热系统失火，导致叶片燃烧等问题，大大提高了安全性。

附图说明

图1为风力发电机组热交换除冰系统的结构示意图；

图2为风力发电机组热交换除冰系统的控制框图；

图3为风力发电机组热交换除冰系统的控制流程图。

图中， 1—三通电磁阀； 2—水泵； 3—制冷机； 4—热能收集装置； 5—辅助加热装置； 6—增压器； 7—变频器冷却装置； 8—发电机冷却装置； 9—齿轮箱冷却装置； 10—旋转接头； 11—叶片； 12—通风道； 13—机舱罩； 14—齿轮箱； 15—发电机； 16—变频器； 17—散热器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

图1为风力发电机组热交换除冰系统的结构示意图，如图所示。风力发电机组热交换除冰系统包括三通电磁阀1、水泵2、制冷机3、用于收集制冷机3制冷时排出热量的热能收集装置4、辅助加热装置5、增压器6、控制器、设置在叶片通风道内的温度传感器Ⅰ、设置在叶片上的结冰传感器以及检测叶片外温度的温度传感器Ⅱ。三通电磁阀1的第一出水口通过管道与散热器17的进水口连通，散热器17的出水口通过管道与水泵2的进水口连通；水泵2的出水口通过管道分别与变频器冷却装置7、发电机冷却装置8和齿轮箱冷却装置9的进水口连通；变频器冷却装置7、发电机冷却装置8和齿轮箱冷却装置9的出水口通过管道与三通电磁阀1的进水口连通；三通电磁阀1的第二出水口通过管道与制冷机3的进水口连通，制冷机3的出水口通过管道与水泵1的进水口连通。热能收集装置4的热能输出端通过管道与辅助加热装置5的进气口连通，辅助加热装置5的出气口通过管道与增压器6的进气口连通，增压器6的出气口通过管道和旋转接头10与叶片11内的通风道12连通。温度传感器Ⅰ、温度传感器Ⅱ和结冰传感器的信号输出端连接控制器，控制器的控制信号输出端分别与三通电磁阀1、制冷机3、辅助加热装置5和增压器6连接。

风力发电机组热交换除冰系统的控制框图和流程图如图2、3所示。

在正常气候条件下（温度传感器Ⅱ检测到环境的温度高于零度时），叶片11不需要除冰，控制器启动三通电磁阀1的第一出水口，同时关闭三通电磁阀1的第二出水口通道、制冷机3、辅助加热装置5和增压器6。在水泵2的作用下，冷却水分别流入变频器冷却装置7、发电机冷却装置8、齿轮箱冷却装置9内，冷却变频器16、发电机15和齿轮箱14，热交换后的水经过管道和三通电磁阀1的第一出水口通道流回散热器17，经散热器17散热冷却后再经过水泵2进行循环冷却。

当温度传感器Ⅱ检测到叶片外环境的温度低于零度时，控制器发出控制指令，使三通电磁阀1的第二出水口通道接通，关闭三通电磁阀1的第一出水口通道，同时启动制冷机3和增压器6。制冷机3制冷后的水再通过水泵2抽入齿轮箱冷却装置9、发电机冷却装置8和变频器冷却装置7内，对齿轮箱14、发电机15和变频器16进行冷却，其冷却效果更佳。制冷机3制冷时产生的热量通过热能收集装置4进行收集，并输入辅助加热装置5，再经增压器6增压后的热空气通过管路和旋转接头10输入叶片内的通风道12内对叶片进行整体加热。而结冰传感器检测到叶片结冰时，控制器便会启动辅助加热装置5对制冷机3制冷产生的热空气进行再次加热，使进入叶片内的温度增高，增大对叶片加热，以除掉叶片上的结冰。当叶片11内的温度传感器Ⅰ检测到叶片内热空气的温度大于设定温度值时，关闭辅助加热装置5。当叶片11内的温度传感器Ⅰ检测到叶片内热空气的温度小于设定温度值（下限值）、且结冰传感器检测到叶片上有结冰时，再次打开辅助加热装置，对制冷机3制冷产生的热空气进行二次加热。当结冰传感器检测到叶片上没有结冰时，关闭辅助加热装置。当温度传感器Ⅱ检测的温度大于零度时，控制器发出控制指令，使三通电磁阀1的第一出水口通道接通，同时关闭制冷机3和增压器6，此时该冷却系统通过散热器17对风力发电机组进行正常的冷却。

在本实施例中，热能收集装置4采用鼓风机，通过鼓风机抽取制冷机3制冷产生的热能，并将热空气送入辅助加热装置5。而辅助加热装置采用电加热，通过电加热对热空气进行再次加热，并输入增压器6，增压器可采用空压机进行增压，主要促进输入叶片内的热空气循环，加快对叶片加热，使叶片上的结冰融化，达到除冰的目的。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本专利的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本专利技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本专利的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种风力发电机组热交换除冰系统，其特征在于：包括三通电磁阀（1）、水泵（2）、制冷机（3）、用于收集制冷机（3）制冷时排出热量的热能收集装置（4）、辅助加热装置（5）、增压器（6）、控制器、设置在叶片通风道内的温度传感器Ⅰ、设置在叶片上的结冰传感器以及检测叶片外温度的温度传感器Ⅱ；

    所述三通电磁阀（1）的第一出水口通过管道与散热器的进水口连通，散热器的出水口通过管道与水泵（2）的进水口连通；所述水泵（2）的出水口通过管道分别与变频器冷却装置（7）、发电机冷却装置（8）和齿轮箱冷却装置（9）的进水口连通；所述变频器冷却装置（7）、发电机冷却装置（8）和齿轮箱冷却装置（9）的出水口通过管道与三通电磁阀（1）的进水口连通；三通电磁阀（1）的第二出水口通过管道与制冷机（3）的进水口连通，制冷机（3）的出水口通过管道与水泵（1）的进水口连通；

所述热能收集装置（4）的热能输出端通过管道与辅助加热装置（5）的进气口连通，辅助加热装置（5）的出气口通过管道与增压器（6）的进气口连通，增压器（6）的出气口通过管路与叶片（11）内的通风道（12）连通；

所述温度传感器Ⅰ、温度传感器Ⅱ和结冰传感器的信号输出端连接控制器，控制器的控制信号输出端分别与三通电磁阀（1）、制冷机（3）、辅助加热装置（5）和增压器（6）连接。

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