CN102878026A - 具有电热融冰装置的风力发电机转子叶片 - Google Patents

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本发明提供一种具有电热融冰装置的风力发电机转子叶片，其包括叶片本体，所述叶片本体包括内表面和外表面，所述叶片本体的内表面包围形成所述叶片本体的空腔体，所述叶片本体的外表面、内表面上和/或夹层结构中设有用于将电能转换为热能从而熔化所述叶片本体上结冰的电热融冰装置。本发明可以在风力发电机组正常发电的状态下进行在线融冰，提高风力发电机组的工作效率，增加发电量；叶片也无需受到外力击打。并且，具有节电、重量轻、形状安装灵活等特性。

Description

具有电热融冰装置的风力发电机转子叶片
技术领域
本发明涉及一种防止室外电力设备发生结冰的结构，尤其涉及一种能够防止风力发电机转子叶片结冰的电热融冰装置，属于风力发电设备技术领域。
背景技术
随着能源短缺和生态环境的日益恶化，风力发电在国内外的应用越来越广泛。但是近年来极端灾害气候频繁出现，特别是我国冻雨天气增多，对风力发电的运行带来严重影响。在冻雨的气候环境中，电机转子叶片上非常容易结冰，会对风力发电产生如下危害：一方面，随着冰层的增厚，叶片的物理外形发生变化，使得叶片受风能力降低，从而使叶片的空气力学性能下降，影响风力发电效率；另一方面，随着冰层的增厚，叶片的重量增加，加大发电机组的负荷，增加了发电机组的机械磨损，影响发电机组的寿命和安全。
目前消除叶片结冰常用的方法，是在叶片结冰到一定程度时停机除冰，其除冰方法：一是等待气温上升自然除冰；二是人工敲打除冰。应用上述方法不但影响发电机组的发电量，而且因敲打可能对发电机组造成损害。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有电热融冰装置的风力发电机转子叶片及其控制系统，以解决现有技术存在的影响发电机组的发电量，甚至可能损害叶片、发电机组等问题。
为解决上述技术问题，本发明提供的具有电热融冰装置的风力发电机转子叶片的技术方案为：包括叶片本体，所述叶片本体包括内表面和外表面，所述叶片本体的内表面包围形成所述叶片本体的空腔体，其特征在于，所述叶片本体的外表面、内表面上和/或夹层结构中设有用于将电能转换为热能从而熔化所述叶片本体上结冰的电热融冰装置。
根据上述融冰装置的一种优选实施方式，其中，所述电热融冰装置呈片状，且所述电热融冰装置贴附于所述叶片本体的外表面、内表面或夹置于所述叶片本体的夹层结构中。
根据上述融冰装置的一种优选实施方式，其中，所述电热融冰装置呈片状，所述电热融冰装置包括保温层、电热元件和绝缘散热层，所述电热元件安装于所述保温层上，所述绝缘散热层包覆于所述电热元件上。
根据上述融冰装置的一种优选实施方式，其中，所述保温层为石棉纤维层或玻璃纤维层，所述电热元件为包括锌白铜低温软丝、镍铬合金电热丝或铁铬铝合金电热丝的电热芯片，所述绝缘散热层为PVC工程塑料，其中，所述保温层的厚度为1-1.5mm，所述电热芯片的厚度为2-4mm。
根据上述融冰装置的一种优选实施方式，其中，所述电热融冰装置根据所述叶片本体表面不同区域热量消耗不同而进行不同布置。
根据上述融冰装置的一种优选实施方式，其中，所述电热融冰装置为多个，多个所述电热融冰装置之间并联连接，并且对应于所述叶片本体的切风面和尾部的所述电热融冰装置的功率大于其余的所述电热融冰装置的功率。
根据上述融冰装置的一种优选实施方式，其中，多个所述电热融冰装置的表面大小均为500*1000mm，且多个所述电热融冰装置的发热功率分别为100w和200w，对应于所述叶片本体的切风面和尾部的所述电热融冰装置的发热功率为200w。
根据上述融冰装置的一种优选实施方式，其中，还包括用于控制所述电热融冰装置的控制系统，所述控制系统包括：
供电单元，用于获取电力；
开关单元，设在所述供电单元和所述电热融冰装置之间，用于控制所述供电单元向所述电热融冰装置的供电；以及
控制单元，与所述开关单元连接，用于在周围环境达到形成结冰、冻雨的条件时，控制所述开关单元导通，使所述供电单元向所述电热融冰装置供电。
根据上述融冰装置的一种优选实施方式，其中，所述供电单元包括：
至少两个金属环，用于安装在风力发电机转子轮毂上，其中两个所述金属环用于连接220V电源；
至少两个电刷，其中两个所述电刷连接于所述开关单元与接220V电源的所述金属环之间；
所述控制单元包括：
温控单元，与所述开关单元连接，用于检测所述具有电热融冰装置的风力发电机转子叶片的周围环境的温度、湿度，在周围环境达到形成结冰、冻雨的条件时，控制所述开关单元导通，使所述供电单元向所述电热融冰装置供电；
遥控单元，与所述开关单元无线连接，用于在周围环境达到形成结冰、冻雨的条件时，控制所述开关单元导通，使所述供电单元向所述电热融冰装置供电；和/或
手控单元，与所述开关单元连接，用于在周围环境达到形成结冰、冻雨的条件时，手动控制所述开关单元导通，使所述供电单元向所述电热融冰装置供电。
根据上述融冰装置的一种优选实施方式，其中，多个所述具有电热融冰装置的风力发电机转子叶片的控制系统与一区域监控主机通信连接，以使所述区域监控主机监控所述多个具有电热融冰装置的风力发电机转子叶片的运行。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
可以在风力发电机组正常发电的状态下进行在线融冰，提高风力发电机组的工作效率，增加发电量；叶片也无需受到外力击打。并且，具有节电、重量轻、形状安装灵活等特性。
附图说明
图1为本发明的具有电热融冰装置的风力发电机转子叶片实施例一的截面结构示意图；
图2为图1中电热融冰装置的层状结构示意图；
图3为本发明的具有电热融冰装置的风力发电机转子叶片实施例二的截面结构示意图；
图4为本发明的具有电热融冰装置的风力发电机转子叶片的控制系统的原理框图。
图5为图4所示的控制系统的供电单元从风力发电机获取电力的原理结构示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
如图1所示，本发明的具有电热融冰装置的风力发电机转子叶片实施例一包括叶片本体和电热融冰装置1，其中，叶片本体包括芯材21、玻璃钢22、腹板23等，腹板23位于叶片本体的空腔体3中以增加叶片本体的强度。叶片本体具有内表面和外表面，内表面包围形成叶片本体的空腔体3。叶片本体的内表面，也即空腔体3的空腔壁，贴附有电热融冰装置1，电热融冰装置1用于将电能转换为热能从而熔化叶片本体上的结冰、冻雨。在其他实施例中，电热融冰装置1也可以贴附在叶片本体的外表面，例如图2所示，或者将叶片本体设计为夹层结构，将电热融冰装置1设置于夹层结构中，当然，也可以将在部分内表面设置电热融冰装置1，在部分外表面设置电热融冰装置1。
如图1和图3所示，电热融冰装置1呈片状，当然也可以呈块状以密集地固定在叶片本体的表面上、线状以回绕在叶片本体的外表面上。电热融冰装置1的内部结构呈层状，如图2所示，电热融冰装置1包括耐高温、强度高、散热性能好的绝缘散热层11和节电、降低电能消耗的电热元件12、保温层13。在图2所示的电热融冰装置1中，电热元件12安装于保温层13上，绝缘散热层11包覆于电热元件12上。
保温层13可以为石棉纤维层或玻璃纤维层，优选地，厚度为1-1.5mm。在图1所示实施例中，保温层13可以避免电热元件12产生的热量散发至空腔体3中，在图3所示实施例中，保温层13可以避免电热元件12产生的热量散发至芯材21和玻璃钢22，从而使得电热元件12产生的热量尽可能的传播至叶片本体的外表面以熔化结冰、冻雨。电热元件12为包括锌白铜低温软丝、镍铬合金或铁铬铝合金电热丝的电热芯片。在电热芯片中，锌白铜低温软丝、镍铬合金电热丝或铁铬铝合金电热丝作为电热丝导电发热，电热丝在电热芯片中呈平行状排列(类似于弓字形排列)、环形排列。优选的是，电热芯片中包括两组电热丝，以预防其中一组电热丝失效。其中，电热丝优选为锌白铜低温软丝(zinc-copper-nickel-alloy)，其为低温电热材料，包括铜镍锌，电阻率0.12-0.4(Ω)，耐压在3700v以上。电热丝外采用PVC材料绝缘，形成绝缘散热层11，绝缘散热层11不但具有绝缘散热效果，而且用于固定电热丝的位置，并且在图1所示实施例中，提供电热芯片与叶片表面的良好接触。
经研究，叶片本体上不同部位的热量消耗并不相同，在叶片本体的切风面和尾部消耗热量最多，因此，在本发明中，电热融冰装置1根据叶片本体表面热量消耗的不同而进行不同的布置。此外，电热融冰装置1为多个，且均呈片状，厚度小、重量轻、柔软易变形，借此，可以将电热融冰装置1的表面大小设计为500*1000mm。在根据叶片表面形状的变化改变电热芯片的平面形状，使电热芯片与叶片表面形状有良好配合的同时，多个电热融冰装置1的电热元件12(电热丝)之间并联连接，并且对应于叶片本体的切风面和尾部的电热融冰装置1的功率大于其余部位的电热融冰装置1的功率。例如，本实施例的电热融冰装置1的额定电压为220v，发热功率有的为100w，有的为200w，对应于叶片本体的切风面和尾部的电热融冰装置的功率为200w。在其他实施例中，如果电热融冰装置的发热功率相同，则可以在叶片本体的切风面和尾部增加电热融冰装置的分布密度。
本发明提供的控制系统如图4所示，其用于控制图1或图3中的具有电热融冰装置的风力发电机转子叶片的自动融冰，该控制系统包括开关单元4、供电单元5、控制单元6和区域监控主机8。其中，供电单元5用于获取电力，其可以从风力发电机本身获取电力，也可以为一个电能存储装置，或者一个输变电装置。开关单元4连接在供电单元5和电热融冰装置1之间，以控制供电单元5向电热融冰装置1的供电，开关电源4可以为一个电子开关，也可以为机械开关。控制单元6与开关单元4连接，用于在周围环境达到形成结冰、冻雨的条件时，控制开关单元4导通，使供电单元5向电热融冰装置1供电。一简化实施例中，工作人员发现风力发电机周围的环境可能导致叶片本体表面结冰，则可以按下作为控制单元的按钮，使供电单元和电热融冰装置之间的开关单元导通。
在本实施例中，供电单元5采用双回路方式，风力发电机正常运行时，电源由风力发电机提供，当风力发电机出现故障维修时采用专项电源供给。因此，供电单元5包括专项电源、三个金属环54和三个电刷53。如图5所示，三个金属环54(火线、零线、地线)安装在风力发电机转子轮毂55上。其中两个金属环接220V电源，另一个金属环(通过变压器52)接地。三个电刷53中的两个连接于开关单元4(图5未示出)与接220V电源的金属环之间；另一个电刷连接于地。叶片本体56处于旋转过程时，轮毂55旋转，驱动风机大齿盘50旋转，风机大齿盘50带动发电机51发电，变压器52将发电机51输出的电力转换为220V电源，并通过导线与电刷53连接。供电电刷的电流通过金属环与电热融冰装置1的引线相连接。专项电源可以为电池，也可以为与其他风力发电机连接的输配电装置，以获取其他正常运行的风力发电机的电源。
在本实施例中，控制单元6包括温控单元61、遥控单元62、手控单元63。温控单元61与开关单元4连接，用于检测风力发电机周围环境的温度、湿度，在周围环境达到形成结冰、冻雨的条件时，控制开关单元4导通，使供电单元5向电热融冰装置1供电，其包括温度传感器和湿度传感器，在二者检测相关参数之后，由控制单元6的数据处理单元按照设定的程序进行计算，以判断是否达到结冰条件，若判断叶片本体表面可能发生结冰，则控制单元6使得开关单元4导通。遥控单元62与开关单元4无线连接，用于在周围环境达到形成结冰、冻雨的条件时，控制开关单元4导通，使供电单元5向电热融冰装置1供电。具体而言，遥控单元62包括信号接收端装置和信号发射端装置，二者之间可以通过红外线通信，也可以通过RFID进行通信。在温控单元61出现故障无法运行或者没有设置温控单元61的情况下，工作人员根据检测的周围环境，判断叶片本体表面可能发生结冰或已经发生结冰时，可以操作信号发射端装置，使信号接收端装置导通开关单元4。手控单元63与开关单元4连接，用于在周围环境达到形成结冰、冻雨的条件时，手动控制开关单元4导通，使供电单元5向电热融冰装置1供电。由上可知，本实施例的开关单元4处于常开状态，并且温控单元61、遥控单元62、手控单元63对开关单元4的控制都是独立，也即，在温控单元61、遥控单元62、手控单元63任一动作时，开关单元4才会闭合，使供电单元5、电热融冰装置1之间的电路导通。
为了集中控制，对多个风力发电机转子叶片进行电热融冰，本实施例还包括区域监控主机8，区域监控主机8通过通信网络7与控制单元6通信连接。区域监控主机8可以控制多个风力发电机，向多个风力发电机发出指令，读取、记录多个风力风电机的融冰状态，提高区域融冰的准确性和工作效率。
综上，本发明可以避免风力发电机叶片发生结冰现象，从而在风力发电机组正常发电的状态下进行在线融冰，提高风力发电机组的工作效率，增加发电量，并且节电、重量轻、结构简单。
以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有电热融冰装置的风力发电机转子叶片，包括叶片本体，所述叶片本体包括内表面和外表面，所述叶片本体的内表面包围形成所述叶片本体的空腔体，其特征在于，所述叶片本体的外表面、内表面上和/或夹层结构中设有用于将电能转换为热能从而熔化所述叶片本体上结冰的电热融冰装置。
2.根据权利要求1所述的具有电热融冰装置的风力发电机转子叶片，其特征在于，所述电热融冰装置呈片状，且所述电热融冰装置贴附于所述叶片本体的外表面、内表面或夹置于所述叶片本体的夹层结构中。
3.根据权利要求1所述的具有电热融冰装置的风力发电机转子叶片，其特征在于，所述电热融冰装置呈片状，所述电热融冰装置包括保温层、电热元件和绝缘散热层，所述电热元件安装于所述保温层上，所述绝缘散热层包覆于所述电热元件上。
4.根据权利要求3所述的具有电热融冰装置的风力发电机转子叶片，其特征在于，所述保温层为石棉纤维层或玻璃纤维层，所述电热元件为包括锌白铜低温软丝、镍铬合金电热丝或铁铬铝合金电热丝的电热芯片，所述绝缘散热层为PVC工程塑料，所述保温层的厚度为1-1.5mm，所述电热芯片的厚度为2-4mm。
5.根据权利要求1所述的具有电热融冰装置的风力发电机转子叶片，其特征在于，所述电热融冰装置根据所述叶片本体表面不同区域热量消耗不同而进行不同布置。
6.根据权利要求5所述的具有电热融冰装置的风力发电机转子叶片，其特征在于，所述电热融冰装置为多个，多个所述电热融冰装置之间并联连接，并且对应于所述叶片本体的切风面和尾部的所述电热融冰装置的功率大于其余的所述电热融冰装置的功率。
7.根据权利要求6所述的具有电热融冰装置的风力发电机转子叶片，其特征在于，多个所述电热融冰装置的表面大小均为500*1000mm，且多个所述电热融冰装置的发热功率分别为100w和200w，对应于所述叶片本体的切风面和尾部的所述电热融冰装置的发热功率为200w。
8.根据权利要求1-7任一所述的具有电热融冰装置的风力发电机转子叶片，其特征在于，还包括用于控制所述电热融冰装置的控制系统，所述控制系统包括：
供电单元，用于获取电力；
开关单元，设在所述供电单元和所述电热融冰装置之间，用于控制所述供电单元向所述电热融冰装置的供电；以及
控制单元，与所述开关单元连接，用于在周围环境达到形成结冰、冻雨的条件时，控制所述开关单元导通，使所述供电单元向所述电热融冰装置供电。
9.根据权利要求8所述的具有电热融冰装置的风力发电机转子叶片，其特征在于，所述供电单元包括：
至少两个金属环，用于安装在风力发电机转子轮毂上，其中两个所述金属环用于连接220V电源；
至少两个电刷，其中两个所述电刷连接于所述开关单元与接220V电源的所述金属环之间；
所述控制单元包括：
温控单元，与所述开关单元连接，用于检测所述具有电热融冰装置的风力发电机转子叶片的周围环境的温度、湿度，在周围环境达到形成结冰、冻雨的条件时，控制所述开关单元导通，使所述供电单元向所述电热融冰装置供电；
遥控单元，与所述开关单元无线连接，用于在周围环境达到形成结冰、冻雨的条件时，控制所述开关单元导通，使所述供电单元向所述电热融冰装置供电；和/或
手控单元，与所述开关单元连接，用于在周围环境达到形成结冰、冻雨的条件时，手动控制所述开关单元导通，使所述供电单元向所述电热融冰装置供电。
10.根据权利要求9所述的具有电热融冰装置的风力发电机转子叶片，其特征在于，多个所述具有电热融冰装置的风力发电机转子叶片的控制系统与一区域监控主机通信连接，以使所述区域监控主机监控所述多个具有电热融冰装置的风力发电机转子叶片的运行。
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