CN103161689B - 一种大型风力发电组合叶片防冰与除冰系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型风力发电组合叶片防冰与除冰系统,包括组合叶片本体，所述组合叶片本体是在纤维母材制成的蒙皮外表面、中间层或者内表面上铺设有纤维加热材料层；所述蒙皮外表面上铺设有涂层以保护纤维加热材料以及蒙皮纤维母材；所述纤维加热材料层两端分别连接有一个导电电极，导电电极通过导线连接有纤维加热电源；所述蒙皮外表面以及所述蒙皮中间层或者内表面的纤维加热材料层上均布置有温度传感器，所述温度传感器的输出通过信号线连接有温度控制器。本发明实现了在低温高湿结冰环境下大型风力发电叶片的防冰和除冰，避免结冰导致的发电效率降低以及停机产生的发电损失，本发明具有重要的经济和社会效益。

Description

一种大型风力发电组合叶片防冰与除冰系统

技术领域

本发明涉及一种在低温高湿结冰环境下大型风力发电叶片的防冰系统，特别是一种大型风力发电组合叶片防冰系统。 

背景技术

世界上传统能源的紧缺造成人们对不可再生能源的枯竭的普遍担忧，作为可再生能源的风能的开发和利用成为世界关注的热点和必然的发展方向。作为提高风能利用率和发电效益的有效途径，风力发电机的单机容量不断向大型化发展。此外，在我国，风力发电机的应用不仅在气候比较适宜的地区使用，在低温高湿结冰地区的使用也越来越多。

在低温高湿结冰环境下，风力发电机的叶片的空气动力学特性受到表面覆冰的影响，而且风力发电叶片上的覆冰冰层的存在会增加叶片的质量使得叶片的负荷增大，进而改变翼面的升力，叶片的空气动力学性能明显下降，在很大程度上影响风力发电效率，在连续低温高湿条件下覆冰进一步发展，甚至会导致风力发电机的停机事故，造成巨大经济损失和资源浪费。研究和开发对大型风力发电机的叶片进行防冰和除冰的经济、适用和有效的方法具有重要意义。

现有的叶片除冰技术主要包括运动颤抖除冰、热空气循环除冰、热空气循环加运动颤抖，微波加热，以及喷涂除冰剂等方法。

丹麦维斯塔斯风力发电系统有限公司申请的公开号为101821500A的“用于给风轮机的叶片除冰的方法、风轮机及其应用”专利，属于运动颤抖除冰的方法。该专利所述方法是，在风力发电机停机后通过叶片变浆电机使叶片形成先加速变浆后减速的颤抖，抖掉叶片上的结冰。该方法明显的缺点是，由于叶片根部刚度大振动幅度很小，对根部的除冰效果不明显，而且通过震颤除冰将对整个风力发电机的机械系统以及风力发电塔结构造成较大冲击作用，会降低相关零部件的使用寿命，对整个风力发电系统的安全性和可靠性造成较大的负面影响。

美国通用电气公司申请的公开号为1727673的专利属于热空气循环除冰的方法。该专利公开了“用于除去翼型或转子叶片上的冰的方法和装置”，该方法通过鼓风机将热空气输送到叶片内的循环通道内，热空气在叶根和叶尖之间的循环通道内流动，通过热交换对叶片蒙皮加热。该方法需要在叶片腔体内增设热空气循环通道，增加了叶片制作工艺上的难度以及制造成本，循环通道的存在也不可避免地增加了叶片的整体质量，进而影响发电效率。此外，该方法还需要在现有风力发电机的机舱内增设空气加热系统，增加成本和能耗。该方法的其他缺点还包括，对于叶片较长的大功率风力发电机，当结冰量比较大时，由于叶片蒙皮材料一般为玻璃纤维通过树脂成形的玻璃钢材料，为热的不良导体，要达到使叶片蒙皮表面的覆冰融化的目的，必须先通过叶片内部腔体加热整个叶片蒙皮，在供热不足的情况下叶片所吸收的热量很难达到融冰的要求。要使叶片除冰，必须使得叶片蒙皮整体温度达到零度以上，耗能大，若提高腔体内部的加热空气温度，耗能会进一步增大，甚至有可能会导致叶片燃烧的问题，安全性低。再者，由于叶尖部分空间狭小，由于热空气难以到达，对最容易结冰的叶尖部分的覆冰难以有效去除。

 授权发明专利（授权公告号CN102003353B）公开了一种大型风力发电机叶片除冰方法，属于热空气循环加运动颤抖的方法，是以上两类方法的综合。该专利先利用空气加热系统将热空气输入叶片内的循环通道中，使得热空气和叶片蒙皮进行热交换，升温后的蒙皮为其表面覆冰供热，使得覆冰冰层吸热融化，然后使用变桨系统和偏航系统对叶片先加速后减速，叶片产生颤振并抖掉冰层。本发明采用先加热再颤振的方法，需要在现有风力发电机的发电机机舱内增设空气加热系统，而且要在叶片内增设热空气循环通道，工艺复杂，增加成本，而且增设热空气循环通道也会增加叶片重量，影响发电效率。更重要的一个弊端是，该方法通过变桨系统和偏航系统形成先加速后减速的运动，叶片产生颤振并抖掉冰层。这种先加速后减速的运动会对发电机的机械部分以及塔筒结构形成强列的冲击，对机械损伤造成威胁。

申请号为201110394097.5的发明专利“一种大型风机叶片除冰系统及其方法”所公开的方法也采用抽风机和加热器，使用抽风机将冷空气抽出，热空气在叶片内循环加热叶片蒙皮，达到出去叶片蒙皮表层冰层的作用。该方法的缺点与以上授权发明专利（授权公告号CN102003353B）类似。

所有热空气循环加热的方法均还有一个共同的缺点，其循环管道很难覆盖整个叶片，加上叶片材料为热的不良导体，有些部位难以达到除冰效果。

申请号为20100199260.8的发明专利“一种风力发电机组及其叶片除冰系统”采用微波加热与局部激振的方式。通过设置于叶片外面的微波加热系统对冰层加热，然后运用激振装置对叶片进行局部激振去除冰层。这种方法需要在叶片外设置可以移动的微波发射装置，环境辐射大，对人体危害大。而且需要设置可以移动的激振装置，实施难度大，成本高。由于不同型号的叶片的外形尺寸不一样，移动的微波发射装置的通用性差。

三一电气有限责任公司的授权使用新型专利（授权公告号CN 202326036U）“一种叶片除冰装置及风力发电机”通过融冰剂泵、输送管和喷嘴向叶片喷射融冰剂的方法给叶片除冰。本方法也需要在风力发电机塔筒外另外设置融冰剂输送和喷射系统，成本高，除冰剂也会造成一定的环境影响。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种除冰和防冰效果可靠、成本低、结构简单、适用性强的大型风力发电组合叶片防冰和除冰系统，本发明不需要在叶片内部另外设置热空气循环管道以及冷空气抽出管道和设备，避免对变浆系统和偏航系统加速和减速进行颤振抖冰对风机机械系统造成的损害，避免在叶片外部使用任何额外设备加热和激振，避免使用任何融冰剂以及相应的管道设备和喷射装置，而且，本发明具有所用的纤维加热材料层具有和叶片纤维母材层相容性好、工艺简单、对叶片质量的改变很小、不改变叶片的外形和气动特性、可根据需要灵活布置纤维加热材料、加热均匀、加热材料的热转换效率高和节能的特点。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：在叶片制作模具上涂布模内胶衣后，直接先铺设纤维加热材料层，再铺设制作叶片蒙皮的纤维母材层，使得纤维加热材料层位于蒙皮纤维母材层的最外层；或者在叶片制作模具上涂布模内胶衣后，先铺设制作叶片蒙皮的纤维母材层，然后铺设纤维加热材料层，最后铺设叶片蒙皮的纤维母材层，使得纤维加热材料层作为夹层位于蒙皮纤维母材层的中间层；或者在叶片制作模具上涂布模内胶衣后，先铺设制作叶片蒙皮的纤维母材层，最后再在蒙皮内表面铺设纤维加热材料层，使得纤维加热材料层位于蒙皮纤维母材层的内表面；在叶片蒙皮外表面以及纤维加热材料层中布置温度传感器，用导电胶将纤维加热材料层的两端分别与导电电极连接，将导电电极与导线相连，将温度传感器的电源线以及信号线、与纤维加热层相连的导线引至叶片蒙皮内表面后引至叶片叶根后，对纤维加热材料层与叶片蒙皮纤维母材层进行真空树脂灌注成型；或者在温度传感器、纤维加热材料层与叶片蒙皮纤维母材层一道灌注成型后，将温度传感器的电源线以及信号线、与纤维加热层相连的导线沿叶片内壁引至叶片根部；将与纤维加热材料层相连的导线与纤维加热电源相连，温度传感器的电源线与其电源相连，温度传感器的输出信号线与温度控制器相连，温度控制器与给纤维加热材料层供电的纤维加热电源相连，控制纤维加热电源的输出功率；采用风机变桨系统或者偏航系统的备用电力或者风机本身的出力作为动力电源，纤维加热电源通过金属滑环、与金属滑环接触并在其表面滑动的碳刷与动力电源连接获取电力；温度控制器以及纤维加热电源均固定在与叶根法兰连接的固定支架上，或者固定在风机轮毂内部。

所述纤维加热材料包括所有导电纤维材料如连续碳素纤维，以及基于导电纤维材料所制成的不同形状的但具有加热功能的材料，如碳晶等。优先采用连续碳素纤维布。

含纤维加热材料层的大型风力发电组合叶片防冰系统的制作方法为：

在叶片制作模具上涂布模内胶衣后，直接先铺设纤维加热材料层，再铺设制作叶片蒙皮的纤维母材层，使得纤维加热材料层位于蒙皮纤维母材层的最外层；或者在叶片制作模具上涂布模内胶衣后，先铺设制作叶片蒙皮的纤维母材层，再铺设纤维加热材料层，再铺设叶片蒙皮的纤维母材层，使得纤维加热材料层作为夹层位于蒙皮纤维母材层的中间层；抑或，在叶片制作模具上涂布模内胶衣后，先铺设制作叶片蒙皮的纤维母材层，再在蒙皮内表面铺设纤维加热材料层，使得纤维加热材料层位于蒙皮纤维母材的内表面。优选先铺设纤维加热材料层再铺设叶片蒙皮纤维母材层的方法，使得纤维加热材料层位于叶片蒙皮的最外层，纤维发热材料层产生的热量直接作用于叶片的表面，热量利用率高，除冰和防冰效果好。在蒙皮表面以及纤维加热材料层中布置温度传感器，用导电胶将纤维加热材料层的两端分别与导电电极连接，导电电极再与导线相连，将温度传感器的电源线以及信号线、与纤维加热层相连的导线引至叶片蒙皮内表面后引至叶根，然后，对纤维加热材料层与叶片蒙皮纤维母材层进行真空树脂灌注成型，温度传感器的电源线以及信号线以及与纤维加热层相连的导线也可以在温度传感器、纤维加热材料层与叶片蒙皮纤维母材层一道灌注成型后，沿叶片内壁引至叶片根部。与纤维加热材料层相连的导线再与纤维加热电源相连，温度传感器的电源线与其电源相连，温度传感器的输出信号线与温度控制器相连。温度控制器与给纤维加热材料层供电的纤维加热电源相连，控制纤维加热电源的输出功率。采用风机变桨系统或者偏航系统的备用电力或者风机本身的出力作为动力电源，纤维加热电源通过金属滑环、与金属滑环接触并在其表面滑动的碳刷与动力电源连接获取电力。温度控制器以及纤维加热电源均固定在与叶根法兰连接的固定支架上，或者固定在风机轮毂内部。

本发明的防冰与除冰过程如下：首先，纤维加热电源向与其连接的纤维加热材料层供电，纤维加热材料层发热并直接给叶片蒙皮加热；其次，利用预埋入叶片的温度传感器测量叶片蒙皮表面以及纤维加热层的温度，并将温度信号输入温度控制器；再次，温度控制器根据叶片蒙皮表面以及纤维加热层的测量温度，发出控制信号，控制纤维加热电源的输出功率，进而对纤维加热材料层的发热功率进行控制，保持叶片蒙皮表面温度在冰点以上，防止叶片蒙皮表面结冰。在叶片表面已经结冰的情况下，先通过对纤维加热材料层通电发热对叶片蒙皮加热，蒙皮直接对其表面的覆冰进行加热而使覆冰融化，蒙皮表面融冰完成后，再通过以上方法保证叶片蒙皮表面温度在冰点以上，防止结冰的再次发生。从而实现大型风力发电设备在低温高湿结冰环境下正常运行发电。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明实现了在低温高湿结冰环境下的大型风力发电叶片的防冰和除冰，避免因叶片表面结冰导致的发电效率降低以及风力发电机停机而产生的发电损失，本发明具有重要的经济和社会效益；本发明采用的纤维加热材料质量非常轻，铺设纤维加热材料层到原有叶片纤维母材层中对原有叶片的质量影响十分小；纤维加热材料层直接铺设于叶片蒙皮外表面或者纤维母材层中靠近外表面的位置，抑或纤维母材层的内表面位置，优选铺设于叶片蒙皮外表面或者纤维母材层中靠近外表面的位置，纤维加热材料产生的热量直接作用于叶片蒙皮表面，不需要通过对叶片从内到外的整体加热而达到使叶片表面升温而融冰和防冰的目的，而且叶片纤维母材灌注成型后是热的不良导体，还会起到防止热量散发的作用，本发明的热量利用率高；纤维加热材料层与大型风力发电叶片的纤维母材层（目前主要是玻璃纤维）具有很好的相容性，与原叶片母材纤维材料层一起成型，具有不改变原有叶片的几何外形，不影响原有叶片的气动特性的优点；作为纤维加热材料的代表之一的碳纤维材料的电热转换效率很高，一般高于95%，几乎可以全部将电能转换成热能，本发明具有显著的节能效果；纤维加热材料层对叶片表面进行均匀加热，避免了传统电阻丝加热方式所导致的温度梯度过大和局部温度过高而导致叶片纤维母材的材性的加速劣化以及由此造成的使用寿命缩短等负面影响；本发明不需要在叶片腔体内增设空气循环通道，也无需抽风和鼓风设备，不需要对原有叶片设计和施工工艺进行任何改变，方法简便，具有明显的经济效益；所用纤维加热材料可以根据需要设计，覆盖叶片整体和部分区域，纤维加热材料还可以裁剪成条状进行灵活布置；本发明通过对纤维加热材料层的电阻的优化设计和温度控制实现叶片蒙皮温度的合理分布彻底防冰和除冰；避免了所有颤抖的方法由于对叶片加速又减速对风机机械系统以及塔筒造成的损害；不需要增设除冰剂输送泵和输送管，经济性好，此外，不使用除冰剂，避免了除冰剂对环境的不利影响；有效地保证了风机在低温高湿结冰环境下的连续运行，具有重要的经济和社会效益。

附图说明

图1为本发明一实施例大型风力发电组合叶片的剖视图；

图2为本发明一实施例纤维加热材料层位于蒙皮外表面的铺层剖面示意图；

图3为本发明一实施例纤维加热材料层位于叶片纤维母材层中间层的铺层剖面示意图；

图4为本发明一实施例纤维加热材料层位于叶片纤维母材层内表面的铺层剖面示意图；

图 5 叶片叶根部侧视图以及温度控制器和纤维加热电源安装位置示意图

图6 金属滑环、碳刷与动力电源以及纤维加热电源的接线示意图

图7为本发明一实施例基于纤维加热材料的组合叶片纤维加热材料、电极、纤维加热电源以及控制器的连接示意图；

图8为本发明一实施例纤维加热材料层连续铺设示意图；

图9为本发明一实施例带状纤维加热材料层分区带状铺设示意图；

图10为本发明一实施例温度控制流程图；

图11为本发明一实施例基于纤维加热材料的组合叶片模型平面图；

图12为本发明一实施例基于纤维加热材料的组合叶片模型剖视图；

图13为本发明一实施例叶片在低温环境下通过纤维加热材料加热叶片温度从零下10度上升的实测结果示意图；

图14为本发明一实施例基于纤维加热材料的组合叶片在低温结冰环境下，通过纤维加热材料加热叶片融冰过程温度上升的实测结果示意图；

其中：

1：纤维母材层；2：纤维加热材料层；3：导电电极；4：导线；5：纤维加热电源；6：温度传感器；7：温度控制器；8：蒙皮；9：梁帽；10：腹板；11：叶片内腔；12：涂层；13：叶尖；14：叶根；15：叶片前缘；16：叶片后缘；17： PVC格栅；18：环氧树脂骨架；19： 叶根连接法兰； 20： 叶片连接螺栓； 21:温度传感器信号线； 22 控制信号线； 23：固定支架； 24：绝缘材料； 25：金属空心连接轴； 26：键槽；27：风机主轴；28：金属滑环； 29： 碳刷； 30： 动力电源。

具体实施方式

如图1-图9所示，本发明一实施例包括组合叶片本体，所述组合叶片本体上设有由叶片蒙皮纤维母材层1制成的蒙皮8，所述蒙皮8上铺设有纤维加热材料层2；或者所述纤维加热材料层2作为夹层设在所述纤维母材层1的中间层；或者所述纤维加热材料层2设在所述纤维母材层1的内表面；所述蒙皮8上铺设有涂层12；所述纤维加热材料层2两端分别连接有一个导电电极3，导电电极3通过导线4连接有纤维加热电源5；所述蒙皮8表面以及所述蒙皮8的纤维材料层2上设有温度传感器6，所述温度传感器6连接有温度控制器7。温度控制器7与给纤维加热材料供电的纤维加热电源5相连，控制纤维加热电源5的输出功率；纤维加热电源5通过金属滑环28、与金属滑环28接触并在其表面滑动的碳刷29与动力电源30连接获取电力，可以采用风机变桨系统或者偏航系统的备用电力或者风机本身的出力作为动力电源30；温度控制器7以及纤维加热电源5均固定在与叶根法兰连接的固定支架上，或者固定在风机轮毂内部。

图9所示为本发明一实施例温度控制流程图。所述蒙皮8表面以及所述蒙皮8的纤维材料层2上设有的温度传感器6的输出信号直接输入给温度控制器7。当叶片表面温度低于设定控制温度范围时，纤维加热电源5保持给纤维加热层通电加热，当叶片表面温度达到设定的温度控制上限时，停止通电加热。当叶片温度由于散热下降到设定温度控制范围以下时，又开始通电加热。

图10所示为一实施例的叶片的尺寸平面图，其中布置了连续碳纤维材料布。图11所示为含碳纤维加热材料的叶片模型剖面示意图，蒙皮上下两层为玻璃纤维三向布，单层厚度0.54mm，中间采用硬质PVC格栅，含环氧树脂骨架。碳纤维加热材料布沿模型叶片长度方向顺纹铺设，两端用铜片做电极，叶尖部位电极由导线导出，导线铺设在硬质PVC层中引至叶片根部。分别将模型叶片放置于低温高湿环境中，在叶片表面结冰和不结冰两种条件下，分别通过纤维加热电源给叶片通电加热，记录叶片表面温度的变化过程。

图12为本发明一种实施例所述叶片在低温环境下通过纤维加热材料加热叶片温度从零下10度上升的实测结果。图13为本发明一种实施例所述带碳纤维组合叶片在低温结冰环境下，通过纤维加热材料加热叶片融冰过程温度上升的实测结果。从叶片表面的温度变化可以看出通过本发明所述方法可以实现叶片表面温度的上升，也可以实现叶片表面覆冰的融冰后叶片表面温度的上升。

本发明所述大型风力叶片防冰和除冰方法的技术原理：在叶片中铺设纤维加热材料和温度传感器，当温度传感器测量叶片表面温度接近冰点或者低于设定控制温度范围时，通过温度控制器发出控制指令，对纤维加热材料通电，纤维加热材料直接对叶片加热，使得叶片温度保持在不结冰的温度范围或者设定温度控制范围内，温度控制范围优选取零上3度至10度。当叶片已经由于结冰而处于停止状态时，首先通过对纤维加热材料层通电加热进行融冰，然后把叶片温度控制在不结冰范围内，保证叶片在低温高湿结冰环境下正常运转，风力发电机正常发电。

本发明系统的制作过程及除冰过程如下：

1、在叶片的蒙皮灌注树脂前在其纤维母材内部靠近外表面处预先铺设纤维加热材料层或者直接在叶片的最外表面或者内表面铺设纤维加热材料层，并在蒙皮外表面预埋温度传感器，纤维加热材料层与叶片纤维母材层一起真空灌注养护成型；

2、将纤维加热材料层的两端与纤维加热电源相连并通电，纤维加热材料层发热并直接给叶片蒙皮加热；

3、利用温度传感器测量叶片表面温度，并将测量信号输入温度控制器，温度控制器根据叶片测量温度，发出控制信号，控制纤维加热电源输出功率，进而对纤维加热材料层的发热功率进行控制；

4、通过对纤维加热材料层通电所产生的热量对叶片进行加热，保持叶片温度在不结冰的范围内，防止叶片结冰，并保持叶片表明温度在一定的温度范围之内。在叶片已经结冰的情况下，先通过对叶片中的纤维加热材料层通电加热进行融冰，然后再利用上述方法防冰。 

Claims (3)

1.一种基于纤维加热材料的大型风力发电组合叶片防冰与除冰系统的制作方法，所述系统包括组合叶片本体，所述组合叶片本体上设有由纤维母材层（1）制成的蒙皮（8），所述蒙皮（8）外表面、中间层或者内表面铺设有纤维加热材料层（2）；所述蒙皮（8）上铺设有涂层（12）；所述纤维加热材料层（2）两端分别连接有一个导电电极（3），所述导电电极（3）通过导线（4）连接有纤维加热电源（5）；所述蒙皮（8）外表面以及所述纤维加热材料层（2）上设有温度传感器（6），所述温度传感器（6）通过信号线连接有温度控制器（7）；其特征在于，该方法为，在叶片制作模具上涂布模内胶衣后，直接先铺设纤维加热材料层（2），再铺设制作叶片蒙皮的纤维母材层（1），使得纤维加热材料层（2）位于蒙皮纤维母材层（1）的最外层；或者在叶片制作模具上涂布模内胶衣后，先铺设制作叶片蒙皮的纤维母材层（1），然后铺设纤维加热材料层（2），最后铺设叶片蒙皮的纤维母材层（1），使得纤维加热材料层（2）作为夹层位于蒙皮纤维母材层（1）的中间层；或者在叶片制作模具上涂布模内胶衣后，先铺设制作叶片蒙皮的纤维母材层（1），最后再在蒙皮内表面铺设纤维加热材料层（2），使得纤维加热材料层（2）位于蒙皮纤维母材层（1）的内表面；将与纤维加热材料层（2）相连的导线（4）与纤维加热电源（5）相连，纤维加热材料层（2）上固定的温度传感器（6）的电源线与其电源相连，温度传感器（6）的输出信号线与温度控制器（7）相连，温度控制器（7）与给纤维加热材料供电的纤维加热电源（5）相连，控制纤维加热电源（5）的输出功率；采用风机变桨系统或者偏航系统的备用电力或者风机本身的出力作为动力电源（30），纤维加热电源（5）通过金属滑环（28）、与金属滑环（28）接触并在其表面滑动的碳刷（29）、动力电源（30）连接获取电力；所述碳刷（29）与动力电源（30）连接；温度控制器（7）以及纤维加热电源（5）均固定在与叶根法兰连接的固定支架上，或者固定在风机轮毂内部。

2.根据权利要求1所述的基于纤维加热材料的大型风力发电组合叶片防冰与除冰系统的制作方法, 其特征在于，所述温度传感器（6）的电源线、输出信号线、纤维发热材料层（2）的导线与所述纤维发热材料层（2）、纤维母材（1）一道成型后引至叶根，或者所述温度传感器（6）的电源线、输出信号线、纤维发热材料层（2）的导线在所述纤维发热材料层（2）以及叶片蒙皮纤维母材（1）一道成型后沿叶片内表面引至叶根部位。

3.根据权利要求1所述的基于纤维加热材料的大型风力发电组合叶片防冰与除冰系统的制作方法, 其特征在于，所述纤维加热材料层（2）采用碳纤维布以及碳晶材料。

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