CN103291560A - 一种碳晶防冰的方法和采用该方法的风力发电机防冰系统 - Google Patents
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Abstract
一种碳晶防冰的方法和采用该方法的风力发电机防冰系统，将纳米级的可导电的碳晶印刷在载体面上，通过固化、热压工艺制成较薄的具有两个电极的碳晶电热板，设置为叶片组成层的一个层面，作为加热层，加热层分成多个加热区域，每个加热区域设置有温度在线监测，由加热控制柜中对应区域的功率单元进行温升控制，保持加热区域的表面温度大于0摄氏度且接近0摄氏度，防冰控制系统对各加热区域控制为同时或交替工作模式，在线自动防冰或融冰，本发明采用碳晶电热板作为防冰叶片的电加热材料，制造工艺简单、加热均匀及可控，表面采用温度在线监测闭环控制方式，防冰运行稳定、安全、节能。
Description
技术领域
本发明涉及一种防止室外设备表面结冰的方法，尤其涉及一种风力发电机采用碳晶加热材料进行电加热防冰或融冰的方法和采用该方法的风力发电机的防冰系统，属于风力发电设备技术领域。
背景技术
2012年冬季，在我国，如南方的一些风电场因风机叶片结冰停运2个多月，造成严重的发电损失；在国外，如俄罗斯、瑞典、加拿大等国家的北部地区，部分风电场因为风机叶片结冰，每年停运长达3个月，一些风场叶片结冰过厚，出现风机倒塌事故；风机叶片结冰是当前迫切需要解决的世界性难题，既影响了现有风力发电机出力，又限制了严寒地区一些优质风资源的开发利用，成为阻碍风电行业发展的技术瓶颈。
中国发明专利申请公开说明书CN 102878036 A公开了一种具有电热融冰装置的风力发电机转子叶片，采用电热融冰装置贴附在叶片的表面、内表面以及夹层中，风机叶片的材料一般为不良热导的复合材料，其融冰装置包括保温层、电热元件和绝缘层，电热元件包括锌白铜低温软丝或镍铬合金电热丝或铬铝合金电热丝的电热芯片，电热丝通电后属于体发热，发热集中在内芯，易造成叶片内部或表面局部过热，造成部分能源浪费，加热过程中没有温度在线监测，属于开环控制方式，叶片局部高温存在着火的隐患，同时该专利描述的电热融冰装置的厚度为2mm-4mm，绝缘散热层为PVC工程塑料，贴附在叶片的表面易发生脱落，贴附在叶片的内表面和夹层中会降低叶片的结构力；叶片在一般冰冻环境条件下，运转状态时防冰或融冰需要消耗的功率较大，而该发明描述设置的最大功率才为400W/m2，，叶片在旋转发电过程中，叶片融冰以对流热损失为主，叶尖对流热损失最大，要维持靠近叶尖位置的表面温度大于0摄氏度而不结冰，需要提供的能耗超过1000W/m2，可见本专利脱离了实际，较难实现其在线融冰的效果。
中国实用新型专利 201220245659.X公开了一种风机叶片自动防冰除冰装置，采用在叶片表面涂覆导电涂料或覆设导电膜，在使用过程中受热易发生脱落且不便于分区控制，同时该专利描述采用红外测温元件动态中测量叶片背风面和迎风面的某一位置的表面温度，不能代表整个叶片的温度情况，同时该红外测温元件处在外界冰冻环境中易损坏，测量误差大、可靠性低，难以实现其风机叶片防冰的目的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种采用碳晶电热板作为叶片加热材料及其加热控制方案，使风力发电机叶片在运转中升温进行防冰的方法，实现风力发电机在线自动防冰，表面加热均匀、可控、效率高。
本发明另一个要解决的技术问题是提供一种具有简单结构、可靠、稳定、经济的风力发电机的防冰系统，该系统采用碳晶电热板作为叶片防冰的加热材料，叶片的制造工艺简单、防冰加热均匀且不影响叶片的结构强度，采用温度在线监测的闭环控制方式，系统实现自动防冰或融冰。
本发明要解决的技术问题通过下述技术方案予以实现：
对于本发明的一种碳晶防冰的方法来说，将纳米级的可导电的碳晶印刷在载体面上，通过固化、热压工艺制成较薄的具有两个电极的碳晶电热板，设置为叶片组成层的一个层面，作为加热层，在风机叶片制造过程中，根据运转中风机叶片不同半径位置线速度的不同设置不同功率的碳晶电热板，该加热层设置为叶片的表层或次表层，加热层至少分成一个加热区域，每个加热区域的碳晶电热板采用并联或者串联或者串并组合接线方式与加热控制柜中对应区域的功率单元的电源输出端连接，在贴近碳晶电热板和加热区域表面设有温度传感器，通过树脂真空灌注工艺将碳晶电热板、温度传感器和其它组成层在叶片模具内浇铸为一整体，每个加热区域的温度传感器与加热控制柜中对应区域的信号输入端相连，检测环境温度、湿度、风速的测定仪与加热控制柜信号采集输入端相连，加热控制柜中PLC或单片机根据预先设置的模型综合分析环境温度、湿度、风速信号来判断和控制防冰控制系统的启停，防冰控制系统启动后，PLC或单片机依据监测各加热区域的温度信号控制对应区域的功率单元来调整对应区域碳晶电热板的加热功率，防冰控制系统对各加热区域控制为同时或交替工作方式，进行自动防冰或融冰。
对于本发明的采用上述方法的风力发电机防冰系统来说，包括防冰叶片和防冰控制系统，所述防冰控制系统包括电源开关、轮毂滑环、加热控制柜，所述加热控制柜主要包括多个功率单元和PLC或单片机，PLC或单片机对其内部多个功率单元进行控制，所述防冰叶片包括外蒙皮、芯材、内蒙皮，所述内蒙皮所包裹的腔室内设有与内蒙皮粘接的腹板，内蒙皮外层为芯材, 所述芯材的外层为外蒙皮，外蒙皮的表层或次表层设置为碳晶电热板，构成加热层, 在所述加热层中至少分成两个加热区域，加热区域的碳晶电热板的功率根据所处半径位置防冰所需最大功率进行设置，每个加热区域的碳晶电热板采用并联或者串联或者串并组合接线方式与对应该区域的功率单元的电源输出端连接，碳晶的表面、加热区域的表面和非加热区域的表面设置有温度传感器，每个加热区域的温度传感器与对应该区域的功率单元的信号输入端相连，检测环境温度、湿度、风速的传感器与加热控制柜中PLC或单片机的信号采集端连接，PLC或单片机根据预先设置的模型综合分析环境温度、湿度、风速的信号来判断和控制防冰控制系统的启停， PLC或单片机分析各加热区域采集的温度信号，控制对应区域的功率单元，及时调整碳晶电热板的加热功率，保持加热区域的表面温度大于0摄氏度且接近0摄氏度，PLC或单片机可对各加热区域控制为同时或交替工作方式，进行自动防冰或融冰，使防冰或融冰的能耗降到最低。
在本发明中，加热层的碳晶电热板的功率是根据风机叶片在使用风场冬季结冰环境的条件下，风机额定转速发电时保持叶片表面温度大于0摄氏度的加热功率进行设置，为叶片不同表面位置在各种低温气候条件下运转时提供热量，保持叶片表面温度大于且接近0摄氏度的热平衡，碳晶电热板的功率在400W/m2～4000W/m2范围之内。
在本发明中，叶片的外蒙皮的表层或次表层全部或部分为碳晶电热板，构成加热层，在结冰并不严重的风场中，在叶片结冰重点区域的表层或次表层设为碳晶电热板，构成加热层，降低产品生产成本，同样能达到理想防冰效果。
在本发明中，所述碳晶电热板设有孔或槽，孔的直范围为1mm～10mm，或槽宽度范围为1mm～10mm，通过打孔或开槽的方式来调整碳晶电热板的功率，同时碳晶电热板上的孔或槽有利于叶片生产时树脂真空灌注时树脂灌注充盈、到位。
在本发明中，碳晶电热板包括载体面和粘附在载体上的碳晶，载体面采用与叶片外蒙皮材料相同体系的互融合的材料制成，便于与其它各层融合为一整体，碳晶为纯电阻特性的加热材料，也便于印刷成不同功率的碳晶电热板，碳晶电热板为面发热，温升迅速且均匀，热抗老化能力强，电热转换效率高达98%，克服了线状导体热源发热集中、加热不均匀、表面温升控制复杂的难题。
在本发明中，碳晶电热板的厚度范围为0.2 mm～1 mm，便于碳晶电热板在叶片生产过程中的工艺布置。
在本发明中，叶片的表面涂有涂料，涂料具有防腐、防磨、抗紫外线的作用。
综上所述，本发明具有结构简单，防冰效果好、能耗低，实现了风力发电机在运转发电过程中在线自动防冰或融冰。
附图说明
图1为 本发明的一种防冰控制系统的原理框图。
图2为 本发明的实施案例中的一种防冰叶片的截面示意图。
图3为 本图2中A处的层状结构示意图。
图4为 本发明的一种防冰叶片次表层设置为加热层的结构示意图。
图5为 本发明的一种防冰叶片表面全部设置为加热层且分为七个加热区域的结构示意图。
图6为 本发明的一种碳晶电热板的结构示意图。
图7为 本发明的一种碳晶电热板的截面示意图。
附图1-7中：1—外蒙皮、2—芯材、3—内蒙皮、4—涂料、5—加热层、6—叶尖、7—叶根、8—后缘、9—前缘、10—电极、11—槽、12—载体面、13—碳晶、14—腹板、15—腔室、16—温度传感器。
具体实施方式
下面结合附图，来详细说明一种碳晶防冰的方法和采用该方法的风力发电机防冰系统的具体实施方式。
如图1至7所示，一种碳晶防冰的方法，将纳米级的可导电的碳晶13印刷在载体面12上，通过固化、热压工艺制成较薄的具有两个铜条或者表面镀银电极10的碳晶电热板，采用碳晶电热板设置为叶片组成层的一个层面，作为加热层5，在风机叶片制造过程中，根据运转中风机叶片不同半径位置线速度的不同设置不同功率的碳晶电热板，加热层5设置为叶片的表层或次表层，从叶片的叶根7至叶尖6的位置方向的线速度增加，对流的热损失变大，防冰需要的单位面积功率也变大，同样在叶片的后缘8至前缘9位置方向对流热损失也不相同，综合考虑这两方向的对流热损失差异合理布置合适功率的碳晶电热板，形成防冰叶片的加热层5，加热层5分成多个加热区域，每个加热区域的碳晶电热板采用并联或者串联或者串并组合接线方式与加热控制柜中对应区域的功率单元的电源输出端连接，在贴近碳晶电热板和加热区域表面设有温度传感器16，通过树脂真空灌注工艺将碳晶电热板、温度传感器和其它组成层在叶片模具内浇铸为一整体，每个加热区域的温度传感器与加热控制柜中对应区域的信号输入端相连，检测环境温度、湿度、风速的测定仪与加热控制柜信号采集输入端相连，加热控制柜中PLC或单片机根据预先设置的模型综合分析环境温度、湿度、风速信号来判断和控制防冰控制系统的启停，防冰控制系统启动后，电能通过电源开关输送到轮毂滑环，再输送到加热控制柜，PLC或单片机依据监测各加热区域的温度信号控制对应区域的功率单元来调整对应区域碳晶电热板的加热功率，防冰控制系统对各加热区域控制为同时或交替工作方式，进行自动防冰或融冰。
本发明中，采用碳晶防冰方法的风力发电机防冰系统，包括防冰叶片和防冰控制系统，所述防冰控制系统包括电源开关、轮毂滑环、加热控制柜，所述加热控制柜主要包括多个功率单元和PLC或单片机，PLC或单片机对多个功率单元进行控制，所述防冰叶片包括外蒙皮1、芯材2、内蒙皮3，所述内蒙皮3所包裹的腔室15内设有与内蒙皮粘接的腹板14，内蒙皮外层为芯材2, 所述芯材的外层为外蒙皮1，外蒙皮的表层或次表层设置为碳晶电热板，构成加热层,实施案例图5在所述加热层5中分成七个加热区域，加热区域的碳晶电热板的功率根据所处半径位置防冰所需最大功率进行设置，每个加热区域的碳晶电热板采用并联或者串联或者串并组合接线方式与对应该区域的功率单元的电源输出端连接，碳晶13的表面、加热区域的表面和非加热区域的表面设置有温度传感器16，每个加热区域的温度传感器与对应该区域的功率单元的信号输入端相连，为提高温度测量的准确度和可靠性，在相同加热区域预埋多个相同作用的温度传感器16，进行测量值的比较分析或取测量平均值，检测环境温度、湿度、风速的传感器与加热控制柜中PLC或单片机的信号采集端连接，PLC或单片机根据预先设置的模型综合分析环境温度、湿度、风速的信号来判断和控制防冰控制系统的启停， PLC或单片机分析各加热区域采集的温度信号，控制对应区域的功率单元及时调整碳晶电热板的加热功率，保持加热区域的表面温度大于0摄氏度且接近0摄氏度，PLC或单片机可对各加热区域控制为同时或交替工作方式，使防冰或融冰的能耗降到最低，PLC或单片机将系统运行信息反馈到风机主控系统，便于运行人员集中监视风力发电机防冰系统的运行状况，同时运行人员可以通过风机主控系统来对防冰控制系统进行设置或操作。
本发明中，加热层的碳晶电热板的功率是根据风机叶片在使用风场冬季结冰环境的条件下，风机额定转速发电时保持叶片表面温度大于0摄氏度的加热功率进行设置，为叶片不同表面位置在各种低温气候条件下运转时提供热量，保持叶片表面温度大于且接近0摄氏度的热平衡，根据叶片防冰模拟计算和实验测试分析，使用的碳晶电热板的功率在400W/m2～4000W/m2范围之内。
本发明中，图4采用在叶片外蒙皮的次表层全部设为碳晶电热板，构成加热层5，同时还可以根据风力发电机使用风场的气候条件，选择采用表层全部设为碳晶电热板或表层部分设为碳晶电热板或次表层部分设为碳晶电热板，构成加热层5，在结冰并不严重的风电场中，在叶片外蒙皮的重点区域的表层或次表层设为碳晶电热板构成加热层，降低产品生产成本，同样能达到理想防冰效果。
本发明中，如图6，一种实施案例中，碳晶电热板设有槽11，槽的宽度范围为1～10mm，通过开槽的槽宽和槽间距的改变来调整碳晶电热板的功率，同时碳晶电热板上的槽有利于叶片生产时树脂真空灌注时树脂灌注充盈、到位，简化了防冰叶片的生产工艺。
本发明中，碳晶电热板包括载体面12和粘附在载体上的碳晶13，载体面采用与叶片外蒙皮材料相同体系的互融合的材料制成，便于与其它各层融合为一整体，碳晶为纯电阻特性的加热材料，也便于印刷成不同功率的碳晶电热板，碳晶电热板为面发热，温升迅速且均匀，热抗老化能力强，克服了线状导体热源热量集中、加热不均匀、表面温升控制复杂的难题。
本发明中，碳晶电热板的厚度范围为0.2 mm～1 mm，便于碳晶电热板在叶片生产过程中的工艺布置。
本发明中，叶片的表层涂有涂料4，涂料具有防腐、防磨、抗紫外线的作用。
本发明的优点：防冰控制系统结构简单，采用温度在线监测闭环控制方式，防冰运行稳定、安全，采用碳晶加热材料在叶片的表层或次表层设为加热层，叶片生产工艺简单，防冰加热均匀且可控、能耗小，实现了风力发电机在运转发电过程中在线自动防冰或融冰。
Claims (8)
1.一种碳晶防冰的方法，将纳米级的可导电的碳晶（13）印刷在载体面（12）上，通过固化、热压工艺制成较薄的具有两个电极（10）的碳晶电热板，设置为叶片组成层的一个层面，作为加热层（5），其特征在于：在风机叶片制造过程中，根据运转中风机叶片不同半径位置线速度的不同设置不同功率的碳晶电热板，铺设在叶片的表层或次表层，形成加热层（5），加热层（5）至少分成一个加热区域，每个加热区域的碳晶电热板采用并联或者串联或者串并组合接线方式与加热控制柜中对应区域的功率单元的电源输出端连接，在贴近碳晶电热板和加热区域表面设有温度传感器（16），通过树脂真空灌注工艺将碳晶电热板、温度传感器和其它组成层在叶片模具内浇铸为一整体，每个加热区域的温度传感器与加热控制柜中对应区域的信号输入端相连，检测环境温度、湿度、风速的测定仪与加热控制柜信号采集输入端相连，加热控制柜中PLC或单片机根据预先设置的模型综合分析环境温度、湿度、风速信号来判断和控制防冰控制系统的启停，防冰控制系统启动后，PLC或单片机依据监测各加热区域的温度信号控制对应区域的功率单元来调整对应区域碳晶电热板的加热功率，防冰控制系统对各加热区域控制为同时或交替工作方式，进行自动防冰或融冰。
2.一种采用权利要求1所述的一种碳晶防冰方法的风力发电机防冰系统，包括防冰叶片和防冰控制系统，所述防冰控制系统包括电源开关、轮毂滑环、加热控制柜，所述加热控制柜主要包括多个功率单元和PLC或单片机，PLC或单片机对多个功率单元进行控制，所述防冰叶片包括外蒙皮(1)、芯材(2)、内蒙皮（3），所述内蒙皮（3）内表面所包裹为腔室(15)，腔室内设有与内蒙皮粘接的腹板(14)，内蒙皮外层为芯材(2), 所述芯材(2)的外层为外蒙皮(1), 其特征在于：外蒙皮(1)的表层或次表层设置为碳晶电热板，构成加热层(5), 在所述加热层(5)中至少分成两个加热区域，加热区域的碳晶电热板的功率根据所处半径位置防冰所需最大功率进行设置，每个加热区域的碳晶电热板采用并联或者串联或者串并组合接线方式与对应该区域的功率单元的电源输出端连接，碳晶（13）的表面、加热区域的表面和非加热区域的表面设置有温度传感器（16），每个加热区域的温度传感器与对应该区域的功率单元的信号输入端相连，检测环境温度、湿度、风速的传感器与加热控制柜中PLC或单片机的信号采集端连接，PLC或单片机根据预先设置的模型综合分析环境温度、湿度、风速的信号来判断和控制防冰控制系统的启停， PLC或单片机分析各加热区域采集的温度信号，控制对应区域的功率单元及时调整碳晶电热板的加热功率，保持加热区域的表面温度大于0摄氏度且接近0摄氏度，PLC或单片机可对各加热区域控制为同时或交替工作方式，进行自动防冰或融冰。
3.根据权利要求2所述的防冰叶片，其特征在于：加热层的碳晶电热板的功率设置是根据风机叶片在冬季结冰工况下额定转速下保持叶片表面温度大于0摄氏度的加热功率进行设置，碳晶电热板的功率在400W/m2～4000W/m2范围内。
4.根据权利要求3所述的防冰叶片，其特征在于：叶片的外蒙皮(1)的表层或次表层全部或部分为碳晶电热板构成加热层(5)。
5.根据权利要求4所述的防冰叶片，其特征在于：所述碳晶电热板设有孔或槽，孔的直范围为1mm～10mm，或槽（11）宽度范围为1～10mm。
6.根据权利要求5所述的防冰叶片，其特征在于：碳晶电热板包括载体面（12）和粘附在载体上的碳晶（13），载体面采用与叶片外蒙皮材料相同体系的互融合的材料制成。
7.根据权利要求6所述的防冰叶片，其特征在于：碳晶电热板的厚度范围为0.2 mm～1 mm。
8.根据权利要求2所述的防冰叶片，其特征在于：叶片的表面涂有涂料（4）。
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