CN103437949B - 风力发电机叶片、风力发电机以及叶片除冰系统 - Google Patents
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Abstract
提供了一种风力发电机叶片、风力发电机及其除冰系统。所述风力发电机的叶片包括导热元器件，其特征在于，所述叶片的叶尖处设置有叶尖接闪器，导热元器件设置在叶片前缘外层，导热元器件的外层覆盖有雷电传导层，雷电传导层与叶尖接闪器连接并与叶片内腔中的防雷引下线连接。通过所述风力发电机及其除冰系统，不仅可以自动高效地除去叶片表面的冰层，且可以有效防止潜在的雷击风险，安全性和可靠性更高，成本更低。
Description
技术领域
本发明涉及一种风力发电机领域，更具体地讲，涉及一种风力发电机叶片、风力发电机以及风力发电机组的叶片除冰系统。
背景技术
风力发电是目前产业化进展迅速的一种绿色环保的能源产生方式。随着风电的迅速发展，各种环境特殊的风能市场也被开辟出来，比如有些区域冬季温度较低，空气中湿度大，比较容易结冰。叶片结冰后载荷增大，叶片气动性能变差，这些对机组的安全以及功率都有很大的影响，严重时可能会导致风机长时间停机或使叶片受损而减少使用寿命。因此解决叶片结冰的问题，意义重大。
现有技术中已经提出了多种除冰技术。例如，公告号为CN201363233的发明提出了一种防结冰型风力发电机组风轮叶片。该专利采用了在叶片中间或者表面层全面积铺设电阻器来加热的方案，即，将叶片的壳体做成多层结构，由外表面向内，第一层为风机叶片壳体外形面上的一层玻璃钢层，第二层为由电阻器组成的电阻器层，第三层至内腔为玻璃钢层；或者由外表面向内，第一层为装置在叶片表层的电阻器所组成的电阻器层，第二层至内腔为玻璃钢层。电阻器与玻璃钢之间采用树脂粘接剂将两者粘为一体。当叶片在低温且湿度较大的环境中运行或静止时，对电阻器接通电源，使电阻器发热，热量通过与玻璃钢层之间产生热传递来提高叶片表面的温度，从而解决结冰问题。
公告号为CN102003353B专利提出了一种大型风力发电机叶片除冰方法。该专利的除冰方法采用结冰探测器采集叶片上的结冰信号，根据结冰程度来启动空气加热系统进行除冰；同时，叶片表面上还设置有液态水含量探测器，液态水生成速率大于零时，启动变浆和偏航系统，使叶片振颤并抖掉熔化的冰层。
上述除冰方式虽然都在一定程度上实现了除冰目的，但是都不同程度地存在问题。对于公告号为CN201363233的专利，当电阻器布置在叶片的表面上时，雷击风险非常大；当电阻器布置在中间层时，由于玻璃钢的导热率很低，热量传达到叶片表面需要的能耗很大；并且，整个叶片加热过程无法控制，会导致未结冰时而加热的错误操作以及加热如何停止的失控等问题。对于公告号为CN102003353B的专利，除冰方式是通过对叶片内腔输送热空气来提高叶片表面温度，同样存在玻璃钢导热效率低而从叶片空腔内部向外部传热的速度慢，除冰效果不理想的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种风力发电机叶片、风力发电机以及叶片除冰系统，不仅可以自动高效地除去叶片表面的冰层，且可以有效防止潜在的雷击风险，安全性和可靠性更高，成本更低。
根据本发明的一方面，提供了一种风力发电机叶片，所述叶片包括导热元器件，导热元器件设置在叶片前缘外层，所述叶片的叶尖处设置有叶尖接闪器，导热元器件的外层覆盖有雷电传导层，雷电传导层与叶尖接闪器连接并与叶片内腔中的防雷引下线连接。
所述雷电传导层可为铺设在叶片的外层的铜网。根据本发明的一方面，提供了一种风力发电机，所述风力发电机包括叶片和导热元器件，其特征在于，所述叶片的叶尖处设置有叶尖接闪器，导热元器件设置在叶片前缘外层，导热元器件的外层覆盖有雷电传导层，雷电传导层与叶尖接闪器连接并与叶片内腔中的防雷引下线连接。
其中，所述雷电传导层为铺设在叶片的外层的铜网。
根据本发明的另一方面，提供了一种风力发电机组的叶片除冰系统，其特征在于，所述叶片除冰系统包括：除冰加热系统，所述除冰加热系统包括设置在叶片前缘外层的导热元器件；结冰检测系统，所述结冰检测系统包括设置在机舱罩上的结冰检测器；环境检测系统，所述环境检测系统包括设置在机舱罩上的温度和湿度传感器；机组异常判断系统，所述机组异常判断系统检测风力发电机组是否存在异常运行情况；叶片表面温度传感器，设置在叶片表面上；雷电防护系统，包括设置在叶尖处的叶尖接闪器和铺设在导热元器件外层的雷电传导层；除冰控制系统，所述除冰控制系统接收结冰检测系统、环境检测系统、机组异常判断系统、叶片表面温度传感器的检测结果，根据检测结果控制除冰加热系统是否进行除冰操作以及是否停止除冰操作。
其中，所述雷电传导层外部可设置有玻璃钢加固层。
其中，所述雷电传导层可为铺设在导热元器件外层的铜网，所述铜网与叶片内腔中的防雷引下线连接。
其中，所述雷电防护系统还可包括设置在叶片中部的叶身接闪器。
根据本发明的另一方面，提供了一种叶片除冰方法，所述方法包括如下步骤：机组主控系统从结冰检测系统、环境检测系统、机组异常判断系统接收检测结果；所述机组主控系统根据所接收到的检测结果确定是否执行除冰操作；如果结冰检测系统的检测结果是存在结冰，环境检测系统的检测结果是温度和湿度不符合设定条件，并且机组异常判断系统的检测结果是存在某些异常，则除冰控制系统控制除冰加热系统在风力发电机组停止运行的情况下使导热元器件通入电流；如果结冰检测系统的检测结果是存在结冰，环境检测系统的检测结果是温度和湿度不符合设定条件，而机组异常判断系统的检测结果是不存在异常情况，则除冰控制系统控制除冰加热系统在风力发电机组继续运行的情况下使导热元器件通入电流。
所述方法还可包括如下步骤：在除冰控制系统控制除冰加热系统进行加热除冰的情况下，所述机组主控系统还从叶片表面温度传感器接收检测的温度值，并判断所检测的温度值是否大于预定值；如果所检测的温度大于预定值，则使除冰加热系统停止工作。
附图说明
通过下面结合附图对本发明示例性实施例的详细描述，本领域技术人员将会获得对本发明的全面理解，其中：
图1是根据本发明实施例的风力发电机组叶片除冰系统的示意图；
图2是根据本发明实施例的风力发电机组的防冰叶片结构示意图；
图3是根据本发明实施例的防冰叶片的截面图；
图4是根据本发明实施例的除冰系统的控制结构示意图；
图5是根据本发明实施例的叶片除冰系统的控制操作示意图。
具体实施方式
以下，参照附图来详细说明本发明的实施例。
图1示出了根据本发明实施例的风力发电机组叶片除冰系统的示意图。如图1所示，所述叶片除冰系统包括：机组主控系统100、结冰监测系统110、环境检测系统120、机组异常判断系统130、叶片表面温度检测系统140、除冰控制系统150、除冰加热系统160以及雷电防护系统170。
结冰监测系统110包括设置于机组机舱罩上部的结冰检测器，用于检测叶片以及机组的结冰情况，并将检测结果反馈给除冰控制系统150。
环境检测系统120检测环境中的温度、湿度，使得除冰控制系统根据该地区结冰时的温度湿度要求以及温度湿度检测结果作为机组是否结冰的参考。引入该环境检测系统120，提高了结冰判断的准确度。环境检测系统可包括设置在机组机舱罩上的温度传感器和湿度传感器。
机组异常判断系统130判断机组的运行是否正常。当叶片结冰时，会因为叶片气动外形变化以及叶片冰载增大而导致出现机组功率异常等情况，该判断系统的引入能更准确地判断叶片是否结冰。除冰控制系统可结合结冰监测系统110、环境检测系统120以及机组异常判断系统130的检测结果来判断叶片结冰情况。
叶片表面温度检测系统140可采用温度传感器来检测叶片表面温度，并将温度信号传送到除冰控制系统150，以便除冰控制系统150判断是否需要停止除冰。叶片表面温度传感器可设置在叶片的前缘易结冰的位置，以准确反映该结冰位置处的除冰情况。
除冰控制系统150在机组主控系统100的控制下，根据结冰监测系统110、环境检测系统120和机组异常判断系统130输入的信号判断机组是否已经结冰，以确定是否启动除冰加热系统，以及根据叶片表面温度检测系统140检测的温度来确定是否停止除冰操作。
除冰加热系统160可布置在叶片易结冰的位置，例如叶片前缘。在本发明的实施例中，所述除冰加热系统主要由导热元器件组成，通过对导热元器件的加热，提高叶片前缘温度，从而阻止叶片表面结冰或者达到除去表面冰层的目的。所述导热元器件可以由金属材料制作，也可以是其他材质的导热器件。
雷电防护系统170包括接闪器和雷电传导部分。接闪器可设置在叶片的叶尖处。雷电传导部分位于除冰加热系统160外层，可以设置为网格的形式或其他形状。雷电传导部分将接闪器接收的雷电传导给叶片内腔的防雷引下线，从而将雷电导入风力发电机组的导雷系统。由于雷电传导部分位于除冰加热系统的外层，能够在有效地保护叶片免受雷击破坏的同时保护除冰系统遭受雷击破坏。雷电传导部分可以由导电性能优异的各种材料制成，形状也可以是各种各样的，但是，需要保证叶片的气动外形。在本发明的实施例中，雷电传导部分为布置在导热元器件外层的铜网，当然，雷电传导层的设置方式不限于铜网的形式。
图2示出了根据本发明实施例的风力发电机组的防冰叶片的结构图。图3是根据本发明实施例的防冰叶片的截面图。
如图所示，所述叶片可以是由玻璃钢材料制作而成的具有内腔的壳体。在叶片的前缘等容易结冰的位置，铺设有导热元器件2。所述导热元器件2通过导热元器件电流通道4通入电流进行加热。
在导热元器件2的外层铺设叶身雷电传导层6。如图3所示，所述导热元器件2和雷电传导层6均铺设在叶片外层，从而直接对叶片上的冰层进行加热。导热元器件和雷电传导层可以在制造叶片的过程中，嵌入在叶片的外层中。但是，在实践中，为了加强导热元器件2和雷电传导层6在叶片上的附着力，可以在雷电传导层6的外侧设置一层较薄的玻璃钢层5。
在该叶片的叶尖处，设置有叶尖接闪器1。对于大型风力发电机组，还可以在叶片的中部设置叶身接闪器3。
所述雷电传导层6的铺设位置和面积对应于导热元器件2的位置和面积，以有效保护导热元器件2免受雷击。雷电传导层6连接接闪器和防雷引下线8，从而将雷电有效导入接地端。在现有技术中的叶片结构中，仅在叶片内腔连接防雷引线，该防雷引线不能有效地防止设置在叶片多层结构中的导热元器件受到雷击破坏。然而，在本发明的叶片中，设置在导热元器件2的外层的雷电传导层6能够有效防止导热元器件2受到雷击破坏。所述雷电传导层可以从叶尖处一直延伸铺设到叶根处，因此，叶片内腔中的防雷引下线8的长度大大缩短。
图4示出了根据本发明实施例的除冰系统的控制结构示意图，图5示出了根据本发明实施例的叶片除冰系统的控制方法流程图。
如图5所示，当结冰监测系统110的监测结果是结冰时，用1表示(b＝1)，否则用0表示(b＝0)。当环境检测系统120的检测结果是在该温度湿度下易于结冰时，用1表示(h＝1)，否则用0表示(h＝0)。当机组异常判断系统130判断出存在某些异常时，则用1表示(g＝1)，否则用0表示(g＝0)。当叶片表面温度检测系统140的检测结果是温度高于设定值时，用1表示(w＝1)，否则用0表示(w＝0)。
结冰检测系统110、环境检测系统120、机组异常判断系统130、叶片表面温度检测系统140均将检测结果发送给机组主控系统100，机组主控系统100根据所接收到的结果控制除冰控制系统150，从而控制除冰加热系统160的操作。话句话说，主控系统100根据上述结冰检测系统110、环境检测系统120、机组异常判断系统130、叶片表面温度检测系统140的检测结果来确定是否进行除冰，是停机除冰还是不停机除冰以及何时停止除冰。
具体地，当结冰检测结果为1，环境检测结果也为1，而机组异常检测结果为0时，则控制除冰加热系统进行除冰，而无需使正在运行的风力发电机组停机。如果当结冰检测结果、环境检测结果、机组异常检测结果均为1时，则使风力发电机组停机，在停机的情况下进行除冰操作。
当叶片表面温度检测系统140的检测结果满足一定条件(即，温度高于设定温度值，即，w＝1)时，意味着叶片表面的结冰很少或者已经除去大部分冰块，则机组主控系统100指示除冰加热系统160停止工作。
根据本发明的技术方案，由于叶片结冰的判断采用了结冰检测、环境检测和机组异常判断相结合的方案，提高了判断的准确性，降低了结冰误报的几率。同时，根据结冰检测、环境检测和机组异常判断的不同测试结果采用停机除冰和不停机除冰两种不同的处理方式，降低了机组损坏的风险，提高了运行功率。通过叶片表面温度传感器的测试结果来控制是否停止除冰工作，能够根据叶片表面的除冰情况及时停止导热元器件的加热，降低了能耗。导热元器件设置在叶片的外层，能够直接对冰层进行加热，提高了加热效率，能够快速有效地除冰。由于雷电传导层布置在叶片前缘，能够有效保护导热元器件免受雷击损坏。
因此，根据本发明的除冰系统，可以智能、高效地去除叶片表面的冰层，能解决叶片结冰带来的机组不安全性，同时解决叶片结冰后机组功率大幅度下降的问题，保证机组的功率。并且其中的雷电防护系统也能保护机组以及除冰系统免遭雷击，保证机组的安全性。
虽然已经示出和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明的精神和原理的情况下，可以对示例性实施例做出各种变型和修改。
Claims (6)
1.一种风力发电机组的叶片除冰系统，其特征在于，所述叶片除冰系统包括：
除冰加热系统，所述除冰加热系统包括设置在叶片前缘外层的导热元器件；
结冰检测系统，所述结冰检测系统包括设置在机舱罩上的结冰检测器；
环境检测系统，所述环境检测系统包括设置在机舱罩上的温度和湿度传感器；
机组异常判断系统，所述机组异常判断系统检测风力发电机组是否存在异常运行情况；
叶片表面温度传感器，设置在叶片表面上；
雷电防护系统，包括设置在叶尖处的叶尖接闪器和铺设在导热元器件外层的雷电传导层；
除冰控制系统，所述除冰控制系统接收结冰检测系统、环境检测系统、机组异常判断系统、叶片表面温度传感器的检测结果，根据检测结果控制除冰加热系统是否进行除冰操作以及是否停止除冰操作,
其中，所述雷电传导层的铺设位置和面积与导热元器件的铺设位置和面积对应。
2.如权利要求1所述的叶片除冰系统，其特征在于，所述雷电传导层外部设置有玻璃钢加固层。
3.如权利要求1所述的叶片除冰系统，其特征在于，所述雷电传导层为铺设在导热元器件外层的铜网，所述铜网与叶片内腔中的防雷引下线连接。
4.如权利要求1所述的叶片除冰系统，其特征在于，所述雷电防护系统还包括设置在叶片中部的叶身接闪器。
5.一种由权利要求1-4中任一项权利要求中的叶片除冰系统执行的除冰方法，所述方法包括如下步骤：
机组主控系统从结冰检测系统、环境检测系统、机组异常判断系统接收检测结果；
所述机组主控系统根据所接收到的检测结果确定是否执行除冰操作；
如果结冰检测系统的检测结果是存在结冰，环境检测系统的检测结果是温度和湿度不符合设定条件，并且机组异常判断系统的检测结果是存在某些异常，则除冰控制系统控制除冰加热系统在风力发电机组停止运行的情况下使导热元器件通入电流；
如果结冰检测系统的检测结果是存在结冰，环境检测系统的检测结果是温度和湿度不符合设定条件，而机组异常判断系统的检测结果是不存在异常情况，则除冰控制系统控制除冰加热系统在风力发电机组继续运行的情况下使导热元器件通入电流。
6.如权利要求5所述的方法，还包括如下步骤：
在除冰控制系统控制除冰加热系统进行加热除冰的情况下，所述机组主控系统还从叶片表面温度传感器接收检测的温度值，并判断所检测的温度值是否大于预定值；
如果所检测的温度大于预定值，则使除冰加热系统停止工作。
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