CN104995403A - 风力发电站的转子叶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于风力发电站的转子叶片。该转子叶片具有至少一个风扇(3)和至少一个加热装置(6)，该风扇(3)用于在所述转子叶片中产生气流，该加热装置(6)用于加热至少部分所述气流，所述加热装置(6)具有至少一个加热模块(15)。

Description

风力发电站的转子叶片

技术领域

本发明涉及一种风力发电站的转子叶片，该转子叶片具有用于在转子叶片中产生气流的至少一个风扇，以及用于加热至少部分气流的至少一个加热装置。

背景技术

风力发电站的转子叶片主要负责叶片的效率程度，因此风力发电站的转子叶片是关键零部件。为了高效的发电，此种风力发电站被建立在具有大量风天和较高风速的地方。特别地，这种地方也在寒冷的地区被发现。

在此，在相应的天气条件下，转子叶片上会出现结冰。如果发生结冰，风力发电站的效率程度会减小，因为结冰导致了转子叶片的空气动力轮廓减小。结冰也会导致转子的不平衡。在此，所述效率程度的减小发生在具有平均风速以上的时间(即，秋天和冬天)中。

此外，冰块的掉落代表着一种危险。因此，在转子叶片结冰的情况下，为安全起见，风力发电站不得不被迫停机，以保护周围地区防范冰块飞溅，这被称为脱冰。所述停机会持续几天，多则几周，这意味着相当长的停机时间。

DE19621485A1描述了一种用于风力发电站的转子叶片加热器。在此，在转子叶片边缘上提供了进气管。通过加热器和风扇的方式产生暖气，风扇将暖气吹入进气管中。风扇加热器位于转子叶片的外侧。

EP0842360B1描述了一种用于风力发电站的转子叶片的除冰方法，其中转子叶片具有相互连通的腔。在此，被加热的热交换介质引导经过所述腔。用于引进热交换介质的装置包括具有集成加热元件的电风扇。所述风扇的吸入侧连接于所述腔，通过风扇的吸入侧暖气持续流动经过所述腔；风扇的压力侧连接于第一腔，因此产生暖气回路。

DE102005034131A1描述了一种用于风力发电站的转子叶片的除冰装置和方法。其中，被加热的空气引导经过从叶片根部朝向叶片末端的通道。转子叶片除冰系统包括设置在毂(hub)中的加热元件。为了使得通过加热元件加热的空气循环流通，所述加热元件安装在风扇或鼓风机上。

发明内容

本发明的目的是，提供一种用于风力发电站的尽可能便宜的转子叶片，其中该转子叶片阻碍和/或消除结冰。这将以尽可能节能的方式实现。高灵活性在此成为可能。这些措施优选地适应于特殊的天气，因此能够在围绕冰点的温度和在非常低的温度下产生针对性的反应。另外，转子叶片相对地不受中断停机的困扰并且易于维修。

根据本发明，此目的通过加热装置具有至少一个加热模块的这一事实来实现。

这种模块化结构使高灵活性成为可能。例如，加热装置能够通过使用多个加热模块的方式毫无困难地扩展至用于特别寒冷的地区。在几乎很少产生低温的地区中，转子叶片具有仅使用一个加热模块的加热装置。

如果在加热装置使用多个加热模块，该多个加热模块优选在结构上相同。因此，加热装置能够以简单且低廉的方式扩展，取决于转子叶片的使用面积和为此目的而需要的所述加热装置的热输出。

在本发明的一种特别优选的实施方式中，转子叶片包括具有至少两个加热模块的加热装置。所述加热模块优选地连接于开关装置，通过所述开关装置，所述模块能够单独地和/或成组地开启和/或关闭。例如，所述加热模块也能够以串联和/或并联的方式连接。

在本发明的一种特别优选的实施方式中，至少一个模块具有至少两个加热阶段，从而使得所述模块能够根据加热阶段而释放不同的热输出。

因此，在不同的天气条件下能够以灵活且节能的方式做出反应。根据需要，能够开启或关闭不同数量的加热模块。如果在特别寒冷的天气条件下，大量的加热模块被开启。如果天气条件有所改善，仅开启少数的加热模块。

所述加热模块成组地开启和关闭产生了在年度循环期间以非常节能的方式避免结冰的一种转子叶片。在秋天和春天，可以避免结冰或可以仅通过开启小量的模块以较低的热输出的方式移除结冰。在冬天，额外的加热模块可以被开启，从而使得确保在低温下，保持转子叶片避免结冰。

加热装置的所有的加热模块优选地设置在同一壳体中。用此种方法形成的紧凑结构单元能够易于安装，并且在维修的情况下能够毫无困难的移除。紧挨着另一个加热模块和/或在另一个加热模块的上方和/或在另一个加热模块的后面，单独的加热模块能够设置在紧凑结构单元中。

每个加热模块包括至少一个加热元件。因此，在最简化的情况下，所述加热模块自身构成加热元件。在本发明的一种特别优选的变型中，每个加热模块包括多个加热元件。

在本发明的一种特别有利的变型中，加热元件被用在转子叶片中，加热元件具有通过鞘管包围的至少一个电阻加热导体。具有这种的加热元件的转子叶片具有相当大的优势。因此，尤其对于转子叶片通常由玻璃纤维增强塑料(GRP)以半壳夹层结构制成。例如材料(例如PU泡沫塑料或软木)也可以为经常使用的材料。在有的转子叶片中使用碳纤维增强塑料(CRP)。所述材料对于温度峰非常敏感。同时，为了防止结冰，引导经过转子叶片的气流已经被充分加热。在传统的转子叶片中，代表着材料接合风险的高温峰目前为止发生在电阻加热导体的区域中。

通过封装的方式，所述危险大大降低，并且确保向周围的空气均匀放热。

鞘管优选地为中空圆柱状体，其中特别地电阻加热导体轴向中心设置，这被称为鞘管。在此特别证明了，如果鞘管包括金属，优选地不锈钢、铝、铜或合金是有利的。

所述鞘管使得温度峰呈平稳状态，并且保证均匀的温度分布。热量分布在鞘管中，随后从鞘管中以被控制的方式释放至周围的空气中，使得因而避免了温度峰对转子叶片的损坏。在此，根据本发明的结构同时使得暖气的高产量成为可能，高产量的暖气可靠地防止结冰。

在本发明的一种特别有利的实施方式中，鞘管的内部的自由空间至少部分地被填埋混合物填充。电阻加热导体固定在所述填埋混合物中。

此类型的管状加热元件证明为尤其无故障且确保高的操作可靠性。填埋混合物防止电阻加热元件与金属鞘管接触，和由于发生短路可能导致的风力发电站完全停机，以及因此导致较高的操作故障的可能。

一种氧化镁(MgO)的填埋混合物已经被特别地证明是有利的。所述材料因为高导热性和非常满意的电绝缘性而有别于其他材料。在此，在转子叶片中通过电阻加热导体的方式产生的热量，通过填埋混合物均匀地将热量引导至金属鞘管，随后从鞘管均匀地释放至流经转子叶片的空气中。因此，根据本发明的转子叶片能够被提供大量的热输出，并且因此能够被可靠地防止结冰，没有非常危险的重要结构组件。由于短路导致的操作失败基本被排除了。

专用的空气引导系统优选地设置在转子叶片上，用于引导气流。转子叶片通常依夹层设计制造，在内部空间划分转子叶片的腹板在转子叶片内。在传统的转子叶片中，被加热的空气引导穿过转子叶片内部中的这些腔。在一种有利的变型中，相比之下，根据本发明的结构具有设置在腔中的一个独立的空气引导系统。所述空气引导系统优选地包括通道。作为一种选择的方案或另外，空气引导也可发生在管道中。

在本发明的一种变型中，所述通道和/或管道包括塑料或复合材料。通道和/或管道也可使用由薄且质量轻的金属薄片制成。

通道和/或管道优选地至少在区域中是隔热的。依此方式，被加热的空气首先能够在没有热量损失下被引导至转子叶片的这些位置，尤其是易于结冰的位置，此过程中没有热量损失。这不仅节能也降低了运行费用。

如果风扇设置得与加热装置隔开被证明是特别有利的。在此，在一种优选的变型中，至少一个风扇设置在转子的毂和/或叶片根部的区域中。至少一个加热装置设置为与风扇设置区域在空间上隔开，优选地位于叶片根部与叶片末端之间。

在一种特别优选的变型中，从风扇直到加热装置和/或从加热装置直到转子叶片的叶片末端的所述空气引导系统通过封闭的通道和/或管道形成。

在此，在风扇与加热装置之间的隔热层(insulation)能够被有利地设置。

所述空气引导系统的在所述加热装置的下游的部分优选地为隔热的，因此仅发生较低的热量损失，特别地在直到叶片末端的气流中。用这种方式，空气仍然具有相对高的温度，尽管是长到叶片末端的流动通道。

所述空气引导系统优选地在叶片末端的区域中具有至少一个开口。

在本发明的一种变型中，从叶片末端返回的气流也至少在通道和/或管道的区域中被引导。如果空气引导系统在此区域中的至少部分上也具有开口在此证明是有利的。

所述转子叶片的所述叶片鼻部为另一区域，所述区域易于结冰。暖气从开口中流出进入邻接叶片鼻部外壁的转子叶片的腔中。此外或作为一种选择的方案，返回的空气也可以被引导至区域中或全部引导至通过腹板限定的腔中。

加热装置优选地设置在壳体中，所述壳体具有冷气连接头和/或暖气连接头。用这种方式形成的紧凑结构单元能够整合至转子叶片的空气引导系统中，且具有较低的装配费用，在维修的情况下，能够快速地再次拆卸和安装。在此，所述连接器适应于空气引导通道或管道的尺寸。在本发明的一种变型中，所述壳体的连接器与所述通道和/或管道之间采用插件连接(plug-inconnection)。所述壳体优选地为壳体密封。

如果所述加热装置设置在转子叶片中以使得所述加热装置与所述风扇隔开，特别地在叶片根部与叶片末端之间，被证明是有利的。在此尤其证明将所述加热装置设置在转子叶片的重心上是有利的。由于转子叶片变得较薄，且越朝向外侧越薄，转子叶片的重心通常并不位于几何中心上，而是朝向所述叶片根部偏移。所述加热装置设置在转子叶片的重心上产生相当大的优势。因此例如，有力且相对沉重的加热装置也能够使用，不受转子叶片的稳定性或效率程度的负面影响。

根据本发明用于风力发电站的转子叶片的除冰方法具有如下步骤：

在转子叶片中产生气流，

通过加热装置的方式加热气流。

根据本发明，所述加热装置具有能够单独开启和/或关闭的模块。

在本方法的一种特别有利的实施方式中，被加热的空气在第一阶段时具有较高的电输出。在第二阶段时，所述热量降低。这优选地以阶梯的方式实现。如果热量的降低通过关闭单独加热模块的方式实现被特别地证明是有利的。在此，优选采用用于控制和/或调节的装置，该装置装配用于以选择的方式关闭不同的加热模块，因此相同的加热模块未必同时关闭。因此实现加热模块的均匀利用，并且延长了他们的使用寿命。

作为关闭或开启加热模块的一种选择，用于控制和/或调节的装置也能够降低或增加单独模块的电输出。这优选地通过连续调节电力的电力控制器的方式来实现。

气流在封闭的空气引导系统中至少部分地运行，该封闭的空气引导系统设置在转子叶片的腔中。在本发明的一种变型中，空气引导系统至少在区域中具有开口。

空气引导能够以不同的方式实现。

在本发明的一种变型中，所述加热装置设置在直接邻接叶片鼻部的区域中，并且基本平行于叶片鼻部延伸。在下文中所述区域被称为前区域，因为该区域直接邻接于转子叶片的前边缘。

在此，空气通过风扇输送至加热装置，这特别地证明如果空气被引导至位于风扇与加热装置之间的封闭通道和/或管道中是有利的。

加热装置的下游，另一通道部分和/或管道部分随后连接于加热装置，通过该通道部分和/或管道部分，被加热的空气在叶片末端的方向上流出。优选地没有将被加热的空气引导至叶片末端，而是仅将被加热的空气传导至需要的方向。在此，这可以为喉管。在所述变型中，空气的返回优选地发生在中心区域，中心区域设置在叶片鼻部与转子叶片后边缘之间，基本平行于叶片鼻部或转子叶片后边缘延伸。在此，优选地为中心通道。在本发明的一种变型中，所述中心区域中的所述回流仅通过转子叶片的腹板限制，因此在此区域中没有封闭的通道和/或管道。

在本发明的一种可选的实施方式中，加热装置位于转子叶片的中心区域，转子叶片的中心区域设置在叶片鼻部与转子叶片后边缘之间，平行于叶片鼻部或转子叶片后边缘延伸。空气通过风扇以封闭的通道和/或管道输送至加热装置。从加热装置朝向叶片末端的通道或管道部分同样证明是有利的，如果通道或管道部分设置在加热装置上，通过通道或管道部分空气流向叶片末端。在此，优选地，通道或管道部分为喉管。

在本发明的一种特别优选的实施方式中，至少一个备用风扇被应用于在主风扇故障的情况下，以将加热装置的热量排出。重点在于，特别地，这种情况下的转子叶片具有管状加热元件。根据本发明，管状加热元件确保快速可靠的除冰。

由于管状加热元件较高的热容量，使得甚至在关闭之后，管状加热元件仍然储存有大量的残余热量，提供至少一个辅助风扇，使得在主风扇故障的情况下开启。如果没有设置所述备用风扇，在主风扇故障的情况下，简单地关闭管状加热元件可能是不充分的。应急风扇作为防止过热的一种保障。所述应急风扇优选地具有与主风扇相比较小的电输出。

温度传感器连接于用于控制和/或调节的装置，该温度传感器优选地设置在转子叶片中。如果超过了预设的温度极限值，所述装置就会关闭加热模块或开启备用的风扇和/或增加主风扇的输导能力。

在本发明的一种特别优选的实施方式中，包围加热装置的壳体是隔热的。所述隔热使得转子叶片在加热模块的区域避免过热，并且防止在此区域中不期望的放热。这还是有利的，尤其在风扇故障的情况下，因为较高的剩余热量被储存在根据本发明的具有管状加热元件的转子叶片中。

根据本发明的转子叶片具有如下优点：所述加热装置能够以简单的方式翻新或替换，不需要发生相当大的结构性调整措施。在这方面，这种变型是优选的，其中，被加热的空气引导至没有通道或管道部分的前部区域直到叶片末端，因此这将便于翻新安装。

附图说明

本发明的进一步优点和特征源于利用附图说明的一个典型的实施方式和附图本身，其中：

图1显示了转子叶片的纵向剖视图；

图2显示了加热装置的纵向剖视图；

图3显示了加热元件的纵向剖视图；以及

图4显示了加热装置的透视图。

具体实施方式

图1显示了风力发电站的转子叶片。在典型的实施方式中，转子叶片是由通过半壳夹层设计(half shell sandwich design)制造的玻璃纤维增强塑料而制成。

风力发电站包括具有机舱(nacelle)的塔。发电机(generator)以及齿轮机构优选为设置在机舱中。机舱可旋转地安装在塔上。风力发电站的转子包括毂和转子叶片。

转子叶片的长度优选地在30m到65m之间。

腹板(webs)1设在转子叶片的内部。腹板1划分转子叶片的内部空间。

风扇3设置在转子叶片的叶片根部2中。风扇3传输冷气流4。空气引导系统设置在转子叶片的腔内。第一部分(section)5从风扇3延伸至加热装置6。空气引导系统的第一部分5包括封闭通道。作为一种选择方案，封闭管道也能够用于将冷气流4引导至加热装置6中。在典型的实施方式中，空气引导系统的第一部分5由塑料制成。

加热装置6设置为与风扇3在空间上隔开。风扇3和加热装置6连接于封闭通道。在典型的实施方式中，显示了本发明特别有利的变型，其中，加热装置6设置在转子叶片的重心(centroid)上。

加热装置6加热气流，暖气流7在空气引导系统的第二部分8内被引导至叶片末端9。空气引导系统的第二部分8同样是塑料通道，在典型的实施方式中，该塑料通道以不透气形式被封闭。此外，在典型的实施方式中，所述空气引导系统的第二部分8与外侧隔绝，或由不导电塑料组成，使得导致产生较低的热损失。

暖气流7经过至少一个开口11、撞击叶片末端9的内壁并加热后者。结果是叶片末端上的结冰被阻止或消除。

气流以叶片根部2的方向引导返回至空气引导系统的第三部分10。空气引导系统的第三部分10是具有另一开口11的通道。暖气流经过该开口11进入到叶片鼻部(nose)12的内壁上。由于转子叶片从叶片鼻部的边缘转动(flowed around)，转子叶片的结冰特别地起始于叶片鼻部12。通过引导至叶片鼻部边缘的区域的内壁上的暖气流得以阻止所述结冰。

第四部分13由转子叶片的腔形成，该第四部分13通过腹板1和内壁界定。空气引导系统的所述第四部分13没有设置通道。空气流返回至叶片根部2。

图2显示了由壳体14围绕的加热装置6的横截面视图。在典型的实施方式中，加热装置6包括多个加热模块15。在附图的实施例中显示了七个加热模块15。加热模块15能够成组(groups)地被开启和/或关闭。因此，能够以灵活的方式响应于不同的天气条件。在典型的实施方式中，每个加热模块15包括一个加热元件。可替代地，加热模块15也可以包括多个加热元件。

加热装置6由密封的封闭壳体14围绕，壳体14具有冷气连接头16和暖气连接头17。在典型的实施方式中，冷气连接头16和暖气连接头17均连接于通道。

图3显示了加热元件的纵向剖视图。在典型的实施方式中，根据本发明的转子叶片包括加热元件，该加热元件具有金属鞘管18。电阻加热元件19设置在鞘管18的中心。鞘管18的自由空间由填埋混合物(embeddingcompound)20填充。在鞘管18的端部，鞘管18以塞子形状的封闭部21的形式被封闭，封闭部21被固定以防止移位。针形连接件22引导穿过封闭部21，连接件22连接于电阻加热元件19，使得后者能够与电源连接。填埋混合物20包括在典型的实施方式中应用的氧化镁(MgO)。

图4显示了由壳体14包围的加热装置6的透视图。在典型的实施方式中，加热装置6包括多个加热模块15，该加热模块可以单独或成组地被开启和/或关闭。加热模块15构成为管状加热元件，在典型的实施方式中，管状加热元件在流通的方向上相互偏移设置。加热模块15设置在壁上并且凸入由壳体14封闭的空间中。所述壁由壳体14形成。为了能够观察到加热装置6的内部，壳体14的三个侧壁在附图中没有显示。

管状加热元件在流通方向上依次靠后地呈多排设置。多排的管状加热元件优选地在流通方向上相互偏移设置。构成为管状加热元件的加热模块15具有多个绕组(windings)。在典型的实施方式中，每排的管状加热元件以波浪方式弯折设置。由于以波浪方式弯折设置的管状加热元件，使得形成伸入空间中的线圈(loops)。每个加热模块15具有紧固点23，紧固点23位于彼此相对设置的壳体14的壁的纵向侧面上。单个的加热模块15通过紧固点23安装在由壳体14侧壁形成的表面上。在典型的实施方式中，所有的加热模块15被紧固在加热装置6的同一表面上。电连接器用于将加热模块15设置在所述表面的后面、流动空间的外侧。

加热装置6由密封的封闭壳体14包围，壳体14配置为具有四个侧壁的长方体箱型方式，壳体14具有位于一端上的冷气连接头16和另一端上的暖气连接头17。

在典型的实施方式中，冷气连接头16和暖气连接头17具有朝向连接器管道或通道的锥体形状。加热装置6的径向尺寸大于连接管道或通道的径向尺寸。

Claims (13)

1.一种用于风力发电站的转子叶片，该转子叶片具有至少一个风扇(3)和至少一个加热装置(6)，该风扇(3)用于在所述转子叶片中产生气流，该加热装置(6)用于加热至少部分的所述气流，其特征在于，所述加热装置(6)具有至少一个加热模块(15)。

2.根据权利要求1所述的转子叶片，其特征在于，所述加热装置(6)的至少两个加热模块(15)连接于开关装置，该开关装置用于单独和/或成组地开启和/或关闭所述加热模块(15)。

3.根据权利要求1或2所述的转子叶片，其特征在于，所述加热模块(15)包括至少一个加热元件。

4.根据权利要求3所述的转子叶片，其特征在于，所述加热元件具有至少一个电阻加热导体(19)，该电阻加热导体(19)通过鞘管(18)包围。

5.根据权利要求4所述的转子叶片，其特征在于，填埋混合物(20)至少部分地填充所述鞘管(18)的内部的自由空间。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的转子叶片，其特征在于，空气引导系统设置在转子叶片中，以用于至少部分地引导所述气流。

7.根据权利要求6所述的转子叶片，其特征在于，所述空气引导系统的至少一个部分(5)通过封闭的通道和/或管道形成。

8.根据权利要求6所述的转子叶片，其特征在于，所述空气引导系统的至少一个部分(10)具有开口(11)。

9.根据权利要求1至8中任意一项所述的转子叶片，其特征在于，所述加热装置(6)设置在所述壳体(14)中，所述壳体(14)具有冷气连接头(16)和/或暖气连接头(17)。

10.根据权利要求9所述的转子叶片，其特征在于，通道和/或管道连接于所述冷气连接头(16)和/或暖气连接头(17)。

11.根据权利要求1至10中任意一项所述的转子叶片，其特征在于，所述加热装置(6)设置在所述转子叶片中，使得所述加热装置(6)与所述风扇(3)间隔开。

12.根据权利要求1至11中任意一项所述的转子叶片，其特征在于，所述加热装置(6)设置在所述转子叶片的重心的区域中。

13.一种用于风力发电站的转子叶片的除冰方法，特别地，转子叶片为权利要求1至12中任意一项所述的转子叶片，该方法具有如下步骤：

在所述转子叶片中产生气流，

在加热装置(6)的帮助下加热至少部分的所述气流，

所述加热装置(6)包括加热模块(15)，所述加热模块(15)被单独和/或成组地开启和/或关闭。