CN106224181B - 一种风力发电机的消除叶片冰层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种风力发电机，包括固定在地面的塔筒、位于塔架上的机舱、设置在所述机舱中的发电机、相对于所述机舱转动并且包括多个转子叶片的转子、用于对叶片进行除冰并且连通叶片、机舱和塔筒的空气流通系统。空气流通系统包括：设置在塔筒上离机舱一定距离的可控制的空气入口、设置在空气入口上部的空气过滤器、设置于空气过滤器上部的加热器、在机舱内部与发电机进行热交换的内部热交换器。在叶片内部设置的气流导通通路，气流导通通路使得进入的气流先流过叶尖，再流向根部，从根部的小孔排出叶片。采用上述除冰系统，更加有效的控制进入机舱的空气的温度、清洁度和流量，不会占用机舱的任何空间，整体除冰的效果更优。

Description

一种风力发电机的消除叶片冰层的方法

技术领域

本发明整体涉及风力发电机，更具体地说，涉及风力发电机的转子叶片的除冰。

背景技术

近年来，风电作为对环境无危害且相对便宜的可替代能源而受到越来越多的关注。随着大家对风力发电兴趣的不断增长，人们投入了相当大的努力来研发和生产可靠而有效的风力发电机。

通常，风力发电机包括具有多叶片的转子，转子安装在位于构架或管状塔架顶部的壳体或机舱内，可用风力发电机可具有大的转子(例如直径为30米或更大)。这些转子的叶片将风能转换成驱动一个或多个发电机的转动力矩或力，发电机通过齿轮箱和转子连接到一起。齿轮箱提升涡轮转子固有的低旋转速度，从而使发电机有效地将机械能转换成供给到公用电网的电能。

在一些大气条件下，转子叶片容易被冰覆盖。通常冰集结出现在翼面前沿，并且导致提升能力的减小。当冰层变得越来越厚的时候，翼面的重量增加，所以改变了提升翼面表面。对于风力发电机，此改动可导致空气动力转子叶片性能的下降。下降的性能可直接导致系统负载的增加和/或输出功率的损失。

现有技术中采取了以下几种方式来除去叶片上的冰层，主要包括：1)利用沿着热太阳辐射的叶片表面吸收的热量；2)定位与冰层相关的叶片表面的热量；3)引入外部空气，利用内部加热，从而通过内部热传导将热量传到与冰层相关的叶片外部表面。

对于上述方式1)，很明显只有在出太阳时才会有一些效果，因此仅仅在具有较好太阳辐射的天气和气候条件下才有用。但是由于大多数危急操作条件都是在易于结冰的夜晚，因此这些系统在恰恰最需要它们的时刻反而是无效的。

对于方式2)，通常利用电阻的或导热材料的板，并将它们嵌入叶片表面里面加热以获得焦耳效应。这些加热板嵌入在叶片的薄层里面，尤其在易于结冰的部位。但是方式2)存在明显缺陷，除冰和抗冰设备首先需要非常复杂的冰层控制和管理机构。这些机构利用冰定位传感器、控制和管理处理软件，该软件把电力分布到易于结冰的部位，以便加热除冰。该除冰方式管理控制复杂、成本高、可靠性不好、且维修困难问题。由于它们显示出这种缺陷，到目前为止这些类型的解决方案仅仅用在非常少的系统上。

方式3)是现在常采用的方式。第一，现在这种方式通常利用机舱尾部进入空气，或者从塔筒底部进入空气。首先从机舱尾部进入空气，在运行过程中通常与风向不一致，使得进风困难；其次，进入的空气必须过滤，有时还要加热或者控制流量，这些需要加入不少的其他装置，使得机舱更加拥挤，而且一旦空气流入速度比较大，对空气不易控制，加热会更加困难。而从塔筒底部进入空气，由于塔筒高达几十米，空气流入后难以到达机舱，这些问题都会导致除冰难度增大。第二，现今方式利用叶片中的管路通风进行除冰，但是通常都是气流从先流过叶根再进入叶尖，气流到达叶尖之后温度会显著降低，难以除去叶尖的冰层，因此，会对叶片的整体除冰产生困难。

因此，迫切需要提供一种风力发电机来解决上述风力发电机中存在的问题，能够解决进气以及叶尖冰层难以除去的问题。

发明内容

本发明提供了一种风力发电机，其能够解决上述现有风机中存在的问题，使得除冰更加容易和全面。

本发明提供了一种风力发电机，其包括：固定在地面的塔筒；位于塔架上的机舱；设置在所述机舱中的发电机；相对于所述机舱转动并且包括多个转子叶片的转子；以及用于对叶片进行除冰并且连通叶片、机舱和塔筒的空气流通系统；其特征在于，所述空气流通系统包括：设置在塔筒上离机舱一定距离的可控制的空气入口；设置在空气入口上部的空气过滤器；设置于空气过滤器上部的加热器；在机舱内部与发电机进行热交换的内部热交换器；在叶片内部设置的气流导通通路，所述气流导通通路使得进入的气流先流过叶尖，再流向根部，最后从根部的小孔排出叶片。

另一方面，所述叶片包括两块支撑板和上下挡块，所述气流导通通路包括设置在两块支撑板和上下挡块形成的中央区域中的第一通路，第一通路直接将空气通向叶尖而不与叶片其他部位接触；第二通路将到达叶尖的空气返回至叶根区域。

另一方面，所述气流导通通路还包括设置在叶根部分的气孔，气孔将空气排出到大气中。

另一方面，还包括气流控制系统，所述气流控制系统根据结冰情况来控制机舱的空气入口的打开大小，以控制进入所述机舱内部气流的流量。

另一方面，在机舱尾部也设置有开口，所述气流控制系统根据结冰情况控制机舱尾部的所述开口的关闭。

另一方面，所述结冰情况是根据设置在风力发电机上的多个传感器来确定。

另一方面，所述多个传感器包括温度传感器，气象传感器、流量传感器、位移传感器和压力传感器。

本发明还提供了一种风力发电机的消除叶片冰层的方法，其中所述风力发电机包括：固定在地面的塔筒；位于塔架上的机舱；设置在所述机舱中的发电机；相对于所述机舱转动并且包括多个转子叶片的转子；以及用于对叶片进行除冰并且连通叶片、机舱和塔筒的空气流通系统；其特征在于，所述空气流通系统包括：设置在塔筒上离机舱一定距离的可控制的空气入口；设置在空气入口上部的空气过滤器；设置于空气过滤器上部的加热器；在机舱内部与发电机进行热交换的内部热交换器；在叶片内部设置的气流导通通路，所述气流导通通路使得进入的气流先流过叶尖，再流向根部，最后从根部的小孔排出叶片；所述方法包括以下步骤：1)，在塔筒上部的所述空气入口中从外部吸收空气；2)，将所述吸收空气进行过滤和加热；3)，将加热后的空气进入机舱，与机舱内部的所述内部热交换器进行热交换；4)，将再次加热后的空气通过气流导通通路，使得气流先流过叶尖，再流过根部，最后从根部的小孔排出叶片。

另一方面，在步骤1)中空气入口的打开大小根据结冰情况进行由气流控制系统控制。

另一方面，步骤1)还包括根据结冰情况由气流控制系统控制机舱尾部的所述开口的开闭。

根据上述理解，本发明的构造能够将空气入口设置在塔筒下面附近，在设置流量控制器，过滤器以及加热器，能够更加有效的控制进入机舱的空气的温度、清洁度和流量，而且不会占用机舱的任何空间，其次，将吸收空气先通过叶尖，能够有效加热叶尖的冰层，然后回到根部在从根部喷出，能够更全面除去冰层，整体除冰的效果更优。

附图说明

图1是示例性的风力发电机的正视图；

图2是风力发电机的叶片的横截面图；

图3是风力发电机的叶片并且显示了气流流向的立体透视图，；

图4是风力发电机的气流控制系统的方框图；

图5是风力发电机除冰方法的流程图。

具体实施方式

图1是示例性的风力发电机的立体图，示出了风力发电机的各个组成部件。其中风力发电机1为水平轴发电机，或者也可以为垂直轴发电机，在该实施例中，风力发电机1包括从支撑表面延伸的塔筒2，塔筒2高度通常为几十米，安装在塔筒2上的机舱6，设置在机舱内的发电机7，以及与发电机7相连的齿轮箱，风力发电机2的转子通过轴可旋转地连接齿轮箱，转子包括轮毂和外部的叶片5。

在该实施例中，转子包括三片转子叶片5。在一个替代实施例中，转子包括多于或少于三片转子叶片5。转子叶片5环绕轮毂间隔设置，以有助于转子旋转，从而将来源于风力的动能转换成可用的机械能，并随后转换成电能。在较佳实施例中，每片转子叶片6的长度介于约30米到约120m之间。

塔筒2还包括设置在机舱6下部附近，优选离机舱3-5米的空气入口3，该空气入口3的开闭以及打开大小都是可控的，空气从空气入口3进入之后，由空气过滤器9除去空气中的灰尘等杂质，然后通过管道向上运动，流经过滤器9上方的加热器10，加热器10可以为电阻加热器也可以为其他类型的加热器，加热器的开闭也是可控的，然后空气向上流入上部机舱6中，在塔筒2中还设置有气流控制系统4。该气流控制系统4根据多个传感器得到的信息控制空气入口3的开闭以及打开大小，以及加热器是否需要开启。该气流控制过程将在图4中得到更好的描述，

在另一个实施例中，除了机舱下部的空气入口3之外，还在舱尾部叶设置一个开口8，开口8是否需要开启也由气流控制系统4进行控制，控制过程将在下面详细描述。

图2示出了风力发电机的叶片的截面图，图3是风力发电机的叶片并且显示了气流流向的立体透视图。如图2和3所示，叶片5中设置有用于支撑叶片5的左支撑块11和右支撑块12，以及上下档块13，支撑块11、12和档块13将叶片的内部空间分为了左区域、右区域以及中央区域，其中在左区域和右区域在流入方向靠近叶根附近设置有阻挡片19，使得空气不能从左、右区域进入叶片内部。与此同时，在叶片的中央区域16中设置有支撑在档块13上的第一通路15。中央区域16中除了第一通路15之外的空气也在叶根附近设置阻挡片，使得来自机舱6的空气只能从第一通路15进入叶片，空气按照图中箭头所示进入叶片空间后，直接到达叶尖，加热叶尖，然后，从两边的第二通路17返回，加热中部和叶根。在叶根的表面上还设置有许多小孔，空气到达叶根之后，从小孔中喷出，进一步加热叶根的冰层，从而使得空气气流先到达叶尖，然后返回到叶根，叶片的全部表面都得到加热，实现加热的均匀性、全面性和整体性。

在另一个实施例中，根据结冰情况也可将左、右区域以及中央的阻挡片设置为可控开闭或者可控开闭以及打开大小的。由气流控制系统4一起进行控制。具体控制过程下面详细描述。

图4是风力发电机的气流控制系统的方框图。如图所示，气流控制系统4从多个传感器中得到检测到的信息，这些传感器可包括温度传感器，气象传感器、流量传感器、位移传感器、压力传感器和振动传感器等。然后根据在系统中已经编好的程序表来控制塔筒上部空气入口3的开闭或者打开大小，控制机舱尾部空气入口8的开闭，塔筒内部加热器的开闭，机 舱内部热交换器的开闭以及叶片上阻挡片的开闭等等，对整个除冰系统实施全面的控制。

图5是风力发电机除冰方法的流程图。表示检测到结冰处于正常范围情况下的控制流程图，首先根据传感器的信息判断已经结冰并且结冰情况在正常情况，也就是根据当地环境以及气象，冰层厚度以及对叶片运动的影响在一定的程度范围内。在处于结冰正常情况下，由气流空气系统4控制空气入口3打开，然后启动塔筒2内部的空气加热器，同时启动在机舱6内部的与发电机以及齿轮箱的热交换器，阻挡片19全部处于关闭状态，空气流入第一通路15，然后加热叶尖后从第二通路17返回，加热叶片中部以及叶根，最后从叶根上的小孔18中喷出，加热叶根。

在另一种情况下，当冰层厚度比较低，或者根据传感器反馈，结冰刚刚开始时，可以只打开机舱6尾部的开口8，不需要打开塔筒上的空气入口3或者稍微打开该空气入口3，同时启动机舱6内部的热交换器；在另一种情况下，根据传感器反馈，当冰层厚度比正常情况厚，而且影响叶片运行的情况下，可同时打开机舱6尾部开口8和塔筒内部空气入口3，使得进入空气流量更大，更有效加热叶片；在又一种情况下，根据传感器传来信息，当冰层厚度非常厚、严重影响叶片运行或者叶片处于严重不平衡情况下，也就是风机处于极端恶劣运行情况下，在打开机舱6尾部开口8和塔筒内部空气入口3的同时，将叶片5上的阻挡片19全部打开，使得风机全面进气，叶片入口也全面打开，叶片也最大面积进入空气，空气循环加速，流量实现最大，加热更快也更全面。

根据上述理解，本发明的构造能够更加有效的控制进入机舱的空气的温度、清洁度和流量，而且不会占用机舱的任何空间，能够更有效利用加热空气，全面除去冰层，整体除冰的效果更优并且能够适用于各种不同的结冰情况。

Claims (1)

1.一种风力发电机的消除叶片冰层的方法，其中所述风力发电机包括：固定在地面的塔筒、位于塔架上的机舱、设置在所述机舱中的发电机、相对于所述机舱转动并且包括多个转子叶片的转子、用于对叶片进行除冰并且连通叶片、机舱和塔筒的空气流通系统，叶片中设置有用于支撑叶片的左支撑块和右支撑块，以及上下档块，支撑块和档块将叶片的内部空间分为了左区域、右区域以及中央区域，其中在左区域和右区域在流入方向靠近叶根附近设置有阻挡片，其特征在于，所述空气流通系统包括：设置在塔筒上离机舱一定距离的可控制的空气入口、设置在空气入口上部的空气过滤器、设置在机舱尾部的开口、设置于空气过滤器上部的加热器、在机舱内部与发电机进行热交换的内部热交换器；

所述方法包括以下步骤：

1)，在处于结冰正常情况下，由气流控制系统控制塔筒上的空气入口打开，机舱尾部的开口和阻挡片全部处于关闭状态；

结冰刚刚开始时，可以只打开机舱尾部的开口，不需要打开塔筒上的空气入口或者稍微打开空气入口；

根据传感器反馈，当冰层厚度比正常情况厚，而且影响叶片运行的情况下，可同时打开机舱尾部的开口和塔筒上的空气入口，使得进入空气流量更大；

当冰层厚度非常厚、严重影响叶片运行或者叶片处于严重不平衡情况下，也就是风机处于极端恶劣运行情况下，在打开机舱尾部的开口和塔筒上的空气入口的同时，将叶片上的阻挡片全部打开，使得风机全面进气，叶片入口也全面打开，流量实现最大；

2)，将所述吸收空气进行过滤和加热；

3)，将加热后的空气进入机舱，与机舱内部的所述内部热交换器进行热交换；

4)，将再次加热后的空气通过气流导通通路，使得气流先流过叶尖，再流过根部，最后从根部的小孔中排出叶片。