CN106762392B - 一种风力机叶片及防覆冰除覆冰方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风力机叶片及防覆冰除覆冰方法，包括叶壳，叶壳从内到外由叶壳夹芯上层、中间层和表层构成，其特征在于在叶壳的表层的迎风面和背风面沿叶片高度方向上铺设若干数量的加热电阻丝，形成加热电阻丝分布层，在加热电阻丝分布层上再铺设涂层；沿着叶片的轮廓边缘设有汇流条，若干数量的加热电阻丝均与叶片轮廓边缘的汇流条连接，所述汇流条的两端与叶片根部的两个接线柱连接，通过接线柱将汇流条与外部供电电路连接；叶片整体分为叶片前缘和叶片中后部两部分，叶片前缘与叶片中后部的长度比为1:1.2‑1.5，位于叶片前缘的加热电阻丝的数量为位于叶片中后部的加热电阻丝的数量的2‑3倍，所有加热电阻丝除长短不同外。

Description

一种风力机叶片及防覆冰除覆冰方法

技术领域

本发明涉及一种风力机叶片及防覆冰除覆冰方法。

背景技术

风力发电是解决能源短缺的有效途径，我国风能资源丰富。但是风资源往往分布的环境比较恶略，如：高寒地区和湿气重的沿海地区。由于气温低常接近零摄氏度且伴有高湿度，风机叶片比较容易覆冰。随着覆冰的形成，会带来很多问题：叶片存在覆冰后，造成风电机组停机报警，并在如此恶略的环境中进行检修十分困难；风机覆冰会影响风机叶片的空气动力学轮廓，在风机运转的过程中造成载荷增加、振动明显，降低了风机的使用寿命；风机叶片覆冰后，影响风电机组的载荷和出力，降低风电机组输出功率。

专利号为ZL201320119419的中国专利公开了一种风力机叶片覆冰微波加热去除装置，该装置包括微波加热器，微波加热器包括微波管、波导、十字天线、天线室、开槽金属板、陶瓷板和箱体，箱体的上部设置有天线室，天线室内设置有所述十字天线。其不足之处在于叶片内部需要设置的微波加热器的器件数量较多，安装难度大，如果安装不到位，在叶片高速旋转时会对机组平衡造成影响，且叶片内部结构变化大、新增设备较多，大大增加了叶片的故障率和叶片内部故障维修的难度。

舒立春等人(DOI：10.13334/j.0258‐8013.pcsee.161106)于2016年在中国电机工程学报上发表“风机叶片电加热除冰及电阻丝布置方式试验”一文中提到电阻丝布置方式为叶片尖部电阻丝采用弦向布置，根部电阻丝采用展向布置，其不足之处在于由于电阻丝不断的进行通断加热，使得叶片温度随时间呈现波动性变化，会加速风力机叶片的老化；此外，由于叶片中分布电阻丝均匀分布，造成叶片整体热量分布不均匀，加上电阻丝通断过程中加热、散热不及时，会造成风机叶片形状的改变。

发明内容

针对现有技术的问题，本发明拟解决的技术问题是，提出一种风力机叶片及防覆冰除覆冰方法。该叶片成本低、结构简单，尤其适用于在高寒、高湿地区大型风机中，该叶片表面不易覆冰且能很容易出去表面的覆冰，进而排除机组运行的安全隐患，减少维修人员的危险性，延长机组寿命。该方法通过控制叶片不同部位的温度传感器和重量传感器的工作优先级，控制IGBT的工作频率，进而实现对叶片整体温度的控制，使叶片整体能够稳定在10℃以上，进而能够实现叶片防覆冰除覆冰的目的。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：

一种风力机叶片，包括叶壳，叶壳从内到外由叶壳夹芯上层、中间层和表层构成，其特征在于在叶壳的表层的迎风面和背风面沿叶片高度方向上铺设若干数量的加热电阻丝，形成加热电阻丝分布层，在加热电阻丝分布层上再铺设涂层；沿着叶片的轮廓边缘设有汇流条，若干数量的加热电阻丝均与叶片轮廓边缘的汇流条连接，所述汇流条的两端与叶片根部的两个接线柱连接，通过接线柱将汇流条与外部供电电路连接；

叶片整体分为叶片前缘和叶片中后部两部分，叶片前缘与叶片中后部的长度比为1:1.2-1.5，位于叶片前缘的加热电阻丝的数量为位于叶片中后部的加热电阻丝的数量的2-3倍，所有加热电阻丝除长短不同外，其规格材料完全相同，迎风面加热电阻丝的数量为背风面加热电阻丝数量的1.7-2.3倍；且位于叶片前缘的加热电阻丝之间、位于叶片中后部的加热电阻丝之间均等距布置；

在叶片中后部和叶片前缘均设置有重量传感器，且重力传感器位于叶壳的表层上；在叶壳夹芯上层上且位于叶片中后部、在中间层上且位于叶片中部及在表层上安装重量传感器的位置附近均安装有温度传感器，重量传感器和温度传感器均与外部供电电路连接，且重量传感器和温度传感器同时与MCU连接。

上述风机叶片防覆冰除覆冰方法，通过该方法能保持叶片整体温度在10℃以上，具体步骤是：

1)将叶片与外部供电电路连接：

加热电阻丝连接到叶片轮廓边缘两侧的汇流条，汇流条的两端与叶片根部的两个接线柱连接，通过接线柱将汇流条与外部供电电路连接；即一个接线柱通过IGBT与金属滑环连接，另一个接线柱连接另一个金属滑环，在每个金属滑环表面设有碳刷，碳刷与金属滑环接触，两个碳刷的另一端分别连接动力电源的输入、输出端，最终获取电力；重量传感器和温度传感器与MCU连接，同时PWM与MCU也进行数据通讯；PWM与IGBT连接；

2)将叶片温度分区控制：

将叶片温度分成四个温度区间，即0℃以下、0-3℃、3-10℃和10℃以上，不同的温度区间实行不同的控制策略；设置叶片中后部的重量传感器工作优先级低于叶片中后部的温度传感器，叶片前缘的重量传感器工作优先级高于叶片前缘的温度传感器；

3)除去叶片中后部覆冰：

通过MCU控制IGBT的工作频率，叶片中后部的温度传感器的测量温度低于0℃时，叶片中后部加热电阻丝全开实现全部加热，进行融冰；当叶片中后部的温度传感器测量温度为0-3℃时，叶片中后部加热电阻丝开1s关断1s；当叶片中后部的温度传感器测量温度为3-10℃时，叶片中后部加热电阻丝开1s关断3s；当叶片中后部的温度传感器测量温度为10℃以上，叶片中后部的重量传感器8感受覆冰重量高于30g，叶片中后部加热电阻丝开1s关断9s；叶片中后部的重量传感器感受覆冰重量低于30g，叶片中后部加热电阻丝不工作；

4)除去叶片前缘覆冰：

先判断叶片前缘的重量传感器的工作情况，若覆冰重量超过200g，无论叶片前缘温度传感器测量温度如何，则叶片前缘加热电阻丝全开加热；

对于叶片前缘处覆冰，若叶片前缘的重量传感器测量覆冰重量低于200g，表明叶壳前端未有较厚冰层不断形成；叶片前缘的温度传感器测量温度低于0℃时，叶片前缘加热电阻丝全开实现全部加热，进行融冰；当叶片前缘的温度传感器测量温度为0-3℃时，叶片前缘加热电阻丝开1s关断0.5s；当叶片前缘的温度传感器测量温度为3-10℃时，叶片前缘加热电阻丝开1s关断1s；当叶片前缘的温度传感器测量温度为10℃以上，叶片前缘的重量传感器感受覆冰重量高于30g，叶片前缘加热电阻丝开1s关断3s；叶片前缘的重量传感器感受覆冰重量低于30g，叶片前缘加热电阻丝不工作。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明叶片在表层上加入加热电阻丝，并覆盖涂层进行保护，且在叶片表层加入加热电阻丝，不会影响风力机叶片的形状结构，也不会改变它的气动特性，同时能够实现叶片防覆冰和除覆冰的目的。

本发明根据加热电阻丝的发热量，经实验得到使覆冰融化的最佳距离，并将迎风面叶片前缘按照最佳距离布置，其他部位以该最佳距离为参照进行布置，并遵循叶片前缘密集，尤其是叶尖部，叶片中后部分布稀疏，叶片迎风面较背风面密集的规律进行布置；一方面实现了针对覆冰严重区域重点加热，增加除去覆冰的工作效率，另一方面节约资源。防覆冰除覆冰即可以解决风力机安全运转，稳定功率又可以解决一部分的风电消纳。

2)本发明叶片中在不同位置加入了温度传感器和重量传感器，并在叶片前缘和中后部设定了温度传感器和重量传感器的工作优先级；使用温度传感器进行监测温度，对于不同温度区间控制加热电阻丝的工作频率，进行叶片的覆冰祛除与预防，并实现风机叶片温度恒定。同时，叶片前缘覆冰不仅和外界温度有关，同时和中后段融冰有关，在这里加入重量传感器，如温度传感器虽然检测到温度处于0到3℃之间，但是由于中后段融冰，冰水流入到叶片前端温度会立刻降低形成覆冰，温度传感器监测并不会特别敏感，在此区域内设置重量传感器的工作优先级高于温度传感器，一旦重量传感器感受到覆冰重量高于200g，说明叶片前缘存在以及正在形成较厚覆冰，加热电阻丝全开加热；若重量传感器测量覆冰重量低于200g，则按照温度传感器感受到的温度变化，执行加热电阻丝的工作。

3)本发明方法为保证风力发电机正常运转发电，避免叶片老化变形，保证叶片整体温度恒定并使温度控制在不结冰范围内，即在10℃以上，将叶片温度分为以下几个区间：0℃以下、0℃-3℃、3℃-10℃和10℃以上，不同的温度区间实行不同的控制策略，可以更加有效地避免叶片表面覆冰。

综上，本发明实现了风力机组叶片正常的运转，排除了覆冰的影响，不仅保证风力机组正常的工作效率而且祛除了风力机运行的安全隐患，本发明简单易行，不会改变叶片形状，不会影响叶片的气动特性，同时不会加重叶片重量，适用于各种类型的叶片。

附图说明

图1为本发明风力机叶片的叶片迎风面加热电阻丝分布示意图：迎风面加热电阻丝数量分布较多，且叶片前缘分布多于叶片中后部；

图2为本发明风力机叶片的位于叶片前缘的叶壳夹芯上层7上部的剖面示意图；

图3为本发明风力机叶片的叶片背风面加热电阻丝分布示意图：背风面加热电阻丝数量分布比迎风面少，且叶片前缘分布多于叶片中后部；

图4为本发明风力机叶片中汇流条通过接线柱外部供电电源的连接示意图；

图5为本发明风力机叶片中温度传感器和重量传感器分布示意图。

其中：1.加热电阻丝；2.汇流条；3.涂层；4.加热电阻丝分布层；5.表层；6.中间层；7.叶壳夹芯上层；8.重量传感器；9.温度传感器；10.接线柱；11.金属滑环；12.碳刷；13.动力电源；14.IGBT(绝缘栅双极型晶体管)；15.PWM(脉冲宽度调制)。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图进一步说明本发明，但并不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。

本发明风力机叶片(简称叶片，参见图1-5)包括叶壳，叶壳从内到外由叶壳夹芯上层7、中间层6和表层5构成，在叶壳的表层5的迎风面和背风面沿叶片高度方向上铺设若干数量的加热电阻丝1，形成加热电阻丝分布层4，在加热电阻丝分布层4上再铺设涂层3，通过涂层3达到保护加热电阻丝的目的；沿着叶片的轮廓边缘设有汇流条2，若干数量的加热电阻丝均与叶片轮廓边缘的汇流条2连接，所述汇流条2的两端与叶片根部的两个接线柱10连接，通过接线柱将汇流条与外部供电电路连接；

叶片整体分为叶片前缘和叶片中后部两部分，叶片前缘与叶片中后部的长度比为1:1.2-1.5，位于叶片前缘的加热电阻丝的数量为位于叶片中后部的加热电阻丝的数量的2-3倍，所有加热电阻丝除长短不同外，其规格材料完全相同，迎风面加热电阻丝的数量为背风面加热电阻丝数量的1.7-2.3倍；且位于叶片前缘的加热电阻丝之间、位于叶片中后部的加热电阻丝之间均等距布置；

在叶片中后部和叶片前缘均设置有重量传感器8，且重力传感器8位于叶壳的表层5上；在叶壳夹芯上层7上且位于叶片中后部、在中间层6上且位于叶片中部及在表层5上安装重量传感器8的位置附近均安装有温度传感器9(参见图5)，重量传感器8和温度传感器9均与外部供电电路连接，且重量传感器8和温度传感器9同时与MCU(图中未绘出)连接。

本发明中叶片前缘是覆冰最严重区域，且位置越往尖部，相对线速度越大，覆冰情况越严重。由于风力机组的变桨距控制系统，要求风力机获得最佳的风能利用系数，风力机迎风面较背风面更易形成覆冰。为了快速祛除覆冰并维持叶片整体温度恒定，加热电阻丝在安装的时候，叶片前缘密集，尤其是叶尖部，叶片中后部分布稀疏；叶片的迎风面密集度高于背风面。叶片上加入温度传感器9和测冰重量传感器8，天气寒冷时，叶片前端易形成冰层较厚中的覆冰。考虑到尤其是当叶片中上部处于覆冰融化的状态，但是冰水流动到叶片前端的时候，又易形成覆冰加厚之前的冰层，所以在叶片前缘的表层5上也加入探测冰层重量传感器8。

本发明叶片的工作原理及使用方法是：加热电阻丝连接到叶片轮廓边缘两侧的汇流条，汇流条2的两端与叶片根部的两个接线柱10连接，通过接线柱将汇流条与外部供电电路连接；即一个接线柱10通过IGBT 14与金属滑环11连接，另一个接线柱10连接另一个金属滑环11，在每个金属滑环表面设有碳刷12，碳刷与金属滑环接触，两个碳刷12的另一端分别连接动力电源的输入、输出端，最终获取电力，IGBT 14的两个三极管的基极连接PWM(脉冲宽度调制)，PWM又同时与MCU连接，MCU同时与重量传感器8和温度传感器9，通过PWM控制IGBT 14的工作频率，实现叶片整体温度均匀。动力电源可以通过风力机引出或者由风力机备用电源供电。温度传感器9获取叶片温度，重量传感器8获得叶片表面覆冰重量，且重量传感器8和温度传感器9将相应数据传输给MCU(微控制单元)。

本发明风机叶片防覆冰除覆冰方法，通过该方法实现保持叶片整体温度在10℃以上，具体步骤是：

1)将叶片与外部供电电路连接：

加热电阻丝连接到叶片轮廓边缘两侧的汇流条，汇流条2的两端与叶片根部的两个接线柱10连接，通过接线柱将汇流条与外部供电电路连接；即一个接线柱10通过IGBT 14与金属滑环11连接，另一个接线柱10连接另一个金属滑环11，在每个金属滑环表面设有碳刷12，碳刷与金属滑环接触，两个碳刷12的另一端分别连接动力电源的输入、输出端，最终获取电力；重量传感器8和温度传感器9与MCU连接，同时PWM与MCU也进行数据通讯；PWM与IGBT 14连接；

2)将叶片温度分区控制：

将叶片温度分成四个温度区间，即0℃以下、0-3℃、3-10℃和10℃以上，不同的温度区间实行不同的控制策略；设置叶片中后部的重量传感器8工作优先级低于叶片中后部的温度传感器9，叶片前缘的重量传感器8工作优先级高于叶片前缘的温度传感器9；

3)除去叶片中后部覆冰：

通过MCU控制IGBT 14的工作频率，叶片中后部的温度传感器9的测量温度低于0℃时，叶片中后部加热电阻丝1全开实现全部加热，进行融冰；当叶片中后部的温度传感器9测量温度为0-3℃时，叶片中后部加热电阻丝开1s关断1s；当叶片中后部的温度传感器9测量温度为3-10℃时，叶片中后部加热电阻丝开1s关断3s；当叶片中后部的温度传感器9测量温度为10℃以上，叶片中后部的重量传感器8感受覆冰重量高于30g，叶片中后部加热电阻丝开1s关断9s；叶片中后部的重量传感器感8受覆冰重量低于30g，叶片中后部加热电阻丝不工作；(由于叶片中后部安装有两个温度传感器，在工作时只要某一个达到了温度条件，就执行相应的动作)

4)除去叶片前缘覆冰：

先判断叶片前缘的重量传感器8的工作情况，若覆冰重量超过200g，无论叶片前缘温度传感器9测量温度如何，则叶片前缘加热电阻丝1全开加热；

对于叶片前缘处覆冰，若叶片前缘的重量传感器8测量覆冰重量低于200g，表明叶壳前端未有较厚冰层不断形成；叶片前缘的温度传感器9感受到的温度一方面为外界温度，一方面为叶片中后方冰溶化后流到前端冰水的温度；叶片前缘的温度传感器9测量温度低于0℃时，叶片前缘加热电阻丝1全开实现全部加热进行融冰；当叶片前缘的温度传感器9测量温度为0-3℃时，叶片前缘加热电阻丝开1s关断0.5s；当叶片前缘的温度传感器9测量温度为3-10℃时，叶片前缘加热电阻丝开1s关断1s；当叶片前缘的温度传感器9测量温度为10℃以上，叶片前缘的重量传感器8感受覆冰重量高于30g，叶片前缘加热电阻丝开1s关断3s；叶片前缘的重量传感器8感受覆冰重量低于30g，叶片前缘加热电阻丝不工作。

本发明方法通过控制加热电阻丝的工作频率，进而保证叶片整体温度恒定在10℃以上，进而保证叶片在不结冰的范围内实现正常工作，避免了叶片老化变形。本发明中的MCU等器件可使用风力机上现有的微控制单元，从而实现对本发明中相应传感器(温度传感器和重量传感器)及PWM的控制。

实施例1

本实施例加热电阻丝1使用型号为KanthalA-1的电阻丝，其密度为7.10g/cm³，电阻率是1.45μΩ.m，硬度230Hv，断裂延伸率18％；温度传感器9采用的是PT100铂电阻元件，并做成了贴片的样式，温度系数TCR＝0.003851，符合IEC751标准，误差在±0.15℃，具有较高的精确度，测量范围在-200～+200℃，可以测出贴片覆盖区域的平均温度。重量传感器8选用微型测力传感器EVT-14D-500G，量程为0-500g，温度范围在-10℃～60℃，直径为12mm,高度为4mm，输入阻抗350Ω±10Ω，最大激励10V DC/AC。

本实施例叶片为采用碳纤维和玻璃纤维混合使用的风轮叶片，只在叶片的关键部位，如：横梁、前后边缘选用碳纤维材料，叶片整体更加轻便、且刚性好，叶壳提供了空气动力学外形。叶片长度为120cm，叶片前缘为50cm，叶片中后部为70cm。迎风面叶片前缘加热电阻丝间距为5cm，共布置10根，迎风面叶片中后部加热电阻丝间距为10cm，共布置7根；背风面叶片前缘加热电阻丝间距为10cm，共布置5根，背风面叶片中后部加热电阻丝间距为20cm，共布置3根电阻丝；进而保证了两根电阻丝加热后可以完全实现除冰。

本实施例选取额定功率为300W的小型风力发电机为研究对象，启动风速为2m/s，额定风速为10m/s，最大转速为500r/min，工作风速为2～25m/s，风轮直径为1.20m。将本实施例的叶片安装在该风力发电机上。叶片除覆冰能力可以达到90％，防覆冰能力可达95％，叶片温度能维持在10℃左右。

本发明所涉及的元器件均可通过商购获得。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (3)

1.一种风力机叶片，包括叶壳，叶壳从内到外由叶壳夹芯上层、中间层和表层构成，其特征在于在叶壳的表层的迎风面和背风面沿叶片高度方向上铺设若干数量的加热电阻丝，形成加热电阻丝分布层，在加热电阻丝分布层上再铺设涂层；沿着叶片的轮廓边缘设有汇流条，若干数量的加热电阻丝均与叶片轮廓边缘的汇流条连接，所述汇流条的两端与叶片根部的两个接线柱连接，通过接线柱将汇流条与外部供电电路连接；一个接线柱通过IGBT与金属滑环连接，另一个接线柱连接另一个金属滑环，在每个金属滑环表面设有碳刷，碳刷与金属滑环接触，两个碳刷的另一端分别连接动力电源的输入、输出端，最终获取电力；IGBT的两个三极管的基极连接PWM，PWM又同时与MCU连接；

叶片整体分为叶片前缘和叶片中后部两部分，叶片前缘与叶片中后部的长度比为1:1.2-1.5，位于叶片前缘的加热电阻丝的数量为位于叶片中后部的加热电阻丝的数量的2-3倍，所有加热电阻丝除长短不同外，其规格材料完全相同，迎风面加热电阻丝的数量为背风面加热电阻丝数量的1.7-2.3倍；且位于叶片前缘的加热电阻丝之间、位于叶片中后部的加热电阻丝之间均等距布置；

在叶片中后部和叶片前缘均设置有重量传感器，且重力传感器位于叶壳的表层上；在叶壳夹芯上层上且位于叶片中后部、在中间层上且位于叶片中部及在表层上安装重量传感器的位置附近均安装有温度传感器，重量传感器和温度传感器均与外部供电电路连接，且重量传感器和温度传感器同时与MCU连接。

2.根据权利要求1所述的风力机叶片，其特征在于所述加热电阻丝为KanthalA-1的电阻丝，电阻率是1.45μΩ.m；所述温度传感器为PT100铂电阻元件，测量范围为-200～+200℃；所述重量传感器选用微型测力传感器EVT-14D-500G，量程为0-500g，温度范围在-10℃～60℃。

3.一种风机叶片防覆冰除覆冰方法，其特征在于该方法使用权利要求1或2所述的叶片，通过该方法能保持叶片整体温度在10℃以上，具体步骤是：

1)将叶片与外部供电电路连接：

加热电阻丝连接到叶片轮廓边缘两侧的汇流条，汇流条的两端与叶片根部的两个接线柱连接，通过接线柱将汇流条与外部供电电路连接；即一个接线柱通过IGBT与金属滑环连接，另一个接线柱连接另一个金属滑环，在每个金属滑环表面设有碳刷，碳刷与金属滑环接触，两个碳刷的另一端分别连接动力电源的输入、输出端，最终获取电力；重量传感器和温度传感器与MCU连接，同时PWM与MCU也进行数据通讯；PWM与IGBT连接；

2)将叶片温度分区控制：

将叶片温度分成四个温度区间，即0℃以下、0-3℃、3-10℃和10℃以上，不同的温度区间实行不同的控制策略；设置叶片中后部的重量传感器工作优先级低于叶片中后部的温度传感器，叶片前缘的重量传感器工作优先级高于叶片前缘的温度传感器；

3)除去叶片中后部覆冰：

通过MCU控制IGBT的工作频率，叶片中后部的温度传感器的测量温度低于0℃时，叶片中后部加热电阻丝全开实现全部加热，进行融冰；当叶片中后部的温度传感器测量温度为0-3℃时，叶片中后部加热电阻丝开1s关断1s；当叶片中后部的温度传感器测量温度为3-10℃时，叶片中后部加热电阻丝开1s关断3s；当叶片中后部的温度传感器测量温度为10℃以上，叶片中后部的重量传感器感受覆冰重量高于30g，叶片中后部加热电阻丝开1s关断9s；叶片中后部的重量传感器感受覆冰重量低于30g，叶片中后部加热电阻丝不工作；

4)除去叶片前缘覆冰：

先判断叶片前缘的重量传感器的工作情况，若覆冰重量超过200g，无论叶片前缘温度传感器测量温度如何，则叶片前缘加热电阻丝全开加热；

对于叶片前缘处覆冰，若叶片前缘的重量传感器测量覆冰重量低于200g，表明叶壳前端未有较厚冰层不断形成；叶片前缘的温度传感器测量温度低于0℃时，叶片前缘加热电阻丝全开实现全部加热，进行融冰；当叶片前缘的温度传感器测量温度为0-3℃时，叶片前缘加热电阻丝开1s关断0.5s；当叶片前缘的温度传感器测量温度为3-10℃时，叶片前缘加热电阻丝开1s关断1s；当叶片前缘的温度传感器测量温度为10℃以上，叶片前缘的重量传感器感受覆冰重量高于30g，叶片前缘加热电阻丝开1s关断3s；叶片前缘的重量传感器感受覆冰重量低于30g，叶片前缘加热电阻丝不工作。

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