CN107642465B - 风力发电机组及其叶片化冰装置 - Google Patents
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Abstract
公开了一种风力发电机组及其叶片化冰装置。所述叶片化冰装置包括安装于叶片上的电热元件，所述电热元件包括碳玻混编布和电极组件，所述碳玻混编布具有相互编织的叶片长度方向碳纤维组、叶片弦长方向碳纤维组以及玻纤维束，所述电极组件安装在所述叶片长度方向碳纤维组和叶片弦长方向碳纤维组中的其中一组的每根碳纤维束的两端。通过所提供的叶片化冰装置，可有效地对叶片进行化冰，并防止碳纤维束错位，避免串丝、短路等故障产生。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电领域，具体地说，本发明涉及一种对风力发电机组的叶片进行化冰的装置。
背景技术
一些地区的风力发电机组在寒冷时期会面临霜冻、寒潮、冻雨等极端天气，从而出现叶片覆冰、覆霜、挂雪等现象。这些现象会直接改变叶片的表面和横截面形状，降低叶片吸收风能的效率，导致机组机械运行损伤，加重机组荷载，重心偏移。同时冰块脱落对现场人员和现场设备有安全隐患。另外，叶片覆冰、挂雪还会影响测风的准确性，给风场带来严重的发电量经济性的损失，甘肃某风场2016年10月-2017年4月累积覆冰天数为60多天，累积发电量损失至少677.0056万度电。
目前，风机叶片化冰方法有溶液被动法、机械法、气热法、微波法、吸热涂料被动法、电磁冲击震动法、防水涂层被动法、颤抖法、电热主动法等。其中，电热主动化冰方法功率高，气动外形影响小，便于维护，是目前运用最广泛的一种方法。
电热主动化冰主要采用碳纤维发热层进行发热，从而执行化冰操作。碳纤维布在装配时需要经过树脂固化处理，并置于叶片本体内侧。每层碳纤维布还可采用双向纤维排布方式，例如在有些专利中公开的，双向碳纤维布的排布角度为±15～±75度，并且每层碳纤维布在导电方向上必须连续不能中断，由于特定的编织角度，使得碳纤维布的电极或电源的布置变得非常复杂，不适合一般实际应用。
另外，还存在以下缺陷：现有的碳纤维束编织交接若无固定措施，在通过注入树脂固化处理时容易引起形状随意变形，导致定位工艺难度大；现有的碳纤维束基本为镂空型，在叶片真空灌注树脂后容易引起镂空部分塌陷，导致叶片表面凹凸不行，影响叶片的气动轮廓，若要填充磨平塌陷，则会显著增加工作量；因碳纤维束为镂空型，碳纤维束之间单纯地采用空气绝缘，彼此之间没有其他绝缘物，导致碳纤维束可能会串丝连向四周电路而发生短路；由于碳纤维束经过树脂固化处理后变硬，柔韧性和弯曲性较差，不适合后续铺在翼型表面；目前碳纤维束的镀电电极的工艺需要充分保证每根碳纤维束都被包裹在电镀金属里面，而电镀层比较薄，在运输过程中有可能脆化，导致电极分裂；如果某个碳纤维丝出现了断裂点，此断裂点上对应的整根碳丝将无法发热，相应的叶片表面区域将无法达到很好的化冰效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种叶片化冰装置，在不改变叶片气动性的情况下，有效地对叶片进行化冰，并防止碳纤维束错位，避免串丝、短路等故障产生。
本发明的另一目的在于提供一种风力发电机组。
为了实现上述目的，根据本发明的一方面，提供了一种叶片化冰装置，包括安装于叶片上的电热元件，所述电热元件包括碳玻混编布和电极组件，所述碳玻混编布具有相互编织的叶片长度方向碳纤维组、叶片弦长方向碳纤维组以及玻纤维束，所述电极组件安装在所述叶片长度方向碳纤维组和叶片弦长方向碳纤维组中的其中一组的每根碳纤维束的两端。
可选地，从所述碳玻混编布的未安装所述电极组件的两侧编织有一定宽度的玻纤维布而形成锁边。
可选地，所述电极组件包括：多根导线，与所述叶片长度方向碳纤维组和叶片弦长方向碳纤维组中的其中一组的碳纤维束的两端一一对应地连接；两个导电片，分别布置在所述碳纤维束的两端，并与各端处的所有导线电连接；多个绝缘套，包裹在每根导线与碳纤维束的连接部上。
可选地，所述导电片为镀银扁铜片。
可选地，在所述电热元件正常加热时，电流仅在与所述电极组件连接的碳纤维束中流动；在与所述电极组件连接的碳纤维束在某处出现断点时，在出现断点的碳纤维束上流动的一部分电流通过其他编织单元格绕过断点而流回到出现断点的碳纤维束上。
可选地，根据所述叶片不同部位的加热需求，所述碳玻混编布的编织密度不同地设置。
可选地，所述电极组件与所述叶片长度方向碳纤维组连接，在所述叶片弦长方向碳纤维组的两端处从所述玻纤维束编织来锁边。
可选地，所述碳玻混编布的厚度小于1mm，所述碳玻混编布的编织单元格包括长度为7-23mm的长方形或正方形单元格。
可选地，所述玻纤维束填充所述叶片长度方向碳纤维组和叶片弦长方向碳纤维组之间的编织空白。
根据本发明的另一方面，一种风力发电机组，包括叶片，所述叶片上安装有上述的叶片化冰装置。
本发明能够实现以下有益效果：
(1)、叶片长度方向碳纤维组和叶片弦长方向碳纤维组在相互垂直的方向上互相编织，并采用玻纤维束作为绝缘材料，避免了相邻的碳纤维束串丝、短路等故障；
(2)、通过在碳纤维束空白处填充玻纤维束，从而在电热元件中不存在镂空部分，起到对碳纤维束定位的作用，防止碳纤维束在真空灌注树脂时错位，同时不会导致叶片表面凹凸不平；
(3)、叶片长度方向碳纤维束和叶片弦长方向碳纤维束编织成单元格，在内部出现断点时，不会影响加热效果；
(4)、可以根据叶片结冰部分严重程度，不同部位产生不一样的加热效果，以充分地化冰并避免电力浪费；
(5)、电极组件的装配较为简单、便捷，简化了叶片化冰装置的装配；
(6)、可根据不同类型风机滑环的功率要求，定制型号不同尺寸或编织密度的电热元件。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的叶片化冰装置的电热元件的示意图；
图2至图7是根据本发明的实施例的叶片化冰装置的制作视图；
图8是根据本发明的实施例的化冰机组和未化冰机组的发电功率的曲线图。
附图标记说明：
1：碳玻混编布，2：电极组件，11：叶片长度方向碳纤维组，12：叶片弦长方向碳纤维组，13：玻纤维束，21：金属套管，22：导线，23：绝缘套，24：导电片。
具体实施方式
为了使本领域技术人员能够更好的理解本发明，下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。
参照图1，示出了根据本发明的实施例的叶片化冰装置的电热元件。在图1中，以电热元件安装在叶片上的位置，将水平方向称为叶片长度方向，竖直方向称为叶片弦长方向。虽然此处如此定义，但是在实际装配中，可将电热元件转90度铺设，这样，水平方向和竖直方向可以互换，而并不局限于此处的固定方位。
根据本发明的实施例，提供了一种用于对叶片进行化冰的叶片化冰装置，通常，叶片化冰装置可安装在叶片的出现结冰或挂雪的部位，例如，可预埋在叶片内部或者外挂于叶片表面上，用以消除冰雪，恢复风力发电机组的正常发电功率。
叶片化冰装置包括电热元件，该电热元件置于叶片上，包括两组碳纤维束，在此称为叶片长度方向碳纤维组11和叶片弦长方向碳纤维组12，每组均包括多根碳纤维束，叶片长度方向的碳纤维束、叶片弦长方向的碳纤维束与玻纤维束13相互编织(也就是说，两组碳纤维束彼此相垂直地编织)。玻纤维束13可填充或完全填充叶片长度方向的碳纤维束与叶片弦长方向的碳纤维束之间的编织空白部位，从而形成密实的碳玻混编布1而没有镂空，从而不会造成叶片表面凹凸不平。叶片长度方向碳纤维组11和叶片弦长方向碳纤维组12在各个编织单元格的节点处彼此电连通。同时，玻纤维束可对碳纤维束起到定位和绝缘的作用，相邻的碳纤维束不会出现串丝、短路等问题，并且在真空灌注树脂和固定期间，也可确保碳纤维束不会错位，从而有良好的固形性。
叶片化冰装置的电极组件2安装在叶片长度方向碳纤维组11或者叶片弦长方向碳纤维组12的两端，并与该组中的所有碳纤维束连接以向每根碳纤维束供应相同水平的电力。
如图1所示，在叶片长度方向碳纤维组11的两端连接电极组件2，分别作为正负电极，向叶片长度方向布置的每根碳纤维束供电。在叶片弦长方向碳纤维组12的未安装电极组件2的两端处还进一步编织有玻纤维布(未示出)，从而形成锁边。该玻纤维布在叶片弦长方向上可具有适当的宽度，作为绝缘层，例如，可为20mm左右。
除此以外，还可以在叶片弦长方向碳纤维组12的两端连接电极组件2，在叶片长度方向碳纤维组11的两端编织玻纤维布形成锁边。或者，还可以在叶片长度方向碳纤维组11的两端从玻纤维束13开始编织锁边，而该锁边可采用其他合适的绝缘材料。
在叶片化冰装置正常执行加热作业时，因为在叶片长度方向碳纤维组11中的每根碳纤维束供应同等的电压，因而叶片长度方向的碳纤维束相当于并联电路，电流仅在叶片长度方向的碳纤维束中流动，执行加热。如果在叶片长度方向的碳纤维束中某处出现了断点，那么该碳纤维束上的电流的一部分会绕过出现断点的编织单元格，通过邻近的单元格再次流回到该碳纤维束中(具体地，在出现断点的碳纤维束的断点一侧部分上流动的电流通过邻近的编织单元格绕过断点而流到出现断点的碳纤维束的处于断点另一侧的部分上)。具体地，一部分电流经处于断点前方的叶片弦长方向的碳纤维束而向上或者向下流动，进而流动到相邻的叶片长度方向碳纤维束上，之后流到处于断点后方的叶片弦长方向的碳纤维束中，最后流回到出现断点的碳纤维束的处于断点后方的部分中。另一些电流可能会流向其他的碳纤维束中，在这种情况下，断点周围的电流场发生变化，一些叶片长度方向的碳纤维束中的电流增大，并且一些叶片弦长方向碳纤维束中也会有电流流动，因而，这在某种程度上可有助于叶片表面的加热和化冰操作。
因此，电热单元在出现断点等故障时，仍然可持续地进行化冰，甚至可促进断点周围的加热。
通常，碳玻混编布1的厚度可小于1mm，叶片长度方向的碳纤维束和叶片弦长方向的碳纤维束的可以编织为正方形或者长方形单元格，其边长可在7-23mm的范围内，当然小于7mm或者大于23mm也是可能的，这可根据加热需求确定。
由于叶片上结冰或挂雪等的部位不同，因此可能需要对叶片的不同部位执行不同程度的加热。在本发明的实施例中，碳玻混编布1可被裁减成不同尺寸使其具有不同的幅宽和长度，并可铺设在叶片的不同部位。另外，根据叶片需要化冰部位的加热需求，还可适当地调节编织单元格的大小，即，改变编织的松紧度或密度，以调节发热功率。另外，还可以改变碳纤维束的型号，使其具有不同的发热功率，还可以改变电热元件所连接到的电源的额定功率来调节发热量。通过以上方式，可针对叶片不同部位的不同化冰需求来调节电热元件的发热量，从而避免叶片加热不足或过度的情况。
另外，还可以根据不同型号的风力发电机组的滑环的功率需求来调节电热元件的发热功率。
下面参照图2至图7描述叶片化冰装置的电极组件2的装配过程。
首先将碳纤维束和玻纤维束按照设计规格和尺寸进行互相编织和锁边，然后裁减成半成品。然后，在叶片长度方向碳纤维组的每根叶片长度方向的碳纤维束的两端套上专用的金属套管21，并在每根长度方向的碳纤维束的两端都连接上导线22，最后将金属套管21压平，如图5中所示，以压实碳纤维束与导线22之间的连接部。
之后，可在碳纤维束与导线22之间的连接部处套上绝缘套23，或者包裹一层绝缘材料亦可。然后，在叶片长度方向两端，在导线22的下方都压上一个导电片24，该导电片24为一个整体的片，使得导线22能够与导电片24电连接，并且从导电片24接收相同的电压。
最后可将电源连接到导电片24。这样，导电片24便可为每根叶片长度方向的碳纤维束提供相等的电压。
在本发明的实施例中，导电片24可以是镀银扁铜片。基于最佳导电性和经济性的平衡，采取镀银扁铜片的导电片24，可以有效提高导电片24的导电性能。
通过所提供的叶片化冰装置，叶片长度方向碳纤维组和叶片弦长方向碳纤维组在叶片长度方向和竖向上互相编织，并采用玻纤维束作为绝缘材料，避免了相邻的碳纤维束串丝、短路等故障。通过在碳纤维束空白处填充玻纤维束，从而在电热元件中不存在镂空部分，起到对碳纤维束定位的作用，防止碳纤维束在真空灌注树脂时错位，同时不会导致叶片表面凹凸不平。叶片长度方向碳纤维束和叶片弦长方向碳纤维束交叉分布于叶片长度方向和叶片弦长方向，在内部出现断点时，不会影响加热效果。可以根据叶片结冰部分严重程度，不同部位产生不一样的加热效果，以充分地化冰并避免电力浪费。
根据本发明的另一实施例，还提供了一种风力发电机组，该风力发电机组的叶片可安装有上述叶片化冰装置。
下面参照图8对本发明所提供的叶片化冰装置的样机试验进行详细的描述。试验针对2.0MW风力发电机组除冰样机，叶片化冰装置的电热元件的功率密度为386W/m2。
如图8所示，示出了两组结冰的风力发电机组和一组采用本发明所提供的叶片化冰装置的风力发电机组的发电功率曲线图。风力发电机组样机在环境温度低于0℃的情况下，发生叶片结冰现象。在启用了叶片化冰装置后，风力发电机组能够基本正常发电，没有因为结冰造成停机。然而，其他两台机组因未执行除冰，结冰严重导致功率损失严重，执行停机。通过以上采用本发明所提供的叶片化冰装置执行了除冰的机组和普通结冰机组的功率及发电量的比较，可以发现在本次结冰期，进行了除冰的机组比其他两组机组多发电将近40000度。
上面对本发明的具体实施方式进行了详细描述，虽然已表示和描述了一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改和完善，这些修改和完善也应在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种叶片化冰装置，包括安装于叶片上的电热元件，其特征在于，所述电热元件包括碳玻混编布(1)和电极组件(2)，所述碳玻混编布(1)具有叶片长度方向碳纤维组(11)、叶片弦长方向碳纤维组(12)以及玻纤维束(13)，所述电极组件(2)安装在所述叶片长度方向碳纤维组(11)和叶片弦长方向碳纤维组(12)中的其中一组的每根碳纤维束的两端，
其中，所述叶片长度方向碳纤维组(11)和所述叶片弦长方向碳纤维组(12)与所述玻纤维束(13)相互编织，并且所述玻纤维束(13)完全填充所述叶片长度方向碳纤维组(11)和所述叶片弦长方向碳纤维组(12)之间的编织空白，
其中，所述叶片长度方向碳纤维组(11)和所述叶片弦长方向碳纤维组(12)在各个编织单元格的节点处彼此电连通。
2.根据权利要求1所述的叶片化冰装置，其特征在于，从所述碳玻混编布(1)的未安装所述电极组件(2)的两侧编织有一定宽度的玻纤维布而形成锁边。
3.根据权利要求1所述的叶片化冰装置，其特征在于，所述电极组件(2)包括：多根导线(22)，与所述叶片长度方向碳纤维组(11)和叶片弦长方向碳纤维组(12)中的其中一组的碳纤维束的两端一一对应地连接；两个导电片(24)，分别布置在所述碳纤维束的两端，并与各端处的所有导线(22)电连接；多个绝缘套(23)，包裹在每根导线(22)与碳纤维束的连接部上。
4.根据权利要求3所述的叶片化冰装置，其特征在于，所述导电片(24)为镀银扁铜片。
5.根据权利要求1所述的叶片化冰装置，其特征在于，在所述电热元件正常加热时，电流仅在与所述电极组件(2)连接的碳纤维束中流动；在与所述电极组件(2)连接的碳纤维束在一处出现断点时，在出现断点的碳纤维束上流动的一部分电流通过其他编织单元格绕过断点而流回到出现断点的碳纤维束上。
6.根据权利要求1所述的叶片化冰装置，其特征在于，根据所述叶片不同部位的加热需求，所述碳玻混编布(1)的编织密度不同地设置。
7.根据权利要求1所述的叶片化冰装置，其特征在于，所述电极组件(2)与所述叶片长度方向碳纤维组(11)连接，在所述叶片弦长方向碳纤维组(12)的两端处从所述玻纤维束(13)编织来锁边。
8.根据权利要求2所述的叶片化冰装置，其特征在于，所述碳玻混编布(1)的厚度小于1mm，所述碳玻混编布(1)的编织单元格包括边长为7-23mm的长方形或正方形单元格。
9.根据权利要求3所述的叶片化冰装置，其特征在于，所述电极组件(2)还包括多个金属套管(21)，每个金属套管(21)被构造为压实每根导线(22)与碳纤维束的连接部，并且所述绝缘套(23)包裹在所述金属套管(21)的外侧。
10.一种风力发电机组，包括叶片，其特征在于，所述叶片上安装有如权利要求1至9中任一项所述的叶片化冰装置。
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