CN108869203A - 一种水平轴风力发电机叶片除冰系统及除冰方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于风力发电技术领域，尤其涉及一种水平轴风力发电机叶片除冰系统及除冰方法。包括SMA加热驱动器、石墨烯加热膜、电阻丝、加热电极、结冰检测装置、控制器、供电电源；涂覆在叶片外壳内壁上的石墨烯加热膜从叶根至叶尖成螺旋状绕叶片分布，形成为一绕叶片的螺旋状线条；通过结冰检测装置检测冰层厚度，触发SMA加热驱动器发生形变，由于SMA从开始形变到接触石墨烯加热膜之间具有一定时间，通过控制器控制通过SMA的电流强度来控制该时间以提高除冰切入的时间准确性。本发明依靠SMA加热驱动器触发分布于叶片外壳内壁的螺旋状石墨烯加热膜的方式，使系统除冰具有一定时间的判断与缓冲，提高了系统的除冰效果，也减少了不必要的能耗。

Description

一种水平轴风力发电机叶片除冰系统及除冰方法

所属技术领域

本发明属于风力发电技术领域，尤其涉及一种水平轴风力发电机叶片除冰系统及除冰方法。

背景技术

风力发电机机组一般安装于高山或边疆地区，在低温、高湿环境中存在着大量低于冰点的过冷小水滴，此时的过冷水滴处于亚稳定状态。当叶片的覆冰云层中转动时，这些过冷液滴在下落过程中撞击到风电叶片表面后会变成球缺状，碰撞作用会使液滴受到扰动，在液滴中会形成自发长大的冰核，同时液滴的过冷状态也会消失，此时液滴温度迅速回到平衡覆冰温度0℃附近，并且水滴迅速开始冻结，冻结从水滴边缘开始迅速扩散到水滴顶部，使得过冷水滴在接触表面迅速转变为稳定状态的冰。

低温条件下，风电叶片表面覆冰已成为长期困扰风力发电机冬季正常运转的主要因素。叶片覆冰会导致风电叶片空气动力学的破坏，导致叶片受风能力降低，同时也对叶片结构甚至整个风电机组产生破坏性影响。目前常见的除冰方式主要包括机械除冰、液力除冰、热力除冰，然而，上述除冰方式存在除冰效果差、能耗高的情况，尤其是现目前大多数风电厂商所采用的热力除冰方式，其同一时段的能耗比居高不下。

本发明设计一种水平轴风力发电机叶片除冰系统及其除冰方法来解决如上问题。

发明内容

为解决现有技术中的上述缺陷，本发明公开一种水平轴风力发电机叶片除冰系统及其除冰方法，它是采用以下技术方案来实现的。

一种水平轴风力发电机叶片除冰系统，其特征在于：包括SMA加热驱动器、石墨烯加热膜、电阻丝、加热电极、结冰检测装置、控制器、供电电源；所述SMA加热驱动器包括形状记忆合金丝、二硫化锢薄膜、聚四氟乙烯层、玻纤软管；平铺涂覆在叶片外壳内壁上的石墨烯加热膜具有一定的宽度，并且石墨烯加热膜在叶片的长度方向上从叶根至叶尖成螺旋状绕叶片外壳内壁分布，形成为一绕叶片的螺旋状线条，该线条的起点为叶片叶根位置，终点为叶片叶尖点；

所述二硫化锢薄膜与聚四氟乙烯层由内向外依次涂覆于形状记忆合金丝外表面，再由玻纤软管包裹以形成SMA加热驱动器；所述SMA加热驱动器的一端电连接于所述供电电源，另一端位于叶片前缘线上，并且该另一端与所述螺旋状线条和叶片前缘线条所形成的交汇点在前缘线的方向上保持一定距离，所述加热电极则设置位于所述交汇点处；

多条所述电阻丝在叶片长度方向上从叶根至叶尖均匀分布，所述电阻丝为直线、正弦或锯齿状或类似形状而分布于叶片外壳内壁中，各条电阻丝之间的间距相等，并且各条电阻丝的正弦或锯齿状的振幅保持不变，而波动周期从叶根至叶尖逐渐减小，以使越靠近叶尖的比面加热功率大于越靠近叶根区域的比面加热功率；所述电阻丝加热与石墨烯加热膜加热分别由两个控制器控制而成为两个独立的加热系统，协同对叶片进行加热除冰。

作为本技术的进一步改进，所述螺旋状线条的螺距从叶根至叶尖符合如下函数：f(x)=1/sin(x)，其中，x为叶根至叶尖方向螺旋线的螺距个数，x∈（1,90），所述螺距为螺旋线绕叶片旋转时经过与叶根与叶尖连线在叶片外壁处的两相邻交点之间的连线距离；

作为本技术的进一步改进，所述石墨烯加热膜厚度为20-25μm，宽度为10-15mm；

本发明还包括一种水平轴风力发电机叶片除冰方法，其具体技术方案如下：

一种包括前述除冰系统的除冰方法，其特征在于：当结冰检测装置检测到结冰层厚度超过一定阈值时，触发控制器接通供电电源以使所述SMA加热驱动器受电变形，其在长度方向获得拉伸，在此同时，结冰检测装置不断发送除冰脉冲信号至控制器，以使控制器持续增加供电电源的电流强度，最终使得SMA加热驱动器的另一端接触到螺旋状石墨烯加热膜与叶片前缘线之间的所述交汇点，进而使石墨烯加热膜受电升温；若在SMA加热驱动器的形状记忆合金丝变形的过程中，所述结冰检测装置停止发送除冰脉冲信号，则控制器切断供电电源以使SMA加热驱动器回缩以避免其另一端接触石墨烯加热膜与叶片前缘线之间的所述交汇点；若在石墨烯加热膜接触SMA加热驱动器而受电升温一定时间后，结冰检测装置依然检测到一定时间内的结冰层厚度超过所述阈值，则启动电阻加热，通过控制器控制供电电源以使分布于叶片外壳内壁的电阻丝受电升温，通过石墨烯加热膜与电阻丝合并加热的方式用于叶片厚冰层的除冰。

相对于传统的叶片除冰技术，本发明通过结冰检测装置检测冰层厚度，触发SMA加热驱动器发生形变，由于SMA从开始形变到接触石墨烯加热膜之间具有一定时间，通过控制器控制通过SMA的电流强度来控制该时间以提高除冰切入的时间准确性。本发明依靠SMA加热驱动器触发分布于叶片外壳内壁的螺旋状石墨烯加热膜的方式，使系统除冰具有一定时间的判断与缓冲，提高了系统的除冰效果，也减少了不必要的能耗。

附图说明

图1是石墨烯加热膜绕叶片外壳螺旋分布示意图。

图2是正弦线条的电阻丝示意图。

图3是石墨烯加热膜阻抗随温度变化曲线示意图。

具体实施方式

如图3所示为石墨烯加热膜阻抗随温度变化曲线示意图，由该图可见，将石墨烯应用于叶片除冰，其随着温度的升高而自身的阻抗不会出现大量的下降，其下降幅度与下降速度均处在可容许的范围之内。而若采用其它热阻抗材料，则其阻抗随温度的下降会更明显，甚至在温度达到一定阈值以上时，会出现磁顺现象，从而导致其导电性大大降低。

所述二硫化锢具有耐高温、耐腐蚀，其导电性能优异，相比于现有技术中所使用的二硫化钼具有更优异的综合性能，申请人经过大量实验研究，综合选择二硫化锢涂层作为形状记忆合金丝的表面涂层，其在形状记忆合金丝作动的过程中，能够几乎瞬间反应并且线性移动指定长度至指定位置，其自润滑性能相比于二硫化钼也更优异。

本发明提供如下具体实施方式：

一种水平轴风力发电机叶片除冰系统，其特征在于：包括SMA加热驱动器、石墨烯加热膜、电阻丝、加热电极、结冰检测装置、控制器、供电电源；所述SMA加热驱动器包括形状记忆合金丝、二硫化锢薄膜、聚四氟乙烯层、玻纤软管；平铺涂覆在叶片外壳内壁上的石墨烯加热膜具有一定的宽度，并且石墨烯加热膜在叶片的长度方向上从叶根至叶尖成螺旋状绕叶片外壳内壁分布，形成为一绕叶片的螺旋状线条，该线条的起点为叶片叶根位置，终点为叶片叶尖点；

所述二硫化锢薄膜与聚四氟乙烯层由内向外依次涂覆于形状记忆合金丝外表面，再由玻纤软管包裹以形成SMA加热驱动器；所述SMA加热驱动器的一端电连接于所述供电电源，另一端位于叶片前缘线上，并且该另一端与所述螺旋状线条和叶片前缘线条所形成的交汇点在前缘线的方向上保持一定距离，所述加热电极则设置位于所述交汇点处；

多条所述电阻丝在叶片长度方向上从叶根至叶尖均匀分布，所述电阻丝为正弦或锯齿状或类似形状而分布于叶片外壳内壁中，各条电阻丝之间的间距相等，并且各条电阻丝的正弦或锯齿状的振幅保持不变，而波动周期从叶根至叶尖逐渐减小，以使越靠近叶尖的比面加热功率大于越靠近叶根区域的比面加热功率；所述电阻丝加热与石墨烯加热膜加热分别由两个控制器控制而成为两个独立的加热系统，协同对叶片进行加热除冰。

作为本技术的进一步改进，所述螺旋状线条的螺距从叶根至叶尖符合如下函数：f(x)=1/sin(x)，其中，x为叶根至叶尖方向螺旋线的螺距个数，x∈（1,90），所述螺距为螺旋线绕叶片旋转时经过与叶根与叶尖连线在叶片外壁处的两相邻交点之间的连线距离；

作为本技术的进一步改进，所述石墨烯加热膜厚度为20-25μm，宽度为10-15mm；

本发明还包括一种水平轴风力发电机叶片除冰方法，其具体技术方案如下：

一种包括前述除冰系统的除冰方法，其特征在于：当结冰检测装置检测到结冰层厚度超过一定阈值时，触发控制器接通供电电源以使所述SMA加热驱动器受电变形，其在长度方向获得拉伸，在此同时，结冰检测装置不断发送除冰脉冲信号至控制器，以使控制器持续增加供电电源的电流强度，最终使得SMA加热驱动器的另一端接触到螺旋状石墨烯加热膜与叶片前缘线之间的所述交汇点，进而使石墨烯加热膜受电升温；若在SMA加热驱动器的形状记忆合金丝变形的过程中，所述结冰检测装置停止发送除冰脉冲信号，则控制器切断供电电源以使SMA加热驱动器回缩以避免其另一端接触石墨烯加热膜与叶片前缘线之间的所述交汇点；若在石墨烯加热膜接触SMA加热驱动器而受电升温一定时间后，结冰检测装置依然检测到一定时间内的结冰层厚度超过所述阈值，则启动电阻加热，通过控制器控制供电电源以使分布于叶片外壳内壁的电阻丝受电升温，通过石墨烯加热膜与电阻丝合并加热的方式用于叶片厚冰层的除冰。

以上所述实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种水平轴风力发电机叶片除冰系统，其特征在于：包括SMA加热驱动器、石墨烯加热膜、电阻丝、加热电极、结冰检测装置、控制器、供电电源；所述SMA加热驱动器包括形状记忆合金丝、二硫化锢薄膜、聚四氟乙烯层、玻纤软管；平铺涂覆在叶片外壳内壁上的石墨烯加热膜具有一定的宽度，并且石墨烯加热膜在叶片的长度方向上从叶根至叶尖成螺旋状绕叶片外壳内壁分布，形成为一绕叶片的螺旋状线条，该线条的起点为叶片叶根位置，终点为叶片叶尖点；

所述二硫化锢薄膜与聚四氟乙烯层由内向外依次涂覆于形状记忆合金丝外表面，再由玻纤软管包裹以形成SMA加热驱动器；所述SMA加热驱动器的一端电连接于所述供电电源，另一端位于叶片前缘线上，并且该另一端与所述螺旋状线条和叶片前缘线条所形成的交汇点在前缘线的方向上保持一定距离，所述加热电极则设置位于所述交汇点处；

多条所述电阻丝在叶片长度方向上从叶根至叶尖均匀分布，所述电阻丝为直线、正弦或锯齿状或类似形状而分布于叶片外壳内壁中，各条电阻丝之间的间距相等，并且各条电阻丝的正弦或锯齿状的振幅保持不变，而波动周期从叶根至叶尖逐渐减小，以使越靠近叶尖的比面加热功率大于越靠近叶根区域的比面加热功率；所述电阻丝加热与石墨烯加热膜加热分别由两个控制器控制而成为两个独立的加热系统，协同对叶片进行加热除冰。

2.根据权利要求1所述的一种水平轴风力发电机叶片除冰系统，其特征在于：所述螺旋状线条的螺距从叶根至叶尖符合如下函数：f(x)=1/sin(x)，其中，x为叶根至叶尖方向螺旋线的螺距个数，x∈（1,90），所述螺距为螺旋线绕叶片旋转时经过与叶根与叶尖连线在叶片外壁处的两相邻交点之间的连线距离。

3.根据权利要求1或2所述一种水平轴风力发电机叶片除冰系统，其特征在于：所述石墨烯加热膜厚度为20-25μm，宽度为10-15mm。

4.一种包括如权利要求1所述除冰系统的除冰方法，其特征在于：当结冰检测装置检测到结冰层厚度超过一定阈值时，触发控制器接通供电电源以使所述SMA加热驱动器受电变形，其在长度方向获得拉伸，在此同时，结冰检测装置不断发送除冰脉冲信号至控制器，以使控制器持续增加供电电源的电流强度，最终使得SMA加热驱动器的另一端接触到螺旋状石墨烯加热膜与叶片前缘线之间的所述交汇点，进而使石墨烯加热膜受电升温；若在SMA加热驱动器的形状记忆合金丝变形的过程中，所述结冰检测装置停止发送除冰脉冲信号，则控制器切断供电电源以使SMA加热驱动器回缩以避免其另一端接触石墨烯加热膜与叶片前缘线之间的所述交汇点；若在石墨烯加热膜接触SMA加热驱动器而受电升温一定时间后，结冰检测装置依然检测到一定时间内的结冰层厚度超过所述阈值，则启动电阻加热，通过控制器控制供电电源以使分布于叶片外壳内壁的电阻丝受电升温，通过石墨烯加热膜与电阻丝合并加热的方式用于叶片厚冰层的除冰。