CN109563806B

CN109563806B - 堆叠布置结构中的汇流条

Info

Publication number: CN109563806B
Application number: CN201780050026.9A
Authority: CN
Inventors: L·斯潘德利; P·巴杰; S·巴格
Original assignee: Vestas Wind Systems AS
Current assignee: Vestas Wind Systems AS
Priority date: 2016-06-30
Filing date: 2017-06-29
Publication date: 2021-05-04
Anticipated expiration: 2037-06-29
Also published as: EP3478959B1; CN109563806A; EP3478959A1; WO2018001435A1; CA3027601C; CA3027601A1; US11319934B2; US20190145384A1; DK3478959T3

Abstract

本公开的示例总体涉及风力涡轮机叶片，其被配置成最小化或消除叶片上的冰的累积。为了在风力涡轮机叶片上保持无冰表面，一个或多个ETH板被嵌入风力涡轮机叶片中以加热风力涡轮机叶片。一个或多个汇流条电连接到一个或多个ETH板中的每个ETH板，以用于向ETH板传导电力。汇流条可以被设置成重叠构型，以提供风力涡轮机叶片的均匀加热。

Description

堆叠布置结构中的汇流条

技术领域

本公开中呈现的示例总体涉及风力涡轮机，并且更具体地涉及风力涡轮机叶片。

背景技术

现代发电和配电网络越来越依赖可再生能源，诸如风力涡轮机。在一些情况下，风力涡轮机可以代替传统的基于化石燃料的发电机。即使在温和的气候条件下，风力涡轮机叶片表面上的冰的形成也是相对普遍的问题。冰在叶片表面上的积聚和扩散，尤其是在叶片的尖端部分上的积聚和扩散改变了叶片的空气动力学特性，并且还可能导致在叶片上的振动和负载增加，所有这些都导致电力输出降低。在更严重的情况下，涡轮机可能需要在冰积聚时关闭以防止叶片的过载，过载可能损坏叶片部件或过早地使叶片部件疲劳。

因此，需要一种改进的风力涡轮机，其包括用于防止冰在风力涡轮机叶片上积聚的方法和装置。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种风力涡轮机叶片，其包括：设置在风力涡轮机叶片结构上或其中的多个电热加热板；以及电连接到多个电热加热板中的每个电热加热板的一个或多个汇流条，其中该一个或多个汇流条沿着风力涡轮机叶片的弦向和/或翼展方向延伸，并且相邻的汇流条在竖直方向上基本对齐，以在风力涡轮机叶片的加热期间基本上防止在风力涡轮机叶片结构中的冷点或热点。

相邻的汇流条可以在预定公差内在竖直方向上对齐。预定公差可以基本上等于汇流条的宽度。预定公差可包括最小预定公差和最大预定公差。

最小预定公差可以等同于第一汇流条的外边缘与相邻的第二汇流条的外边缘在竖直方向上对齐。

最大预定公差可以等同于第一汇流条的内边缘与相邻的第二汇流条的内边缘在竖直方向上对齐。

风力涡轮机叶片还可包括设置于在竖直方向上基本对齐的相邻的汇流条之间的绝缘层。该绝缘层可以延伸超过在竖直方向上基本对齐的相邻的汇流条的外边缘和内边缘。绝缘层可以由阻燃材料或玻璃增强塑料制成。

根据本发明的第二方面，提供了一种风力涡轮发电机，其包括：塔架；连接到塔架的机舱；连接到机舱的轮毂；以及连接到轮毂的根据上述风力涡轮机叶片的任何一个特征的一个或多个风力涡轮机叶片。

附图说明

因此，能够详细理解本公开的上述特征的方式、本公开的更具体的描述、以上简要概述，可以通过参考示例的方式来获得，其中一些示例在附图中说明。然而，应注意，附图仅示出了本公开的典型示例，因此不应视为限制其范围，因为本公开可允许其它同等有效的示例。

图1示出了根据本发明的一个或多个实施方式的水平轴风力涡轮发电机(WTG)的示意图。

图2示出了根据本发明的一个或多个实施方式的图1的机舱104和塔架内部的典型部件的示意图。

图3是根据本发明的一个或多个实施方式的用于图1的WTG内的一个或多个电热加热(ETH)板的控制系统的示意图。

图4A至图4B是根据本发明的一个或多个实施方式的图1的叶片的透视图，其示出了嵌入的ETH板的一部分。

图5A至图5B是根据本发明的一个或多个实施方式的包括多个ETH板的叶片的一部分的示意性透视图。

图6是根据本发明的一个或多个实施方式的包括多个ETH板的叶片的一部分的示意性透视图。

图7是根据本发明的一个或多个实施方式的多个ETH板的示意性侧视图。

图8A至图8B是根据本发明的一个或多个实施方式的相邻的ETH板的示意性侧视图。

为了便于理解，在可能的情况下，使用相同的附图标记来表示附图中共有的相同元件。设想到的是，在一个示例中公开的元件可以有利地用于其它示例而无需具体阐述。

具体实施方式

本公开的示例总体涉及风力涡轮机叶片，其被构造成最小化或消除冰在叶片上的累积。为了在风力涡轮机叶片上保持无冰表面，一个或多个ETH板被嵌入风力涡轮机叶片中以加热风力涡轮机叶片。一个或多个汇流条电连接到一个或多个ETH板中的每个ETH板，用于向ETH板传导电力。汇流条可以设置成重叠构型，以提供风力涡轮机叶片的均匀加热。

图1示出了水平轴风力涡轮发电机(WTG)100的示意图。WTG 100通常包括塔架102和位于塔架102顶部的机舱104。风力涡轮机转子106可以通过从机舱104延伸出的低速轴与机舱104连接。如图所示，风力涡轮机转子106包括安装在共用轮毂110上的三个转子叶片108，但是也可以包括任何合适数量的叶片，诸如两个、四个、五个或更多个叶片。通常，叶片108的空气动力学形状具有面向风的前缘112、在叶片108的弦的相反端处的后缘114、尖端116以及用于通过任何合适的方式附接到轮毂110的根部118。对于一些示例，叶片108可以通过使用桨距轴承120连接到轮毂110，使得每个叶片108可以围绕其纵向轴线旋转以调节叶片的桨距。

图2示出了WTG 100的机舱104和塔架102内部的典型部件的示意图。当风200撞击叶片108时，转子106转动并且使低速轴202旋转。齿轮箱204中的齿轮将低速轴202的低转速机械地转换成适合于使用发电机206发电的高速轴208的相对高的转速。WTG 100还可以包括用于紧急关闭情况和/或将转子锁定在所需位置的制动系统212。

控制器210可以感测轴202、208中的一个或两个的转速。控制器210还可以接收来自风速计214(提供风速)和/或风向标216(提供风向)的输入。基于接收到的信息，控制器210可以向一个或多个叶片108发送控制信号，以努力调节叶片的桨距218。通过相对于风向调节叶片的桨距218，转子(并且因此轴202、208)的转速可以增加或减小。例如，基于风向，控制器210可以向包括偏航马达220和偏航驱动件222的组件发送控制信号，以使机舱104相对于塔架102旋转，使得转子106可以定位成面对更多(或在某些情况下，更少)逆风。

在寒冷气候区域中，冰可能形成在叶片108上，这会降低叶片108的旋转的速度。为了在叶片108上保持无冰表面，可以利用一个或多个电热加热(ETH)板。图3是用于WTG 100内的一个或多个ETH板302的控制系统300的示意图。控制系统300可包括多个叶片控制和配电箱304、轮毂控制和配电箱306、滑环314、电源316和系统控制器308。每个叶片108中可以嵌入一个或多个ETH板302，并且可以由位于每个叶片108的根部118中的叶片控制和配电箱304控制。每个叶片108可以有一个叶片控制和配电箱304。在一个示例中，每个叶片108中嵌入多达32个ETH板302，诸如覆盖迎风叶片表面的16个ETH板302和覆盖背风叶片表面的16个ETH板302。在一个示例中，一个或多个ETH板302覆盖除了根部118之外的整个叶片108。电力可以从位于叶片根部中的叶片控制和配电箱304供应至一个或多个ETH板302。叶片控制和配电箱304可以包括用于接通和断开每个叶片108中的一个或多个ETH板302的继电器。叶片控制和配电箱304还可以包括防雷部件。电缆从叶片控制和配电箱304通向每个ETH板302。在一个示例中，WTG 100包括三个叶片和三个电缆307，并且每个电缆307将轮毂控制和配电箱306连接到位于相应的叶片108中的相应的叶片控制和配电箱304。

轮毂控制和配电箱306可以与位于机舱104内的滑环314电连接。滑环314可以电连接到位于机舱104内的电源316。电源316可以包括断路器开关以允许系统断电。可以经由滑环314从电源316通过机舱104的轮毂接口供应电力，并且可以经由滑环314、轮毂控制和配电箱306、叶片控制和配电箱304将电力供应到每个叶片108中的一个或多个ETH板302。控制系统300的控制和运行可以由经由系统控制器308的远程连接和通过滑环314的通信实现。在一个示例中，系统控制器308可以是独立的系统。在另一个示例中，系统控制器308可以包含在涡轮机控制器内。系统控制器308可以连接到滑环314以允许与轮毂控制和配电箱306通信。每个叶片控制和配电箱304可以通过滑环314电连接到通信链路。来自系统控制器308的提供给叶片控制和配电箱304的控制信号通过滑环314传送。在一个示例中，这可以通过无线链路。在另一个示例中，这可以通过电纤维链路或光纤链路。

控制系统300可以利用工作循环(即，在一段时间内接通和断开继电器)来实现在每个叶片108中的一个或多个ETH板302上的功率分配。在严重的结冰状况期间，理想的是，嵌入叶片108中的所有ETH板302应该持续接通。滑环314可以具有功率或电流约束，其将限制从电源316汲取到ETH板302的能量。为了最大化ETH板302可用的潜在功率，控制系统300将关注组合能量消耗小于滑环314的能力的一组固定且预定区域。

图4A是叶片108的透视图，其示出了嵌入的ETH板302的一部分。如图所示，ETH板302可以嵌入叶片108中，诸如在叶片108的第一层402和第二层404之间。ETH板302可以是任何合适的电阻加热元件。

在一个示例中，每个ETH板302是碳网。一个或多个汇流条408横跨ETH板302设置，以用于向ETH板302供电，如图4B所示。ETH板302的密度可以在约50g/m²至约200g/m²的范围内。ETH板302可以具有数十或数百微米的厚度，诸如在约20微米和约100微米之间。ETH板302能够提供预定热通量，这由ETH板302使用的材料的电阻确定。由ETH板302提供的热通量可以在约1kW/m²至约20kW/m²的范围内，诸如从约2.5kW/m²至约5kW/m²的范围。ETH板302可以是矩形或其它合适的形状。一个或多个汇流条408可以电连接到ETH板302，以用于向ETH板302传导电力。在一个实施方式中，两个汇流条408电连接到ETH板302的相对边缘部分。汇流条408可以沿着ETH板302的宽度延伸或者沿着ETH板302的长度延伸。汇流条408可以由导电金属(诸如铜)的薄带制成。在一个实施方式中，汇流条408的厚度在约20微米至约100微米的范围内，诸如约50微米。

图5A是根据一个示例的包括多个ETH板302的叶片108的一部分的示意性透视图。省略第一层以示出嵌入的多个ETH板302。如图5A所示，多个ETH板302可以设置在第二层404上。汇流条408可以在叶片108的弦向上设置在ETH板302上。当经由汇流条408向ETH板302供电时，ETH板302被加热，但汇流条408和ETH板302的连接到汇流条408的边缘部分不被加热。因此，ETH板302可以沿着弦向彼此相邻放置而不重叠，并且没有形成冷点或热点。

然而，如图5B所示，当沿着叶片108的翼展方向彼此相邻放置ETH板302时，相邻的汇流条408会产生冷点或冷带。例如，当汇流条408彼此相邻设置时，可能形成宽度等于汇流条408宽度的约两倍的冷带。这是因为ETH板的在汇流条正下方的区域或区段被加热到比ETH板的在汇流条之间的其余区域小得多的程度。因此，如果两个汇流条彼此相邻，则冷点或冷带将基本上等于每两个汇流条的宽度。

因此，可以进行汇流条408和ETH板302的边缘部分的重叠，以避免在沿翼展方向的相邻的ETH板302之间形成冷点或冷带。当汇流条408重叠时，汇流条408占据的面积减少一半，从而减少或消除了冷点或冷带。汇流条408和ETH板302的边缘部分的重叠在图7、图8A和图8B中示出。

图6是根据一个示例的包括多个ETH板302的叶片108的一部分的示意性透视图。如图6所示，汇流条408可以在翼展方向上设置在ETH板302上，这表示叶片108的翼展。ETH板302可以在翼展方向上彼此相邻放置而不重叠，并且没有形成冷或热点。然而，当沿着弦向彼此相邻放置ETH板302时，如图6所示，由于与上面关于图5A描述的相同的原因，可以进行汇流条408和ETH板302的边缘部分的重叠，以避免在沿着弦向的相邻的ETH板302之间形成冷点或冷带。

为了防止在叶片108的翼展方向或弦向上相邻的ETH板302之间的冷点或冷带，相邻的ETH板302的汇流条408可以在竖直方向上重叠或对齐。其中一个汇流条在另一个汇流条正上方。

图7是根据一个示例的多个ETH板302、702、704的示意性剖视图，在该示例中汇流条在竖直方向上基本对齐，其中一个汇流条在另一个汇流条正上方。多个ETH板302、702、704嵌入叶片108(图1)中，并且叶片108的部件被省略，以便更好地例示说明ETH板302、702、704。如图7所示，汇流条408可以电连接到ETH板302的相对边缘部分。相邻的ETH板702可以包括汇流条710，汇流条710可以电连接到ETH板702的相对边缘部分。在该示例中，设置在ETH板702的边缘部分上的汇流条710与设置在ETH板302上的汇流条408在竖直方向上基本正对齐。

为了防止相邻的ETH板的汇流条之间的电连接，可以在两个汇流条408和710之间设置绝缘层712。该绝缘层可以分别延伸超过两个汇流条的外边缘预定距离，例如，10mm或基本上汇流条的宽度。延伸的绝缘层712的该预定距离允许制造公差，以确保在制造和叶片铺设过程中在基本上竖直对齐的汇流条之间没有电连接。绝缘层712可以由阻燃材料制成，诸如可以从位于瑞士Wattwil的Gurit Holding AG获得的SE 129FRS(120摄氏度TG阻燃低烟预浸料)，或者可以由玻璃增强塑料，诸如玻璃纤维层制成。绝缘层712的厚度相当小，在5mm左右或在0.2mm至1mm之间。

图7中示出且上文描述的相邻ETH板的汇流条形成的基本上竖直对齐的布置结构是“理想的”布置结构，用于确保基本上没有冷点或冷带并且允许在制造或叶片铺设过程期间的公差。然而，已经确认在相邻的ETH板的汇流条的竖直对齐的最小布置结构和最大布置结构之间存在容许公差。图8A示出了相邻的ETH板的汇流条的竖直对齐的最小预定公差的示意性示例，图8B示出了相邻的ETH板的汇流条的竖直对齐的最大预定公差的示意性示例。

图8A是根据一个示例的相邻的ETH板302、802的示意性剖视图。如图8A所示，汇流条408可以电连接到ETH板302，并且ETH板802可以与ETH板302相邻。绝缘层804可以设置在ETH板302的汇流条和ETH板802的汇流条之间。绝缘层804可以由与绝缘层712相同的材料制成。汇流条814可以电连接到ETH板802的边缘部分812。如图8A所示，汇流条408、814没有在竖直方向上正对齐(如图7所示)。相反，在图8A的布置结构中，汇流条408、814被布置或定位成由绝缘层804分开而有效地彼此相邻。绝缘层804的厚度相当小，在5mm左右或在0.2mm至1mm之间，这实际上意味着两个相邻的汇流条的外边缘有效地对齐。汇流条的外边缘是汇流条的朝向ETH板的外边缘812设置的边缘。

这样，最小预定公差基本上等于汇流条的宽度。将两个汇流条竖直正对齐的布置结构作为参考“零”位置(如图7所示)，则参考位置和最小预定公差之间的预定距离基本上等于汇流条的宽度。换句话说，与参考位置相比，汇流条已经移开了汇流条的宽度的预定距离。

图8B中示意性地示出了两个相邻的汇流条的竖直对齐的最大预定公差，其中汇流条可以是交错的。如图8B所示，汇流条408可以电连接到ETH板302，并且ETH板816可以与ETH板302相邻。绝缘层804可以设置在ETH板302和ETH板816之间。汇流条820可以电连接到ETH板816的边缘部分818。如图8B所示，汇流条408和820没有彼此竖直正对齐(如图7所示)。相反，在图8B中，汇流条408和820被定位成基本上对齐并且由绝缘层804分开的相邻的汇流条的内边缘有效地重叠。绝缘层804与图8A的绝缘层相同。汇流条的内边缘是汇流条的以ETH板的中心的方向设置的边缘。

如果汇流条408和820的内边缘没有在竖直方向上基本对齐，则在相邻的汇流条的内边缘之间形成间隙，这可能由于两个ETH板的重叠区域或区段导致在ETH板302和ETH板816之间形成热带。热点或热带是不利的，因为其可能导致叶片结构的损坏并且甚至可能导致叶片内起火。

这样，最大预定公差基本上等于汇流条的宽度。如上所述，将竖直正对齐的两个汇流条的布置结构作为参考“零”位置(如图7所示)，则参考位置和最大预定公差之间的预定距离基本上等于汇流条的宽度。换句话说，与参考位置相比，汇流条已经移开了汇流条的宽度的预定距离。

因此，在上述示例中已经确认的是，为了防止或减少冷点和/或热点，汇流条应在允许预定公差内在竖直方向上对齐。允许预定公差等于汇流条的宽度，并且因此，相邻的汇流条在汇流条的宽度的预定公差内在任何方向上的任何竖直布置结构都有利地基本上消除了冷点或冷带，并且防止任何热点或热带的形成。此外，相邻的汇流条的上述布置结构有利地确保了风力涡轮机叶片表面的基本均匀、一致和/或恒定的加热。

在前文中，参考了本公开中呈现的示例。然而，本公开的范围不限于具体描述的示例。相反，前述特征和元素的任何组合，无论是否与不同示例相关，都被设想成实施和实践预期的示例。此外，尽管本文公开的示例可以实现优于其它可能的解决方案或优于现有技术的优点，但是否通过给定示例来实现特定优点并不限制本公开的范围。因此，前述方面、特征、示例和优点仅是说明性的，并且不被认为是所附权利要求的元素或限制，除非在(多个)权利要求中明确地陈述。同样地，对“本发明”的引用不应被解释为是对本文公开的任何发明主题的概括，并且除非在权利要求中明确地阐述，否则不应认为是所附权利要求的要素或限制。

鉴于前述内容，本公开的范围由所附权利要求确定。

Claims

1.一种风力涡轮机叶片，所述风力涡轮机叶片包括：

设置在风力涡轮机叶片结构上或其中的多个电热加热板；以及

电连接到所述多个电热加热板中的每个电热加热板的一个或多个汇流条，其中所述一个或多个汇流条沿着所述风力涡轮机叶片的弦向和/或翼展方向延伸，并且相邻的汇流条在竖直方向上基本对齐，以在所述风力涡轮机叶片的加热期间基本上防止所述风力涡轮机叶片结构中的冷点或热点，其中，所述竖直方向垂直于弦向方向和翼展方向这两者。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，所述相邻的汇流条在预定公差内在竖直方向上对齐。

3.根据权利要求2所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，所述预定公差基本上等于汇流条的宽度。

4.根据权利要求2或3所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，所述预定公差包括最小预定公差和最大预定公差。

5.根据权利要求4所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，所述最小预定公差等同于第一汇流条的外边缘在竖直方向上与相邻的第二汇流条的外边缘对齐。

6.根据权利要求4所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，所述最大预定公差等同于第一汇流条的内边缘在竖直方向上与相邻的第二汇流条的内边缘对齐。

7.根据权利要求1-3中的任一项所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，所述风力涡轮机叶片还包括设置于在竖直方向上基本对齐的所述相邻的汇流条之间的绝缘层。

8.根据权利要求7所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，所述绝缘层延伸超过在竖直方向上基本对齐的相邻的汇流条的外边缘和内边缘。

9.根据权利要求7所述的风力涡轮机叶片，其特征在于，所述绝缘层由阻燃材料或玻璃增强塑料制成。

10.一种风力涡轮发电机，包括：

塔架；

连接到所述塔架的机舱；

连接到所述机舱的轮毂；以及

连接到所述轮毂的一个或多个根据权利要求1至9中的任一项所述的风力涡轮机叶片。