CN114233583A - 一种基于电脉冲的风电机组叶片除冰装置及除冰方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于电脉冲的风电机组叶片除冰装置及除冰方法，其中除冰装置包括脉冲线圈、大电流脉冲发生装置、结冰传感器、绝缘材料和金属蒙皮，绝缘材料包裹在风力发电机叶片外部，脉冲线圈内嵌于绝缘材料内，金属蒙皮包裹在绝缘材料外部，结冰传感器设于金属蒙皮上，结冰传感器和脉冲线圈均连接大电流脉冲发生装置。除冰方法为通过脉冲线圈内的感应磁场对金属蒙皮内的感应涡流产生的低振幅、高加速度力的作用以达到清除积冰的目的。本发明除冰效率高，能量消耗少，且结构简单，易于推广应用。

Description

一种基于电脉冲的风电机组叶片除冰装置及除冰方法

技术领域

本发明涉及风电设备技术领域，尤其涉及一种基于电脉冲的风电机组叶片除冰装置及除冰方法。

背景技术

风能是绿色清洁的可再生能源，对风资源的高效利用是实现碳中和的重要途径。但是当风电机组在冬季零摄氏度以下运行时，如果遇到潮湿的空气、冰雪、霜雾，尤其是冻雨时，容易发生覆冰现象。风电机组叶片结冰不仅会导致发电效率锐减，还可能造成叶片折断、风力发电机损毁等重大安全事故，造成巨大经济损失。

现有技术主要采取三种类型方案：一是机械除冰，如采用施加振动的方式，但可能对风电机组安全运行产生影响；二是涂层除冰，如采用超疏水涂层，但涂层的耐久问题仍未解决；三是热力除冰，如电加热或者吹热气，该方案效果较好，但是结构复杂且能量消耗较高。

因此，需要对现有技术进行改进，考虑设计一种结构简单、尽量不影响风电机组叶片的气动性能且能量消耗较少的除冰技术方案。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

本发明的目的在于提供一种基于电脉冲的风电机组叶片除冰装置及除冰方法，其结构简单，易于加工安装，且除冰效率高，能量消耗少。

本申请的一方面实施例提出一种基于电脉冲的风电机组叶片除冰装置，包括脉冲线圈、大电流脉冲发生装置、结冰传感器、绝缘材料和金属蒙皮，所述绝缘材料包裹在风力发电机叶片外部，脉冲线圈内嵌于绝缘材料内，脉冲线圈为螺旋环状平绕式线圈，金属蒙皮包裹在绝缘材料外部，结冰传感器设于金属蒙皮上，结冰传感器和脉冲线圈均连接大电流脉冲发生装置。

在一些实施例中，所述大电流脉冲发生装置包括电容器、钳位二极管、可控硅、电源、开关和通讯控制器，结冰传感器连接于通讯控制器，脉冲线圈经可控硅与电容器相连形成回路，电源与电容器并联为电容器供电，开关连接于电容器和电源之间，电容器与钳位二极管并联，通讯控制器分别连接可控硅和开关并控制可控硅和开关的导通或关断。

在一些实施例中，所述脉冲线圈为薄片状结构，与风力发电机叶片贴合。

在一些实施例中，所述绝缘材料采用聚四氟乙烯材料制成。

在一些实施例中，每个风力发电机叶片上根据易结冰区域布置有若干个结冰传感器和脉冲线圈。

在一些实施例中，所述大电流脉冲发生装置设于风力发电机机舱内，每个风力发电机配制有一个大电流脉冲发生装置，大电流脉冲发生装置通过导电滑环连接各脉冲线圈以及结冰传感器。

在一些实施例中，所述脉冲线圈通过热加工一体成型的方式被封装于绝缘材料内。

在一些实施例中，所述金属蒙皮采用铝合金材料制成。

在一些实施例中，所述结冰传感器为光纤式结冰传感器。

本申请的另一方面实施例提出一种利用上述风电机组叶片除冰装置的除冰方法，包括如下步骤：

S1，在通讯控制器的作用下闭合开关，使电容器与电源导通，完成充电；

S2，通讯控制器获得各结冰传感器的数据，判断结冰传感器5对应的位置是否结冰以及结冰厚度，需要除冰时打开开关；

S3，在通讯控制器的作用下，对需要除冰的位置所对应的脉冲线圈连接的可控硅导通，导通后，电容器向该位置的脉冲线圈瞬时放电，在脉冲线圈周围建立起迅速形成并快速衰减的电磁场，在电磁场的作用下，金属蒙皮内产生感应涡流，感应涡流与电磁场之间产生能够使金属蒙皮发生振动的作用力，使风力发电机叶片表面的冰层剥离、粉碎并脱落；

S4，每次除冰动作之后，在通讯控制器的作用下闭合开关，使电容器与电源导通，进行充电，为下一次除冰动作做准备。

本发明的有益效果为：

1、本发明所采用的电脉冲除冰方法，能够在节约能量的同时，达到高效除冰的目的，其结构简单，可以和风电机组叶片一体化设计生产，对风电机组叶片的气动性能影响较小。

2、本发明集结冰状态检测、智能控制、分区除冰于一体，实现高效除冰，保证风电机组的安全运行。

3、本发明所采用的风电机组叶片除冰装置易于加工安装，能量消耗少。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，

其中：

图1为本发明实施例中的基于电脉冲的风电机组叶片除冰装置的结构示意图；

图2为本发明实施例的电路原理图；

图3为图1中脉冲线圈的放大示意图；

附图标记：

1-风力发电机叶片；2-脉冲线圈；3-绝缘材料；4-金属蒙皮；5-结冰传感器；6-大电流脉冲发生装置；61-电容器；62-钳位二极管；63-可控硅；64-电源；65-开关；66-通讯控制器。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述本发明实施例的基于电脉冲的风电机组叶片除冰装置及除冰方法。

如图1所示，本申请的一方面实施例提出一种基于电脉冲的风电机组叶片除冰装置，包括脉冲线圈2、大电流脉冲发生装置6、结冰传感器5、绝缘材料3和金属蒙皮4，绝缘材料3包裹在风力发电机叶片1外部，脉冲线圈2内嵌于绝缘材料3内，金属蒙皮4包裹在绝缘材料3外部，结冰传感器5设于金属蒙皮4上，脉冲线圈2接入大电流脉冲发生装置6。结冰传感器5连接大电流脉冲发生装置6的通讯控制器66。

如图2所示，大电流脉冲发生装置6包括电容器61、钳位二极管62、可控硅63、电源64、开关65和通讯控制器66，结冰传感器5连接于通讯控制器66，脉冲线圈2经可控硅63与电容器61相连形成回路，电源64与电容器61并联为电容器61供电，开关65连接于电容器61和电源64之间，电容器61与钳位二极管62并联，通讯控制器66分别连接可控硅63和开关65并控制可控硅63和开关65的导通或关断。

如图3所示，在一些具体的实施例中，脉冲线圈2为与风力发电机叶片1贴合的薄片状结构的螺旋环状平绕式线圈，线圈匝数根据风电机组叶片大小以及除冰功率要求进行综合设计。将脉冲线圈2设计成薄片装结构，使其外观上与不含脉冲线圈的风力发电机叶片1变化不大，而且对风电机组叶片的气动性能影响较小。

在一些具体的实施例中，每个风力发电机叶片1上根据易结冰区域布置有若干个结冰传感器5和脉冲线圈2。多个脉冲线圈2之间并联，每个脉冲线圈2都串联一个可控硅63，用于控制该位置的脉冲线圈2的通断。通过通讯控制器66来接通并联电路中某一个或某几个脉冲线圈2所对应的可控硅63，对该位置进行除冰动作。

在一些具体的实施例中，大电流脉冲发生装置6设于风力发电机机舱内，每个风力发电机配制有一个大电流脉冲发生装置6，大电流脉冲发生装置6通过导电滑环连接各脉冲线圈2以及结冰传感器5。

在一些具体的实施例中，绝缘材料3采用聚四氟乙烯材料或者与聚四氟乙烯机械特性相似的绝缘材料制作而成。脉冲线圈2被封装于绝缘材料3内，且通过热加工一体成型。加工时将脉冲线圈2的两个引线端留在绝缘材料3外面，用于连接大电流脉冲发生装置6。

在一些具体的实施例中，金属蒙皮4采用铝合金材料或与铝合金机械特性相似的金属材料制作而成；金属蒙皮4的厚度根据叶片大小、除冰功率以及线圈参数综合设计确定。

在一些具体的实施例中，结冰传感器5为光纤式结冰传感器，或其他能够测量结冰厚度的结冰传感器。

在一些具体的实施例中，通讯控制器66内预设除冰程序以及信号处理模块。

在一些具体的实施例中，风力发电机叶片1、绝缘材料3和金属蒙皮4之间的连接方式可采用粘接的方式。

在一些实施例中，电源64为蓄电池。

本申请的另一方面实施例提出一种利用上述风电机组叶片除冰装置的除冰方法，首先确定风电机组的叶片结冰位置、厚度、冰凌类型等信息，根据这些信息确定电脉冲除冰装置的安装位置、数量、功率；然后根据除冰功率、该位置风电机组叶片尺寸，确定每个电脉冲除冰装置的设计参数。使用时，根据结冰传感器5的信息，通讯处理器66发出指令，控制电脉冲除冰装置完成除冰动作。

具体包括如下步骤：

S1，在通讯控制器66的作用下闭合开关65，使电容器61与电源64导通，完成充电；

S2，通讯控制器66获得各结冰传感器5的数据，判断结冰传感器5对应的位置是否结冰以及结冰厚度，需要除冰时打开开关；

S3，在通讯控制器66的作用下，对需要除冰的位置所对应的脉冲线圈2连接的可控硅63导通，导通后，电容器61向该位置的脉冲线圈2瞬时放电，在脉冲线圈2周围建立起迅速形成并快速衰减的电磁场，在电磁场的作用下，金属蒙皮4内产生感应涡流。金属蒙皮4内的感应涡流与脉冲线圈2的磁场之间产生毫秒级，大小为数十牛顿到数千牛顿的作用力，该作用力使金属蒙皮4发生小振幅和高加速度的衰减振动，使风力发电机叶片1表面的冰层剥离、粉碎并脱落，达到除冰目的。

S4，每次除冰动作之后，在通讯控制器66的作用下闭合开关65，使电容器61与电源64导通，进行充电，为下一次除冰动作做准备。

其中，通讯控制器66的控制方法包括：

(1)与各结冰传感器5进行通讯，获得对应位置结冰传感器5的数据；

(2)处理各结冰传感器5的数据，判断是否结冰，结冰厚度；

(3)通过结冰厚度信息，根据预设程序，控制大电流脉冲发生装置6完成一次脉冲或多次连续脉冲来清除金属蒙皮4表面上的冰。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于电脉冲的风电机组叶片除冰装置，其特征在于，包括脉冲线圈、大电流脉冲发生装置、结冰传感器、绝缘材料和金属蒙皮，所述绝缘材料包裹在风力发电机叶片外部，脉冲线圈内嵌于绝缘材料内，脉冲线圈为螺旋环状平绕式线圈，金属蒙皮包裹在绝缘材料外部，结冰传感器设于金属蒙皮上，结冰传感器和脉冲线圈均连接大电流脉冲发生装置。

2.根据权利要求1所述的基于电脉冲的风电机组叶片除冰装置，其特征在于，所述大电流脉冲发生装置包括电容器、钳位二极管、可控硅、电源、开关和通讯控制器，结冰传感器连接于通讯控制器，脉冲线圈经可控硅与电容器相连形成回路，电源与电容器并联为电容器供电，开关连接于电容器和电源之间，电容器与钳位二极管并联，通讯控制器分别连接可控硅和开关并控制可控硅和开关的导通或关断。

3.根据权利要求2所述的基于电脉冲的风电机组叶片除冰装置，其特征在于，所述脉冲线圈为薄片状结构，与风力发电机叶片贴合。

4.根据权利要求1所述的基于电脉冲的风电机组叶片除冰装置，其特征在于，所述绝缘材料采用聚四氟乙烯材料制成。

5.根据权利要求1所述的基于电脉冲的风电机组叶片除冰装置，其特征在于，每个风力发电机叶片上根据易结冰区域布置有若干个结冰传感器和脉冲线圈。

6.根据权利要求5所述的基于电脉冲的风电机组叶片除冰装置，其特征在于，所述大电流脉冲发生装置设于风力发电机机舱内，每个风力发电机配制有一个大电流脉冲发生装置，大电流脉冲发生装置通过导电滑环连接各脉冲线圈以及结冰传感器。

7.根据权利要求1所述的基于电脉冲的风电机组叶片除冰装置，其特征在于，所述脉冲线圈通过热加工一体成型的方式被封装于绝缘材料内。

8.根据权利要求1所述的基于电脉冲的风电机组叶片除冰装置，其特征在于，所述金属蒙皮采用铝合金材料制成。

9.根据权利要求1所述的基于电脉冲的风电机组叶片除冰装置，其特征在于，所述结冰传感器为光纤式结冰传感器。

10.一种利用权利要求1-9任一项所述风电机组叶片除冰装置的除冰方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，在通讯控制器的作用下闭合开关，使电容器与电源导通，完成充电；

S2，通讯控制器获得各结冰传感器的数据，判断结冰传感器5对应的位置是否结冰以及结冰厚度，需要除冰时打开开关；

S3，在通讯控制器的作用下，对需要除冰的位置所对应的脉冲线圈连接的可控硅导通，导通后，电容器向该位置的脉冲线圈瞬时放电，在脉冲线圈周围建立起迅速形成并快速衰减的电磁场，在电磁场的作用下，金属蒙皮内产生感应涡流，感应涡流与电磁场之间产生能够使金属蒙皮发生振动的作用力，使风力发电机叶片表面的冰层剥离、粉碎并脱落；

S4，每次除冰动作之后，在通讯控制器的作用下闭合开关，使电容器与电源导通，进行充电，为下一次除冰动作做准备。

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