CN114352490A - 一种风力机叶片防/除冰装置和风力机叶片 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种风力机叶片防/除冰装置和风力机叶片，装置包括加热层、传热层和封装层；所述加热层、传热层及封装层由内向外依次排列，并作为单独外部整体贴附在叶片基体前缘上；单独外部形状与叶片基体翼型相同；所述传热层的材质为石墨烯复合材料编织结构；所述加热层具有多根电阻丝；所述封装层的材质为玻璃纤维复合材料。该装置采用加热、传热及封装单元，实现了风力机叶片防/除冰加热效率的提升，提高了风力机叶片防/除冰的效率及能量利用率。

Description

一种风力机叶片防/除冰装置和风力机叶片

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种石墨烯基复合材料在役风力机叶片防除冰装置。

背景技术

风能作为一种可再生能源，储量非常丰富，与传统能源相比更易获得和转化，对环境咋成的污染也相对较少，因此，风电在世界能源结构中占据着重要地位。

叶片作为风力发电机组的关键部件之一，其结构和强度对风力机的可靠性至关重要，其性能会直接影响风力机组运行的稳定。随着风力机工作环境内气象环境包线范围增大，越来越多的风电叶片面临着表面结冰覆冰的问题。风力机叶片表面结冰后，冰层改变了叶片表面平整性，叶片自重载荷增加，导致叶片翼型发生变化，升阻比和转力矩减小，影响风力机组发电效率的同时还将缩短叶片的使用寿命。同时覆冰叶片翼型的改变，使叶片在旋转过程中产生的气动噪声增大。若冰层在叶片旋转过程中发生脱落，将对风场周围的人员及建筑物造成危害。因此，开发一种经济安全可靠的在役风力机叶片除冰技术对提高风力发电机组的发电效率，延长风电叶片的使用寿命和提高机组运行安全性具有重要的现实意义。

在役风力机叶片除冰方式分为主动除冰和被动除冰两种。被动除冰方式是人为通过外部系统提供热能、化学类及机械外力等方式将叶片表面的积冰移除；而主动除冰方式是利用叶片自身表面涂层漆面的物理性质来清除表面冰层。在众多除冰方式中，电热除冰为应用最早的叶片除冰方法之一，并且早在1990年叶片电热除冰方式在芬兰就已经被应用于风电产业中。M.Mohseni等人研究发现可将电热元件(电阻丝、金属条或碳纤维)布置于叶片易结冰处，利用电热元件的焦耳效应产生热能，使叶片蒙皮表面冰层融化，其余部分冰层则在自身重力与叶片旋转离心力的作用下脱落，达到除冰的目的。同时M.Mohseni等人的研究指出在这种除冰方式中，加热元件大多采用串联连接方式，在实际应用过程中，若个别加热元件损坏将会影响整个电热除冰系统的正常运行，导致局部过载或未达到除冰要求。而且电热除冰装置在工作过程中会消耗大量的电能并导致叶片基体损坏，因此，迫切需要开发一种高效叶片防/除冰装置。

发明内容

为了解决风力机叶片容易结冰及除冰困难的问题，本发明的目的在于提供一种风力机叶片防/除冰装置和风力机叶片，该风力机叶片防/除冰装置采用加热、传热及隔热模块，实现了风力机叶片防/除冰加热效率的提升，提高了风力机叶片防/除冰的效率及能量利用率。

为了实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案。

一种风力机叶片防/除冰装置，包括加热层、传热层和封装层；所述加热层、传热层及封装层由内向外依次排列，并作为单独外部整体贴附在叶片基体前缘上；单独外部形状与叶片基体翼型相同；

所述传热层的材质为石墨烯复合材料编织结构；所述加热层具有多根电阻丝；所述封装层的材质为玻璃纤维复合材料。

作为本发明的进一步改进，所述加热层、传热层和封装层贴附在位于叶片基体叶尖往根部1/3区域。

作为本发明的进一步改进，所述加热层、传热层和封装层的面积逐渐递增，使得传热层完全包覆加热层、封装层完全包覆传热层。

作为本发明的进一步改进，所述加热层、传热层和封装层在叶片基体外表面呈现逐层过度，层间过度最小长度为30mm。

作为本发明的进一步改进，所述传热层的厚度为3mm～5mm。

作为本发明的进一步改进，所述加热层的每个电阻丝沿叶片基体长度方向展向分布；所述加热层上的多个电阻丝并排排列，电阻丝留有间隙。

作为本发明的进一步改进，所述电阻丝布置为正弦波浪形式、三角形波折形式、梯形波折形式或直角波折形式。

作为本发明的进一步改进，每个所述电阻丝布置为直角波折形式，直角波折形式的每个重复单元的凸起高度与槽部宽度相等，折弯部分宽度与凸起高度相等；槽部宽度为20mm～40mm。

作为本发明的进一步改进，所述电阻丝所有的槽部宽度沿着叶片基体展向方向依次减小，同时折弯部的密度沿着叶尖方向增大，到叶尖结束位置密度最大。

一种风力机叶片，包括所述的风力机叶片防/除冰装置，所述风力机叶片防/除冰装置设置于风力机叶片的叶片基体前缘外表面。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的风力机叶片防/除冰装置，利用石墨烯/环氧树脂/玻璃纤维复合材料作为传热层，通过掺入石墨烯提高复合材料的传热能力，提高电热防/除冰传热效率，减少能耗，同时防/除冰装置由复合材料制成，提高强度的同时减轻了重量；

进一步，本发明将电阻制成片状按照叶片翼型折弯呈凸字形排列，使叶片结冰区域表面受热均匀，同时提升了单位面积内的热量，可以快速融化叶片表面的冰层；

进一步，叶片旋转运行过程中，叶尖区域线速度大，结冰现象最严重。本发明通过调整电热装置位置及电阻丝的排列密度，保证叶片叶尖区域加热效率及能量，确保风力机叶片叶尖区域冰层完全去除；

进一步，作为可单独加装装置，本发明所述石墨烯基复合材料粘贴在叶片外表面，为早期风电场运行的无防/除冰措施的在役风力机叶片防/除冰提供了更好的解决方法。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。在附图中：

图1为本发明的整体结构中心剖面示意图；

图2为本发明加热层电阻丝布置图；

图3为每根电阻丝布置呈直角波折形式示意图；

其中，1-叶片基体；2-加热层；3-传热层；4-封装层；5-电阻丝；H-槽凸起高度；H1-电阻丝槽宽度；H2、H3-槽部折弯部分的宽度。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施例。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如背景技术所述，本发明的目的在于提供一种石墨烯基复合材料的风力机叶片防/除冰装置，采用加热、传热及隔热部件，实现了风力机叶片防/除冰加热效率的提升，提高了风力机叶片防/除冰的效率及能量利用率。下面结合附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，一种石墨烯基材料风力机叶片防/除冰装置，包括加热层2、传热层3和封装层4。其中，所述加热层2、传热层3及封装层4由内向外依次排列，作为单独外部整体贴附加热固定在叶片基体1前缘上；所述石墨烯基材料风力机叶片防/除冰装置设置于风力机叶片外表面。

如图1所示，所述加热层2、传热层3和封装层4作为单独外部整体与叶片基体完全贴合，形状与叶片翼型完全符合。

石墨烯具有高表面积、良好的导电和导热性能，以及非常好的力学性能，添加到复合材料中可以提升复合材料的各项性能。因此，石墨烯复合材料叶片防/除冰装置，可以降低能量消耗，提高传热性能和能量利用率，是一种风力机叶片防/除冰的有效方法。

因此传热层3的材质为石墨烯/环氧树脂/玻璃纤维复合材料，制作成条状再做成编织材料。

本实施例中所述加热层2、传热层3和封装层4直接包覆在叶片基体1表面，考虑到叶片基体1在转动的过程中会承受足够的空气阻力，因此本实施例中封装层采用预浸料方式，将加热层2、传热层3粘接在叶片基地1外表面加热固化。

叶片基体1旋转运行过程中，其靠近叶尖区域承担更多的风阻，结冰的概率也更大，因此本实施例中，加热层2、传热层3和封装层4贴附在位于叶片基体1叶尖往根部1/3区域。

加热层2包括多根电阻丝，每根电阻丝沿叶片基体1长度方向展向分布。

传热层3的厚度为3mm至5mm，本发明中，传热层3厚度为4mm时发挥了最大传热性能。加热层2、传热层3和封装层4宽度逐渐递增，在叶片基体1外表面呈现逐层过度，层间过度最小长度L1为30mm，最大程度减小层间厚度，避免对叶片气动外形造成影响。

封装层4为玻璃纤维/环氧树脂复合材料，由玻璃纤维/环氧树脂复合材料多层铺设在高温高压固化成型，用于将加热层、传导层与叶片基地1粘接。

如图2所示，本发明中采用三根电阻丝5并排排列的方式，三根电阻丝5之间保持一定距离，以达到最大利用热能的目的。

可选的，本发明的电阻丝5布置选自正弦波浪形式、三角形波折形式、梯形波折形式或直角波折形式。

作为优选实施例，如图3所示，每根电阻丝布置呈直角波折形式，类似凸字形状。

凸字形状的凸起高度H与槽部宽度H1相等，槽部折弯部分的H2、H3与H1相等。

优选的，槽部宽度H1，沿着叶片基体1展向方向依次减小，同时折弯部的密度沿着叶尖方向增大，到叶尖结束位置密度最大。

优选的，槽部宽度H1的取值范围为20mm至40mm，若取值大于40mm，则电阻丝设置过松，加热效率低；若取值小于20mm，则电阻丝设置过密，浪费加热效能。

本发明还提供一种风力机叶片，包括所述的风力机叶片防/除冰装置，所述风力机叶片防/除冰装置设置于风力机叶片的叶片基体1前缘外表面。石墨烯具有高表面积、良好的导电和导热性能，以及非常好的力学性能，添加到复合材料中可以提升复合材料的各项性能。因此，石墨烯复合材料叶片防/除冰装置，可以降低能量消耗，提高传热性能和能量利用率，是一种风力机叶片防/除冰的有效方法。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。

Claims (10)

1.一种风力机叶片防/除冰装置，其特征在于，包括加热层(2)、传热层(3)和封装层(4)；所述加热层(2)、传热层(3)及封装层(4)由内向外依次排列，并作为单独外部整体贴附在叶片基体(1)前缘上；单独外部形状与叶片基体(1)翼型相同；

所述传热层(3)的材质为石墨烯复合材料编织结构；所述加热层(2)具有多根电阻丝(5)；所述封装层(4)的材质为玻璃纤维复合材料。

2.根据权利要求1所述的一种风力机叶片防/除冰装置，其特征在于，所述加热层(2)、传热层(3)和封装层(4)贴附在位于叶片基体(1)叶尖往根部1/3区域。

3.根据权利要求1所述的一种风力机叶片防/除冰装置，其特征在于，所述加热层(2)、传热层(3)和封装层(4)的面积逐渐递增，使得传热层(3)完全包覆加热层(2)、封装层(4)完全包覆传热层(3)。

4.根据权利要求1所述的一种风力机叶片防/除冰装置，其特征在于，所述加热层(2)、传热层(3)和封装层(4)在叶片基体(1)外表面呈现逐层过度，层间过度最小长度为30mm。

5.根据权利要求1所述的一种风力机叶片防/除冰装置，其特征在于，所述传热层(3)的厚度为3mm～5mm。

6.根据权利要求1所述的一种风力机叶片防/除冰装置，其特征在于，所述加热层(2)的每个电阻丝沿叶片基体(1)长度方向展向分布；所述加热层(2)上的多个电阻丝(5)并排排列，电阻丝(5)留有间隙。

7.根据权利要求1所述的一种风力机叶片防/除冰装置，其特征在于，所述电阻丝(5)布置为正弦波浪形式、三角形波折形式、梯形波折形式或直角波折形式。

8.根据权利要求1所述的一种风力机叶片防/除冰装置，其特征在于，每个所述电阻丝(5)布置为直角波折形式，直角波折形式的每个重复单元的凸起高度与槽部宽度相等，折弯部分宽度与凸起高度相等；槽部宽度为20mm～40mm。

9.根据权利要求8所述的一种风力机叶片防/除冰装置，其特征在于，所述电阻丝(5)所有的槽部宽度沿着叶片基体(1)展向方向依次减小，同时折弯部的密度沿着叶尖方向增大，到叶尖结束位置密度最大。

10.一种风力机叶片，其特征在于，包括权利要求书1至9任一项所述的风力机叶片防/除冰装置，所述风力机叶片防/除冰装置设置于风力机叶片的叶片基体(1)前缘外表面。

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