CN114502840A - 加热风力涡轮机叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明的第一方面提供了一种包括电热加热元件的风力涡轮机叶片，电热加热元件包括电阻性材料的片材，该片材被折叠以提供多个加热区，每一个加热区包括片材的一个或多个层，其中至少两个加热区具有的片材的不同数量的层。

Description

加热风力涡轮机叶片
技术领域
本发明涉及一种风力涡轮机叶片和一种加热风力涡轮机叶片的方法。
背景技术
为了应对其表面积冰的风险，通常使用加热元件加热风力涡轮机叶片。叶片的不同部分经历不同的积冰水平。例如，更多的冰通常在叶片尖端形成。因此，对叶片的不同部分需要不同的要求(例如加热元件温度输出；加热元件的尺寸和形状)。
在EP-A1-3285545中公开了一种常规的加热装置。加热装置包括导电织物和第一和第二电性连接。第一和第二电性连接分别在设备的第一端连接至导电织物。当电性连接被连接到电源时，电流从第一电性连接流过导电织物并流向第二电性连接，从而产生热量。
发明内容
本发明的第一方面提供了一种包括电热加热元件的风力涡轮机叶片，电热加热元件包括电阻性材料的片材，该片材被折叠以提供多个加热区，每一个加热区包括片材的一个或多个层，其中至少两个加热区具有片材的不同数量的层。
提供带有折叠的片材的不同数量的层的至少两个加热区，使由电热加热元件产生的热通量可以根据需要来修改(tailor)。
电阻性材料可以是导电的电阻性材料，以便在电流通过其时提供电阻性加热。
电阻性材料可以包括纤维的纱(veil)，诸如碳纤维的纱。或者，电阻性材料可以包括金属网或其他材料。
片材的每一个层可以通过绝缘材料与同一加热区的片材的相邻层分开。绝缘材料可以包括绝缘层，该绝缘层被折叠，以便在片材的相邻各层之间提供绝缘材料。备选地或附加地，也可以有若干单独的(折叠的或未折叠的)绝缘层来提供绝缘材料。
绝缘材料可以粘附在片材上，例如作为涂层，也可以不粘附在片材上。
电热加热元件可以配置为在该至少两个加热区中以不同的热通量加热风力涡轮机叶片，热通量通常随着加热区的层的数量增加而增加。
电热加热元件可以配置为加热风力涡轮机叶片，使该至少两个加热区配置为同时输出不同的热通量。
加热元件可以包括一对位于片材相反两端的电连接件。这对电连接件可以配置为跨过片材施加电压，该电压可以是直流电压或交流电压。
至少一个电连接件可以是母线。两个电连接件可以是母线。
片材可以沿一个或多个折叠线进行折叠。(一个或多个)折叠线可以与(一个或多个)母线平行、与(一个或多个)母线成斜角或与(一个或多个)母线垂直。
片材可以围绕一个或多个与(一个或多个)母线平行或垂直的折叠线进行折叠。
这对电连接件可以位于片材的长度的相反两端。该长度可以是片材的最长尺寸。
片材可以沿其长度和/或跨过其宽度折叠。
片材的宽度可以沿片材的长度变化，也可以是恒定的。
片材的宽度可以以一个或多个阶梯变化；或者宽度可以连续变化，使片材逐渐变细。
片材可以在一系列折叠处以交替的折叠方向进行折叠，或在一系列折叠处以相同的折叠方向进行折叠。片材也可以在一系列折叠处以相同和交替的折叠方向的混合进行折叠。
片材可以围绕两个或更多折叠线至少折叠两次。这可以增加至少一个加热区中的层的数量，使不同的加热区之间的热通量范围更广。
片材可以围绕奇数个折叠线进行折叠奇数次。这样做的好处是使这对电连接件与片材处于其未折叠状态中相比更接近对方。
该至少两个加热区中的每一个可以有片材的多个层，或者该至少两个加热区中的一个可以只具有片材的单个层。
风力涡轮机叶片可以包括叶片壳体，其中叶片壳体有厚度方向。片材的各层可以折叠，以便在叶片壳体的厚度方向上形成堆叠。电热加热元件可以嵌入叶片壳体或以其他方式安装在叶片壳体上。
本发明的另一个方面提供了一种风力涡轮机，包括根据第一方面的风力涡轮机叶片。
本发明的另一个方面提供了一种加热风力涡轮机叶片的方法，风力涡轮机叶片包括电热加热元件，电热加热元件包括导电材料的片材，该片材被折叠以提供多个加热区，每一个加热区包括片材的一个或多个层，其中至少两个加热区具有片材的不同数量的层，该方法包括：给加热元件供电，使该至少两个加热区以不同的热通量加热风力涡轮机叶片。
本发明的另一个方面提供了一种修改由风力涡轮机叶片的电热加热元件输出的热通量的方法，电热加热元件包括电阻性材料的片材，该方法包括：识别风力涡轮机叶片的加热要求；以及折叠电阻性材料的片材，使由电热加热元件产生的热通量按加热要求来修改，其中电阻性材料的片材被折叠以提供多个加热区，每一个加热区包括片材的一个或多个层，并且其中至少两个加热区具有片材的不同数量的层。
加热要求可以包括在每一个加热区产生的热通量，和/或加热区的大小，和/或加热区的形状，和/或加热区的数量，和/或加热区的理想位置。
附图说明
现在将参照附图对本发明的实施方式进行描述，其中：
图1示出风力涡轮机；
图2A示出未折叠的配置中的电热加热元件；
图2B示出折叠的配置中的图2A的电热加热元件；
图3A示出未折叠和折叠的配置中的渐变的电热加热元件；
图3B示出未折叠和折叠的配置中的渐变的电热加热元件；
图4示出未折叠和折叠的配置中的阶梯式电热加热元件；
图5A和5B示出折叠的电热加热元件的侧视图和俯视图；
图6A和6B示出折叠的电热加热元件的侧视图和俯视图；
图7示出带有倾斜折叠线的备选电热加热元件；以及
图8是示出嵌入在叶片壳体内的图7的电热加热元件的横截面图。
具体实施方式
图1以示意性立体图展示风力涡轮机1。风力涡轮机1包括塔架2、位于塔架顶点的机舱3以及操作性耦连至容纳在机舱3内部的发电机的转子4。除发电机外，机舱还容纳将风能转换为电能所需的各种部件，以及操作、控制和优化风力涡轮机1性能所需的各种部件。风力涡轮机的转子4包括中心轮毂5和多个从中心轮毂5向外伸出的叶片6。在图示的实施方式中，转子4包括三个叶片6，但数量可以不同，例如，转子4可以有两个或四个叶片6。此外，风力涡轮机1包括控制系统。控制系统可以放置在机舱3内部，也可以分布在风力涡轮机1内部的若干位置，并进行通信连接。
风力涡轮机1可以包括在属于风力发电厂的其他风力涡轮机的集合中，风力发电厂也称为风电场或风场，作为发电厂通过输电线路与电网连接。电网一般由发电站的网络、输电回路和通过输电线路网络耦连的变电站组成，该输电线路将电力传输到终端用户和电力设施的其他客户形式的负载。
图2A示出电热加热(ETH)元件100。ETH元件100包括电阻性材料的片材102。该材料具有导电性和电阻性，使得当电流通过片材102时，材料中的电阻会产生热量，也就是通常所说的电阻性加热、焦耳加热或欧姆加热。片材102可以包括诸如碳纤维之类的纤维的纱。
ETH元件100包括位于片材102的相反两端的供应连接器104和返回连接器106。每一个供应和返回连接器104、106可以是母线或触点，例如，取决于片材102的尺寸。在图2A所示的布置中，供应和返回连接器104、106都是母线。
ETH元件100嵌入在其中一个叶片6的叶片壳体中。该叶片进一步典型地包括电源系统，该电源系统控制提供给叶片6的热量。当电源系统被激活时，电流通过供应连接器104供应，并通过片材102到达返回连接器106。
作为矩形的加热元件，ETH元件100跨过其整个表面产生均匀的热通量，符合制造公差。
为了定制(customise)热通量输出，片材102围绕单个折叠线108折叠。折叠线108垂直于母线104、106，并沿片材102的整个长度并穿过两个母线延伸。其结果如图2B所示。
从图2B中可以看出，折叠的ETH元件100包括两个加热区110、112。第一加热区110包括片材102的单个层，第二加热区112包括片材102的两个层的堆叠。因此，两个加热区110、112具有片材102的不同数量的层。
因此，当ETH元件100通电时，两个加热区110、112将会输出不同的热通量。第一加热区110将会输出相当于ETH元件100当其未折叠时的均匀热通量，因为第一加热区110只有单个层。然而，第二加热区112具有两个层，所以将会输出比由第一加热区110输出的热通量更高的热通量。由第二加热区112输出的热通量可能是由第一加热区110输出的热通量的两倍。
折叠ETH元件100允许由ETH元件100输出的热通量针对要求(例如，所产生的热通量、加热区的大小和形状等)来修改并且定制。例如，通过以所需的方式折叠ETH元件100，可以在所需的位置提供任何数量的加热区，每一个加热区具有理想的形状和热通量输出。
这可能是有用的，例如，在叶片尖端提供更大的热通量，那里有更大的积冰风险。
在第二加热区112的片材102的两个层之间可以提供或不提供诸如玻璃纤维之类的绝缘材料。这样的绝缘材料可以作为涂层粘附到片材102的上侧，也可以作为可以不与ETH元件100相连的单独的层提供。
如果不提供绝缘材料，则第二加热区112中的片材的两个层将会处于电接触状态，并具有与双层厚度的单个层相似的电阻。
图3A示出未折叠和折叠的配置中的ETH元件200。ETH元件200包括如上所述的电阻性材料的片材202。ETH元件200还包括作为母线的供应连接器204，和作为触点的返回连接器206。各连接器204、206位于片材202的两端。
片材202的宽度在片材的相反两端之间变化，因此片材202是部分渐变的(partially tapered)。所谓渐变的，是指片材102在沿ETH元件200的长度上的一点处的宽度与在沿ETH元件200的长度上的另一点处的宽度不同。ETH元件200的长度在这种情况下是指其最长的尺寸，ETH元件200的宽度在这种情况下是指与其长度垂直的尺寸。作为基本上是二维的物体，很明显，第三个正交尺寸，即厚度，是最小的尺寸。在图2A和3A所示的ETH元件100、200中，宽度是与由母线104、106、204定义的方向平行的尺寸。
ETH元件200在靠近供应连接器204处具有基本恒定的宽度，约占其总长度的25％。超过这一点，宽度连续下降到返回连接器206的点。其结果是，当电流通过片材202时，片材202中具有较小宽度的部分中的电流密度高于具有较大宽度的部分。因此，在高电流密度(即较小的宽度)的区域中产生的热通量将高于在低电流密度(即较大的宽度)的区域中产生的热通量。例如，片材202的靠近返回连接器206的部分将会产生比片材202的靠近供应连接器204的部分更高的热通量。这是因为片材202的靠近返回连接器206的部分比片材的靠近供应连接器204的部分的宽度小。这样的渐变允许来自不同加热区的热通量的更高的定制化程度。
从图3A的折叠配置中可以看出，片材202跨过其宽度围绕折叠线208折叠，以限定两个加热区210、212。与上述布置类似，第一加热区210具有片材202的单个层，第二加热区212具有片材202的两个层的堆叠。
折叠线208跨过片材202的宽度延伸，与母线204平行。
由于片材202的渐变的宽度，在第二加热区212中产生的平均热通量将会是在第一加热区210中产生的平均热通量的两倍以上。
图3B示出未折叠和折叠配置中的相同的ETH元件200，但这次是围绕三个折叠线214a、214b、214c沿交替的方向跨过其宽度折叠(即琴键式折叠)。每一个折叠线214a-c跨过片材202的宽度延伸，与母线204平行。
结果是具有四个加热区216、218、220、222的折叠的ETH元件200。第一加热区216具有片材202的单个层。第二加热区218具有片材202的两个层的堆叠。第三加热区220具有片材202的三个层的堆叠，而第四加热区222具有片材202的四个层的堆叠。因此，每一个加热区216、218、220、222包括片材202的一个或多个层，而且每一个加热区216、218、220、222具有不同数量的层。
在这种布置中，折叠的ETH元件200能够以高度定制的方式输出热通量。当电流通过ETH元件200时，四个加热区216、218、220、222中的每一个具有特定的形状和热通量输出。第四加热区222具有最高的热通量，第一加热区216具有最低的。
值得注意的是，当如图3A和3B所示折叠时，供应和返回连接器204、206位于ETH元件200的同一端。这样做的好处是，将ETH元件200连接到电源系统所需的布线较少。可以通过将ETH元件200折叠奇数次(图3A的情况下为一次，图3B的情况下为三次)来实现使供应和返回连接器204、206在折叠的配置中位于基本相同的位置。然而，在某些情况下，也可以通过将ETH元件200折叠偶数次来实现这种效果。
有利的做法是，通过绝缘材料将堆叠中的片材202的每一个相邻层与同一加热区中的片材202的相邻层电性隔离。例如，在图3A的情况下，可以在第二加热区212中的片材202的相邻两个层之间提供绝缘层。绝缘层可以作为涂层粘附到片材202的上侧，与片材202一起折叠，也可以作为单独的未折叠的层提供，可以不与片材202连接。
在图3B的情况下，绝缘材料可以作为单个的折叠的绝缘层提供，作为涂层粘附到片材202的上侧，或者作为独立且单独的未折叠的层。
图4示出未折叠和折叠的配置中的ETH元件300。ETH元件300包括电阻性材料的片材302、供应连接器304和返回连接器306，该供应连接器和返回连接器都是母线。各连接器300、304位于片材302的两端。
片材302具有在片材的相反两端之间以两个阶梯递减的宽度。
与上述ETH元件200一样，宽度的变化对片材302的不同部分中的热通量输出有影响，因为电流密度在片材302的具有较小宽度的部分中比在具有较大宽度的部分中高。因此，在高电流密度(即较小的宽度)的区域中产生的热通量将会高于在低电流密度(即较大的宽度)的区域中产生的热通量。例如，片材302的在靠近返回连接器306的一端的部分将会比片材302的在靠近供应连接器304的另一端的部分产生更高的热通量。这是因为片材302的靠近返回连接器306的部分具有比片材的靠近供应连接器304的部分更小的宽度。
折叠的配置是通过围绕两个折叠线308a、308b沿交替的方向折叠片材302而形成。每一个折叠线308a、308b跨过片材302的宽度延伸，与母线304、306平行。
折叠的ETH元件300具有三个加热区310、312、314。第一加热区310具有片材302的一个层；第二加热区312具有片材302的两个层的堆叠；第三加热区314具有片材302的三个层的堆叠。通过具有片材302的不同数量的层，每一个加热区310、312、314能够输出与其他区域不同的热通量，而不考虑由于上面讨论的阶梯宽度而产生的变化的热通量输出。这在上面已经描述过了，为了简洁起见，这里不再重复。
图5A示出折叠的ETH元件400的侧视图，图5B示出图5A的ETH元件400的俯视图。与上述实施方式一样，ETH元件400包括碳素纱材料的片材402、位于片材402的相反两端的供应连接器404和返回连接器406。折叠的ETH元件400具有第一和第二加热区408、410，第二加热区410具有六层的堆叠。
如图3B所示，片材402以交替的折叠方向(即琴键式折叠)进行折叠。换句话说，每一个折叠沿与其相邻的(一个或多个)折叠相反的方向进行折叠。每一个折叠跨过片材402的宽度延伸，与母线404、406平行。
在第二加热区410中，每一对相邻层被诸如玻璃纤维之类的绝缘材料的相应片材412a-412e分开。在这种布置中，有五个单独的绝缘片材412a-e。
图6A是折叠的ETH元件500的侧视图，图5B是图6A的ETH元件500的俯视图。与上述的实施方式一样，ETH元件500包括电阻性材料的片材502、位于片材的相反两端的供应连接器504和返回连接器506。ETH元件500进一步包括第一和第二加热区508、510以及第二加热区510中的若干折叠。因此，两个加热区508、510具有片材502的不同数量的层。
第一加热区508具有单个层，第二加热区510具有由四个折叠产生的五个层的堆叠。为了清楚起见，每一个折叠的大小在图6A中被夸大了。在这种布置中，片材502以带有相同的折叠方向的一系列折叠方式(即螺旋状折叠)进行折叠。换句话说，每一个折叠以与其相邻的(一个或多个)折叠相同的方向进行折叠。
每一个折叠跨过片材502的宽度延伸，与母线504、506平行。
片材502的每一层通过诸如玻璃纤维之类的绝缘材料与第二加热区510中的片材502的相邻层分开。在这种布置中，有单个绝缘层512，其被折叠以便在片材502的相邻各层之间提供绝缘材料。
从图6B还可以看出，返回连接器506的长度被延长，使其突出于折叠的片材502的宽度之外。这意味着尽管被折叠在片材502内部，返回连接器506仍然可以被触及，以便对其进行接线/连接。
图7示出在其未折叠和折叠的状态中的备选的ETH元件600。ETH元件600包括碳纤维纱片材602、位于片材的两端的供应母线604和返回母线606。片材602跨过其宽度围绕与母线602、604成斜角的折叠线608折叠，以提供一对加热区610、612。
图8是示出ETH元件600是如何嵌入叶片6的壳体内的横截面图。上述ECT元件100、200、300、400、500可以以类似的方式嵌入叶片6的叶片壳体中。
壳体包括层状复合体620和表面覆盖层621，该表面覆盖层可以包括油漆、底漆和/或金属防雷层。ETH元件600被嵌入层状复合体620和表面覆盖层621之间。
绝缘层609将加热区612中的片材602的相邻的一对层分开。
请注意，这对母线604、606在片材的相反两侧由片材携带，因此在折叠的配置中，它们都朝外，便于连接。
上述实施方式中的电连接件可以在片材的同一侧，也可以根据需要在不同侧(如图8)，并取决于折叠的数量和折叠的方式。
如图8所示，叶片壳体具有厚度方向T，片材602的各层被折叠，使它们沿叶片壳体的厚度方向T形成堆叠。
尽管上述实施方式规定了折叠的片材的某些层数，但可以理解的是，每一个加热区可以使用任何层数，只要至少两个加热区具有片材的不同数量的层。例如，每一个加热区可以有一个以上的层。
同样，也可以有两个以上的加热区。在有两个以上的加热区的情况下，所有的加热区可以彼此具有片材的不同数量的层(例如在图3B中)，或者一些加热区可以包括片材的相同数量的层，只要至少有两个加热区具有片材的不同数量的层。
虽然本发明在上面已经参照一个或多个优选实施方式进行了描述，但可以理解的是，在不脱离所附权利要求书中定义的本发明范围的情况下，可以进行各种改变或修改。

Claims (22)

1.一种包括电热加热元件的风力涡轮机叶片，电热加热元件包括电阻性材料的片材，所述电阻性材料的片材被折叠，以便提供多个加热区，每一个加热区包括片材的一个或多个层，其中，至少两个加热区具有片材的不同数量的层。
2.根据权利要求1的风力涡轮机叶片，其中，片材的每一个层通过绝缘材料与同一加热区中的片材的相邻层分开。
3.根据权利要求2的风力涡轮机叶片，包括绝缘层，绝缘层被折叠，以便在片材的相邻各层之间提供绝缘材料。
4.根据前述权利要求中任一项的风力涡轮机叶片，其中，电阻性材料包括碳纤维的纱。
5.根据前述权利要求中任一项的风力涡轮机叶片，其中，电热加热元件配置为在所述至少两个加热区中以不同的热通量加热风力涡轮机叶片。
6.根据前述权利要求中任一项的风力涡轮机叶片，其中，加热元件包括一对位于片材的相反两端的电连接件。
7.根据权利要求6的风力涡轮机叶片，其中，片材具有在片材的相反两端之间变化的宽度。
8.根据权利要求7的风力涡轮机叶片，其中，片材的宽度连续变化。
9.根据权利要求7的风力涡轮机叶片，其中，片材的宽度以一个或多个阶梯变化。
10.根据权利要求6至9中任一项的风力涡轮机叶片，其中，这对电连接件位于片材长度的相反两端，并且片材沿其长度被折叠。
11.根据权利要求6至9中任一项的风力涡轮机叶片，其中，这对电连接件位于片材长度的相反两端，并且片材沿其宽度被折叠。
12.根据权利要求6至11中任一项的风力涡轮机叶片，其中至少一个电连接件是母线。
13.根据权利要求12的风力涡轮机叶片，其中，片材围绕一个或多个折叠线进行折叠，所述折叠线与母线平行或垂直。
14.根据前述权利要求中任一项的风力涡轮机叶片，其中，片材在一系列折叠处以交替的折叠方向进行折叠。
15.根据前述权利要求中任一项的风力涡轮机叶片，其中，片材在一系列折叠处以相同的折叠方向进行折叠。
16.根据前述权利要求中任一项的风力涡轮机叶片，其中，片材围绕至少两个折叠线进行折叠。
17.根据前述权利要求中任一项的风力涡轮机叶片，其中，片材围绕奇数个折叠线进行折叠。
18.根据前述权利要求中任一项的风力涡轮机叶片，其中，所述至少两个加热区中的每一个包括片材的多个层。
19.一种风力涡轮机，包括根据前述权利要求中任一项的风力涡轮机叶片。
20.一种加热风力涡轮机叶片的方法，风力涡轮机叶片包括电热加热元件，电热加热元件包括导电材料的片材，所述片材被折叠以提供多个加热区，每一个加热区包括片材的一个或多个层，其中至少两个加热区具有片材的不同数量的层，所述方法包括：给加热元件供电，使所述至少两个加热区以不同的热通量加热风力涡轮机叶片。
21.一种修改由风力涡轮机叶片的电热加热元件输出的热通量的方法，电热加热元件包括电阻性材料的片材，所述方法包括：识别风力涡轮机叶片的加热要求；以及折叠电阻性材料的片材，使由电热加热元件产生的热通量针对加热要求来修改，其中电阻性材料的片材被折叠以提供多个加热区，每一个加热区包括片材的一个或多个层，并且其中至少两个加热区具有片材的不同数量的层。
22.根据权利要求21的方法，其中，加热要求包括在每一个加热区中产生的热通量的量，和/或加热区的大小，和/或加热区的形状，和/或加热区的数量，和/或加热区的理想位置。
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