CN114876745B - 用于风力发电机叶片的除冰均衡性控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于风力发电机叶片的除冰均衡性控制装置及方法，该装置包括：设置在风机叶片内腔的风机叶片防除冰系统、放置在风机叶片内腔的RFID读写器以及多个RFID测温标签；多个RFID测温标签分别贴敷在风机叶片表面划分的多个区域内；RFID读写器通过射频无线通信与多个RFID测温标签进行通信以获取风机叶片表面的多个区域内的温度；风机叶片防除冰系统，用于根据获取风机叶片表面的多个区域内的温度，控制在风机叶片内腔内产生沿风机内腔壁循环吹动的热风流，以对风机叶片进行除冰。本发明风机叶片防除冰系统安装在叶片内部空腔内，在叶片内部实现一个热循环，将加热器释放的热量逐步传导至叶片表面，以实现防冰及融冰功能。

Description

用于风力发电机叶片的除冰均衡性控制装置及方法

技术领域

本发明涉及风机的结冰处理技术领域，尤其涉及一种用于风力发电机叶片的除冰均衡性控制装置及方法。

背景技术

风机叶片(风机叶片)结冰是一项全球性的技术难题，在我国中东部，南方大部分风电场属于IV类风资源区，风机多处于高寒山区等微地形区域，当遭遇雨雪冰冻天气时，极易受到覆冰灾害的影响，冬季面临严重的冰冻灾害。风机叶片结冰会造成电量损失、性能劣化、机械失效、安全危险。覆冰不仅影响风机出力和自身安全，严重时可能导致风电场脱网，影响所接入地区电力系统的动态稳定、调频调压和安全稳定运行。2021年2月，极寒天气引起风机叶片结冰，导致美国德州风力发电机组大面积停机。

在如何应对叶片结冰的问题上，各个风电场业主联合各大高校、企业及研究院所想了多种方法，如叶片表面镀膜、刷防冰涂层、气热、电热、加膨胀条、叶片抖动等。但是每种除冰方法在技术上都存在无法克服的局限性，导致整体除冰效果不佳。其中气热除冰系统具有整体技术风险可控、安装方便、无雷击风险、新装和改造都适宜等优点，是目前在风机技改市场上是应用最多最成功的一种除冰方法。但是气热除冰也有本身固有的缺陷，叶片材料导热性能差，叶片内腔结构复杂，不同叶片内腔风道风阻有很大差距，不同部位叶片构造和材料也不同，导致现场应用时叶片除冰均衡性较差，整体除冰效率低下，如图1所示。由于现有技术无法对叶片表面温度及冰的状态进行有效监控，因此，气热除冰系统无法根据叶片表面结冰和融冰的状态进行自动启停，也无法根据叶片表面不同部位的融冰情况进行功率调整及热量分配。

发明内容

本发明提供了一种用于风力发电机叶片的除冰均衡性控制装置及方法，用以解决气热除冰系统无法根据叶片表面结冰和融冰的状态进行自动启停，也无法根据叶片表面不同部位的融冰情况进行功率调整及热量分配的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种用于风力发电机叶片的除冰均衡性控制装置，包括：设置在风机叶片内腔的风机叶片防除冰系统、放置在风机叶片内腔的RFID读写器以及多个RFID测温标签；多个RFID测温标签分别贴敷在风机叶片表面划分的多个区域内；RFID读写器通过射频无线通信与多个RFID测温标签进行通信以获取风机叶片表面的多个区域内的温度；

风机叶片防除冰系统，用于根据获取风机叶片表面的多个区域内的温度，控制在风机叶片内腔内产生沿风机内腔壁循环吹动的热风流，以对风机叶片进行除冰。

优选地，风机叶片内腔设置有一个以上的沿风机叶片的长度方向布置的腹板，以在宽度方向将风机叶片内腔分隔成两个以上的在两端连通的长型腔体，每个长型腔体至少一部分腔壁为风机叶片内腔壁；

风机叶片防除冰系统，在产生沿风机内腔壁循环吹动的热风流时，从至少一个长型腔体的第一端送入热风，以使得热风流从送入热风的长型腔体的第二端送出后逆向吹入另一个以上的长型腔体的第二端中，然后从一个以上的长型腔体的第一端送出后，又进入至少一个长型腔体的第一端，以形成循环吹动的热风流。

优选地，风机叶片防除冰系统，包括：PTC加热器、离心风机和通风管，离心风机设置于PTC加热器的进风口，PTC加热器的出风口与通风管连接，通风管的出风端深入至少一个长型腔体中并与长型腔体同向布置。

优选地，风机叶片防除冰系统，还包括：设置在通风管的出风端的风速传感器，设置在PTC加热器的进风口的第一温度传感器，以及设置在PTC加热器的出风口的第二温度传感器。

优选地，风机叶片防除冰系统，还包括：

控制器，用于以通过RFID测温标签监测叶片表面对应区域的温度变化，通过叶片表面各点的温度值对离心风机的风速及PTC加热器的输出功率进行调节。

优选地，控制器通过叶片表面各点的温度值对离心风机的风速及PTC加热器的输出功率进行调节，包括被设置为进行以下步骤：

读取RFID测温标签对应的叶片表面区域的温度；

将叶片表面各区域的温度进行曲线插值，拟合得到叶片表面的温度曲线；

根据叶片各区域的材料的导热速率和温度曲线计算管道气体流速的控制量；

根据管道气体流速的控制量计算离心风机的风速控制量；根据风速控制量控制离心风机的风速；

根据环境温度和叶片表面温度曲线计算PTC加热器功率控制量，根据PTC加热器功率控制量控制PTC加热器功率。

本发明还提供一种将上述用于风力发电机叶片的除冰均衡性控制装置用于风力发电机叶片的除冰均衡性控制方法，包括以下步骤：

读取RFID测温标签对应的叶片表面区域的温度；

将叶片表面各区域的温度进行曲线插值，拟合得到叶片表面的温度曲线；

根据叶片各区域的材料的导热速率和温度曲线计算管道气体流速的控制量以及离心风机的风速控制量；根据风速控制量控制离心风机的风速；

根据环境温度和叶片表面温度曲线计算PTC加热器功率控制量，根据PTC加热器功率控制量控制PTC加热器功率。

计算离心风机的风速控制量，包括：

根据叶片各部位的材料特点确定叶片各部位的导热速率ε(x)，确定叶片导热速率最大值点ε_max和表面温度最大值点y_max及最小值点y_min，离心风机的风速为：

其中η为风速调节系数，根据不同的离心风机额定转速进行设定，且离心风机设定的参考风速ω^*不超过离心风机额定转速可调节的范围。

优选地，根据环境温度和叶片表面温度曲线计算PTC加热器功率控制量，计算式如下：

其中τ为功率调节系数，根据不同的加热器额定功率进行设定，且加热器设定的输出功率P^*不超过加热器额定功率可调节的范围。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明的用于风力发电机叶片的除冰均衡性控制装置及方法，风机叶片防除冰系统安装在叶片内部空腔内，在叶片内部实现一个热循环，将加热器释放的热量逐步传导至叶片表面，以实现防冰及融冰功能。

2、在优选方案中，本发明用于风力发电机叶片的除冰均衡性控制装置及方法，在保证PTC加热器效率充分发挥出来的前提下，对叶片加热均衡性进行控制，通过RFID测温标签敷贴在叶片表面，以监测叶片表面的温度变化，通过叶片表面各点的温度值对离心风机的风速及PTC加热器的输出功率进行调节，能根据叶片表面不同部位的融冰情况进行功率调整及热量分配，实现精准融冰控制。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的用于风力发电机叶片的除冰均衡性控制装置的结构示意图；

图2是本发明优选实施例的用于风力发电机叶片的除冰均衡性控制装置的电气结构示意图；

图3是本发明优选实施例的用于风力发电机叶片的除冰均衡性控制方法的流程图；

图4是本发明优选实施例的叶片表面的温度曲线示意图。

图中各标号表示：

1、RFID测温标签；2、RFID读写器；3、离心风机；4、PTC加热器；5、腹板；6、风机叶片；7、通风管；8、第一温度传感器；9、第二温度传感器；10、加热器进风口；11、加热器出风口；12、挡板；13、风速传感器；14、长型腔体；15、叶片入口盖板；16、控制器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

参见图1，图2，本发明的用于风力发电机叶片的除冰均衡性控制装置，包括：设置在风机叶片内腔的风机叶片防除冰系统、放置在风机叶片内腔的RFID读写器2以及多个RFID测温标签1；多个RFID测温标签1分别贴敷在风机叶片表面划分的多个区域内；RFID读写器2通过射频无线通信与多个RFID测温标签1进行通信以获取风机叶片表面的多个区域内的温度；

风机叶片防除冰系统，用于根据获取风机叶片表面的多个区域内的温度，控制在风机叶片内腔内产生沿风机内腔壁循环吹动的热风流，以对风机叶片6进行除冰。

上述结构，RFID读写器放置在风机叶片内腔，RFID测温标签贴敷在叶片表面，由于RFID测温标签与RFID读写器之间采用射频无线通信，可极大避免雷击的风险。风机叶片防除冰系统安装在叶片内部空腔内，在叶片内部实现一个热循环，将加热器释放的热量逐步传导至叶片表面，以实现防冰及融冰功能。

在一些实施方式中，风机叶片内腔设置有一个以上的沿风机叶片6的长度方向布置的腹板5，叶片根部还设置有叶片入口盖板15，以在宽度方向将风机叶片内腔分隔成两个以上的在两端连通的长型腔体14(本实施例图1中为三个，还可以设置成多个)，每个长型腔体14至少一部分腔壁为风机叶片内腔壁，以确保热风与叶片材料接触以将热量传导至叶片表面。风机叶片防除冰系统在产生沿风机内腔壁循环吹动的热风流时，从至少一个长型腔体14的第一端送入热风，以使得热风流从送入热风的长型腔体14的第二端送出后逆向吹入另一个以上的长型腔体14的第二端中，然后从一个以上的长型腔体14的第一端送出后，又进入至少一个长型腔体14的第一端，以形成循环吹动的热风流。将加热器释放的热量逐步传导至叶片表面，以实现防冰及融冰功能。

在一些实施方式中，风机叶片防除冰系统，包括：PTC加热器4、离心风机3、通风管7、设置在通风管7的出风端的风速传感器13，设置在PTC加热器4的进风口的第一温度传感器8，以及设置在加热器出风口11的第二温度传感器9。离心风机3设置于加热器进风口10，加热器出风口11与通风管7连接，通风管7的出风端深入至少一个长型腔体14中并与长型腔体14同向布置。该长型腔体14中设置有挡板12，通风管7的出风端从挡板12上开设的通孔中伸入该长型腔体14内。

在一些实施方式中，风机叶片防除冰系统，还包括控制器16，用于以通过RFID测温标签1监测叶片表面对应区域的温度变化，通过叶片表面各点的温度值对离心风机3的风速及PTC加热器4的输出功率进行调节。控制器16通过叶片表面各点的温度值对离心风机3的风速及PTC加热器4的输出功率进行调节，参见图3，包括被设置为进行以下步骤：

读取RFID测温标签1对应的叶片表面区域的温度；

将叶片表面各区域的温度进行曲线插值，拟合得到叶片表面的温度曲线；

根据叶片各区域的材料的导热速率和温度曲线计算管道气体流速的控制量；

根据管道气体流速的控制量计算离心风机3的风速控制量；根据风速控制量控制离心风机3的风速(可以通过电动蝶阀进行控制)；

根据环境温度和叶片表面温度曲线计算PTC加热器4功率控制量，根据PTC加热器4功率控制量控制PTC加热器4功率。

对应地，参见图3，本发明还提供一种将上述用于风力发电机叶片的除冰均衡性控制装置用于风力发电机叶片的除冰均衡性控制方法，包括以下步骤：

读取RFID测温标签1对应的叶片表面区域的温度；

将叶片表面各区域的温度进行曲线插值，拟合得到叶片表面的温度曲线；

根据叶片各区域的材料的导热速率和温度曲线计算管道气体流速的控制量以及离心风机3的风速控制量；根据风速控制量控制离心风机3的风速(根据风速传感器13测得的风速可以继续通过反馈调节离心风机3的转速，以使得实际风速接近目标风速)；

根据环境温度和叶片表面温度曲线计算PTC加热器4功率控制量，根据PTC加热器4功率控制量控制PTC加热器4功率。

实施时，在保证PTC加热器4效率充分发挥出来的前提下，对叶片加热均衡性进行控制，通过RFID测温标签1敷贴在叶片表面，以监测叶片表面的温度变化，通过叶片表面各点的温度值对离心风机3的风速及PTC加热器4的输出功率进行调节。调节过程中所涉及的计算方式如下：

所述导热速率ε计算公式如下：

其中λ为导热系数，为导热面积，d_t为温度微分量，d_n为导热面积的法向单位矢量。

单位面积的固体表面与流体之间在单位时间内交换的热量(热流密度)q的计算公式如下：

q＝ξ*|T_α-T_β|

其中ξ为物体表面对流传热系数，物体表面附近的流体流速ω越大，其表面对流传热系数ξ也越大；T_α、T_β分别是流体温度和固体表面温度。

流体流速ω(单位m/s)与流量Q(单位m³/h)管道直径d(单位m)的关系：

流体质量流量W_c计算公式为：

其中ρ为流体介质密度，单位是kg/m³。

因此，流量与流量质量流量的关系为：

可见，在离心风机3额定流量和固定管道直径条件下，可以通过调节离心风机3转速n来调节流体速度ω，通过控制流体速度ω，从而达到叶片均衡性除冰目的。流体速度控制具体如下：

RFID测温标签1所测得的离散温度点用三次样条曲线函数进行拟合得到类似图4所示的示例曲线y(x)，y轴代表叶片表面温度值，x轴代表温度点离叶片根部的距离。

根据叶片各部位的材料特点，确定叶片各部位的导热速率ε(x)，并取得叶片导热速率最大值点ε_max和表面温度最大值点y_max及最小值点y_min。

根据所述离心风机3风速参考给定为：

其中η为风速调节系数，根据不同的离心风机3额定转速进行设定，确保离心风机3设定的参考风速ω^*不会超过离心风机3额定转速可调节的范围。

PTC加热器4输出功率P^*根据叶片表面温度曲线进行调节，在满足除冰需求条件下，以达到节能减排效果：

其中τ为功率调节系数，根据不同的加热器额定功率进行设定，确保加热器设定的输出功率P^*不会超过加热器额定功率可调节的范围。

综上可知，本发明用于风力发电机叶片的除冰均衡性控制装置及方法，在保证PTC加热器4效率充分发挥出来的前提下，对叶片加热均衡性进行控制，通过RFID测温标签1敷贴在叶片表面，以监测叶片表面的温度变化，通过叶片表面各点的温度值对离心风机3的风速及PTC加热器4的输出功率进行调节，能根据叶片表面不同部位的融冰情况进行功率调整及热量分配，实现精准融冰控制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于风力发电机叶片的除冰均衡性控制装置，其特征在于，包括：设置在风机叶片内腔的风机叶片防除冰系统、放置在风机叶片内腔的RFID读写器以及多个RFID测温标签；所述多个RFID测温标签分别贴敷在风机叶片表面划分的多个区域内；所述RFID读写器通过射频无线通信与所述多个RFID测温标签进行通信以获取所述风机叶片表面的多个区域内的温度；

所述风机叶片防除冰系统，用于根据获取所述风机叶片表面的多个区域内的温度，控制在所述风机叶片内腔内产生沿所述风机内腔壁循环吹动的热风流，以对所述风机叶片进行除冰；所述风机叶片防除冰系统，包括：PTC加热器、离心风机和通风管，所述离心风机设置于所述PTC加热器的进风口，所述PTC加热器的出风口与所述通风管连接，所述通风管的出风端深入至少一个长型腔体中并与所述长型腔体同向布置；

所述风机叶片防除冰系统，还包括：

控制器，用于以通过RFID测温标签监测叶片表面对应区域的温度变化，通过叶片表面各点的温度值对离心风机的风速及PTC加热器的输出功率进行调节，包括被设置为进行以下步骤：

读取RFID测温标签对应的叶片表面区域的温度；

将叶片表面各区域的温度进行曲线插值，拟合得到叶片表面的温度曲线；

根据叶片各区域的材料的导热速率和温度曲线计算管道气体流速的控制量；

根据管道气体流速的控制量计算离心风机的风速控制量；根据风速控制量控制离心风机的风速；

根据环境温度和叶片表面温度曲线计算PTC加热器功率控制量，根据PTC加热器功率控制量控制PTC加热器功率。

2.根据权利要求1所述的用于风力发电机叶片的除冰均衡性控制装置，其特征在于，所述风机叶片内腔设置有一个以上的沿风机叶片的长度方向布置的腹板，以在宽度方向将所述风机叶片内腔分隔成两个以上的在两端连通的长型腔体，每个所述长型腔体至少一部分腔壁为所述风机叶片内腔壁；

所述风机叶片防除冰系统，在产生沿所述风机内腔壁循环吹动的热风流时，从至少一个长型腔体的第一端送入热风，以使得热风流从送入热风的长型腔体的第二端送出后逆向吹入另一个以上的长型腔体的第二端中，然后从所述一个以上的长型腔体的第一端送出后，又进入所述至少一个长型腔体的第一端，以形成循环吹动的热风流。

3.根据权利要求1所述的用于风力发电机叶片的除冰均衡性控制装置，其特征在于，所述风机叶片防除冰系统，还包括：设置在所述通风管的出风端的风速传感器，设置在所述PTC加热器的进风口的第一温度传感器，以及设置在所述PTC加热器的出风口的第二温度传感器。

4.一种将权利要求1至3中任一项所述的用于风力发电机叶片的除冰均衡性控制装置用于风力发电机叶片的除冰均衡性控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

读取RFID测温标签对应的叶片表面区域的温度；

将叶片表面各区域的温度进行曲线插值，拟合得到叶片表面的温度曲线；

根据叶片各区域的材料的导热速率和温度曲线计算管道气体流速的控制量以及离心风机的风速控制量；根据风速控制量控制离心风机的风速；

根据环境温度和叶片表面温度曲线计算PTC加热器功率控制量，根据PTC加热器功率控制量控制PTC加热器功率。

5.根据权利要求4所述的用于风力发电机叶片的除冰均衡性控制方法，其特征在于，

所述计算离心风机的风速控制量，包括：

根据叶片各部位的材料特点确定叶片各部位的导热速率ε(x)，确定叶片导热速率最大值点ε_max和表面温度最大值点y_max及最小值点y_min，所述离心风机的风速为：

其中η为风速调节系数，根据不同的离心风机额定转速进行设定，且离心风机设定的参考风速ω^*不超过离心风机额定转速可调节的范围。

6.根据权利要求5所述的用于风力发电机叶片的除冰均衡性控制方法，其特征在于，根据环境温度和叶片表面温度曲线计算PTC加热器功率控制量，计算式如下：

其中τ为功率调节系数，根据不同的加热器额定功率进行设定，且加热器设定的输出功率P^*不超过加热器额定功率可调节的范围。