CN206487595U - 风力发电机的径向加热融冰叶片和融冰设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公布了一种风力发电机的径向加热融冰叶片和融冰设备。在风机叶片蒙皮外边，加热层完全包裹住叶片蒙皮，在加热层外边由绝缘层完全包裹加热层，在绝缘层外边用防雷层完全包裹绝缘层。加热层采用径向导电和径向加热方式。径向导电方式中，加热层由加热材料和嵌入到加热材料中的加热电源导线构成，加热电源导线分别安装在叶片前缘和后缘的位置。在径向加热方式中，径向加热层由间隔分布、相邻连接而成的径向加热条和径向绝缘条成条状覆盖在叶片蒙皮外边。自动融冰设备的微处理器对开关电路进行控制，启动融冰或结束融冰。本实用新型能及时判断叶片是否结冰，自动实时融冰，避免因结冰导致风力发电机停机。

Description

风力发电机的径向加热融冰叶片和融冰设备

(一)技术领域

本实用新型属风力发电领域，涉及风力发电机的径向加热自动融冰叶片和融冰设备及其融冰方法。

(二)背景技术

目前，风力发电机正大规模推广应用，但是在冬天，风力发电机叶片会因结冰导致停机。解决风力发电机叶片融冰问题可以避免因叶片结冰停机导致的风电厂生产损失。

申请号为CN201511019717.1的中国专利《叶片除冰装置和风力发电机组、叶片除冰方法》利用气泵在叶片需要除冰时向覆膜中通入气体使其膨胀，快捷地完成叶片除冰。申请号为CN201511014146.2的中国专利《风力发电机叶片的融冰加热结构及其制作方法》，利用设有碳晶膜加热装置，用于加热壳体前缘的覆冰区域，以实现融冰和防止结冰。申请号为CN201610382608.4《一种风机叶片自动防冰除冰系统及防冰除冰方法》利用自动除冰系统确定风机叶片结冰状况，自动进行防冰处理。上述现有技术虽然均采用了不同的除冰设备和方法对叶片进行融冰，但在实际使用中因结冰影响发电的情况还常有发生，现有技术还不能满足实际生产的需要，风机叶片的融冰问题已经是冬季风力发电生产的障碍，迫切需要新技术进行解决。

(三)实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术在实际生产应用中还不能正常使用的现状，提供一种可以实时融冰的风力发电机叶片以及实时融冰设备，在风力发电机叶片结冰时进行实时自动融冰，保证在天气寒冷时风电发电机正常发电。

本实用新型的目的是这样达到的：一种风力发电机的径向加热融冰叶片和融冰设备，风力发电机叶片由叶片主梁和叶片蒙皮构成，其特征在于：在叶片蒙皮外边，设置一层加热层完全包裹住叶片蒙皮，在加热层外边设置绝缘层完全包裹加热层，在绝缘层外边设置防雷层完全包裹绝缘层，防雷层与引雷地线连接。

所述加热层有径向导电方式和径向加热方式两种设计方法，在径向加热方式中，径向加热条有径向条状设计和径向开窗设计两种方式。

在加热层的径向导电方式中，加热层由加热材料和加热电源导线构成，两根加热电源导线嵌入到加热材料中并在叶根处露在加热材料外，通过开关电路跟融冰电源的两个电源输出端口连接；两根加热电源导线彼此不连接，且都从叶片根沿风轮径向到叶片尖部，两根加热电源导线分别安装在叶片前缘和后缘的位置。

在加热层的径向加热方式中，径向加热层由径向加热条和径向绝缘条构成，径向加热条和径向绝缘条数量相同，分别有n根，径向加热条和径向绝缘条间隔分布、相邻连接而成，成条状覆盖在叶片蒙皮外边。

自动融冰设备由开关电路、微处理器、通信模块、振动传感器、振动信号处理模块构成，振动传感器连接振动信号处理模块，微处理器与振动信号处理模块和开关电路连接,与通信模块双向通信，微处理器连接开关电路，对开关电路进行控制；振动传感器安装在叶片内部，紧贴叶片内部蒙皮，振动传感器输出连接到振动信号处理模块。振动信号处理模块的输入连接振动传感器，对振动传感器信号进行处理，将振动传感器的输出信号转换为电压信号，将转换得到的电压信号输出到微处理器；振动信号处理模块输出数字信号或模拟信号，当振动信号处理模块输出模拟信号时，微处理器自带模数转换器，其模数转换的模拟输入连接到振动信号处理模块的输出。

所述在加热条的径向条状设计方式中，每根径向加热条有两根径向条状加热导线和一根径向条状加热材料，两根径向条状加热导线分别嵌入径向条状加热材料的两侧，且彼此平行，径向条状加热导线比径向条状加热材料长，超长的部分在叶根方向露出，所有径向加热条的同侧径向条状加热导线分别短路连接；所有径向条状加热导线两端分别经开关电路与与融冰电源的两个电源输出端口连接，两侧径向条状加热导线间彼此不连接，且都从叶根沿风轮径向到叶尖方向，嵌入到加热横条和绝缘横条中间。

所述在加热条的径向开窗设计方式中，每根径向加热条有两根径向开窗加热导线，开窗绝缘材料与开窗加热材料呈间隔分布在径向开窗加热导线之间，开窗绝缘材料与开窗加热材料完全包裹径向开窗加热导线；径向开窗加热导线沿着径向加热条的边缘从叶根部到叶尖方向嵌入到开窗绝缘材料和开窗加热材料中，两根径向开窗加热导线分别嵌入开窗绝缘材料和开窗加热材料的两边；径向开窗加热导线比径向加热条长，超长的部分在叶根方向露出；所有径向开窗设计的同侧的径向开窗加热导线分别短路连接；所有径向开窗加热导线分别经开关电路与融冰电源连接，径向条状加热导线间彼此不连接。

所述开关电路由两组相同的电路构成，两组开关端口A分别连接到融冰电源，当加热层采用径向导电方式时，两组开关端口B分别连接两根加热电源导线；当加热层采用径向条状设计方式时，两组开关端口B分别连接到加热条两侧的径向条状加热导线；当加热层采用径向开窗设计两种方式时，两组开关端口B分别连接到加热条两侧的径向开窗加热导线。

所述振动传感器采用一个或多个，当采用一个时，振动传感器安装在风机叶片的叶根和叶尖的中间部位；当采用多个振动传感器时，振动传感器沿风轮径向均匀分布在叶片叶根和叶尖之间。

本实用新型的积极效果是：解决现有技术的不足，切实保障在天气寒冷时风电发电机正常发电。本实用新型能及时判断天气寒冷时风力发电机叶片是否结冰，发现风力发电机叶片结冰后能进行实时自动融冰，避免目前天气寒冷风力发电机停机的现象的发生。

四、附图说明

图1是本实用新型的风力发电机叶片整体结构示意图。

图2是本实用新型的风力发电机叶片横截面结构示意图。

图3是本实用新型的风力发电机叶片加热层采用径向导电方式示意图。

图4是本实用新型的风力发电机叶片加热层径向加热方式示意图。

图5是本实用新型的风力发电机叶片加热层径向加热方式中径向条状设计方式示意图。

图6是本实用新型的风力发电机叶片加热层径向加热方式中径向开窗设计示意图。

图7是本实用新型的自融冰设备结构图。

图8是自动融冰设备使用时的连接关系图。

图9是本实用新型的自融冰设备中开关电路原理图。

图10是本实用新型的自融冰设备中微处理器原理图。

图11是本实用新型的自融冰设备中通信模块原理图。

图中，1防雷层，2叶片主梁，3绝缘层，4加热层，5叶片蒙皮，6-1、6-2加热电源导线，7加热材料，8-1～8-n径向加热条，9-1～9-n径向绝缘条，11-1、11-2径向条状加热导线，12径向条状加热材料，13-1～13-k开窗绝缘材料，14-1～14-l开窗加热材料，15-1、15-2径向开窗加热导线，16开关电路，17微处理器，18通信模块，19可融冰风机叶片， 20风力发电机监控系统，21风电厂控制中心，22融冰电源，25振动传感器，26振动信号处理模块。

五、具体实施方式

参见附图1、2。

常规风力发电机叶片由叶片主梁2和叶片蒙皮5构成，本实用新型的叶片主梁和叶片蒙皮按常规叶片设计方法设计。本实用新型在叶片蒙皮5外边，设置有一层加热层4包裹住叶片蒙皮5，在加热层4外边设置绝缘层3完全包裹加热层4，在绝缘层3外边设置防雷层1完全包裹绝缘层3，防雷层与引雷地线连接。绝缘层完全包裹加热层，绝缘层采用绝缘材料。本实施例绝缘材料采用玻璃纤维。防雷层为完全包裹绝缘层的金属网，或金属片。防雷层与引雷地线连接。实时例中防雷层的材料选择铜片。

参见附图3-6。

加热层由加热材料和加热电源导线构成，加热电源导线嵌入到加热材料中。本实施例中加热电源导线选择铜线。加热材料是一种加电后可以将电能转换为热能的材料，选择正温度系数效应的发热材料，比如聚合物和炭黑混合物合成的发热材料。加热材料发热所需的电压，称为加热材料工作电压。加热材料涂在叶片蒙皮外，涂满并覆盖叶片蒙皮。本实施例选择芜湖佳红新材料有限公司生产的辐照交联PTC半导体材料。加热材料工作电压为交流220伏。

在加热层4的径向导电方式中，加热层由加热材料7和加热电源导线6-1、6-2构成，加热电源导线6-1、6-2嵌入到加热材料7中，并在叶根处露在加热材料外，通过开关电路跟融冰电源的两个电源输出端口连接。加热电源导线6-1、6-2彼此不连接，且都从叶根沿风轮径向到叶尖，加热电源导线6-1和6-2分别安装在叶片前缘和后缘的位置。

在加热条的径向条状设计方式中，每根径向加热条有两根径向条状加热导线11-1、11-2和一根径向条状加热材料12，径向条状加热导线11-1、11-2分别嵌入径向条状加热材料12的两边，且彼此平行，径向条状加热导线11-1,11-2比径向条状加热材料12长，超长的部分在叶片根方向露出，所有径向加热条一侧的径向条状加热导线11-1短路连接，另一侧径向条状加热导线11-2短路连接；所有径向条状加热导线11-1、11-2分别经开关电路与融冰电源的两个电源输出端口连接，径向条状加热导线11-1、11-2彼此不连接，且都从叶根沿风轮径向到叶尖，嵌入到加热横条和绝缘横条中间。

径向条状加热材料涂在叶片蒙皮上，是一种加电后可以将电能转换为热能的材料，可以选择正温度系数效应的发热材料，比如聚合物和炭黑混合物合成的发热材料。径向条状加热材料发热所需的电压，称为径向条状加热材料工作电压。径向条状加热材料涂在叶片蒙皮外，涂满并覆盖叶片蒙皮。

在加热条的径向开窗设计方式中，每根径向加热条有两根径向开窗加热导线15-1、15-2，开窗绝缘材料13-1～13-k与开窗加热材料14-1～14-l呈间隔分布在径向开窗加热导线之间，开窗绝缘材料13-1～13-k与开窗加热材料14-1～14-l完全包裹径向开窗加热导线15-1、15-2；径向开窗加热导线15-1、15-2沿着径向加热条的边缘从叶根到叶尖方向嵌入到开窗绝缘材料(13-1～13-k)和开窗加热材料14-1～14-l中，径向开窗加热导线15-1、15-2分别嵌入开窗绝缘材料13-1～13-k和开窗加热材料14-1～14-l的两边；径向开窗加热导线15-1,15-2比径向加热条长，超长的部分在叶根方向露出，用于跟融冰电源的两个电源输出端口连接；所有径向开窗设计的径向加热条的15-1短路连接，15-2短路连接；所有径向开窗加热导线15-1、15-2分别与融冰电源的两个电源输出端口连接，径向条状加热导线15-1、15-2彼此不连接。

开窗绝缘材料13-1～13-k与开窗加热材料14-1～14-l呈间隔分布在横向开窗加热导线之间，开窗绝缘材料与开窗加热材料完全包裹横向开窗加热导线。k与l相等或k等于l+1或等于l-1。k为开窗绝缘材料的数量，l为开窗加热材料数量；不同的径向加热条其开窗绝缘材料的数量及开窗加热材料数量可以不相等。

开窗加热材料涂在叶片蒙皮上，是一种加电后可以将电能转换为热能的材料，选择正温度系数效应的发热材料，比如聚合物和炭黑混合物合成的发热材料。开窗加热材料发热所需的电压，称为开窗加热材料工作电压。开窗加热材料涂在叶片蒙皮外，涂满并覆盖叶片蒙皮。本实施例选择芜湖佳红新材料有限公司生产的辐照交联PTC半导体材料。加热材料工作电压为交流220伏。开窗绝缘材料采用绝缘材料制作而成，本实施例采用玻璃纤维。附图7-11给出了自动融冰设备图。

参见附图7、8。

自动融冰设备由开关电路16、微处理器17、通信模块18、振动传感器25、振动信号处理模块26构成。振动传感器25连接振动信号处理模块26，微处理器17与振动信号处理模块26和开关电路16连接,与通信模块18双向通信，微处理器连接开关电路16，对开关电路(16)进行控制。振动传感器25安装在叶片内部，紧贴叶片内部蒙皮，振动传感 器输出连接到振动信号处理模块26。振动信号处理模块的输入连接振动传感器。微处理器自带模数转换器，其模数转换的模拟输入连接到振动信号处理模块的输出。

振动传感器25采用一个或多个，当采用一个时，振动传感器安装在风机叶片的叶根和叶尖的中间部位。当采用多个振动传感器时，振动传感器沿风轮径向均匀分布在叶片叶根和叶尖之间。

本实施例振动传感器选择：河北省朗斯测试技术有限公司生产的振动传感器，共用8个，8个振动传感器沿风轮径向均匀分布在叶根和叶尖之间，其中4个型号为LC0101，靠近叶根方向安放，另外四个型号为LC0102T，靠近叶尖方向安放。

振动信号处理模块：河北省朗斯测试技术有限公司生产：型号：LC0201。

融冰电源输出电压等于加热材料工作电压或径向条状加热材料工作电压或开窗加热材料工作电压，输出功率满足叶片融冰所需的功率需求。

参见图9。

开关电路16由两组相同的电路构成，两组开关端口A分别连接到融冰电源，当加热层4采用径向导电方式时，两组开关端口B连接加热电源导线6-1、6-2；当加热层采用径向条状设计方式时，两组开关端口B连接径向条状加热导线11-1、11-2；当加热层采用径向开窗设计两种方式时，两组开关端口B连接径向开窗加热导线15-1、15-2。开关闭合，使得加热层通电，实施融冰；开关断开，使得加热层断电不实施融冰。

本实施例的开关KT采用日本欧姆龙公司，LY1-J。电路中，UT1为日本东芝公司生产的TLP521。QT4为美国Fairchild Semiconductor Corporation公司:生产的SS9013。QT1为美国Fairchild Semiconductor Corporation公司生产的IN4148。两组RELAYIN1分别连接微处理器的GPIO引脚。

参见附图10。

微处理器原理图。微处理器自带模数转换器，其模数转换的模拟输入连接到振动信号处理模块的输出。微处理器选择美国德州仪器生产的集成电路TMS320F2812,该集成电路集成了模数转换器。TMS320F2812有16个模数转换器，其模数转换器的16个模拟输入引脚用于连接振动信号处理模块输出的振动传感器信号。

参见附图11。

通信模块选择RS232接口。

U8：MAX232:RS232接口芯片，由美国maxim公司生产，CH3LOOPa,CH3LOOPb与风力发电机监控系统通信接口连接线连接，CH4LOOPa,CH4LOOPb与电厂控制中心连接，UCA2TXD,UCA2RXD连接到微处理器的一个RS232通信接口；UCA3TXD,UCA3RXD连接到微处理器的另一个RS232通信接口。

本实用新型的自动融冰设备由微处理器通过通信模块与风电厂控制中心通信，接收风电厂控制中心命令，在风电厂控制中心的控制下启动融冰或结束融冰。微处理器通过通信模块与风力发电机监控系统通信。微处理器控制开关电路的导通和断开，通过控制开关的通、断来实施融冰和不融冰。

Claims (4)

1.一种风力发电机的径向加热融冰叶片和融冰设备，风力发电机叶片由叶片主梁(2)和叶片蒙皮(5)构成，其特征在于：在叶片蒙皮(5)外边，设置一层加热层(4)完全包裹住叶片蒙皮(5)，在加热层(4)外边设置绝缘层(3)完全包裹加热层(4)，在绝缘层(3)外边设置防雷层(1)完全包裹绝缘层(3)，防雷层(1)与引雷地线连接；

所述加热层(4)有径向导电方式和径向加热方式两种设计方法，在径向加热方式中，径向加热条有径向条状设计和径向开窗设计两种方式；

在加热层(4)的径向导电方式中，加热层由加热材料(7)和加热电源导线(6-1、6-2)构成，加热电源导线(6-1、6-2)嵌入到加热材料(7)中，并在叶根处露在加热材料外，通过开关电路跟融冰电源的两个电源输出端口连接；加热电源导线(6-1、6-2)彼此不连接，且都从叶片根沿风轮径向到叶片尖部，加热电源导线(6-1)和(6-2)分别安装在叶片前缘和后缘的位置；

在加热层(4)的径向加热方式中，径向加热层由径向加热条(8-1～8-n)和径向绝缘条(9-1～9-n)构成，径向加热条(8-1～8-n)和径向绝缘条(9-1～9-n)数量相同，分别有n根，径向加热条(8-1～8-n)和径向绝缘条(9-1～9-n)间隔分布、相邻连接而成，成条状覆盖在叶片蒙皮外边，

自动融冰设备由开关电路(16)、微处理器(17)、通信模块(18)、振动传感器(25)、振动信号处理模块(26)构成，振动传感器(25)连接振动信号处理模块(26)，微处理器(17)与振动信号处理模块(26)和开关电路(16)连接,与通信模块(18)双向通信，微处理器连接开关电路(16)，对开关电路(16)进行控制；振动传感器(25)安装在叶片内部，紧贴叶片内部蒙皮，振动传感器输出连接到振动信号处理模块(26)；振动信号处理模块的输入连接振动传感器；振动信号处理模块输出数字信号或模拟信号,当振动信号处理模块输出模拟信号时，微处理器自带模数转换器，其模数转换的模拟输入连接到振动信号处理模块的模拟输出。

2.如权利要求1所述的风力发电机的径向加热融冰叶片和融冰设备，其特征在于：所述在加热条的径向条状设计方式中，每根径向加热条有两根径向条状加热导线(11-1、11-2)和一根径向条状加热材料(12)，径向条状加热导线(11-1、11-2)分别嵌入径向条状加热材料(12)的两边，且彼此平行，径向条状加热导线(11-1,11-2)比径向条状 加热材料(12)长，超长的部分在叶片根方向露出，用于跟融冰电源连接，所有径向加热条的一侧径向条状加热导线(11-1)短路连接，另一侧径向条状加热导线(11-2)短路连接；所有径向条状加热导线(11-1、11-2)分别经开关电路与融冰电源的两个电源输出端口连接，径向条状加热导线(11-1、11-2)彼此不连接，且都从叶根沿风轮径向到叶尖方向，嵌入到加热横条和绝缘横条中间；

所述在加热条的径向开窗设计方式中，每根径向加热条有两根径向开窗加热导线(15-1、15-2)，开窗绝缘材料与开窗加热材料呈间隔分布在径向开窗加热导线之间，开窗绝缘材料(13-1～13-k)与开窗加热材料(14-1～14-l)完全包裹径向开窗加热导线(15-1、15-2)；径向开窗加热导线(15-1、15-2)沿着径向加热条的边缘从叶片根部到叶尖方向嵌入到开窗绝缘材料(13-1～13-k)和开窗加热材料(14-1～14-l)中，径向开窗加热导线(15-1、15-2)分别嵌入开窗绝缘材料(13-1～13-k)和开窗加热材料(14-1～14-l)的两边；径向开窗加热导线(15-1,15-2)比径向加热条长，超长的部分在叶根方向露出，用于跟融冰电源连接；所有径向开窗设计的径向加热条同侧的径向开窗加热导线(15-1)短路连接，另一侧径向开窗加热导线(15-2)短路连接；所有径向开窗加热导线(15-1、15-2)分别经开关电路与融冰电源连接，径向条状加热导线(15-1、15-2)彼此不连接。

3.如权利要求1所述的风力发电机的径向加热融冰叶片和融冰设备，其特征在于：所述开关电路(16)由两组相同的电路构成，两组开关端口A分别连接到融冰电源，当加热层(4)采用径向导电方式时，两组开关端口B连接加热电源导线(6-1、6-2)；当加热层采用径向条状设计方式时，两组开关端口B连接径向条状加热导线(11-1、11-2)；当加热层采用径向开窗设计两种方式时，两组开关端口B连接径向开窗加热导线(15-1、15-2)。

4.如权利要求1所述的风力发电机的径向加热融冰叶片和融冰设备，其特征在于：所述振动传感器(25)采用一个或多个，当采用一个时，振动传感器安装在风机叶片的叶根和叶尖的中间部位；当采用多个振动传感器时，振动传感器沿风轮径向均匀分布在叶片叶根和叶尖之间。