CN212296729U - 一种风机叶片除冰装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及风机叶片除冰装置。本实用新型包括除冰系统控制柜、外部传感检测装置、陶瓷电热膜以及风机叶片外表面涂覆的纳米超疏水涂层；外部传感检测装置与除冰系统控制柜连接；风机叶片从叶根至叶尖依次划分为若干监测区域，风机叶片上划分的若干监测区域外部均分别设有结冰传感器，每块监测区域又分叶片前翼面、前缘热刀、叶片后翼面的独立加热片区，每个加热片区内均设有陶瓷电热膜，除冰系统控制柜与陶瓷电热膜连接；在风机叶尖外部设置温度传感器。本实用新型能实现重点区域的高效除冰，不仅大大降低了非结冰区域的非必要能耗而且提高了除冰效率，整体更加高效、节能。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种风机叶片除冰装置，属于风力发电技术领域。
背景技术
当今世界在不断发展的同时，对能源的需求也在不断增加，风能作为一种潜力巨大的可再生能源，受到各国政府的高度重视，投资力度也在不断加大。
风力发电就是利用风力带动风机叶片旋转，再通过增速齿轮箱带动高速轴旋转，从而促使风力发电机发电。风力发电是一种清洁高效的发电方式，然而风力发电机一般都架设在寒冷地区或高海拔地区,冬季运行时面临高寒的外部环境考验。其中风机叶片结冰就是其中一项重要的挑战。
风电叶片结冰会减小翼型升力、增加阻力,导致叶片转矩下降,影响风机发电效率。同时,由于覆冰的增加,致使叶片质量分布不平衡,产生不对称载荷,引发机械故障甚至停机。因此，针对风力发电机叶片防除冰技术的研究具有重大现实意义。
现有的风力发电叶片除冰系统中较为典型的有：美国通用电气公司之前实用新型的鼓风机原理，采用鼓风装置进行鼓风,在鼓风装置的出风口处设置工业加热器进行加热，通过鼓风装置将工业加热装置产生的热量以热空气形式在叶片内循环，实现热风循环传热除冰。这种方式不仅由于热传递效率低下，耗能大，而且鼓风设备较重增加了叶片运转的负荷。还有丹麦维斯塔斯风力公司实用新型的采取风力发电机停机后的除冰方法，通过叶片变桨电机使叶片加速变桨后减速形成的冲击抖掉叶片上的结冰，这种方法对轮毂具有巨大伤害，此外还有超声波除冰，电脉冲除冰等等。
目前尚未有一种完善的叶片除冰控制装置。风机覆冰问题已经严重阻碍国内外风电产业的发展。因而探究风机叶片的覆冰规律及其影响因素，寻找合理高效的风机防覆冰、除冰手段已迫在眉睫。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题是：本实用新型提供一种风机叶片除冰装置，用于克服现有风电场叶片除冰方法效率低下，能耗大，不易维护等不足。
本实用新型技术方案是：一种风机叶片除冰装置，包括除冰系统控制柜、外部传感检测装置、陶瓷电热膜3以及风机叶片外表面涂覆的纳米超疏水涂层1；
所述外部传感检测装置包括结冰传感器、温度传感器，外部传感检测装置与除冰系统控制柜连接；风机叶片从叶根至叶尖依次划分为若干监测区域，风机叶片上划分的若干监测区域外部均分别设有结冰传感器用于实时监测风机叶片上各划分区域的结冰情况并反馈给除冰系统控制柜，每块监测区域又分叶片前翼面12、前缘热刀13、叶片后翼面14的独立加热片区，每个加热片区内均设有陶瓷电热膜3，除冰系统控制柜与陶瓷电热膜3连接；在风机叶尖外部设置温度传感器8用于实时监测外界温度情况并反馈给除冰系统控制柜。
作为本实用新型的进一步方案，所述风机叶片从叶根至叶尖依次划分为电热膜区域Ⅰ5、电热膜区域Ⅱ6和电热膜区域Ⅲ7，电热膜区域Ⅰ5、电热膜区域Ⅱ6和电热膜区域Ⅲ7外部分别设置结冰传感器Ⅰ9、结冰传感器Ⅱ10、结冰传感器Ⅲ11；结冰传感器Ⅰ9、结冰传感器Ⅱ10、结冰传感器Ⅲ11均采用叶片结冰传感器Model 9734-SYSTEM，温度传感器8采用PT100外部温度传感器。
作为本实用新型的进一步方案，在每块监测区域分区布置的陶瓷电热膜3与纳米超疏水涂层1之间增设玻璃纤维层2，风机叶片最内层是隔热层4。
作为本实用新型的进一步方案，所述除冰系统控制柜中采用PLC控制器。
作为本实用新型的进一步方案，每个加热片区内设有的陶瓷电热膜3的厚度不一样，从叶根到叶尖处，根据覆冰质量和覆冰厚度逐渐增加的实际情况，故在叶根到叶尖处设置的陶瓷电热膜3具有不同厚度，厚度从薄到厚。
作为本实用新型的进一步方案，所述除冰系统控制柜安装于塔筒底部，接收外部传感检测装置的监测数据并通过轮毂中的电滑轮将不同区域的控制电信号传输到风机叶片相应监测区域对分区设置在风机叶片相应监测区域内的陶瓷电热膜3进行不同工作模式的控制。
作为本实用新型的进一步方案，所述陶瓷电热膜3进行不同工作模式的控制包括不工作、防冰模式、除冰模式三种不同模式；
不工作的模式为：当外部传感检测装置监测到的外界温度大于0℃，则防除冰系统的陶瓷电热膜3不工作，外部传感检测装置工作，对外部结冰传感器反馈信息和温度信息进行实时监测反馈；
防冰模式为：当外部传感检测装置监测到的外界温度小于等于0℃，此时各个划分区域的结冰传感器反馈信息均表示当前风机叶片上各区域叶片尚未结冰时，此时由除冰系统控制柜控制各区域陶瓷电热膜3工作使得温度维持在0℃；
除冰模式为：当外部传感检测装置监测到的外界温度小于等于0℃，此时各个划分区域的结冰传感器反馈信息均表示当前风机叶片上某区域出现结冰现象时，由除冰系统控制柜中的PLC控制该结冰区域陶瓷电热膜3工作进行叶片前翼面12、前缘热刀13、叶片后翼面14分别进行4s、7s、4s的循环电加热除冰。
所述除冰系统控制柜中的控制系统可以采用微控制器，单片机或PLC等，在上述三种模式下，微控制器，单片机或PLC根据温度和反馈结冰情况分别选择不同的陶瓷电热膜3工作是本领域的技术人员容易实现的，是常规技术，不需要程序上的改进才能实现的。
本实用新型共由3个结冰传感器(风力发电机叶片结冰传感器Model9734-SYSTEM)和一个检测外部温度的温度传感器(PT100)组成；其中3个结冰传感器分别安置于划分的各区域外部，用于监测叶片上3个划分区域的结冰情况，并结合叶尖外部PT100温度传感器监测到的温度信息，将监测数据反馈到所述除冰系统控制柜，从而进行分区域的控制模式选择(不动作、防冰模式、除冰模式),若对结冰区域采用除冰模式，即由PLC控制实现该结冰区域叶片前翼面12、前缘热刀13、叶片后翼面14的循环定时除冰。
PLC具有先进的抗干扰能力，使用PLC的平均无故障时间通常在20000小时以上，这是一般的其他电气设备做不到的，且恶劣工业环境适用性强，维护工作量小，维修方便，对于工作在室外恶劣环境的风力发电机来说非常适用。
所述陶瓷电热膜相对于电阻丝等加热元件提高了热效率，是一种微观网格式导电通道，可在曲面或者任意凹凸面上完成面状发热，热效率高，节能省电，寿命长且不易损坏，成本低，无明火，安全可靠。且根据叶片覆冰集中在叶尖处；叶根处覆冰较少且受环境因素影响变化不大；从叶根到叶尖处，覆冰质量和覆冰厚度逐渐增加的实际情况，故在本实用新型中，电热膜区域Ⅰ5、电热膜区域Ⅱ6和电热膜区域Ⅲ7内设置的陶瓷电热膜3具有不同厚度，使得易结冰的叶片尖部温度上升更快，从而提高除冰效率，降低整体除冰系统的能耗。且由于迎风前缘更易覆冰的特点将电热膜区域Ⅰ5、电热膜区域Ⅱ6和电热膜区域Ⅲ7内电热膜都划分前中后区以实现PLC的循环定时除冰提高除冰效率。
本实用新型的有益效果是：
1、本实用新型使用陶瓷电热膜进行加热，可在曲面或者任意凹凸面上完成面状发热，热效率高，节能省电，寿命长且不易损坏，成本低，无明火，安全可靠，从叶根到叶尖处，设置的陶瓷电热膜具有不同厚度，使得易结冰的叶片尖部温度上升更快，从而提高除冰效率，降低整体除冰系统的能耗；
2、本实用新型在风机叶片表面涂覆纳米超疏水性涂层可大大促进水滴流失，降低水滴冻结概率，进而延缓覆冰，提高覆冰门槛能有效减少电热除冰次数，达到降低除冰系统整体能耗的作用；
3、本实用新型应用于风机叶片易结冰地区，通过主被动的除冰方式，减少叶片损伤，提高风机的发电效率；
4、本实用新型能实现重点区域的高效除冰，不仅大大降低了非结冰区域的非必要能耗而且提高了除冰效率，整体更加高效、节能，本实用新型能够在大大降低能耗的前提下达到良好的除冰效果。
附图说明
图1是本实用新型实例提供的风机叶片的翼面正视图；
图2是本实用新型实例提供的风机叶片的翼面后视图；
图3是本实用新型实例的风机叶片侧切面图；
图4是本实用新型图3中局部放大图；
图5是本实用新型防除冰控制系统框图。
图1-5中各标号：1-纳米超疏水涂层，2-玻璃纤维层，3-陶瓷电热膜，4-隔热层，5-电热膜区域Ⅰ，6-电热膜区域Ⅱ，7-电热膜区域Ⅲ，8-温度传感器，9-结冰传感器Ⅰ，10-结冰传感器Ⅱ，11-结冰传感器Ⅲ，12-叶片前翼面，13-前缘热刀，14-叶片后翼面。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本实用新型作进一步说明。
实施例1：如图1-5所示，一种风机叶片除冰装置，包括除冰系统控制柜、外部传感检测装置、陶瓷电热膜3以及风机叶片外表面涂覆的纳米超疏水涂层1；除冰系统控制柜中采用PLC控制器，所述外部传感检测装置包括结冰传感器、温度传感器，外部传感检测装置与除冰系统控制柜连接；风机叶片从叶根至叶尖依次划分为电热膜区域Ⅰ5、电热膜区域Ⅱ6和电热膜区域Ⅲ7，电热膜区域Ⅰ5、电热膜区域Ⅱ6和电热膜区域Ⅲ7外部分别设置结冰传感器Ⅰ9、结冰传感器Ⅱ10、结冰传感器Ⅲ11用于实时监测风机叶片上各划分区域的结冰情况并反馈给除冰系统控制柜，每块监测区域又分叶片前翼面12、前缘热刀13、叶片后翼面14的独立加热片区，每个加热片区内均设有陶瓷电热膜3，在每块监测区域每个加热片区内布置的陶瓷电热膜3与纳米超疏水涂层1之间增设玻璃纤维层2，风机叶片最内层是隔热层4，除冰系统控制柜与陶瓷电热膜3连接；在风机叶尖外部设置温度传感器8用于实时监测外界温度情况并反馈给除冰系统控制柜，结冰传感器Ⅰ9、结冰传感器Ⅱ10、结冰传感器Ⅲ11均采用叶片结冰传感器Model9734-SYSTEM，温度传感器8采用PT100外部温度传感器。
作为本实用新型的进一步方案，每个加热片区内设有的陶瓷电热膜3的厚度不一样，从叶根到叶尖处，根据覆冰质量和覆冰厚度逐渐增加的实际情况，故在叶根到叶尖处设置的陶瓷电热膜3具有不同厚度，厚度从薄到厚。
作为本实用新型的进一步说明，所述除冰系统控制柜安装于塔筒底部，接收外部传感检测装置的监测数据并通过轮毂中的电滑轮将不同区域的控制电信号传输到风机叶片相应监测区域对分区设置在风机叶片相应监测区域内的陶瓷电热膜3进行不同工作模式的控制。
作为本实用新型的进一步说明，所述陶瓷电热膜3进行不同工作模式的控制包括不工作、防冰模式、除冰模式三种不同模式；
不工作的模式为：当外部传感检测装置监测到的外界温度大于0℃，则防除冰系统的陶瓷电热膜3不工作，外部传感检测装置工作，对外部结冰传感器反馈信息和温度信息进行实时监测反馈；
防冰模式为：当外部传感检测装置监测到的外界温度小于等于0℃，此时各个划分区域的结冰传感器反馈信息均表示当前风机叶片上各区域叶片尚未结冰时，此时由除冰系统控制柜控制各区域陶瓷电热膜3工作使得温度维持在0℃；
除冰模式为：当外部传感检测装置监测到的外界温度小于等于0℃，此时各个划分区域的结冰传感器反馈信息均表示当前风机叶片上某区域出现结冰现象时，由除冰系统控制柜中的PLC控制该结冰区域陶瓷电热膜3工作进行叶片前翼面12、前缘热刀13、叶片后翼面14分别进行4s、7s、4s的循环电加热除冰。
本实用新型的工作原理是：
本实用新型包括在风机叶片外表面使用纳米超疏水涂层1的被动除冰方式和采用PLC控制的分区陶瓷电热膜3进行电加热的主动式除冰方式；且其中主动式除冰方式有防冰和除冰两种工作模式；
所述主动式除冰中的防冰模式其控制原理为：当外部传感检测装置中叶尖外部设置的温度传感器检测到外部环境温度小于等于0度，但此时电热膜区域Ⅰ5、电热膜区域Ⅱ6和电热膜区域Ⅲ7各区域的结冰传感器反馈信息均表示风机叶片尚未结冰时，此时由PLC控制各区域陶瓷电热膜3工作使得温度维持在0度。
所述主动式除冰中的除冰模式其控制原理为：当外部传感检测装置中叶尖外部设置的温度传感器检测到外部环境温度小于等于0度，且此时只要有电热膜区域Ⅰ5、电热膜区域Ⅱ6和电热膜区域Ⅲ7各区域的结冰传感器反馈信息表示风机叶片上某区域出现结冰现象时，此时由PLC控制该结冰区域的陶瓷电热膜3进行除冰模式下工作，而未结冰区域仍以防冰模式进行工作使得温度维持在0度。
所述除冰模式下工作为由PLC控制该结冰区域进行叶片前翼面12及叶片后翼面14、前缘热刀13分别进行4s、4s、7s的循环电加热除冰。
所述除冰系统控制柜中的控制系统可以采用微控制器，单片机或PLC等，在上述三种模式下，微控制器，单片机或PLC根据温度和反馈结冰情况分别选择不同的陶瓷电热膜3工作是本领域的技术人员容易实现的，是常规技术，不需要程序上的改进才能实现的。
本实用新型在外部温度传感器监测到外部环境温度高于0℃，且各区域结冰传感器反馈信息均表示叶片未结冰的情况下，将关闭整个防除冰系统，仅留外部传感检测装置对外部信息进行实时反馈。
所述主动除冰方式可能会有雷击风险，故整个除冰装置中采用带叶尖阻尼器的叶片的避雷设置，整个叶片分成两段，叶尖部分在玻璃纤维聚酯层预制铝芯作为接闪器，通过采用碳纤维材料制成的阻尼器轴与连接轮毂的叶尖阻尼器启动钢丝(启动钢丝与轮毂共地)相连接。从而消除雷击风险。
所述电热膜区域Ⅰ5、电热膜区域Ⅱ6和电热膜区域Ⅲ7的陶瓷电热膜3具有不同的厚度，由于在风电机组中叶片尖部相对于叶片根部更容易结冰，故在设置叶片时，针对电热膜区域Ⅰ5、电热膜区域Ⅱ6和电热膜区域Ⅲ7陶瓷电热膜厚度依次可以为0.1mm，0.15mm，0.2mm。这样在叶尖更易结冰的区域温度提升将更快，从而使整体除冰效率提高。
本实用新型风机叶片先设置外部纳米超疏水涂层提高叶片覆冰门槛的第一道防线，若覆冰后则根据不同区域结冰传感器反馈锁定结冰区域后，由PLC控制该结冰区域进行叶片迎风前缘，中束，背风后缘进行定时循环除冰的第二道防线，通过第一道的防线降低覆冰可能和第二道防线针对不同区域结冰情况不同，能够根据实际采用不同模式(除冰、防冰)，实现重点区域的高效除冰，不仅大大降低了非结冰区域的非必要能耗而且提高了除冰效率，使整个系统更高效、节能。采用本实用新型实施例中的技术方案,能够在大大降低能耗的前提下达到良好的除冰效果。
实施例2，一种风机叶片除冰装置，如图1，图2所示，本实用新型根据叶片各区域覆冰严重程度不同，以及导电滑环的功率限制将叶片电加热进行分区处理，风机叶片从叶根至叶尖依次划分为电热膜区域Ⅰ5(区域一)、电热膜区域Ⅱ6(区域二)和电热膜区域Ⅲ7(区域三)，电热膜区域Ⅰ5、电热膜区域Ⅱ6和电热膜区域Ⅲ7外部分别设置结冰传感器Ⅰ9、结冰传感器Ⅱ10、结冰传感器Ⅲ11用于实时监测风机叶片上各划分区域的结冰情况并反馈给除冰系统控制柜，设置的结冰传感器采用叶片结冰传感器Model 9734-SYSTEM用于实时监测区域结冰情况并反馈给除冰系统控制柜，在叶尖外部设置温度传感器8实时监测外界温度情况并反馈给除冰系统控制柜；
除冰系统控制柜的PLC根据外部传感检测装置反馈的区域结冰状况和温度状况，进行不工作、防冰模式、除冰模式等不同模式的选择；所述除冰系统控制柜中的控制系统可以采用PLC，在上述三种模式下，PLC根据温度和反馈结冰情况分别选择不同的陶瓷电热膜3工作是本领域的技术人员容易实现的，是常规技术，不需要程序上的改进才能实现的。
每块监测区域又分叶片前翼面12、前缘热刀13、叶片后翼面14的独立加热片区，如若区域一切换至除冰模式，则该区域的叶片前翼面12、前缘热刀13、叶片后翼面14通过PLC控制进行加热片区的定时循环加热模式(叶片前后翼面同时加热4s后切换至前缘热刀加热7s，7s后又切换至前后翼面的加热，反复循环)三块片区反复循环加热，直至该结冰区域结冰传感器反馈无结冰现象则停止循环加热，除冰模式结束。
请参阅图3，图3为风机叶片侧切面图，可以更好的解释叶片前翼面12、前缘热刀13、叶片后翼面14的位置关系。
请参阅图4，图4是风机叶片侧切面局部放大图，如图所示风机叶片主要包括纳米超疏水涂层1、玻璃纤维层2、陶瓷电热膜3和隔热层4。
其中叶片最外层为纳米超疏水涂层1，是一种被动式防除冰手段，以提高叶片覆冰条件，其次在分区布置的陶瓷电热膜3与纳米超疏水涂层1增设玻璃纤维层2，在起到保温防水等的效果的同时增加叶片强度。
请参阅图5，图5为防除冰控制系统框图，通过各区域结冰传感器和外部温度传感器反馈信息至塔筒底部分区除冰控制柜(即除冰系统控制柜)，由除冰系统控制柜的PLC控制各区域陶瓷电热膜的工作状态(不工作，防冰模式，除冰模式)。
外部传感检测装置24小时实时监测，首先根据反馈的外界温度是否大于0℃，若外界温度大于0℃则防除冰系统不动作，将关闭整个防除冰系统，仅留外部检测单元(即外部传感检测装置)对外部信息进行实时反馈。
若反馈的外部环境温度小于等于0度，但此时区域一、区域二、区域三的结冰传感器反馈信息均表示当前各区域叶片尚未结冰时，此时由系统除冰控制柜控制各区域陶瓷电热膜在防冰模式下工作使得温度维持在0度。
当外部温度传感器检测到外部环境温度小于等于0度，且此时区域一、区域二、区域三有结冰传感器反馈，该风机叶片上某区域出现结冰现象时，此时由除冰系统控制柜控制该结冰区域的陶瓷电热膜切换至除冰模式(区域定时循环加热除冰)下工作，而未结冰区域仍然以防冰模式下进行工作使得温度维持在0度。
上面结合附图对本实用新型的具体实施例作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (5)
1.一种风机叶片除冰装置，其特征在于：包括除冰系统控制柜、外部传感检测装置、陶瓷电热膜(3)以及风机叶片外表面涂覆的纳米超疏水涂层(1)；
所述外部传感检测装置包括结冰传感器、温度传感器，外部传感检测装置与除冰系统控制柜连接；风机叶片从叶根至叶尖依次划分为若干监测区域，风机叶片上划分的若干监测区域外部均分别设有结冰传感器用于实时监测风机叶片上各划分区域的结冰情况并反馈给除冰系统控制柜，每块监测区域又分叶片前翼面(12)、前缘热刀(13)、叶片后翼面(14)的独立加热片区，每个加热片区内均设有陶瓷电热膜(3)，除冰系统控制柜与陶瓷电热膜(3)连接；在风机叶尖外部设置温度传感器(8)用于实时监测外界温度情况并反馈给除冰系统控制柜。
2.根据权利要求1所述的风机叶片除冰装置，其特征在于：所述风机叶片从叶根至叶尖依次划分为电热膜区域Ⅰ(5)、电热膜区域Ⅱ(6)和电热膜区域Ⅲ(7)，电热膜区域Ⅰ(5)、电热膜区域Ⅱ(6)和电热膜区域Ⅲ(7)外部分别设置结冰传感器Ⅰ(9)、结冰传感器Ⅱ(10)、结冰传感器Ⅲ(11)；结冰传感器Ⅰ(9)、结冰传感器Ⅱ(10)、结冰传感器Ⅲ(11)均采用叶片结冰传感器Model9734-SYSTEM，温度传感器(8)采用PT100外部温度传感器。
3.根据权利要求1所述的风机叶片除冰装置，其特征在于：在每块监测区域分区布置的陶瓷电热膜(3)与纳米超疏水涂层(1)之间增设玻璃纤维层(2)，风机叶片最内层是隔热层(4)。
4.根据权利要求1所述的风机叶片除冰装置，其特征在于：所述除冰系统控制柜中采用PLC控制器。
5.根据权利要求1所述的风机叶片除冰装置，其特征在于：每个加热片区内设有的陶瓷电热膜(3)的厚度不一样，从叶根到叶尖处，根据覆冰质量和覆冰厚度逐渐增加的实际情况，故在叶根到叶尖处设置的陶瓷电热膜(3)具有不同厚度，厚度从薄到厚。
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