CN113931812A - 实现自控温的风力发电机叶片除冰装置 - Google Patents

实现自控温的风力发电机叶片除冰装置 Download PDF

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吕福在
张鹏飞
钱超
丁瑞
董朝智
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Abstract

本发明公开了一种实现自控温的风力发电机叶片除冰装置。装置中，电源模块分别与外部电源、控制模块相连；加热模块与控制模块连接；加热模块具有M块温体辐射加热膜，温体辐射加热膜布置于风力发电机叶片壳体内表面，每个温体辐射加热膜处均对应布置一个监测单元；监测单元与控制模块通讯连接；温体辐射加热膜包括基材、辐射层、保护层和反射层；辐射层包括载流条与辐射加热元件，辐射加热元件的两侧均设有载流条，载流条上设有电源接口。本发明能够用于风力发电机叶片加热除冰过程的任意局部位置自动控温，避免了由于局部过热造成的叶片损伤及老化，并且提高了除冰的能效，降低了装置复杂度，降低了安装成本。

Description

实现自控温的风力发电机叶片除冰装置
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域的一种叶片除冰装置，尤其涉及一种实现自控温的风力发电机叶片除冰装置。
背景技术
目前，世界范围内对于成熟、大规模应用的风力发电机叶片防冰、除冰技术主要是通过对风力发电机叶片加热以防止风力发电机叶片结冰或去除已附着在叶片上的积冰。对风力发电机叶片的加热方法主要有电热法和气热法。电热法是在风力发电机叶片壳体外表面或在叶片蒙皮下的壳体层中敷设层状电热材料，通过电热材料产生热能，并传导至叶片表面和表面附着的冰或水，从而达到除冰防冰的目的。气热法是在风力发电机叶片根部安装气体加热装置，通过加热叶片腔内空气将热能传递至叶片外表面和表面附着的冰或水，达到除冰防冰。
但本申请人发现现有技术至少存在如下技术问题：
现有技术中只能初步对电机叶片进行防结冰和除冰，在加热过程中叶片温度很难保持均匀分布，很可能产生局部过热，进而导致叶片损伤和老化加速，同时存在能效低、成本高、实现困难、监控困难的技术问题。
发明内容
本发明实施例提供了一种风力发电机叶片除冰装置，用以解决现有技术中叶片容易产生局部过热而导致叶片损伤及加速老化，且能效低、成本高、实现困难、监控困难以及实用性低的技术问题。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案如下：
所述装置包括电源模块、加热模块、监测模块和控制模块，所述电源模块分别与外部电源、控制模块相连；所述加热模块与所述控制模块通过导线连接；所述加热模块具有M块温体辐射加热膜，其中，所述温体辐射加热膜固定布置于风力发电机叶片壳体内表面，所述监测模块具有M个监测单元，每个温体辐射加热膜处均对应布置一个监测单元；所述监测单元与控制模块通讯连接。
所述的M块温体辐射加热膜沿风力发电机叶片长度方向间隔布置，每块温体辐射加热膜均经各自的一个监测单元连接到控制模块。
所述的温体辐射加热膜布置在风力发电机叶片容易具有结冰层一侧的内壁表面。
通过监测模块监测流经温体辐射加热膜电线的功率，通过功率和温度的关系确定温体辐射加热膜的温度。
所述温体辐射加热膜包括：
基材，一侧表面固定布置在风力发电机叶片壳体内表面；
辐射层，所述辐射层内侧表面设置在基材另一侧表面上；
保护层，所述保护层内侧表面设置在辐射层外侧表面上；
反射层，所述反射层设置在保护层外侧表面上。
所述的载流条采用金属材料。
所述的辐射层包括载流条与辐射加热元件，辐射加热元件的两侧均设有载流条，载流条上设有电源接口，所述电源接口与所述电源通过导线相连。
所述温体辐射加热膜的厚度范围为0.18～0.25mm，所述温体辐射加热膜的功率密度为100W/m2～2500W/m2。所述电源的电压范围为220V～690V。
上述结构下的辐射层能够通过辐射加热元件将电能转化为5.5μm～15.5μm波长的红外线，能量转化率90％以上。
所述辐射加热元件为具有PTC特性的烯基加热元件，其加热功率随温度上升而减小并在预设温度达到最小值。即电阻随着温度变化而变化，当温度逐渐下降至结冰温度时加热功率逐渐达到最大，而当温度逐渐上升至叶片可承受的最高温度时加热功率逐渐减小至最低，通过设计并调整加热元件的这一特性，可实现加热元件的任意位置在工作时维持在固定的温度区间，从而实现局部自动控温，有效解决了叶片局部过热问题。
本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：
在本发明实施例提供了一种风力发电机叶片除冰装置，在除冰工作时，通过控制模块开启加热模块，加热模块中的温体辐射加热膜中的辐射加热元件由彼此独立的分子级别的微观结构组成，所述微观结构是将电能转化为红外辐射的基本功能单元。所述微观结构根据风力发电机叶片工作环境特点设计，其加热功率与其所在区域环境的温度呈特定关系，从而实现根据其所在区域温度自动调整输出功率，从而使叶片任意位置的温度稳定在预设的目标温度附近，避免了局部过热，减少了叶片老化，同时，本装置可根据温体辐射加热膜的工作状况分析计算得出其所在区域温度，降低了叶片温度监控的复杂度与成本。
另外，由于加热模块安装在叶片腔内，安装成本低，并且可以避免与外界恶劣的环境直接接触，提高了可靠性，降低了安装成本，解决了现有技术中叶片容易产生局部过热而损伤及加速老化，且能效低、成本高、实现困难、监控困难或实用性低的技术问题。
附图说明
图1为本发明装置的总体框架示意图；
图2为本发明实施例的控制模块与加热膜块中的温体辐射加热膜的连接示意图；
图3为本发明实施例的风力发电机叶片的A-A截面图；
图4为本发明实施例的温体辐射加热膜的结构示意图。
附图标记说明：电源模块1，加热模块2，温体辐射加热膜21，基材211，辐射层212，载流条2121，辐射加热元件2122，电源接口2123，保护层213，反射层214，监测模块3，监测单元31，控制模块4，外部电源5，风力发电机叶片6，导线7，结冰层8。
具体实施方式
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
本发明实施例提供了一种风力发电机叶片除冰装置，解决了现有技术中的叶片容易产生局部过热而损伤及加速老化，且存在能效低、能耗高、成本高、实现困难或实用性低的技术问题。
本发明实施例中的技术装置，总体结构如下：
如图1所示，装置包括电源模块1、加热模块2、监测模块3和控制模块4，电源模块1分别与外部电源5、控制模块4相连，进行供电；加热模块2与控制模块4通过导线连接；
加热模块2具有M块温体辐射加热膜21，M为正整数，其中，温体辐射加热膜21固定布置于风力发电机叶片6壳体内表面，监测模块3具有M个监测单元31，每个温体辐射加热膜21处均对应布置一个监测单元31；监测单元3与控制模块4通讯连接，控制模块4接收监测模块3发送的监测信号。
控制模块4内部预设有加热区域温度算法，通过监测模块3发送的信号计算温体辐射加热膜21所在区域的温度。
通过加热区域温度计算算法达到了在加热过程中根据叶片温度自动、独立调整任意位置加热功率，使叶片在任意位置维持预设的目标温度，避免局部过热，减少叶片老化，实现了降低装置复杂度，降低安装成本，自动控温，可靠性高，能效高的技术效果。
如图2所示，M块温体辐射加热膜21沿风力发电机叶片6长度方向间隔布置，每块温体辐射加热膜21均经各自的一个监测单元31连接到控制模块4。
具体实施中，各块温体辐射加热膜21的一端均经导线7连接到控制模块4的一端，各块温体辐射加热膜21的另一端经各自的一个监测单元31后连接到一起后再经导线7连接到控制模块4的另一端。
如图3所示，温体辐射加热膜21布置在风力发电机叶片6容易具有结冰层8一侧的内壁表面。
通过监测模块3监测流经温体辐射加热膜21电线的功率，通过功率和温度的关系确定温体辐射加热膜21的温度。
进而由监测模块3实时监测温体辐射加热膜21的温度，若达到了预设温度阈值，则反馈到控制模块4控制对温体辐射加热膜21停止加热工作，使得温度降低，由此实现了自控温的除冰工作。
如图4所示，温体辐射加热膜21包括：
基材213，一侧表面固定布置在风力发电机叶片6壳体内表面；
辐射层212，辐射层212内侧表面设置在基材213另一侧表面上；
保护层211，保护层211内侧表面设置在辐射层212外侧表面上；
反射层214，反射层214设置在保护层211外侧表面上。
辐射层212包括载流条2121与辐射加热元件2122，辐射加热元件2122的两侧均设有载流条2121，载流条2121上设有电源接口2123，电源接口2123与电源通过导线相连。
通过电源接口2123输入电压，经载流条2121施加到辐射加热元件2122上，由辐射加热元件2122辐射产生红外线热能进行加热。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
参考附图1-附图4所示，本实施例的除冰装置中，控制模块通过电源模块与外部电源连接，除冰工作时，控制模块4开启加热模块2，加热模块2中的温体辐射加热膜21可根据叶片5内表面的温度自动调整其辐射加热元件213输出功率，将温度稳定在预设的目标温度附近，无需控制模块4调控，避免了叶片5局部过热造成的损伤与老化。
首先，电源模块1为装置提供电能，且电源模块1的电压范围为220V～690V以供给控制模块4合适的工作电压690V，与风力发电机电压适配。加热模块2与控制模块4通过导线连接，其中，加热模块2的个数与风电机组的叶片5的块数相同。加热模块2具有多块温体辐射加热膜21，温体辐射加热膜21与叶片5内表面通过粘结胶固定连接。由于加热模块2安装在叶片腔内，安装成本低，并且可以避免与外界恶劣的环境直接接触，***可靠性高。
自控温辐射加热膜21的厚度范围为0.18～0.25mm。根据工况不同，自控温辐射加热膜21的功率密度为100W/m2～2500W/m2。自控温辐射加热膜21包括：基材211、辐射层212、电源接口2123、反射层214。其中，辐射层212设置在基材211的表面，辐射层212包括载流条2121与辐射加热元件2122，辐射加热元件2122，因此任意位置加热材料可根据环境温度单独、自动调整输出功率，以使环境温度稳定在预设目标温度附近，加热材料任意的损坏不会影响其余位置加热材料的正常工作。电源接口2123安装在载流条2121上，且电源接口2123与控制模块4连接，除冰工作时，控制模块4通过电源接口2123给辐射层212供电，辐射层212将电能转化为5.5μm～15.5μm波长的红外线，由于水分子的吸收光谱在10μm处达到峰值，因此对温体辐射加热膜21的辐射吸收良好，部分红外线辐射可穿透叶片5直接加热水分子，相比于电热法以及气热法，***热惯性更小，加热能效更高。在除冰工作中，温体辐射加热膜21会根据叶片5内表面的温度自动调整其辐射层212不同位置的输出功率，将温度稳定在预设的目标温度附近，无需控制模块4调控。
监测模块3包括多个监测单元31，监测单元31的数量与温体辐射加热膜21数量相同，单个监测单元31监测单块温体辐射加热膜21所在电路的工作状况，并将监测信号发送至控制模块，由控制模块监测并控制温体辐射加热膜工作，控制模块通过预设的加热区域温度算法计算分析得出每块温体辐射加热膜所在区域温度，区域温度可用于温度监控、数据分析等后续操作。
实施例2
在叶片5内表面同一位置可敷设多层无反射层214的温体辐射加热膜21，再将多层温体辐射加热膜并联后统一安装反射层214并与控制模块4连接，加强温体辐射热膜21的辐射加热效果。
由此实施可见，本发明能够用于实现风力发电机叶片加热除冰过程的任意局部位置自动控温，避免了由于局部过热造成的叶片损伤及老化，并且提高了除冰的能效，降低了装置复杂度，降低了安装成本。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明实施例的精神和范围。这样，倘若本发明实施例的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种实现自控温的风力发电机叶片除冰装置，其特征在于，所述装置包括电源模块(1)、加热模块(2)、监测模块(3)和控制模块(4)，所述电源模块(1)分别与外部电源(5)、控制模块(4)相连；所述加热模块(2)与所述控制模块(4)通过导线连接；
所述加热模块(2)具有M块温体辐射加热膜(21)，其中，所述温体辐射加热膜(21)固定布置于风力发电机叶片(6)壳体内表面，所述监测模块(3)具有M个监测单元(31)，每个温体辐射加热膜(21)处均对应布置一个监测单元(31)；所述监测单元(3)与控制模块(4)通讯连接。
2.如权利要求1所述的一种实现自控温的风力发电机叶片除冰装置，其特征在于：
所述的M块温体辐射加热膜(21)沿风力发电机叶片(6)长度方向间隔布置，每块温体辐射加热膜(21)均经各自的一个监测单元(31)连接到控制模块(4)。
3.如权利要求1或者2所述的一种实现自控温的风力发电机叶片除冰装置，其特征在于：
所述的温体辐射加热膜(21)布置在风力发电机叶片(6)容易具有结冰层(8)一侧的内壁表面。
4.如权利要求1所述的一种实现自控温的风力发电机叶片除冰装置，其特征在于：
通过监测模块(3)监测流经温体辐射加热膜(21)电线的功率，通过功率和温度的关系确定温体辐射加热膜(21)的温度。
5.如权利要求1所述的一种实现自控温的风力发电机叶片除冰装置，其特征在于：
所述温体辐射加热膜(21)包括：
基材(213)，一侧表面固定布置在风力发电机叶片(6)壳体内表面；
辐射层(212)，所述辐射层(212)内侧表面设置在基材(213)另一侧表面上；
保护层(211)，所述保护层(211)内侧表面设置在辐射层(212)外侧表面上；
反射层(214)，所述反射层(214)设置在保护层(211)外侧表面上。
6.如权利要求5所述的一种实现自控温的风力发电机叶片除冰装置，其特征在于：所述的辐射层(212)包括载流条(2121)与辐射加热元件(2122)，辐射加热元件(2122)的两侧均设有载流条(2121)，载流条(2121)上设有电源接口(2123)，所述电源接口(2123)与所述电源通过导线相连。
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