CN116498507B - 一种风电叶片的电加热控制方法与电加热*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风电叶片的电加热控制方法与电加热***，风电叶片包括用于对风电叶片的叶片主体进行加热的电加热***，电加热***包括供电装置、位于叶片主体表面沿风电叶片纵向排列的多块电加热单元形成的电加热组件，以及连接供电装置与各电加热单元的电连接装置，各电加热单元之间分别以并联方式与供电装置连接形成多个并联电路；供电装置包括电源与控制装置，控制装置连接电源与电连接装置，用以分别控制每条并联电路；所述电加热控制方法包括：利用控制装置分别调节各电加热单元上的电压，使每个电加热单元产生需要的热量。本发明能使运行更为可靠，有效实现风电叶片的防冰，同时能显著减低***的自耗电。
Description
技术领域
本发明涉及风电新能源技术领域，尤其是一种风电叶片的电加热控制方法与电加热***。
背景技术
风力发电是把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能。风电产业是我国的新兴产业之一，在政策和市场需求双重驱动下，全国风电产业实现了快速发展，已经成为我国新能源体系中的重要组成部分。未来，随着风电技术的成熟，更多的风能资源将会被开发和利用。
但目前风电技术有一些亟待解决的问题。例如，风电叶片的覆冰问题普遍存在，覆冰会影响机组的出力，机组功率曲线偏差较大。叶片覆冰的不均匀性还会影响叶轮的平衡，可能致使机组故障停机，甚至叶片折断，导致电量损失。目前，存在多种叶片防覆冰技术，包括电加热、涂覆防冰涂层以及气热防覆冰，特别是电加热技术利用较多。目前采用电加热技术的风电叶片均是在叶片本体表面覆盖一层碳纤维布，碳纤维布直接通过接线端子连接供电装置。但在实践中发现，该方案覆盖面积有限，只能去除小面积覆冰，并且能耗很高。
发明内容
本发明提供一种能在实现防冰的同时减低***自耗电的风电叶片的电加热控制方法与电加热***。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种风电叶片的电加热控制方法，风电叶片包括用于对风电叶片的叶片主体进行加热的电加热***，电加热***包括供电装置、位于叶片主体表面沿风电叶片纵向排列的多块电加热单元形成的电加热组件，以及连接供电装置与各电加热单元的电连接装置，各电加热单元之间分别以并联方式与供电装置连接形成多个并联电路；供电装置包括电源与控制装置，控制装置连接电源与电连接装置，用以分别控制每条并联电路；所述方法包括：利用控制装置分别调节各电加热单元上的电压，使每个电加热单元产生需要的热量。
进一步地，所述方法还包括：测量叶片本体各电加热单元所在区域的温度，控制装置根据叶片本体温度来调节各电加热单元上的电压。
进一步地，测量叶片本体各电加热单元所在区域的温度采用光纤测温元件，光纤测温元件包括光纤以及相关元件，光纤沿纵向贯穿整个电加热组件且呈弯曲状能变形。
进一步地，控制装置根据叶片本体温度来调节各电加热单元上的电压包括：某电加热单元所在区域的温度低于第一阈值时，控制装置通过调高电压的方式增加该电加热单元的发热功率；当光纤测温元件测得某电加热单元所在区域的温度高于第二阈值时，控制装置通过调低电压的方式降低该电加热单元的发热功率，其中第一阈值小于第二阈值。
一种风电叶片的电加热***，用于对风电叶片的叶片主体进行加热，包括供电装置、位于叶片主体表面沿风电叶片纵向排列的多块电加热单元形成的电加热组件，以及连接供电装置与各电加热单元的电连接装置；各电加热单元之间分别以并联方式与供电装置连接形成多个并联电路；供电装置包括电源与控制装置，控制装置连接电源与电连接装置，用以分别控制每条并联电路，且能分别调节各电加热单元上的电压，使每个电加热单元产生需要的热量。
进一步地，还包括用于测量叶片本体各电加热单元所在区域的温度的测温装置，控制装置根据测温装置测得的叶片本体温度来调节各电加热单元上的电压。
进一步地，测温装置为光纤测温元件，光纤测温元件包括光纤，光纤沿纵向贯穿整个电加热组件且呈弯曲状能变形。
进一步地，控制装置根据叶片本体温度来调节各电加热单元上的电压包括：某电加热单元所在区域的温度低于第一阈值时，控制装置通过调高电压的方式增加该电加热单元的发热功率；当光纤测温元件测得某电加热单元所在区域的温度高于第二阈值时，控制装置通过调低电压的方式降低该电加热单元的发热功率，其中第一阈值小于第二阈值。
进一步地，电加热单元包括两个金属箔与一个大加热部件；金属箔条用于连接供电装置，两个金属箔条相互平行，且贯穿整个电加热单元；大加热部件同时连接两个金属箔，为主要发热元件。
进一步地，大加热部件为石墨烯玻纤布，包括呈网格状排布的导电石墨烯玻纤丝以及涂布于石墨烯玻纤丝上起固定作用的树脂。
本发明的有益效果是：本发明风电叶片的电加热控制方法与电加热***，通过各电加热单元之间以并联方式与供电装置连接，且利用控制装置分别调节各电加热单元上的电压，使每个电加热单元产生需要的热量，从而能使运行更为可靠，有效实现风电叶片的防冰，同时能显著减低***的自耗电。
附图说明
图1为本发明实施例电加热***（只画出部分电加热单元）的示意图。
图2为图1所示电加热***中电加热单元的示意图。
图3为图2所示电加热单元中金属箔与接线端子的示意图。
图4为图2所示电加热单元中金属箔、接线端子与小加热部件的示意图。
图5为图1所示电加热***所应用的风电叶片的示意图。
图6为图1所示电加热***中电连接装置（未画保护盒）的示意图。
图7为图1所示电加热***中保护盒的主视图。
图8为图7所示保护盒的侧视图。
图9为图1所示电加热***中电路连接（只画出部分电路）的示意图。
图10为本发明实施例风电叶片的电加热控制方法的流程示意图。
图中，1-电加热单元，11-金属箔，12-小加热部件，13-大加热部件，14-接线端子，2-叶片主体，21-叶尖，3-电连接装置，311-输入部，312-中间部，313-输出部，314-对接头，32-光纤测温元件，321-光纤，33-保护盒，331-前容纳槽，332-中容纳槽，333-后容纳槽，334-活动槽，4-电源，5-控制装置，51-双向晶闸管，52-触发模块，53-保护电路
具体实施方式
下面结合附图及实例，对本发明做进一步说明。
本实施例中，如图1至图8所示，风电叶片电加热***用于对风电叶片的叶片主体2进行加热。电加热***包括供电装置、位于叶片主体2表面沿风电叶片纵向排列的多块电加热单元1形成的电加热组件，以及连接供电装置与各电加热单元1的电连接装置3。
本实施例中，如图1至图4所示，电加热单元1包括两个金属箔11、两个小加热部件12与一个大加热部件13。金属箔11为条状，优选铜箔，贯穿整个电加热单元，其长度可根据风电叶片长度而定，如可为5米。两金属箔11相互平行，安装时沿风电叶片纵向设置，两金属箔11之间的距离可根据风电叶片宽度而定，如可为0.35米。金属箔11主要是。各金属箔11的其中一端分别连接有接线端子14，以通过接线端子14连接供电装置。
本实施例中，小加热部件12也为条状，覆盖且连接金属箔11，宽度大于金属箔11。小加热部件12固定于叶片主体2上，其作用为导通金属箔11与大加热部件13以及固定金属箔11。在其它实施例中，也可以不设置小加热部件，让大加热部件直接连接金属箔，但本方案设置小加热部件能方便固定金属箔，也能方便连接大加热部件与金属箔。
本实施例中，大加热部件13为矩形，覆盖且同时连接两个小加热部件12，为主要发热元件。两接线端子14分别通过所连接的金属箔11、与该金属箔11连接的小加热部件12以及连接两小加热部件12的大加热部件13进行导通，从而实现大面积的加热。
本实施例中，小加热部件12与大加热部件13均可采用石墨烯玻纤布，石墨烯玻纤布包括呈网格状排布的石墨烯玻纤丝以及涂布于石墨烯玻纤丝上起固定作用的树脂。石墨烯玻纤丝可以导电，且在通电后发热。
如图1所示，各电加热单元工作时，电加热单元通电（图1中，假设此时电流从下方的金属箔条11流往上方的金属箔条11）。通电后电流先经下方的接线端子14到达下方的金属箔条11（沿图中箭头A方向），再经大加热部件13流至上方的金属箔条11（沿图中箭头B方向），然后再经上方的接线端子14流回供电装置（沿图中箭头C方向）。电流流动过程中，在大加热部件13中产生热量，实现对叶片主体的大面积加热。
相对于现有的碳纤维布直接通过接线端子连接供电装置的方案，本实施例电加热单元具有如下优点：
1、因为采用条状贯穿整个电加热单元的金属箔连接供电装置，金属箔导电能力强，使电流能经其中一金属箔流动，再经大加热部件流至另一金属箔，故能实现快速加热；
2、相对碳纤维丝，金属箔强度高、韧性好，导电能力强，能避免因碳纤维丝断裂造成整个电加热单元不导电的情况发生，故运行更为可靠；
3、金属箔使用前可以采用成卷包装，加工容易，安装与维修也非常方便；先用小加热部件将金属箔固定，再用大加热部件覆盖整个加热区域，这种方案安装与维修也非常方便。
本实施例中，如图5所示，风电叶片包括叶片主体2，叶片主体2上下表面在靠近前缘的位置均设有多块电加热单元1形成电加热组件，各电加热单元1之间具有一定间隙（如0.02米），从而不相互连接。本实施例中，每个电加热组件包括六块电加热单元，最接近叶尖21的电加热单元与叶尖21末端之间的距离为大于等于3米。各电加热单元分别接电，并联连接，独立供电。
相对于现有的整块碳纤维布方案，本实施例风电叶片具有如下优点：
1、因为分成多块电加热单元，安装与维修都是分别进行，所以施工相对现有技术方便很多，效率能得到显著提升（现有整块方案的安装需5至6天，本方案只需半天左右），材料成本也更低；
2、各部分的材料可根据需求进行调整，例如靠近尖端温度较低，更容易结冰，故靠近尖端的电加热单元可采用加热功率密度较高的材料，而远离尖端的电加热单元则可采用加热功率密度较低的材料，从而能节省材料，降低能耗；
3、因叶尖1米以内为雷击集中区域，本方案最接近叶尖的电加热单元与叶尖末端之间的距离为大于等于3米，从而能有效避开雷击集中区域，降低雷击风险；
4、因为多块电加热单元并联连接，相互独立，因此各块电加热单元均独立运行，在某块电加热单元在遭受雷击等情况损伤时，其它电加热单元仍然可以正常工作，来进行防冰除冰，故运行更为可靠。
本实施例中，如图1、图6所示，风电叶片每个表面上的各电加热单元1是通过电连接装置3与供电装置连接的。电连接装置3包括连接线束、光纤测温元件32与保护盒33。连接线束包括12根连接线（未标号），分别与六块电加热单元的两接线端子14连接。每根连接线包括与用于供电装置连接的输入部311、用于与接线端子14连接的输出部313，以及连接输入部311与输出部313的中间部312。 输入部311与输出部313末端的芯线均剥皮露出且镀锡形成对接头314。靠近前缘的六根连接线的中间部以及远离前缘的六根连接线的中间部分别固定连接在一起（例如利用排线，排线中相邻线分别粘接在一起），中间设有间隙（如2厘米）。各连接线的输入部相互分离，以使其末端对接头方便与供电装置相连接。各连接线的输出部分别在预定位置由中间部末端弯折90度，使靠近前缘的六根连接线的输出部朝前延伸，远离前缘的六根连接线的输出部朝后延伸，且均延伸预设长度使其安装后末端对接头正好在对应接线端子位置。
光纤测温元件32作为测温装置用于测量叶片本体各电加热单元所在区域的温度。本实施例中，如图6所示，光纤测温元件32设置于靠近前缘的六根连接线的中间部以及远离前缘的六根连接线的中间部之间的间隙中，包括光纤321以及相关元件，它利用光纤321中反射光的强度与反射点的温度的相关性来测量温度。光纤321沿纵向贯穿整个电加热组件且呈弯曲状能变形，以测量叶片本体各电加热单元所在区域的温度。在其它实施例中，也可以不设置光纤测温元件，而是采用其他测温装置来测量叶片本体各电加热单元所在区域的温度。
本实施例中，如图7、图8所示，保护盒33为塑胶材质，纵向呈长条状，其长度与整个电加热组件的长度基本相等，横向成型成多道弯折的薄壁状，且分别形成前容纳槽331、中容纳槽332、后容纳槽333，以分别容纳靠近前缘的六根连接线的中间部、光纤测温元件、远离前缘的六根连接线的中间部。前容纳槽331、中容纳槽332、后容纳槽333的相邻槽壁之间设有活动槽334，使前容纳槽331、中容纳槽332、后容纳槽333能相对转动有一定活动空间，以更好地容纳相应元件。光纤321宽松容纳于中容纳槽332中，只是被保护盒33包裹，而不被保护盒33以及叶片本体2固定，使光纤321具有一定的变形余量，不会因为热胀冷缩而牵扯受损。
安装时，先将连接线束与光纤测温元件32固定于保护盒33中，然后一起固定在叶片本体2上。
本实施例中，电加热***形成一个电流回路，回路上有六条并联电路，每条并联电路上分别设置有一个电加热单元。该电加热***运作时，电流从供电装置经电连接装置到达各接线端子，在各小加热部件与大加热部件上转换为热能，对叶片本体进行加热，以防止叶片本体结冰以及融化叶片本体上的覆冰。
本实施例中，如图1所示，供电装置包括电源4与控制装置5，控制装置5连接电源4与电连接装置3，用以分别控制每条并联电路。如图9所示，本实施例中，控制装置5包括串联于各并联电路的双向晶闸管51，双向晶闸管51的T1极与T2极分别串联于电路中，G级连接触发模块52。一保护电路53与双向晶闸管51相关联，包括电容与电阻。控制装置5利用控制触发模块52控制双向晶闸管51来调节各负载（即各电加热单元）上的电压。
本实施例中，控制装置控制的时机根据叶片本体温度来决定。光纤测温元件连接控制装置，当光纤测温元件测得某电加热单元所在区域的温度低于设定的第一阈值（如5度）时，控制装置通过调高电压的方式增加该电加热单元的发热功率；当光纤测温元件测得某电加热单元所在区域的温度高于设定的第二阈值（如15度）时，控制装置通过调低电压的方式降低该电加热单元的发热功率。其中第一阈值小于第二阈值。从而相对于固定电压方案需使用较高电压来保证各部分防冰，本方案能在实现防冰的同时减低***的自耗电。
如图10所示，本实施例中，上述风电叶片的电加热控制方法包括：利用控制装置分别调节各电加热单元上的电压，使每个电加热单元产生需要的热量。本实施例中更具体地，包括步骤：S1、测量叶片本体各电加热单元所在区域的温度；S2、控制装置根据叶片本体温度来调节各电加热单元上的电压。在其它实施例中，也可以不测量叶片本体各电加热单元所在区域的温度，而是根据环境温度来进行调节。
步骤S1，即测量叶片本体各电加热单元所在区域的温度，本实施例具体为采用光纤测温元件，利用光纤中反射光的强度与反射点的温度的相关性来测量温度。在其它实施例中，也可以采用其它测温装置。
步骤S2，即控制装置根据叶片本体温度来调节各电加热单元上的电压，本实施例具体包括：某电加热单元所在区域的温度低于第一阈值时，控制装置通过调高电压的方式增加该电加热单元的发热功率；当光纤测温元件测得某电加热单元所在区域的温度高于第二阈值时，控制装置通过调低电压的方式降低该电加热单元的发热功率。
Claims (6)
1.一种风电叶片的电加热控制方法，其特征在于，风电叶片包括用于对风电叶片的叶片主体进行加热的电加热***，电加热***包括供电装置、位于叶片主体表面沿风电叶片纵向排列的多块电加热单元形成的电加热组件，以及连接供电装置与各电加热单元的电连接装置，各电加热单元之间分别以并联方式与供电装置连接形成多个并联电路；供电装置包括电源与控制装置，控制装置连接电源与电连接装置，用以分别控制每条并联电路；所述方法包括：测量叶片本体各电加热单元所在区域的温度，控制装置根据叶片本体温度来调节各电加热单元上的电压；利用控制装置分别调节各电加热单元上的电压，使每个电加热单元产生需要的热量；其中，控制装置根据叶片本体温度来调节各电加热单元上的电压包括：某电加热单元所在区域的温度低于第一阈值时，控制装置通过调高电压的方式增加该电加热单元的发热功率；当光纤测温元件测得某电加热单元所在区域的温度高于第二阈值时，控制装置通过调低电压的方式降低该电加热单元的发热功率，其中第一阈值小于第二阈值。
2.根据权利要求1所述的风电叶片的电加热控制方法，其特征在于，测量叶片本体各电加热单元所在区域的温度采用光纤测温元件，光纤测温元件包括光纤以及相关元件，光纤沿纵向贯穿整个电加热组件且呈弯曲状能变形。
3.一种风电叶片的电加热***，用于对风电叶片的叶片主体进行加热，其特征在于，包括供电装置、位于叶片主体表面沿风电叶片纵向排列的多块电加热单元形成的电加热组件，以及连接供电装置与各电加热单元的电连接装置；各电加热单元之间分别以并联方式与供电装置连接形成多个并联电路；供电装置包括电源与控制装置，控制装置连接电源与电连接装置，用以分别控制每条并联电路，且能分别调节各电加热单元上的电压，使每个电加热单元产生需要的热量；风电叶片的电加热***还包括用于测量叶片本体各电加热单元所在区域的温度的测温装置，控制装置根据测温装置测得的叶片本体温度来调节各电加热单元上的电压；控制装置根据叶片本体温度来调节各电加热单元上的电压包括：某电加热单元所在区域的温度低于第一阈值时，控制装置通过调高电压的方式增加该电加热单元的发热功率；当光纤测温元件测得某电加热单元所在区域的温度高于第二阈值时，控制装置通过调低电压的方式降低该电加热单元的发热功率，其中第一阈值小于第二阈值。
4.根据权利要求3所述的风电叶片的电加热***，其特征在于，测温装置为光纤测温元件，光纤测温元件包括光纤，光纤沿纵向贯穿整个电加热组件且呈弯曲状能变形。
5.根据权利要求3所述的风电叶片的电加热***，其特征在于，电加热单元包括两个金属箔与一个大加热部件；金属箔条用于连接供电装置，两个金属箔条相互平行，且贯穿整个电加热单元；大加热部件同时连接两个金属箔，为主要发热元件。
6.根据权利要求5所述的风电叶片的电加热***，其特征在于，大加热部件为石墨烯玻纤布，包括呈网格状排布的导电石墨烯玻纤丝以及涂布于石墨烯玻纤丝上起固定作用的树脂。
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