CN212583885U - 风电叶片防冰融冰装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种风电叶片防冰融冰装置，包括PTC加热器、温度测点及控制器，PTC加热器设置在风电叶片的前缘表面，温度测点设置在风电叶片上，控制器分别与温度测点和PTC加热器相连，本实用新型利用其PTC正温度系数的天然物理特性来实现快速加热升温、自动恒温、自动恢复的防冰融冰工作，且具有耐腐蚀、化学性质稳定等优点，适于长期使用，增强风力发电机的使用寿命。

Description

风电叶片防冰融冰装置

技术领域

本实用新型涉及风力发电技术领域，具体涉及一种风电叶片防冰融冰装置。

背景技术

目前世界上传统能源逐渐减少，人们普遍对不可再生能源的枯竭感到担忧。而作为可再生能源风能的开发和利用，开始越来越受到世界各国的重视，风力发电的原理是利用风力推动风电叶片(即风力发电机叶片)旋转，带动风力发电机，可以把风能转化为电能，进入电网，完成能量转换和利用过程。在我国，风力发电不仅在气候比较适宜的地区使用，在低温结冰地区的使用也越来越多。实际运行中，在低温环境下，如温度降到零度以下，风电叶片极容易出现结冰，这就使得其空气动力学特性受到表面覆冰的影响，导致叶片运转的力矩和风力发电机组载荷增大，使叶片的空气动力学性能下降，很大程度上影响了发电效率及风力发电机组的安全，进一步发展甚至还会导致风力发电机的停机事故，造成巨大的经济损失和资源浪费。结冰以后为了保证运行安全，往往不得不停机等待而造成发电量的损失。冬季结冰问题广泛存在，我国大部分区域(北纬25度以上)已投入服役风力发电机，或多或少，都因冬季结冰影响了风场收益。

研究和开发对风力发电机的叶片进行防冰和除冰的经济、有效的方法具有重要意义。现有的几种防冰和融冰技术包括：暖风融冰、电加热膜、疏水涂层、加热涂层等，但效果均不理想，或能耗巨大，达到发电功率2％以上；或融冰效果不佳，经常无法实现融冰。

实用新型内容

针对上述现有技术的不足，本实用新型提供了一种风电叶片防冰融冰装置，不仅可以有效实现风电叶片防冰和快速融冰，而且有效保护了风电叶片，提高了风机的使用寿命。

本实用新型技术方案如下：

一种风电叶片防冰融冰装置，其特征在于，包括PTC加热器、温度测点及控制器，所述PTC加热器设置在风电叶片的前缘表面，所述温度测点设置在风电叶片上，所述控制器分别与温度测点和PTC加热器相连。

优选地，所述PTC加热器包括PTC发热元件、电缆及包裹于PTC发热元件外表面的绝缘薄膜，所述PTC发热元件与电缆并联为闭合回路，所述回路上设置开关元件，所述开关元件与所述控制器相连。

优选地，所述PTC加热器为PTC发热元件为陶瓷的PTC陶瓷加热器。

优选地，所述PTC加热器为PTC发热元件为半导体的PTC半导体加热器。

优选地，所述PTC加热器为PTC发热元件为导电塑料的PTC导电塑料加热器。

优选地，所述温度测点为若干个均匀分布在风电叶片上的光纤测温点。

优选地，所述PTC加热器采用若干个，且各PTC加热器沿风电叶片长度方向平行排布在风电叶片的前缘表面。

优选地，所述PTC加热器及温度测点都均匀分布在风力发电机的每片风电叶片上。

优选地，所述PTC加热器及温度测点在风电叶片上的整体铺设厚度不大于4毫米。

优选地，所述绝缘薄膜为F46聚酰亚胺薄膜。

本实用新型的技术效果如下：

本实用新型涉及一种风电叶片防冰融冰装置，在风电叶片的前缘表面设置PTC加热器，并设置温度测点和控制器配合工作，通过叶片上的温度测点进行叶片温度监测，当叶片温度低于一定温度时(或者说是到达结冰临界阈值时)由控制器控制PTC加热器启动，对风电叶片进行加热实现风电叶片的防冰；如风电叶片已经结冰，此时温度测点监测到的温度已经很低，由控制器控制PTC加热器启动，对风电叶片进行加热实现风电叶片快速融冰。本实用新型所述装置采用了PTC加热器，充分利用其PTC(Positive TemperatureCoefficient)特性，即正温度系数的天然物理特性，电路导通后通过大电流可以实现快速升温，有效的实现冬季风电叶片的防冰以及快速融冰；PTC加热器具有自恒温特性，随着发热物体的温度上升达到一定值后电阻变为无限大，电路自动切断，有效保护了风电叶片；PTC加热器具备自身恢复性，随着发热物体的温度降低到一定温度后电阻自然变小，电路恢复，在风电叶片表面恢复加热状态，实现了自动控制，PTC加热器依靠自身材料特性在运行后自动控制加热开启和关断，达到自适应冷热平衡，无需控制器进一步控制，减少了人力成本。适用于风机叶片在冬季运行中防冰和快速融冰，能使冬季运行风电机组保持安全、稳定的发电状态，很大程度上提高了风力电站经济效益。

本实用新型风电叶片防冰融冰装置的核心是使用PTC加热器来实现快速加热、迅速升温、自动恒温、自动恢复、长期使用的目标。优选地，本实用新型风电叶片防冰融冰装置的PTC加热器包括PTC发热元件、电缆及包裹于PTC发热元件外表面的绝缘薄膜，其结构特性是PTC发热元件电路并联，使用F46聚酰亚胺薄膜实现有效绝缘，其中，PTC发热元件可以是陶瓷、半导体或导电塑料，即PTC加热器可采用市面上的PTC陶瓷加热器、PTC半导体加热器或PTC导电塑料加热器，进一步具有耐腐蚀、化学性质稳定的优点，绝缘薄膜优选为F46聚酰亚胺薄膜，实现有效绝缘，使风力发电机在运行中保持有效的防雷状态，保持运行设备长期运行，提高使用寿命。

附图说明

图1为本实用新型一种风电叶片防冰融冰装置的结构示意图。

图2为本实用新型PTC加热器的结构原理图。

图3为本实用新型一种风电叶片防冰融冰装置中的PTC加热器的物理特性图。

图4为本实用新型一种风电叶片防冰融冰装置中的控制器的连接示意图。

图中各标号列示如下：

1—PTC加热器，11—PTC发热元件，12—电缆，13—F46聚酰亚胺薄膜，2—温度测点，3—控制器，4—风电叶片，5—风力发电机，6—环境温度测点。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行说明。

本实用新型涉及一种风电叶片防冰融冰装置，如图1所示结构，用于对风力发电机5中的风电叶片4的防冰以及快速融冰，该风电叶片防冰融冰装置包括PTC加热器1、温度测点2及控制器3，PTC加热器1设置在风电叶片4的前缘表面，温度测点2设置在风电叶片4上，控制器7分别与温度测点2和PTC加热器1相连。温度测点2负责监测风机叶片4上的温度并将监测到的温度信号提供给控制器3，当监测到风机叶片4的温度低于一定温度时(或者说是到达结冰临界阈值时)由控制器3控制PTC加热器1启动，对风电叶片4进行加热实现风电叶片4的防冰；如风电叶片4已经结冰，此时温度测点2监测到的温度已经很低，由控制器3控制PTC加热器1启动，对风电叶片4进行加热实现风电叶片4快速融冰。本实用新型采用PTC加热器，利用其天然物理特性，可以实现风电叶片4冬季结冰的预防；对于已结冰的风电叶片4，可以迅速让风电叶片4融冰从而使风力发电机5可以正常投入运行。

具体地，测度测点2优选为若干个均匀分布在风电叶片4上的光纤测温点，并且，PTC加热器1也可以采用若干个，各PTC加热器1沿风电叶片4长度方向平行排布在风电叶片4的前缘表面，也就是说，PTC加热器1的布置方式呈沿风机叶片4长度方向布置且保持平行；更进一步讲，PTC加热器1及温度测点2可以都均匀地分布在风力发电机的每片风电叶片4上，PTC加热器1及温度测点2在风电叶片4上的整体铺设厚度不大于4毫米，从而保证风机叶片4启动性能不受影响。

优选地，结合图2所示的结构原理图，PTC加热器1包括PTC发热元件11、电缆12及包裹于PTC发热元件11外表面的绝缘薄膜，PTC发热元件11与电缆12并联为闭合回路，回路上设置开关元件(图中未示出)，且开关元件与控制器7相连，PTC发热元件11与电缆12并联布置实现风电叶片4有效加热。进一步优选地，PTC发热元件11可以是陶瓷、半导体或导电塑料，即PTC加热器1可采用PTC陶瓷加热器、PTC半导体加热器或PTC导电塑料加热器，具有耐腐蚀、化学性质稳定的优点，增加了风力发电机的使用寿命，优选地，绝缘薄膜使得PTC加热器外表面实现有效绝缘，可以采用F46聚酰亚胺薄膜13，使风力发电机在运行中保持有效的防雷状态，保持运行设备长期运行，提高使用寿命。

本实用新型利用其PTC(Positive Temperature Coefficient)特性，如图3所示的物理特性图，即正温度系数的天然物理特性，实现防冰融冰工作，具体地，风电叶片4处于温度低于零度环境时，通电运行，运行使用电压为220V的交流电，实现40米以上风电叶片4防冰和融冰的功率要求，如图4所示的控制器的连接示意图，控制器3实际连接PTC加热器1、温度测点2、环境温度测点6和风力发电机5。环境温度测点6用于采集环境温度，设置于风力发电机组。控制器4根据风机叶片4上温度测点2并进一步结合环境温度测点6采集的温度来判断。当测点之一温度低于零度时，立即启动测点部位的PTC加热器1。

实施例一

本实施例涉及风电叶片4运行过程中防冰过程。风力发电机5运行于冬季环境，当环境温度低于零度，环境温度测点6以及风机叶片4上面温度测点2负责收集温度信号，并将采集的环境温度数据和风机叶片温度数据发送给控制器4，当发送的两个温度数据都低于零度时，控制器3发出指令给PTC加热器1，PTC加热器1的并联电路接通，由于PTC加热器1内的PTC发热元件11选用并联电路，因此PTC发热元件11均处于同样电压下。PTC发热元件11是高分子聚合物正温度系数热敏导电材料，通常是由聚合物与导电粒子等所构成。经加工后，导电粒子在聚合物中构成链状导电通路。当PTC发热元件11处于正常环境温度时，呈低阻状态。如图3所示，其电阻值随着PTC发热元件11本体温度的升高呈现出阶跃性的增加，温度越高，电阻值越大，因此，并联电路接通后PTC发热元件11迅速升温，当PTC发热元件11温度升高时，其所产生的热量使聚合物迅速膨胀，切断导电粒子所构成的导电通路，PTC发热元件11呈高阻状态。直到PTC发热元件11因电阻值足够大，电流减小，使PTC发热元件11发热量与散热量达成平衡，温度达到最高值不再上升为止，此时温度在40-50度之间，根据环境温度不同会有差异。此时，温度稳定，热量持续输出到风电叶片4上使其不被冻结，实现防冰工作。当环境温度继续降低，PTC发热元件11温度下降，电阻减小，聚合物冷却，导电粒子又重新构成更多导电通路，电流变大，温度升高，进而达到下一个平衡。当环境温度测点6和风机叶片4上温度测点2均达到零度以上，控制器3发出指令PTC加热器1停止工作。

实施例二

本实施例涉及风电叶片4运行过程中融冰过程。风力发电机5运行于冬季环境，由于停机时间过长或其它原因，风电叶片4上已结冰较厚。上电运行，控制器3开始工作。环境温度测点6和风电叶片4上面温度测点2负责收集温度信号，并将采集的环境温度数据和风机叶片温度数据发送给控制器4，当两个数据都低于零度，控制器3发出指令给PTC加热器1，PTC加热器1电路接通。电路接通后PTC发热元件11持续升温，但需要时间较长。当PTC发热元件11温度升高到一定程度时，其所产生的热量使聚合物迅速膨胀，切断导电粒子所构成的导电通路，PTC发热元件11呈高阻状态。直到PTC发热元件11因电阻达到足够大，电流减小，进而PTC发热元件11发热量与散热量达成平衡，温度不再上升为止。此时，温度到达了极高值。这个温度可设置在40-50度之间，根据环境温度不同会有差异。此时，温度稳定且能保证热量持续输出到风电叶片4上融冰，同时不会损坏风电叶片4结构。当温度测点7全部达到零度以上，证明融冰全部结束，可以启动，控制***8发出指令给风机6，风机开始启动。当环境温度测点6和风机叶片4上温度测点2均达到零度以上，控制器3发出指令PTC加热器1停止工作。

本实用新型所述装置采用了PTC加热器，充分利用其PTC正温度系数的天然物理特性，和市面上其他加热材料相比，PTC加热器用于风电叶片防冰和融冰领域，其特性更符合使用要求，具体表现：1，温度在电路导通后通过大电流可以实现快速升温，5分钟内可以实现加热体达到50度以上，从而，实现快速防冰和融冰；2，PTC加热器自恒温特性。当发热体达到一定温度后电阻变成无限大，电路切断，有效保护了风电叶片。风电叶片材料是复合材料，耐温一般不超过65度，因此，使用PTC加热器十分安全，甚至无需增加保护电路，依靠自身特性实现安全运行；3，PTC加热器自身具有自恢复特性，当发热体温度降低到一定温度后电阻自然变小，电路恢复，风电叶片表面恢复加热；4，PTC加热器耐腐蚀，寿命长，化学性质极其稳定，使用以后可以长期运行，满足风力发电机寿命期25年要求。本实用新型提供的风电叶片防冰融冰装置，通过使用PTC加热器，结合温度测点和控制器，独特布置和控制，相互协同工作，可以很好保护风机叶片，保证风电机组冬季安全、可靠、稳定、长期运行。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (10)

1.一种风电叶片防冰融冰装置，其特征在于，包括PTC加热器、温度测点及控制器，所述PTC加热器设置在风电叶片的前缘表面，所述温度测点设置在风电叶片上，所述控制器分别与温度测点和PTC加热器相连。

2.根据权利要求1所述的风电叶片防冰融冰装置，其特征在于，所述PTC加热器包括PTC发热元件、电缆及包裹于PTC发热元件外表面的绝缘薄膜，所述PTC发热元件与电缆并联为闭合回路，所述回路上设置开关元件，所述开关元件与所述控制器相连。

3.根据权利要求2所述的风电叶片防冰融冰装置，其特征在于，所述PTC加热器为PTC发热元件为陶瓷的PTC陶瓷加热器。

4.根据权利要求2所述的风电叶片防冰融冰装置，其特征在于，所述PTC加热器为PTC发热元件为半导体的PTC半导体加热器。

5.根据权利要求2所述的风电叶片防冰融冰装置，其特征在于，所述PTC加热器为PTC发热元件为导电塑料的PTC导电塑料加热器。

6.根据权利要求1至5之一所述的风电叶片防冰融冰装置，其特征在于，所述温度测点为若干个均匀分布在风电叶片上的光纤测温点。

7.根据权利要求1至5之一所述的风电叶片防冰融冰装置，其特征在于，所述PTC加热器采用若干个，且各PTC加热器沿风电叶片长度方向平行排布在风电叶片的前缘表面。

8.根据权利要求7所述的风电叶片防冰融冰装置，其特征在于，所述PTC加热器及温度测点都均匀分布在风力发电机的每片风电叶片上。

9.根据权利要求8所述的风电叶片防冰融冰装置，其特征在于，所述PTC加热器及温度测点在风电叶片上的整体铺设厚度不大于4毫米。

10.根据权利要求2所述的风电叶片防冰融冰装置，其特征在于，所述绝缘薄膜为F46聚酰亚胺薄膜。

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