大型風力發電機葉片除冰方法
2023-06-11 12:19:16 1
專利名稱：大型風力發電機葉片除冰方法
技術領域：
本發明涉及一種葉片除冰方法，尤其涉及一種大型風力發電機葉片除冰方法。
背景技術：
隨著能源短缺和生態環境的日益惡化，風力發電機在全球範圍的應用越來越廣 泛，不單是在氣候比較適宜的地區應用，而且在氣候比較寒冷的地區也適用。在寒冷的地 區，風力發電機葉片的空氣動力學特性極容易受到結冰的影響，風力發電機的葉片上易結 冰，隨著冰層的增厚，翼型上會承受較大的重力，使得升力翼面被改變，從而使得葉片的空 氣動力學性能下降，影響風力發電效率。因此，對葉片進行除冰顯得尤為重要。現有技術中，最具代表性的除冰方法是丹麥維斯塔斯風力系統有限公司和美國 通用電氣公司提出的除冰方法。丹麥維斯塔斯風力系統有限公司申請的專利，公開號101821500A公開的「用於 給風輪機的葉片除冰的方法、風輪機及其使用」，採取在風力發電機停機後葉片除冰的方 法，即通過葉片變槳電機使葉片形成加速變槳後減速的顫抖，抖掉葉片上的結冰。該方法的 缺點是，對於大型風力發電機而言，其根部因為振動的幅度比較小，很難將覆於葉片根部的 冰層除掉，當冰層達到一定厚度的時候，很難僅僅通過增大顫抖的方法將冰層完全除掉；而 且，這種依靠增大顫動幅度的除冰方法，不但很難將根部的結冰去除，而且形成較大的衝擊 載荷，對整個風力發電機系統造成衝擊，降低相關零部件的使用壽命，從而降低風力發電機 組的安全性和可靠性。美國通用電氣公司申請的專利，公開號1727673公開的「用於除去翼型或轉子葉 片上的冰的方法和裝置」，該方法通過裝在風力發電機葉片上的加熱裝置加熱空氣，採用鼓 風機將熱空氣輸送到葉片內的循環通道內，熱空氣從葉根流向葉尖，再從葉尖流向葉根進 行循環加熱。這種方法的缺點是，對於大功率風力發電機，葉片比較長，當結冰量比較大時， 葉片吸收的熱量很難達到融冰所需的要求；而且，對於葉片葉尖部分，熱空氣無法到達，附 於葉尖部分的冰層難以除掉。由於葉片的材料一般為布、樹脂、木材、碳纖維等材料，若強行 通過加熱裝置提高熱空氣的溫度，不僅耗電量大，而且可能引起葉片燃燒，極不安全。發明專利內容
針對現有技術中存在的上述不足，本發明的目的是提供一種可充分除去葉片結冰，且 安全性和可靠性更高，可大規模使用的大型風力發電機葉片除冰方法。本發明提供的大型風力發電機葉片除冰方法，包括如下步驟
(1)、將結冰探測器設置在葉片表面，採用結冰探測器採集葉片上的結冰信號，並將信 號輸入結冰速率解算器，結冰速率解算器發出速率信號輸入控制器，控制器啟動空氣加熱 系統，採用鼓風機將空氣加熱系統加熱後的熱空氣輸入葉片內的循環通道中，與葉片熱交 換後流出循環通道的空氣再進入空氣加熱系統；
(2)、採用葉片表面設置的液態水含量探測器檢測冰層吸熱融化產生的液態水，並將 信號輸入液態水生成速率解算器，液態水生成速率解算器發出速率信號輸入控制器，在液態水生成速率解算器檢測的液態水的生成速率大於零並且不斷加快時，控制器發出控制信 號，啟動變槳系統和偏航系統，使變槳系統和偏航系統形成先加速後減速運動，葉片產生顫 振並抖掉葉片上已開始融化的冰層。與現有技術相比，本發明的大型風力發電機葉片除冰方法具有如下優點
1、與現有技術中單一的除冰方法相比，使用熱空氣循環和顫振相結合的方法，能 夠更有效地除去葉片上的所有覆冰，保持風力發電機葉片的空氣動力學特性。2、採用結冰探測器和液態水含量探測器採集信號，能夠及時有效地檢測出葉片上 覆冰情況，並將檢測信號發送到控制器，及時採取相應的除冰響應。3、利用先加熱後顫振的方法，能夠有效地除去葉根部分通過顫振法難以除去的冰 層。4、利用熱空氣循環與顫振相結合的方法，能夠通過顫振有效地除去葉尖部分熱空 氣達不到的位置所覆的冰層。5、先採用熱空氣與葉片進行熱交換，再採用顫振的方法除冰，能夠降低除冰所需 要的熱量，對加熱系統的加熱功率要求較低，達到節省能量的目的，同時還能避免因為葉片 腔體內溫度過高而造成的不安全因素。6、先採用熱空氣循環加熱，再採用顫振的方法，能夠降低冰層與葉片結合的緊密 度，降低冰層與葉片的吸附力，從而降低顫振除冰的顫振幅度，維持相關零部件的使用壽 命。
圖1為大型風力發電機葉片除冰裝置的結構示意圖； 圖2為大型風力發電機葉片除冰方法的控制流程圖。圖中，1一結冰探測器；2—葉片；3—結冰速率解算器；4一控制器；5—空氣 加熱系統；6—鼓風機；7—液態水含量探測器；8—液態水生成速率解算器；9一變槳 系統；10—偏航系統；11一循環通道。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細地描述。圖1為大型風力發電機葉片除冰裝置的結構示意圖，如圖所示。大型風力發電機葉片除冰方法，包括如下步驟
(1)、將結冰探測器1設置在葉片2表面，採用結冰探測器1採集葉片2上的結冰信號， 並將信號輸入結冰速率解算器3，結冰速率解算器3發出速率信號輸入控制器4，控制器4 啟動空氣加熱系統5 (本實施例中，空氣加熱系統5採用電阻絲加熱)，採用鼓風機6將空氣 加熱系統5加熱後的熱空氣輸入葉片2內的循環通道11中，與葉片2熱交換後流出循環通 道3的空氣再進入空氣加熱系統。(2)、採用葉片2表面設置的液態水含量探測器7檢測冰層吸熱融化產生的液態 水，並將信號輸入液態水生成速率解算器8，液態水生成速率解算器8發出速率信號輸入控 制器4，在液態水生成速率解算器8檢測的液態水的生成速率大於零並且不斷加快時，控制 器4發出控制信號，啟動變槳系統9和偏航系統10，使變槳系統9和偏航系統10形成先加速後減速運動，葉片2產生顫振並抖掉葉片2上已開始融化的冰層。圖2為大型風力發電機葉片除冰方法的控制流程圖，如圖所示。當結冰探測器1採 集葉片2上的結冰信號輸入結冰速率解算器3時，結冰速率解算器3檢測的信號Vl=O (即 葉片上沒有結冰)，控制器4不發出控制指令，空氣加熱系統5、鼓風機6、變槳系統9和偏航 系統10不動作。結冰速率解算器3檢測的信號VlXK即葉片上有結冰)，且液態水生成速率 解算器8檢測的信號V2=0 (即液態水的生成速率為零，在葉片上的結冰還沒有開始融化)， 控制器4發出控制信號，啟動空氣加熱系統，對空氣加熱，鼓風機6將空氣加熱系統5加熱 後的熱空氣輸入葉片2內的循環通道11中，並與葉片進行熱交換；當液態水生成速率解算 器8檢測的信號V2>0 (即液態水的生成速率大於零並且不斷加快時)，控制器4發出控制信 號，啟動變槳系統9和偏航系統10，變槳電機帶動葉片變槳，偏航電機帶動系統偏航，使變 槳系統9和偏航系統10形成先加速後減速運動，葉片2產生顫振並抖掉葉片2上已開始融 化的冰層。最後說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較 佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本專利的技 術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本專利技術方案的宗旨和範圍，其均應涵蓋在本 專利的權利要求範圍當中。
權利要求
1. 一種大型風力發電機葉片除冰方法，其特徵在於，包括如下步驟(1)、將結冰探測器(1)設置在葉片(2)表面，採用結冰探測器(1)採集葉片(2)上的結 冰信號，並將信號輸入結冰速率解算器(3 )，結冰速率解算器(3 )發出速率信號輸入控制器 (4)，控制器(4)啟動空氣加熱系統(5)，採用鼓風機(6)將空氣加熱系統(5)加熱後的熱空 氣輸入葉片(2)內的循環通道(11)中，與葉片(2)熱交換後流出循環通道(3)的空氣再進 入空氣加熱系統(5)；(2)、採用葉片(2)表面設置的液態水含量探測器(7)檢測冰層吸熱融化產生的液態 水，並將檢測信號輸入液態水生成速率解算器(8)，液態水生成速率解算器(8)發出速率信 號輸入控制器(4)，在液態水生成速率解算器(8)檢測的液態水的生成速率大於零並且不 斷加快時，控制器(4)發出控制信號，啟動變槳系統(9)和偏航系統(10)，使變槳系統(9)和 偏航系統(10)形成先加速後減速運動，葉片(2)產生顫振並抖掉葉片(2)上已開始融化的 冰層。
全文摘要
本發明公開了一種大型風力發電機葉片除冰方法，包括(1)利用結冰探測器採集結冰信號，並將信號輸入結冰速率解算器，結冰速率解算器發出速率信號輸入控制器，控制器啟動空氣加熱系統，鼓風機將熱空氣輸入葉片內的循環通道中進行熱交換；(2)液態水含量探測器檢測冰層吸熱融化產生的液態水，並將信號輸入液態水生成速率解算器，液態水生成速率解算器發出速率信號輸入控制器，生成速率大於零並且不斷加快時，變槳系統和偏航系統形成先加速後減速運動，葉片產生顫振並抖掉冰層。本發明採用先加熱再顫振的方法，能夠降低冰層與葉片結合的緊密度和吸附力，從而降低顫振除冰的顫振幅度，既得到充分除冰，又節省能量，且安全性和可靠性更高。
文檔編號F03D11/00GK102003353SQ20101058125
公開日2011年4月6日 申請日期2010年12月10日 優先權日2010年12月10日
發明者何玉林, 侯海波, 杜靜, 楊豆思, 王磊, 謝雙義 申請人:重慶大學