风电叶片防结冰控制系统及其具有防结冰性能的风电叶片的制备方法

摘要

本发明公开了一种风电叶片防结冰控制系统及其具有防结冰性能的风电叶片的制备方法，防结冰控制系统主要包括监测单元、控制单元和加热单元。该风电叶片防结冰控制系统，结构设计合理，安装方便，自动化智能化程度高，可有效对风机叶片进行加热，可防止叶片表面温度过高对叶片的树脂和保护涂层产生负面影响，能有效防止叶片结冰。本发明提供的制备方法，工艺设计合理，可操作性强，工艺稳定，其中风机叶片吸力面壳体和压力面壳体由内蒙皮和外蒙皮包覆中间芯材构成，电加热材料位于叶片表面或叶片外蒙皮玻璃纤维布之间或叶片外蒙皮玻璃纤维布里侧，电加热材料与表面温度传感器一体成型，可以制备得到具有电加热系统，具有防结冰性能的风电叶片。

说明书

技术领域

本发明涉及一种风电叶片，具体涉及一种风电叶片防结冰控制系统及其具有防结冰性能的风电叶片的制备方法。 

背景技术

风能作为新能源的一个重要分支，以其清洁、安全、稳定的特点，受到广泛的关注。风电机组是将风能转化为电能的装置，其中风机叶片作为风电机组的核心部件之一，其质量直接影响风电机组的质量，且随着国内外兆瓦级叶片的快速发展，叶片发电功率越来越大，叶片亦越来越长，对叶片性能和质量的要求亦愈来愈高。在严寒天气，风机叶片在运行过程中容易结冰。实验结果表明，风机叶片外形结冰初始位置主要发生在叶片前缘，在叶根处结冰量较小，且主要围绕叶根翼型向两周展开，主要结冰位置还是在桨叶中部和叶尖处。覆盖区域主要集中在基准面前缘驻点的下侧，反映到桨叶上就是在一定攻角下桨叶与流场接触的后缘和下缘。并且从叶根至叶尖，结冰量不断增大。相同风速下，随着水滴直径的增大，结冰量也不断增加，加热除冰是解决该问题的有效途径。目前加热除冰的方式主要有两种：气热法和电热法。气热法采用在循环通道内通热空气，或是在叶片的内腔安装固定的微波发生器，利用微波能量加热复合材料进行除冰。该方法受到叶片结构的限制，需要热量的迎风面因材质的导热系数小，尤其对大型叶片除冰效果不理想。若加热温度过高，对叶片所用树脂的热变形温度有较高要求，很难在实际运用中推广。而电加热法目前还没有理想的应用于风机叶片中加热。 

发明内容

发明目的：本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种结构设计合理，安装方便，自动化程度高，能够对风机叶片进行选择性加热，防止风机叶片结冰的防结冰加热控制系统。本发明另一个目的是提供具有防结冰性能的风电叶片的制备方法。 

技术方案：为了实现以上目的，本发明采取的技术方案如下： 

一种风电叶片防结冰控制系统，它包括：监测单元、控制单元和加热单元； 

所述的监测单元包括安装于叶片表面的温度传感器，叶片所处环境的温湿度传感器； 

所述的控制单元包括温湿度变送器、与温湿度变送器相连的PLC控制器，与PLC控制器相连的固态继电器； 

所述的加热单元包括电加热材料，和与电加热材料相连的电源； 

所述的温度传感器和温湿度传感器分别与温湿度变送器相连； 

所述的固态继电器与PLC连接、可实现电源与电加热材料接通、断开的切换。 

作为优选方案，以上所述的风电叶片防结冰控制系统，所述的温度传感器为3至6个，间隔间距安装在风电叶片的叶尖、中间以及叶根的前缘区域。叶片表面温度传感器和环境温湿度传感器用于监测风机叶片的表面温度，并将信息传递给控制单元。 

作为优选方案，以上所述的风电叶片防结冰控制系统，其特征在于，所述的电加热材料为碳纤维束或金属电加热材料固定在玻璃纤维布上或聚酯纤维布上。 

控制单元由温湿度变送器、PLC控制器和固态继电器组成，控制单元安装在所述风力发电机的机舱罩内。温湿度变送器接收来自叶片表面温度传感器，环境温湿度传感器的物理信号并将其转化为电信号传递到PLC中；当外界环境达到结冰条件时(如环境温度<0℃、环境相对湿度>80％，且叶片表面温度<30℃)，PLC向固态继电器发送信号，控制固态继电器触点接通电源与电加热材料，对电加热材料进行通电加热。当环境温湿度不满足预设结冰条件时(即叶片表面温度高于30℃或环境的相对湿度低于80％或环境温度高于0℃时)，经PLC控制器处理后输出关断信号，使固态继电器停止工作，从而控制电源断开，停止对电加热材料加热。防止叶片表面温度过高对叶片的树脂和保护涂层产生负面影响，避免环境结冰条件消失时电加热材料仍然继续工作以节约能源。 

加热单元由电加热材料和外设电源组成。叶片铺层时，根据横截面的前缘、中间和后缘铺层结构的不同，采取不同的电加热材料铺层方法。在保证原有力学物理性能的基础上，保证叶片整体的加热效果。通过外设电源供电，通过电加热材料对叶片表面进行加热达到融冰目的。 

作为优选方案，以上所述的风电叶片防结冰装置，所述的电加热材料层的厚度0.2-1mm，安装在风电叶片表面或者风电叶片外蒙皮玻璃纤维布的层间、内侧，或者直接固定在外蒙皮的玻璃纤维布上。 

作为优选，环境温湿度传感器选择型号为JCJ106，它符合ZIGBEE协议标准的射频收发器和微处理器，具有通讯距离远、抗干扰能力强、组网灵活、性能可靠稳定等优点。JCJ106传感器终端需配合JCJ106XT协调器组成传感器测量网络。协调器通过标准RS-485通信接口可与PLC设备共同组成多点无线温湿度监控系统。 

表面温度传感器优选用OMEGA公司生产的薄膜式RTD温度传感器。该传感器基于PT100制作、外形为小型、扁平状薄膜式元件，直径为0.2mm(0.008")、长10mm(0.4")的导线，可以在-50-500℃范围内使用，0至100℃之间的电阻温度系数为0.00385Ω/℃。该薄膜式温度传感器具有尺寸小，测量准确的优点，便于铺层时与电加热材料一同安装在风电叶片内。 

温湿度变送器优选采用型号为KSW-R4温湿度变送器；PLC采用西门子、型号为224XPCN的可编程逻辑控制器，固态继电器选用G3NA-220B欧姆龙固态继电器，仪器经导电滑环安装于设在机舱内的电气柜中。 

电加热材料上各装有2个电极，电源的电压为90V～380V，在该电压范围内的功率密度为100～1000W/m³。 

本发明所述的具有防结冰性能的风电叶片的制备方法，包括以下步骤： 

a、用真空灌注成型工艺制备设有电加热材料的吸力面壳体和压力面壳体，并将电加热材料通过支导线与主导线连接； 

b、用结构胶将步骤a制备得到的设有电加热材料的吸力面壳体和压力面壳体、预制好的剪腹板粘接为一体，制得风电叶片的半成品；然后修整半成品，并在叶片前缘和叶片后缘区 域内外分别粘贴预浸有树脂的玻璃纤维布，进行补强； 

c、对风电叶片半成品根部进行切割和打孔，然后再在其表面喷涂保护涂层，然后安装叶片根部螺栓紧固件； 

d、将风电叶片的根部与风力发电机的轮毂连接；然后将控制单元安装在风力发电机机舱罩的内壁上，并在机舱罩内的发电机转子的连接轴上安装导电滑环；与电加热材料(6)连接的主导线通过导电滑环分别与控制单元内的固态继电器(5)触点端和电源(7)零线相接，所述的固态继电器(5)与电源(7)火线连接构成通电或断电回路，且所述的固态继电器(5)与PLC控制器(4)相连，所述的PLC控制器(4)与温湿度变送器(3)相连； 

然后将环境温湿度传感器(2)安装在风力发电机机舱内； 

并将叶片表面温度传感器(1)间隔安装在风电叶片的叶尖、中间以及叶根的前缘区域。 

以上所述的具有防结冰性能的风电叶片的制备方法，步骤a中所述的采用真空灌注成型工艺制备设有电加热材料的吸力面壳体和压力面壳体，其方法包括以下步骤： 

5.1、风机叶片模具处理；清理风机叶片模具，修补平整后，在风机叶片模具上喷涂脱模剂； 

5.2、准备材料；准备制备叶片内蒙皮、根部增强带、叶片外蒙皮的玻璃纤维布、芯材、预制好的主梁和剪腹板，电加热材料、支导线和主导线；其中电加热材料的形状、尺寸和电极引出位置根据待铺位置预先设定；并对设定位置的电加热材料编号排序； 

5.3、电加热材料、吸力面壳体和压力面壳体的外蒙皮的铺设： 

在风机叶片模具上，依次铺设电加热材料、外蒙皮玻璃纤维布； 

或者在风机叶片模具上，依次铺设一层外蒙皮玻璃纤维布、电加热材料、一层外蒙皮玻璃纤维布； 

或者在风机叶片模具上，依次铺设外蒙皮玻璃纤维布、电加热材料； 

或者在风机叶片模具上，直接铺设固定有碳纤维束或金属电加热材料的玻璃纤维布； 

5.4、电加热材料主导线、电加热材料电极的铺设： 

电加热材料(6)内设有两电极，两电极上分别连接有支导线，将两支导线并联相接于两条主导线上，使铺放的所有电加热材料并联连接； 

5.5、芯材和主梁以及吸力面壳体和压力面壳体的内蒙皮的铺设： 

在铺设有电加热材料的吸力面壳体和压力面壳体的外蒙皮内表明上，分别铺放芯材和已预制的主梁，并在叶片根部铺设玻璃纤维布增强层，最后再分别铺放内蒙皮玻璃纤维布，制得吸力面壳体预成型体和压力面壳体预成型体； 

5.6、铺设辅助材料体系，设置注胶口和真空抽气口： 

将裁剪好的脱模布满铺在叶片吸力面壳体预成型体和压力面壳体预成型体的外表面，然后在脱模布上表面依次铺设导流布、导气管、注胶管，并设置注胶口和真空抽气口；然后用真空袋膜将整个叶片吸力面壳体预成型体、压力面壳体预成型体、导流布、注胶管和导气管整体密封，并且密封注胶口，然后将真空抽气口与真空泵相连进行抽真空，并检验密闭系统的气密性，确保气密性达到要求； 

5.7、真空灌注树脂： 

将树脂体系混合均匀并进行脱泡处理，然后开启注胶口将树脂体系利用真空负压方式，分别注入到叶片吸力面壳体预成型体和压力面壳体预成型体中，待树脂完全充满后关闭注胶口，并持续抽真空保持预成型体内的真空度； 

5.8、预固化成型、安装筋板、合模后固化及后处理： 

将灌注完树脂的叶片吸力面壳体预成型体和压力面壳体预成型体，加热预固化；在预固化完成的叶片吸力面壳体的安装大梁的位置区域、前后缘上刮涂胶粘剂，然后将预固化完成的压力面壳体翻转覆盖于吸力面壳体上，完成合模，然后进行后固化，后固化完成后进行脱模，然后修整处理得到设有电加热材料的风电叶片。 

作为优选方案，以上所述的具有防结冰性能的风电叶片的制备方法，所述的电加热材料内设有两电极，两电极上分别连接有支导线，两支导线并联相接于两条主导线上，且相邻2根电加热材料的周边各留有0～5mm的空隙。 

作为优选方案，以上所述的具有防结冰性能的风电叶片的制备方法，所述的树脂为环氧树脂或不饱和聚酯树脂。 

作为优选方案，以上所述的具有防结冰性能的风电叶片的制备方法，风电叶片壳体为夹芯结构，上下表面为蒙皮玻璃纤维布，中间为泡沫夹芯材料；电加热材料间隔间距铺设在外蒙皮玻璃纤维布的外表面的前缘区域，或者间隔间距铺设在前缘区域的外蒙皮玻璃纤维布之间，或者间隔间距铺设在前缘区域的外蒙皮玻璃纤维布的内侧。 

风电叶片吸力面壳体和压力面壳体均为由内蒙皮和外蒙皮包覆中间芯材通过真空导灌注成型工艺一体成型的夹芯型结构件； 

其中，外蒙皮与内蒙皮的厚度相同，均由2～3层玻璃纤维布铺覆而成；电加热材料位于外蒙皮玻璃纤维布的外表面或外蒙皮玻璃纤维布之间或固定在外蒙皮玻璃纤维布内侧上，与外蒙皮一体成型。 

叶片迎风一侧为叶片前缘，背风一侧为叶片后缘。电加热材料至少覆盖压力面壳体和吸力面壳体位于该叶片前缘的部分区域，且至少铺覆1层。形状与所覆盖的叶片壳体区域随形，每层电加热材料的厚度为0.2～1mm。 

以上所述的电加热材料为碳纤维束或金属电加热材料固定在玻璃纤维布上或聚酯纤维布上。 

有益效果：本发明提供的一种风电叶片防结冰控制系统具有如下优点： 

1、本发明提供的风电叶片防结冰控制系统，结构设计合理，安装方便，自动化智能化程度高，可有效对风机叶片进行加热，并可防止叶片表面温度过高对叶片的树脂和保护涂层产生负面影响，避免环境结冰条件消失时电加热材料仍然继续工作以节约能源，不会损坏风机叶片，能有效防止叶片结冰。 

并且采用电加热材料进行加热，电加热材料发热均匀、发热效率高且安全性好，能有效实现叶片表面防结冰；电加热材料较为轻薄，对叶片的气动外形影响较小；电加热材料为连续结构，不易损坏，维修方便。并且采用PLC采集多片温湿度传感器的环境信息，控制电加 热材料对叶片表面进行加热，从而实现对叶片除冰系统的实时监控，系统稳定、控制精度高，取得了重大技术进步。 

2、本发明提供的具有防结冰性能的风电叶片的制备方法，整个工艺设计合理，可操作性强，工艺稳定，采用优选工艺，其中风机叶片吸力面壳体和压力面壳体均为由内蒙皮和外蒙皮包覆中间芯材通过真空灌注成型工艺一体成型，电加热材料位于外蒙皮玻璃纤维布的外表面或外蒙皮玻璃纤维布之间或固定在外蒙皮玻璃纤维布之上，表面温度传感器，同时与外蒙皮一体成型，制备效率高，可以制备得到具有电加热系统，具有防结冰性能的风电叶片。 

附图说明

图1是本发明所述的风电叶片防结冰控制系统的结构示意图。 

图2是设有电加热材料的吸力面壳体和压力面壳体的制备工艺流程图。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。 

实施例1 

如图1所示：一种风电叶片防结冰控制系统，它主要包括：监测单元、控制单元和加热单元； 

所述的监测单元包括安装于叶片表面的温度传感器(1)，叶片所处环境的温湿度传感器 

(2)； 

所述的控制单元包括温湿度变送器(3)、与温湿度变送器(3)相连的PLC控制器(4)，与PLC控制器(4)相连的固态继电器(5)； 

所述的加热单元包括电加热材料(6)和与电加热材料(6)相连的电源(7)； 

所述的温度传感器(1)和温湿度传感器(2)分别与温湿度变送器(3)相连； 

所述的固态继电器(5)与PLC(4)连接，实现电源(7)与电加热材料(6)接通、断开的切换。 

以上所述的风电叶片防结冰装置，所述的电加热材料层(6)的厚度0.2-1mm，安装在风电叶片表面或者风电叶片外蒙皮玻璃纤维布的层间、内侧，或者固定在风电叶片外蒙皮玻璃纤维布上。 

以上所述的电加热材料(6)为碳纤维束或金属电加热材料固定在玻璃纤维布上或聚酯纤维布上制成。 

实施例2 

一种具有防结冰性能的风电叶片的制备方法，其包括以下步骤： 

a、用真空灌注成型工艺制备设有电加热材料的吸力面壳体和压力面壳体，并将电加热材料通过支导线与主导线连接； 

b、用结构胶将步骤a制备得到的设有电加热材料的吸力面壳体和压力面壳体、预制好的 剪腹板粘接为一体，制得风电叶片的半成品；然后修整半成品，并在叶片前缘和叶片后缘区域内外分别粘贴预浸有树脂的玻璃纤维布，进行补强； 

c、对风电叶片半成品根部进行切割和打孔，然后再在其表面喷涂保护涂层，然后安装叶片根部螺栓紧固件； 

d、将风电叶片的根部与风力发电机的轮毂连接；然后将控制单元安装在风力发电机机舱罩的内壁上，并在机舱罩内的发电机转子的连接轴上安装导电滑环；与电加热材料(6)连接的主导线通过导电滑环分别与控制单元内的固态继电器(5)触点端和电源(7)零线相接，所述的固态继电器(5)与电源(7)火线连接构成通电或断电回路，且所述的固态继电器(5)与PLC控制器(4)相连，所述的PLC控制器(4)与温湿度变送器(3)相连； 

然后将环境温湿度传感器(2)安装在风力发电机机舱内； 

并将叶片表面温度传感器(1)间隔安装在风电叶片的叶尖、中间以及叶根的前缘区域。 

以上所述的具有防结冰性能的风电叶片的制备方法，步骤a中所述的采用真空灌注成型工艺制备设有电加热材料的吸力面壳体和压力面壳体，其方法包括以下步骤：如图2所示： 

5.1、风机叶片模具处理；清理风机叶片模具，修补平整后，在风机叶片模具上喷涂脱模剂； 

5.2、准备材料；准备制备叶片内蒙皮、根部增强带、叶片外蒙皮的玻璃纤维布、芯材、预制好的主梁和剪腹板，电加热材料、支导线和主导线；其中电加热材料的形状、尺寸和电极引出位置根据待铺位置预先设定；并对设定位置的电加热材料编号排序； 

5.3、电加热材料、吸力面壳体和压力面壳体的外蒙皮的铺设： 

在风机叶片模具上，依次铺设电加热材料、外蒙皮玻璃纤维布； 

或者在风机叶片模具上，依次铺设一层外蒙皮玻璃纤维布、电加热材料、一层外蒙皮玻璃纤维布； 

或者在风机叶片模具上，依次铺设外蒙皮玻璃纤维布、电加热材料； 

或者在风机叶片模具上，直接铺设固定有碳纤维束或金属电加热材料的玻璃纤维布； 

5.4、电加热材料主导线、电加热材料电极的铺设： 

电加热材料(6)内设有两电极，两电极上分别连接有支导线，将两支导线并联相接于两条主导线上，使铺放的所有电加热材料并联连接； 

5.5、芯材和主梁以及吸力面壳体和压力面壳体的内蒙皮的铺设： 

在铺设有电加热材料的吸力面壳体和压力面壳体的外蒙皮内表明上，分别铺放芯材和已预制的主梁，并在叶片根部铺设玻璃纤维布增强层，最后再分别铺放内蒙皮玻璃纤维布，制得吸力面壳体预成型体和压力面壳体预成型体； 

5.6、铺设辅助材料体系，设置注胶口和真空抽气口： 

将裁剪好的脱模布满铺在叶片吸力面壳体预成型体和压力面壳体预成型体的外表面，然后在脱模布上表面依次铺设导流布、导气管、注胶管，并设置注胶口和真空抽气口；然后用真空袋膜将整个叶片吸力面壳体预成型体、压力面壳体预成型体、导流布、注胶管和导气管整体密封，并且密封注胶口，然后将真空抽气口与真空泵相连进行抽真空，并检验密闭系统 的气密性，确保气密性达到要求； 

5.7、真空灌注树脂： 

将树脂体系混合均匀并进行脱泡处理，然后开启注胶口将树脂体系利用真空负压方式，分别注入到叶片吸力面壳体预成型体和压力面壳体预成型体中，待树脂完全充满后关闭注胶口，并持续抽真空保持预成型体内的真空度； 

5.8、预固化成型、安装筋板、合模后固化及后处理： 

将灌注完树脂的叶片吸力面壳体预成型体和压力面壳体预成型体，加热预固化；在预固化完成的叶片吸力面壳体的安装大梁的位置区域、前后缘上刮涂胶粘剂，然后将预固化完成的压力面壳体翻转覆盖于吸力面壳体上，完成合模，然后进行后固化，后固化完成后进行脱模，然后修整处理得到设有电加热材料的风电叶片。 

以上所述的具有防结冰性能的风电叶片的制备方法，所述的电加热材料(6)内设有两电极，两电极上分别连接有支导线，两支导线并联相接于两条主导线上，且相邻2根电加热材料(6)的周边各留有0～5mm的空隙。 

以上所述的具有防结冰性能的风电叶片的制备方法，所述的树脂为环氧树脂或不饱和聚酯树脂。 

以上所述的具有防结冰性能的风电叶片的制备方法，风电叶片壳体为夹芯结构，上下表面为蒙皮玻璃纤维布，中间为泡沫夹芯材料；电加热材料(6)间隔间距铺设在外蒙皮玻璃纤维布的外表面的前缘区域，或者间隔间距铺设在前缘区域的外蒙皮玻璃纤维布之间，或者间隔间距铺设在前缘区域的外蒙皮玻璃纤维布的内侧。 

以上所述的电加热材料为碳纤维束或金属电加热材料固定在玻璃纤维布上或聚酯纤维布上。 

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。