大功率风力发电机叶片模块化气热抗冰方法及安装方法

摘要

本发明公开了大功率风力发电机叶片模块化气热抗冰方法及安装方法，在叶片根部设置模块化的加热系统，在叶片内铺设通风管道，并在通风管道末端设置挡风板将叶片前缘分隔为两部分，使通风管道中的热风只能通向叶尖并经过叶片后缘循环至叶片根部中，从而使热风在叶片内部循环并形成“叶根—叶尖—叶根”闭环回路，达到重点加热叶片前缘的目的。本发明还公开了大功率风力发电机叶片模块化气热抗冰系统的安装方法。本发明能使大功率风力发电机叶片实现防冰及除冰功能，可以增加冬天风机发电效率，降低整机载荷和整机运行风险；使用模块化气热抗冰系统，能够用于已经挂机运行的风机风轮中，可以填补国内技术空白。

说明书

技术领域

本发明涉及风力发电机组的叶片防结冰技术领域。

背景技术

为解决化石燃料应用所产生的环境问题，人类大力开发对环境友好的新型能源替代化石燃料，风能是其中一种大力开发的新型能源，目前利用风能的主要方式是风力发电。风力发电机组在运行过程中，叶片会遭受各种恶劣环境的考验，特别是在潮湿寒冷的云贵高原等地，冬天叶片极易结冰。叶片结冰后会造成风力发电机组发电量降低，甚至停机，结冰后叶片的质量不平衡会造成塔筒底部的疲劳损伤增强，旋转叶片上冰块从高空甩落会产生隐患，因此防止叶片结冰或叶片结冰后迅速除冰是风电技术研究的一个热点。值得一提的是在国内广大结冰地域除了新装风力发电机组有叶片抗冰功能需求外，对于云贵高原等目前已经在运行的传统风机同样面临抗冰功能改造需求。本发明提供一种大功率风力发电机叶片模块化气热抗冰系统，能够用于已经挂机运行的风机风轮中，可以填补国内技术空白。现有叶片生产技术都不具备叶片主动除冰和防冰功能。

目前国内外已有一些专利对叶片除冰技术进行了保护，丹麦维斯塔斯风力系统有限公司在中国的专利号CN101821500A，介绍了一种风机停机后利用叶片抖动将风机叶片上的冰除去。该方法只能用于静态除冰，且起不到防止叶片结冰的作用。美国专利US6676122B1将发电机中的热气通过管路导入叶片中加热叶片，同时实现发电机的制冷，但并未具体介绍叶片内的热气流管路布置。中国专利公开号CN102748243A在靠近叶根处安装加热式鼓风机，并利用绝热管道将热气导入叶片前缘，并介绍了管道的布置，但未明确对于叶片加热的控制及温度传感器的布置方案，特别的此专利说明只能用于新制造叶片的除冰，无法实现已经挂机的叶片的除冰除冰。对于气热防/除冰的方法，德国Encrocn公司已经有应用实例，根据其的实际运行经验足以说明通过气热加热叶片表面实现叶片防/除冰的方法是可靠的。

以下是部分相关现有专利技术：

1、风力发电机转子叶片防结冰设备及方法，申请号为201110131800.3。

2、用于给风轮机的叶片除冰的方法、风轮机及其使用，申请号为200880110464.0。一种用于在风轮机已停机一段时间后给风轮机的叶片除冰。该方法包括以下步骤：形成叶片的受控制的加速状况；随后形成叶片的受控制的减速状况，由此将冰从叶片上抖掉。

3、一种具有防冰及除冰能力的叶片，申请号为201210244203.6。技术方案：在靠近叶根处安装加热式鼓风机，并利用绝热管道将热气导入叶片前缘。

4、一种大型风机叶片除冰系统及其方法，申请号：201110394097.5。

5、大型风力发电机叶片除冰方法，申请号为201010581255.3。

6、风力发电机叶片的防凝冻抗积冰电控装置，申请号为201310013318.9。

7、一种风力发电机叶片的热气防冰装置，申请号为201310512948.0。

8、一种防结冰的风力发电机叶片及其制备方法，申请号为201110283973.7。

9、风力发电机叶片、风力发电机以及叶片除冰系统，申请号为201310404500.7。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种重点加热叶片前缘的大功率风力发电机叶片模块化气热抗冰方法及安装方法。

本发明的技术方案是：一种大功率风力发电机叶片模块化气热抗冰方法，在叶片根部设置模块化的加热系统，在叶片内铺设通风管道，并在通风管道末端设置挡风板将叶片前缘分隔为两部分，使通风管道中的热风只能通向叶尖并经过叶片后缘循环至叶片根部中，从而使热风在叶片内部循环并形成“叶根—叶尖—叶根”闭环回路，达到重点加热叶片前缘的目的。

采用大功率风力发电机叶片模块化气热抗冰系统进行抗冰；所述大功率风力发电机叶片模块化气热抗冰系统包括叶片、塔筒、设置在叶片内的抗剪腹板、可拆卸的加热系统和连接加热系统的通风管道，所述加热系统设置在叶片的根部，所述加热系统包括鼓风机模块、连接鼓风机模块的加热模块、供电控制模块、无线控制模块，所述供电控制模块和无线控制模块设置在加热模块侧旁；所述通风管道安装在抗剪腹板上；

所述通风管道从叶片根部朝叶尖方向通至距叶片根部10~20m处；

所述大功率风力发电机叶片模块化气热抗冰系统还包括固定安装在叶片根部内腔中的鼓风机专用支架、加热器支架和电气箱支架；所述鼓风机模块包括鼓风机，鼓风机通过螺栓安装在鼓风机专用支架上；所述加热模块包括加热器，加热器通过螺栓安装在加热器支架上；所述供电控制模块包括电气箱，电气箱通过螺栓安装在电气箱支架上；所述无线控制模块包括无线箱，无线箱安装在加热器支架上；所述鼓风机通过梯形通风连接管与加热器相连接，所述加热器通过梯形通风管、连接管与通风管道相连接；

所述挡风板设置在距通风管道末端100mm处的通风管道外围。

所述大功率风力发电机叶片模块化气热抗冰系统还包括安装在塔筒内的人机界面和与人机界面连接的四个温度传感器，所述四个温度传感器分别设置在下列四个温度控制点：加热器出风口、通风管道出口、距叶片根部15-20m处的前缘叶片内腔表面、叶片后缘距叶片根部5m的叶片内腔表面；通过上述四个温度传感器检测叶片内部温度，且四个温度控制点都参与系统控制逻辑，控制逻辑为：当距叶根15-20m处前缘叶片内腔表面温度控制点温度大于设定温度时，加热系统停止工作，当参与控制的四个温度控制点温度同时低于设定值时，加热系统启动加热。

所述人机界面包括与无线箱相配合的无线接收装置、显示装置和PLC控制器，所述无线接收装置、显示装置、温度传感器、电气箱、加热器均与PLC控制器相连接；通过显示装置显示加热系统运行数据及系统是否出现故障；通过PLC控制器来控制来控制大功率风力发电机叶片模块化气热抗冰系统的工作。

所述加热系统中的电流数据、温度探头采集的温度数据和控制信号通过无线箱发射无线信号和塔筒中的人机界面建立信号传输。

在人机界面中安装用于操控大功率风力发电机叶片模块化气热抗冰系统工作的操作控制系统，在人机界面中输入控制参数，实现大功率风力发电机叶片模块化气热抗冰系统的自动运行。

一种大功率风力发电机叶片模块化气热抗冰系统的安装方法，包括以下步骤：

A、准备材料，包括所需零部件；

B、安装通风管道：采用通风管道专用卡扣将通风管道固定于叶片内腔中的抗剪腹板上；所述通风管道专用卡扣包括管道固定专用上卡扣和管道固定专用下卡扣；上下卡扣相互配合卡紧通风管道，上下卡扣之间通过四个铆钉卯在一起；通风管道专用卡扣每隔1m固定一个，并且将通风管道专用卡扣和通风管道手糊固定，而后再将通风管道专用卡扣手糊固定在抗剪腹板上；

C、安装挡风板：将挡风板安装在距通风管道末端100mm处的通风管道外围，使挡风板把叶片前缘分隔为两部分；

D、安装温度传感器：将四个温度传感器分别安装在下列四个位置：加热器出风口、送风管道出口、距叶根15-20m处前缘叶片内腔表面、叶片后缘距叶根5m叶片内腔表面；再将温度传感器信号线与温度传感器连接好；

E、安装加热系统：包括以下分步骤：

a)安装支架：支架包括鼓风机专用支架、加热器支架和电气箱支架，其安装方式是：新生产叶片时，采用预埋工艺将鼓风机专用支架、加热器支架和电气箱支架固定于叶片根部内腔中；在已挂机叶片上，采用手糊粘接工艺将鼓风机专用支架、加热器支架和电气箱支架固定于叶片根部内腔中；

b)安装加热器：将加热器通过螺栓安装在加热器支架上，用波纹连接管把加热器出风口和通风管道连接好；

c)安装鼓风机：将鼓风机通过螺栓安装在鼓风机专用支架上；用梯形通风连接管把鼓风机与加热器连接好；

d)安装电气箱：将电气箱通过螺栓安装在电气箱支架上，并将相应电缆连接好；

e)安装无线箱：将无线箱安装在加热器支架上的加热器侧旁；

F、安装人机界面：将人机界面安装在塔筒内部地面上，包括无线接收装置、显示装置和PLC控制器；连接好温度传感器信号线和其他连接线，把温度传感器、电气箱、加热器、无线接收装置、显示装置分别和PLC控制器连接好；

G、调试并完成安装：安装好其他所需配套件，进行初步调试，完成大功率风力发电机叶片模块化气热抗冰系统的安装。

所述通风管道通过通风管道专用卡扣固定于靠近前缘的抗剪腹板上，所述通风管道专用卡扣包括管道固定专用上卡扣和管道固定专用下卡扣。

本发明提出了一种利用热气在叶片内部循环、重点加热叶片前缘的模块化叶片抗冰系统及方法，其能解决已经挂机叶片和新生产叶片在运行过程中叶片特别是叶片前缘结冰的问题。具有防冰及除冰功能，其加热系统方便拆卸，方便维修，特别是此种加热系统能够用于已经挂机运行的风机风轮中。使热风形成“叶根—叶尖—叶根”闭环回路，提高了热利用率。其优点具体为：采用该抗冰系统及方法，叶片具有防冰及除冰能力，可以增加冬天风机发电效率，降低整机载荷和整机运行风险；叶片具有模块化气热抗冰系统，能够用于已经挂机运行的风机风轮中，可以填补国内技术空白。利用人机界面还能实现系统自动运行。

附图说明

图1是本发明中的人机界面与加热系统的位置示意图；

图2是本发明中的加热系统的结构示意图；

图3是本发明中的叶片内的通风管道固定方式示意图；

图4是本发明中的通风管道局部示意图；

图5是本发明中的管道固定专用上卡扣示意图；

图6是本发明中的管道固定专用下卡扣示意图。

附图标记说明：1.人机界面；2.机舱控制柜；3.电缆；4.滑环；5.加热系统；6.叶片；7.叶片叶根挡板；8.鼓风机；9.鼓风机专用支架；10.梯形通风连接管；11.加热器；12.电气箱；13.电气箱支架；14.加热器支架；15.梯形通风管；16.连接管；17无线箱；18.抗剪腹板；19.通风管道；20.通风管道专用卡扣；21.挡风板；22.管道固定专用上卡扣；23.管道固定专用下卡扣。

具体实施方式

一种大功率风力发电机叶片模块化气热抗冰方法，在叶片根部设置模块化的加热系统，在叶片内铺设通风管道，并在通风管道末端设置挡风板将叶片前缘分隔为两部分，使通风管道中的热风只能通向叶尖并经过叶片后缘循环至叶片根部中，从而使热风在叶片内部循环并形成“叶根—叶尖—叶根”闭环回路，达到重点加热叶片前缘的目的。本方法采用下述大功率风力发电机叶片模块化气热抗冰系统来实现。

如图1至图6所示，一种大功率风力发电机叶片模块化气热抗冰系统，包括用玻璃钢复合材料制成的叶片6、塔筒、设置在叶片内且将叶片内腔分隔为前后缘的的抗剪腹板18、固定于叶片根部的可拆卸更换维修的加热系统5、连接加热系统的用于将热风输送至叶片内腔前缘的通风管道19、挡风板21、安装在塔筒内的人机界面1、与人机界面连接的温度传感器，以及固定安装在叶片根部内腔中的鼓风机专用支架9、加热器支架14和电气箱支架13。所述加热系统安装在叶片的根部，所述通风管道安装在抗剪腹板上。通风管道从叶片根部朝叶尖方向通至距叶片根部10~20m处。所述挡风板设置在距通风管道末端100mm处的通风管道外围，所述挡风板将叶片前缘分隔为两部分。大功率风力发电机叶片模块化气热抗冰系统还包括机舱控制柜2、电缆3、滑环4、叶片叶根挡板7。

所述加热系统包括鼓风机8、连接鼓风机的加热器11、电气箱12、无线箱17，所述电气箱和无线箱设置在加热器侧旁；鼓风机通过螺栓安装在鼓风机专用支架上；加热器通过螺栓安装在加热器支架上；电气箱通过螺栓安装在电气箱支架上；无线箱安装在加热器支架上。所述鼓风机通过梯形通风连接管10与加热器相连接，所述加热器出风口通过梯形通风管15、波纹连接管16与通风管道相连接。

所述通风管道通过通风管道专用卡扣20固定于靠近前缘的抗剪腹板上，所述通风管道专用卡扣包括管道固定专用上卡扣22和管道固定专用下卡扣23。上下卡扣相互配合卡紧通风管道19，上下卡扣之间通过四个铆钉卯在一起。专用卡扣20每隔1m固定一个，并且将专业卡扣和通风管道手糊固定，而后再将专用卡扣20手糊固定在抗剪腹板18上。

上述加热系统形成鼓风机模块、加热模块、供电控制模块、无线控制模块，所有模块尺寸严格控制，采用螺栓连接具有方便拆卸，方便维修的优点，且可以通过风机整机和轮毂进入叶片。为了方便固定这些模块，在叶根部分有专用固定各个模块的支架，具体的鼓风机8、加热器14、电气箱12、无线箱17通过螺栓固定在相应的固定支架上。支架通过预埋（用于新生产叶片）工艺或手糊粘接（用于已挂机叶片）工艺固定于叶片根部内腔中。

为了重点加热叶尖前缘，在前缘抗剪腹板上固定有用于输送热风的通风管道，该通风管道通至距叶根15~20m处，在通风管道末端设有挡风板将叶片前缘分隔为两部分，致使热风只能朝叶尖方向流动，经后缘返回鼓风机中，使热风形成“叶根—叶尖—叶根”闭环回路提高热利用率。

为了控制加热系统及防止加热系统因过热产生火灾，在叶片中布置至少四个温度传感器，温度传感器布置位置为：加热器出风口、送风管道出口、距叶根15-20m处前缘叶片内腔表面、叶片后缘距叶根5m叶片内腔表面。温度传感器信号线采用耐高温材料。通过这四个温度传感器检测叶片内部温度，且这四个温度控制点都参与系统控制逻辑，控制逻辑为：当距叶根15-20m处前缘叶片内腔表面温度控制点温度大于设定温度时，加热系统停止，当参与控制的四个温度控制点温度同时低于设定值时，加热系统启动加热。这样便可有效的保护叶片材料，不会因为加热而影响其性能，更不会产生火灾。

为了方便监控加热系统，在塔筒内部地面上安装有人机界面1，通过人机界面可显示加热系统运行数据及系统是否出现故障。并通过PLC控制器控制。

在塔筒内部设有显示运行数据及操作控制系统的人机界面，在人机界面中输入控制参数，便可实现系统自动运行。为了将加热系统和人机界面建立通讯连接，将加热系统中电流数据、温度探头采集的温度数据、控制信号通过无线箱发射无线信号和塔筒中的人机界面建立信号传输。

本发明提供的大功率风力发电机叶片模块化气热抗冰系统，该叶片具有防冰及除冰能力，利用鼓风机、加热器提供热风，通过管道将热风输送至叶片前缘15~20m处，重点加热叶尖前缘，并使热风形成“叶根—叶尖—叶根”闭环回路，提高了热利用率。固定于叶根的加热系统以模块形式分布，每一模块尺寸严格控制，其利用螺栓连接能够具有方便拆卸，方便维修，且可以通过机舱和轮毂进入叶片。这使得在已有叶片中进行改造成为可能。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。