CN105626396A - 叶片除冰装置和风力发电机组、叶片除冰方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种叶片除冰装置和风力发电机组、叶片除冰方法。所述叶片除冰装置包括：覆膜，覆膜设置在需除冰的叶片上，且覆盖叶片的至少部分外表面，叶片的被覆盖区域上设置有至少一个贯穿叶片的通气孔；气泵，气泵通过通气管与通气孔连接，并能够向覆膜与叶片之间通气，驱动覆膜膨胀或从覆膜与叶片之间吸气使覆膜紧贴在叶片表面；检测控制单元，检测控制单元与气泵连接，检测叶片是否需要除冰并控制气泵工作。采用本发明的技术方案，可利用气泵在叶片需要除冰时向覆膜中通入气体使其膨胀，快捷地完成叶片除冰，有效提高了叶片除冰效率，使风力发电机组的发电量得到保证。

Description

叶片除冰装置和风力发电机组、叶片除冰方法

技术领域

本发明涉及叶片辅助设备，尤其涉及一种叶片除冰装置和风力发电机组、叶片除冰方法。

背景技术

风力发电机组是通过叶片来获取风能，并将风能转化为机械能来驱动发电机发电，进而实现风能到电能的转化，因此，叶片是风力发电机组的核心部件，其获取风能的效率是决定风力发电机组发电量的关键因素。

在不同地域中，风力发电机组所面对的环境都不相同，例如较高或较低的温度、较高的湿度、较大的风沙等都会对风力发电机组的正常运行造成不同影响。其中，较低的温度会使叶片在停机或运行过程中结冰，尤其是靠近叶尖区域的前缘部分易结冰，这会影响叶片的启动效率，进而降低风力发电机组的发电量。

目前，风力发电机组的叶片除冰方法主要是气热法和电热法，在叶片中通入较高温度的气体来加热叶片，或使用内置在叶片中的电加热器加热叶片。这两种方法易温度较低的恶劣环境(例如冰雪天气)影响，对于大叶片除冰效果并不理想。

上述的叶片除冰方法，需要额外增设加热部件，在叶片上执行控制和使用均不方便，而且使除冰成本较高。此外，通过加热叶片来除冰所需时间较长，除冰效率较低，这会耽误风力发电机组的正常运行时间，造成风力发电机组的发电量无法得到保证。

发明内容

本发明的实施例提供一种叶片除冰装置和风力发电机组、叶片除冰方法，以解决现有风力发电机组的叶片除冰时间长的问题。

为达到上述目的，本发明的实施例提供一种叶片除冰装置，包括：覆膜，覆膜设置在需除冰的叶片上，且覆盖叶片的至少部分外表面，叶片的被覆盖区域上设置有至少一个贯穿叶片的通气孔；气泵，气泵通过通气管与通气孔连接，并能够向覆膜与叶片之间通气，驱动覆膜膨胀或从覆膜与叶片之间吸气使覆膜紧贴在叶片表面；检测控制单元，检测控制单元与气泵连接，检测叶片是否需要除冰并控制气泵工作。

进一步地，检测控制单元包括：检测组件，检测组件检测叶片所处环境的温度和湿度以及叶片是否结冰；控制器，控制器分别与检测组件和气泵连接，接收检测组件检测的数据，并根据数据控制气泵启停和转向。

进一步地，检测组件包括：第一温度传感器，第一温度传感器设置在叶片所在的机舱外表面上，并检测叶片所处环境的温度；结冰传感器，结冰传感器设置在叶片上或机舱外表面上，并检测叶片是否结冰；第一湿度传感器，第一湿度传感器设置在叶片所在的机舱外表面上，并检测叶片所处环境的湿度。

进一步地，沿叶片的长度方向依次间隔设置有多个通气孔，各通气孔上均连接有一个通气管，各通气管均与气泵连接。

进一步地，气泵依次通过加热部件和通气管再与通气孔连接。

进一步地，覆膜为橡胶材质的弹性膜。

根据本发明的另一方面，还提供一种风力发电机组，包括叶片和设置在叶片上的叶片除冰装置，叶片除冰装置为上述的叶片除冰装置。

进一步地，叶片包括叶片壳体，叶片壳体上设置有容纳凹槽，覆膜设置在容纳凹槽内，且覆膜的外表面与相邻的叶片壳体的外表面平齐。

进一步地，气泵设置在风力发电机组的轮毂上、叶片的叶根区域或机舱内部。

根据本发明的另一方面，还提供一种叶片除冰方法，叶片除冰方法采用上述的叶片除冰装置，叶片除冰方法包括如下步骤：检测步骤：检测控制单元检测叶片的环境温度、环境湿度和叶片是否结冰，并根据环境温度、环境湿度和叶片是否结冰判断是否需要除冰；除冰步骤：若需要除冰，则检测控制单元控制气泵向覆膜与叶片之间充气，使覆膜膨胀；恢复步骤：充气第一时间t1后，检测控制单元控制气泵将覆膜与叶片之间的气体抽出，使覆膜紧贴在叶片上。

本发明的实施例的叶片除冰装置和风力发电机组、叶片除冰方法，通过在叶片表面设置覆膜，并利用气泵在叶片需要除冰时向覆膜处通入气体使其膨胀，以及利用气泵从覆膜处吸气使其恢复性状，使叶片可以正常工作，从而方便快捷地完成叶片除冰。

附图说明

图1为本发明实施例的叶片除冰装置的结构示意图；

图2为本发明实施例的叶片除冰装置的第一工作示意图；

图3为本发明实施例的叶片除冰装置的第二工作示意图；

图4为本发明实施例的叶片除冰装置的局部放大图。

附图标记说明：

1、叶片；2、覆膜；3、气泵；4、通气孔；5、通气管；6、检测控制单元；7、检测组件；8、控制器；9、容纳凹槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例的叶片除冰装置和风力发电机组、叶片除冰方法进行详细描述。

图1为本发明实施例的叶片除冰装置的结构示意图，该叶片除冰装置可以设置在风力发电机组的叶片上，用于除去叶片上的结冰，使风力发电机组正常运行，保证叶片获取风能的效率，进而保证风力发电机组的发电量。

如图1所示，该叶片除冰装置包括覆膜2、气泵3和检测控制单元6。其中，覆膜2设置在需要除冰的叶片1上，且覆盖叶片1的至少部分外表面，叶片1的被覆盖区域上设置有至少一个贯穿叶片1的通气孔4。气泵3通过通气管5与通气孔4连接，并能够向覆膜2与叶片1之间通气并驱动覆膜2膨胀，或从覆膜2与叶片1之间吸气使覆膜2紧贴在叶片1表面。检测控制单元6与气泵3连接，检测叶片1是否需要除冰并控制气泵3工作。

如图2所示，设置有该叶片除冰装置的风力发电机组在停机或运行过程中，若叶片1上有结冰而影响其风力发电机组的正常运行，检测控制单元6会检测到叶片1需要除冰，并控制气泵开启，向覆膜2与叶片1之间通气，使覆膜2膨胀而挤压覆盖在覆膜2上的结冰，使结冰破碎并从叶片1上脱落，从而达到除冰的效果。如图3所示，除冰结束后，检测控制单元6控制气泵3从覆膜2与叶片1之间吸气，使覆膜2紧贴在叶片1表面，不影响叶片1的气动性能，使其可以正常地捕获风能。

该叶片除冰装置利用覆膜2的膨胀性能，通过向覆膜2与叶片1之间通气来除冰，可以不受环境温度、湿度以及结冰程度的影响，方便快捷地进行叶片除冰，在较短的时间内就能完成叶片除冰，具有较高的除冰效率，不会耽误风力发电机组的正常运行时间，使其发电量得到保证。而且，通过检测控制单元6可以较容易地控制气泵3的工作状态，使该叶片除冰装置具有方便使用控制的优点。此外，相较于现有的电热除冰和气热除冰可以更节省能源。

在具体的应用场景中，覆膜2覆盖在叶片1表面的形式，可以通过在叶片壳体上设置与覆膜2形状相匹配的容纳凹槽9实现。如图4所示，容纳凹槽9可以容纳覆膜2，并使覆膜2的表面与叶片壳体的外表面型面相平，达到不影响叶片1的外观，使带有覆膜2的叶片1的外表面型面与设计一致(此处的与设计一致是指在加工误差允许的范围内与设计一致)，不影响叶片1的气动性能的目的，进而使叶片1可以正常地捕获风能，同时可以快速除掉叶片1表面的冰，防止叶片1表面结冰影响叶片1的气动性能。而且，覆膜2设置在容纳凹槽9内，可以方便进行维护和更换。

此外，覆膜2优选为设置在叶片1上易结冰的前缘位置(图中所示位置)，用于在前缘位置处进行叶片除冰。当然，由于风力发电机组的安装环境不同，叶片1上的结冰位置也不同，覆膜2还可以根据叶片1的实际结冰位置进行调整，使不同情况下风力发电机组均可以采用该叶片除冰装置进行叶片除冰。例如，风力发电机组安装在山上，叶片1的叶尖前缘容易结冰，则覆膜2可以仅设置在叶片1的叶尖前缘部分。若风力发电机组的设置环境使得叶片的整个前缘均易结冰，则覆膜2可以设置在整个叶片1的前缘。

气泵3可以内置在叶片1根部，方便通过通气管5向覆膜2与叶片1之间通气，以及从覆膜2与叶片1之间吸气。当然，气泵3也可以设置在轮毂内或风力发电机组的机舱内部，只要能够向覆膜2与叶片1之间通气或从覆膜2与叶片1之间吸气即可。为达到更好的除冰效果，可以使气泵3出来的气体通过加热部件加热后再经过通气管5与通气孔4连接。这种情况下，覆膜2可以是无弹性或微弹性的膜。例如，若气泵3的功率足够大，其可以设置在风力发电机组的轮毂中，通过多跟通气管5同时与三个叶片1连接，以便同时向三个覆膜2处通气进行除冰。

检测控制单元6检测叶片1是否需要除冰，在叶片1需要除冰时控制气泵3启动向覆膜2处通气，使覆膜2膨胀进行除冰；并在除冰完成之后控制气泵3从覆膜2处吸气，使叶片1的外表面恢复成正常形状。

具体地，检测控制单元6包括检测组件7和控制器8，检测组件7检测叶片1所处环境的温度和湿度以及叶片1是否结冰，控制器8分别与检测组件7和气泵3连接，用于接收检测组件7检测的数据，并根据该数据控制气泵3的启停和转向。

在控制器8接收检测组件7检测到的数据之后，进行判断叶片1是否满足除冰条件，进而确定叶片1是否需要除冰。若叶片1满足除冰条件，控制器8控制气泵3启动向覆膜2处通气，使覆膜2膨胀进行除冰，并在除冰完成之后控制气泵3转向从覆膜2处吸气使叶片1恢复正常形状，以及在叶片1恢复正常形状之后，控制气泵3停止工作。若叶片1未满足除冰条件，则气泵3不启动，检测组件7继续检测。

较优地，检测组件7包括第一温度传感器、湿度传感器和结冰传感器。

第一温度传感器用于检测叶片1所处环境的温度，并将检测到的环境温度数据传输到控制器8。其可以设置在叶片1所在的机舱外表面上，通常叶片1处与机舱处的环境差别不大，因此机舱处的环境温度和环境湿度可以体现叶片1处的环境温度和湿度，因而可以将第一温度传感器设置在机舱外表面上，且这个位置易稳定地设置传感器，可以方便第一温度传感器精确地检测环境温度。

结冰传感器用于检测叶片1是否结冰，并将检测到的叶片是否结冰的数据传输到控制器8。其可以叶片1上，例如设置在叶片前缘位置，方便精确地检测叶片1是否结冰。结冰传感器也可以设置在机舱外表面上，结冰传感器的设置位置和原理与第一温度传感器相同，此处不再赘述。

第一湿度传感器用于检测叶片1所处环境的湿度，并将检测到的环境湿度数据传输到控制器8，其可以设置在叶片1所在的机舱外表面上，方便精确地检测环境湿度。第一湿度传感器的设置位置和原理与第一温度传感器相同，此处不再赘述。

控制器8从第一温度传感器、结冰传感器和第一湿度传感器分别接收环境温度数据、叶片是否结冰数据和环境湿度数据，并判断叶片1是否需要除冰。具体地，若环境温度数据低于第一温度阈值，且叶片结冰，以及环境湿度数据高于第一湿度阈值，则判断为叶片1满足除冰条件。否则，判断为叶片1未满足除冰条件。其中，第一温度阈值和第一湿度阈值可以根据不同地域，风力发电机组所处的环境来决定。例如，我国南方的大部分地区，上述第一温度阈值小于或等于4℃，第一湿度阈值大于或等于空气湿度为60％，且结冰传感器判断已经结冰，则判断需要除冰。反之，若其中任意一个条件不满足，则判断不需除冰。

较优地，为了加快除冰速度，通气孔4的设置形式优选为，沿叶片1的长度方向依次间隔设置多个通气孔4，各通气孔4上均连接有一个通气管5，且各通气管5均与气泵3连接。

在检测控制单元6检测到叶片1需要除冰时，可以控制气泵3开启，并通过多个通气管5同时向多个通气通气孔4内通气，使覆膜2与叶片1之间的气体迅速增多，进而使覆膜2迅速膨胀，加快除冰速度。此外，在除冰完成后，气泵3可以通过多个通气管5从覆膜2与叶片1之间迅速吸气，使覆膜2迅速恢复形状，贴合在叶片1表面，使叶片1可以正常工作。

较优地，气泵3依次通过加热部件(图中未示出)和通气管5后与通气孔4连接，用于向覆膜2(包括无弹性或微弹性的膜)处通入加热过的气体，使覆膜2可以快速膨胀，进而提高除冰速度。

本实施例中，覆膜2优选为橡胶材料的弹性膜。橡胶材料具有高弹性、高韧性、耐磨等优点，橡胶材料制成的弹性膜作为覆膜2可以方便覆膜2迅速膨胀和恢复性状，加快除冰速度。而且，橡胶材料的价格便宜，使用寿命较长，可以一定程度上降低该叶片除冰装置的成本。此外，覆膜2还可以为其他材料制成的微弹性膜，或者无弹性膜，通过气泵3向覆膜2与叶片1之间通入热空气来使覆膜2膨胀，达到叶片除冰的目的。

如上所述的叶片除冰装置，利用气泵3向设置在叶片1表面的覆膜2处通气，可以高效率地完成叶片除冰工作。在此基础上，本实施例还提供一种风力发电机组，该风力发电机组包括叶片1，且叶片1上设置有上述的叶片除冰装置，该风力发电机组可以利用叶片除冰装置快速完成叶片除冰工作，不耽误其正常运行的时间，以保证其具有较高发电量。

较优地，叶片1包括叶片壳体，该叶片壳体上设置有容纳凹槽9，覆膜2设置在容纳凹槽9内，且覆膜2的外表面与相邻的叶片壳体的外表面平齐。

具体地，容纳凹槽9的形状与覆膜2的形状相匹配，覆膜2的边缘通过强力胶黏剂粘接在容纳凹槽9的边缘位置，保证气体不能从覆膜2的边缘漏出，且覆膜2的厚度与容纳凹槽9的深度相同，使覆膜2的外表面与叶片壳体的外表面型面相平，以达到不影响叶片1捕获风能的能力的目的。

较优地，气泵3设置在风力发电机组的轮毂上，与轮毂连接的三个叶片1均于气泵3通过通气管5连接，使气泵3可以同时向三个叶片1上的覆膜2处通气，进行三个叶片1上除冰工作；以及同时从三个叶片1上的覆膜2处吸气，使覆膜2快速恢复形状。此外，气泵3可以设置在叶片1的叶根区域，或者设置在机舱内部。

根据本发明的另一方面，本实施例还提供一种叶片除冰方法，该叶片除冰方法采用如上所述的叶片除冰装置对风力发电机组的叶片进行除冰，该叶片除冰方法包括：

检测步骤：检测控制单元检测叶片1的环境温度、环境湿度和叶片是否结冰，并根据环境温度、环境湿度和叶片是否结冰判断是否需要除冰。

除冰步骤：若需要除冰，则检测控制单元6控制气泵3向覆膜2与叶片1之间充气，使覆膜2膨胀。

恢复步骤：充气第一时间t1后，检测控制单元6控制气泵3将覆膜2与叶片1之间的气体抽出，使覆膜2紧贴在叶片1上。

在执行检测步骤时，检测控制单元6对叶片1的环境温度、环境湿度和叶片是否结冰进行检测，并根据检测结果判断叶片1是否满足除冰条件，进而确定叶片1是否需要除冰。

在执行除冰步骤时，检测控制单元6确定叶片1需要除冰时，控制气泵3向覆膜2处充气，使覆膜2与叶片1之间的气体体积增大，进而使覆膜2膨胀挤压覆盖在覆膜2上的叶片结冰，叶片结冰受到挤压后破碎并从叶片上脱落。

在执行恢复步骤时，在气泵3向覆膜2出的充气时间达到第一时间t1后，检测控制单元6控制气泵3从覆膜2与叶片1之间吸气，使覆膜2恢复形状并紧贴在叶片1上。

本实施例中，第一时间t1由覆膜2的具体形状以及气泵3的充气速率决定。具体地，若覆膜2为矩形覆膜，其长度为H，宽度为L，则需要向覆膜2处通入体积量为kLH(mm³)的气体，才能使其有效膨胀来进行有效地除冰。其中，k的具体数值根据覆膜2的材料决定，例如，本实施例中的橡胶材料的覆膜2对应的k的数值为60。若气泵3的充气速率为Q(mm³/s)，则第一时间t1为kLH/Q(s)。此外，本发明的技术方案对第一时间t1的确定方法不做限定，其可以采用其他方式确定，只要能够保证有效地进行叶片除冰即可。

该叶片除冰方法利用覆膜2在气体作用下易膨胀原理，通过控制气泵3向设置在叶片1表面的覆膜2处充气，来进行高效率的叶片除冰，并在除冰完成后控制气泵3从覆膜2处吸气，使风力发电机组可以正常运行。

本发明实施例的叶片除冰装置和风力发电机组、叶片除冰方法具有如下效果：

通过气泵向设置在叶片表面的覆膜充气来进行叶片除冰，可以在较短的时间内完成叶片除冰，有效提高叶片除冰效率；

通过将覆膜紧贴在叶片表面，使叶片的形状以及气动性能步骤影响，进而使叶片可以正常地捕获风能。

此外，该叶片除冰装置还具有方便控制、使用，和成本较低等优点。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种叶片除冰装置，其特征在于，包括：

覆膜(2)，所述覆膜(2)设置在需除冰的叶片(1)上，且覆盖叶片(1)的至少部分外表面，所述叶片(1)的被覆盖区域上设置有至少一个贯穿所述叶片的通气孔(4)；

气泵(3)，所述气泵(3)通过通气管(5)与所述通气孔(4)连接，并能够向所述覆膜(2)与所述叶片(1)之间通气，驱动所述覆膜(2)膨胀或从所述覆膜(2)与所述叶片(1)之间吸气使所述覆膜(2)紧贴在所述叶片(1)表面；

检测控制单元(6)，所述检测控制单元(6)与所述气泵(3)连接，检测所述叶片(1)是否需要除冰并控制所述气泵(3)工作。

2.根据权利要求1所述的叶片除冰装置，其特征在于，所述检测控制单元(6)包括：

检测组件(7)，所述检测组件(7)检测所述叶片(1)所处环境的温度和湿度以及所述叶片(1)是否结冰；

控制器(8)，所述控制器(8)分别与所述检测组件(7)和所述气泵(3)连接，接收所述检测组件(7)检测的数据，并根据所述数据控制所述气泵(3)启停和转向。

3.根据权利要求2所述的叶片除冰装置，其特征在于，所述检测组件(7)包括：

第一温度传感器，所述第一温度传感器设置在所述叶片(1)所在的机舱外表面上，并检测所述叶片(1)所处环境的温度；

结冰传感器，所述结冰传感器设置在所述叶片(1)上或机舱外表面上，并检测所述叶片(1)是否结冰；

第一湿度传感器，所述第一湿度传感器设置在所述叶片(1)所在的机舱外表面上，并检测所述叶片(1)所处环境的湿度。

4.根据权利要求1所述的叶片除冰装置，其特征在于，沿所述叶片(1)的长度方向依次间隔设置有多个通气孔(4)，各所述通气孔(4)上均连接有一个通气管(5)，各所述通气管(5)均与所述气泵(3)连接。

5.根据权利要求1所述的叶片除冰装置，其特征在于，所述气泵(3)依次通过加热部件和所述通气管(5)再与所述通气孔(4)连接。

6.根据权利要求1所述的叶片除冰装置，其特征在于，所述覆膜(2)为橡胶材质的弹性膜。

7.一种风力发电机组，包括叶片(1)和设置在所述叶片(1)上的叶片除冰装置，其特征在于，所述叶片除冰装置为权利要求1至6中任一项所述的叶片除冰装置。

8.根据权利要求7所述的风力发电机组，其特征在于，所述叶片(1)包括叶片壳体，所述叶片壳体上设置有容纳凹槽(9)，所述覆膜(2)设置在所述容纳凹槽(9)内，且所述覆膜(2)的外表面与相邻的所述叶片壳体的外表面平齐。

9.根据权利要求7所述的风力发电机组，其特征在于，所述气泵(3)设置在所述风力发电机组的轮毂上、所述叶片(1)的叶根区域或机舱内部。

10.一种叶片除冰方法，其特征在于，所述叶片除冰方法采用权利要求1至6中任一项所述的叶片除冰装置，所述叶片除冰方法包括如下步骤：

检测步骤：检测控制单元(6)检测所述叶片(1)的环境温度、环境湿度和叶片是否结冰，并根据所述环境温度、所述环境湿度和所述叶片是否结冰判断是否需要除冰；

除冰步骤：若需要除冰，则检测控制单元(6)控制气泵(3)向所述覆膜(2)与所述叶片(1)之间充气，使所述覆膜(2)膨胀；

恢复步骤：充气第一时间t1后，检测控制单元(6)控制所述气泵(3)将所述覆膜(2)与所述叶片(1)之间的气体抽出，使所述覆膜(2)紧贴在所述叶片(1)上。