CN114502841A

CN114502841A - 风力涡轮机叶片

Info

Publication number: CN114502841A
Application number: CN202080070319.5A
Authority: CN
Inventors: V·马奇诺曼; R·古铁雷斯阿尔达纳兹
Original assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy Innovation and Technology SL
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy Innovation and Technology SL
Priority date: 2019-10-07
Filing date: 2020-10-01
Publication date: 2022-05-13
Also published as: US20220412320A1; WO2021069303A1; US12203450B2; EP3805551A1

Abstract

具有除冰和/或防冰系统的风力涡轮机叶片，该除冰和/或防冰系统包括至少一个加热单元（5），该加热单元（5）沿叶片的长度设置并设置在叶片的弦之间，其中，每个加热单元（5）又包括多个加热元件（7），这些加热元件（7）借助于相邻加热元件（7）之间的重叠部（9）或交叉相邻接合部（8）以矩阵构造串联和并联连接，以便改变电加热电流，从而去除任何附加的端子电缆，并且还使得能够通过每个单独的加热单元（5）产生从叶片根部（1）朝向叶片末梢（2）以及从后缘（4）朝向前缘（3）的逐渐增加的热通量，从而精确地适应热通量需求，并且因此减少用于除冰和/或防冰的能量消耗。

Description

风力涡轮机叶片

技术领域

本发明包括在具有除冰和/或防冰系统的风力涡轮机叶片的技术领域中。更具体而言，本发明涉及一种风力涡轮机叶片，其包括至少一个加热单元，该加热单元沿叶片的长度设置并设置在叶片的弦之间，其中，每个加热单元又包括多个加热元件，这些加热元件借助于相邻加热元件之间的重叠部或交叉相邻接合部以矩阵构造串联和并联连接。

所述重叠部允许改变电加热电流，从而去除任何附加的端子电缆，并且还使得能够产生从叶片根部朝向叶片末梢以及从后缘朝向前缘的逐渐增加的热通量，从而更精确地适应特定的热通量需求，并且因此减少用于除冰或防冰的能量消耗。

背景技术

风力涡轮机叶片是现代风力涡轮机用来捕获风能的核心部件。叶片的空气动力学特性对风力涡轮机的效率具有至关重要的影响。当风力涡轮机在下雨或下雪的天气中或者在寒冷季节期间的潮湿环境中操作时，叶片的表面上可能会结冰。结冰将改变叶片的现有空气动力学形状，这将会对风力涡轮机的安全操作造成损害。在叶片的表面冻结之后，其固有频率会改变，这会使叶片的动态响应行为改变，这将会对控制系统的控制行为造成干扰。风力涡轮机结构本身的完整性也受到冻结叶片的影响。不平衡或不对称的影响增加了风力涡轮机的疲劳载荷。

通过在叶片的表面或内层上布置加热层，可在结冰将发生时加热叶片，以防止冰冻结在表面上，或者可在表面冻结之后开始加热，以使表面上的冰层融化并实现除冰的目的。现有的加热防冰系统中使用的加热单元被均匀地设置在叶片的表面上，或者沿长度方向分成若干加热区域。

沿叶片每平方米所需的热功率需求是不同的，该热功率需求在叶片的根部附近的较短半径处较低，而在半径接近叶片的末梢时较高。同样，所需的热通量在较靠近前缘处较高，并且朝向后缘逐渐降低。

此外，可以发现，待加热的表面覆盖前缘直至朝向后缘的一定距离，并且该距离沿叶片可能不是恒定的。

因此，待释放用于除冰或防冰系统的电功率应针对叶片的每个部分处所需的热精确优化，以为加热系统产生更高的效率，并且因此产生较低的能源消耗，从而向电网输送更多的能量输出。例如，待在寒冷气候条件下释放的功率在低于-5℃的严酷温度下可能达到高达数十千瓦的值。优化的除冰或防冰解决方案可将释放的功率显著降低多达大约20-50%。

用于此目的的一些系统在现有技术中是已知的。例如，欧洲文献EP2738383A1公开了一种解决方案，用于修改从叶片的根部到末梢的电阻、即碳纤维织物的宽度，以便增加沿叶片的加热功率。然而，在该解决方案中，待加热的表面可能不符合对应的热通量需求，并且即使表面适合除冰的需要，则热通量也可能未完美地调整以适应所需的热通量需求。仅改变宽度可能无法精确地匹配渐变的热通量需求，无论是在叶片径向方向上还是在叶片弦方向上。

其他解决方案包括使用多个电阻器并以不同的电压供给不同的电阻器，使得具有相同电阻的不同电阻器接收不同的电流。这样做的问题在于布线的数量增加以供给不同的电阻器。

其他解决方案公开了修改并联设置的电阻器，来调整以适应沿叶片不同的所需热通量需求，而对所有电阻器具有相等的输入电压。然而，该解决方案并没有逐渐增加沿每个单一电阻器的热表面密度，从而沿每个单一电阻器的纵向方向失去效率。此外，可连接层以考虑到沿弦从前缘到后缘的热通量需求，但在这种情况下，将需要更多的电阻器端子，特别是随着层数的增加而成比例地增加。考虑到每个电阻器端子可能从叶片内表面内侧连接到导体，这是一个显著的缺点。

发明内容

本文公开了一种风力涡轮机叶片，利用该风力涡轮机叶片，已发现至少缓解了与现有技术的解决方案有关的上述缺点。

更具体而言，提供了一种风力涡轮机叶片，其包括叶片根部、叶片末梢、前缘、后缘，并且还包括：

- 包括两个端子的至少一个加热单元，所述加热单元适于由电加热电流供电，并且设置在所述叶片根部和所述叶片末梢之间以及所述前缘和所述后缘之间，

其中，每个加热单元包括多个加热元件，所述多个加热元件借助于串联连接的相邻加热元件之间的至少一个串重叠部以及并联连接的相邻加热元件之间的至少一个交叉邻接接合部以矩阵构造并联和串联布置。

通过将该多个加热元件通过重叠部连接，电加热电流能够改变，而不添加更多的端子电缆。考虑到每个电阻器端子可能从叶片内表面内侧连接到导体，这是一个易于组装的显著优点。

此外，该多个加热元件可并联和串联连接，其中，通过改变该矩阵构造中的行或列的数量，每个加热单元能够适应沿每个单一加热单元的每个纵向部段和横截面部段中的加热通量需求，并且同时消除了为并联或串联“重叠”的每层或每件加热元件添加附加的端子电缆的需要。

此外，其可通过如下方式来更精确地实现，即：根据矩阵的构造来改变每个单一加热元件的每个特定电阻，使得每个加热单元能够被构造成在每个单一加热单元中产生从叶片根部朝向叶片末梢以及从后缘朝向前缘的高度精确的增加的热通量，从而精确地适应叶片的每个部段中的加热需求，从而降低风力涡轮机的能量消耗，并且提高能量产出。

优选地，重叠区域可利用简单的重叠来实现。因此，交叉邻接接合部可以是加热元件之间的交叉重叠区域。可替代地，加热元件之间的交叉邻接可彼此分开一定距离或者没有距离直接相邻或重叠。

因此，并联连接的两个加热元件可重叠放置，直接相邻，或者甚至它们之间具有几毫米的间隔距离。优选地，该距离可在0至50 mm之间。

可替代地，对于并联连接的加热元件之间的交叉重叠部的实施例，所述交叉重叠部可具有介于0和20 cm之间的长度。更优选地，所述交叉重叠部可具有处于0-3 cm的范围内的长度。

相对于电流流动沿纵向方向的重叠部，即串重叠部，可能需要使用可与相邻加热元件重叠的附加导电元件。该附加导电元件可具有带的几何形状或等效几何形状，以通过与它们两者重叠来接合两个加热元件。使用所述附加导电元件对于交叉重叠的加热元件也可能是可行的。

可定义为串联连接的加热元件的重叠区域的串重叠部可包括至少0.5 cm的长度。

包含在加热单元中的每个单独的加热元件各自可改变以下参数：材料、厚度、长度和/或宽度，以便改变每个特定电阻，以适应通量需求，即产生从叶片根部到叶片末梢以及从后缘到前缘的精确且逐渐增加的加热通量。

更具体而言，可执行对所述参数的改变的任何组合，以优化和更精确地适应叶片的每个单一部段处的确切热通量需求。

电加热电流可相对于叶片沿纵向方向施加。在这种情况下，当加热元件通过重叠部串联连接时，每个加热单元可朝向叶片末梢具有更高的电阻，并且当在这种情况下加热元件并联连接时，朝向叶片前缘具有更低的电阻。

可替代地，电加热电流也可沿叶片的横截面方向施加。因此，换言之，加热单元的端子可沿叶片的纵向或径向方向安装。

此外，所述风力涡轮机叶片还可包括沿叶片设置的多于一个加热单元。优选地，所述多个加热单元以相同的输入电压并联连接。

注意，在此解决方案中，每个加热单元的电阻应优选地纵向减小，以增加加热功率，但是每个单一电气单元也将提供沿弦以及沿叶片的纵向方向的逐渐变化的热通量，从而精确地适应所需的热通量，并且因此提高热功率效率，并且因此降低用于除冰或防冰的能量消耗。此外，无需安装附加的端子电缆，其不便在叶片内表面内侧连接到导体。

对于上述解决方案，在中性电缆也被用作智能风力涡轮机叶片中的防雷系统电缆的情况下，可能仅需要一个附加的导体来为所有加热单元供电，更具体而言，从叶片根部延伸到安装的最后加热单元，从而为沿所述叶片安装的所有加热单元提供相同的电压。

可替代地，如果中性电缆不也是防雷系统电缆，则可能仅需要两个附加的导体来为加热单元供电。

可允许更多数量的导体，这可导致对沿叶片的表面功率密度或热通量的更好的控制。因此，每个加热单元可利用不同的电压单独地供电。在这种情况下，仍然实现通过每个单一加热单元的沿弦和径向方向的热通量的梯度，并且其可导致更高的精度以及因此更高的效率，但代价是更多的导体电缆，以及易于组装以将更多的端子电缆与内表面导体连接。

优选地，所述加热元件是导电的织物复合材料或涂料。

附图说明

为了补充正在进行的描述，并且为了帮助更好地理解本发明的特征，根据本发明的实际实施例的优选示例，附上一组附图作为所述描述的组成部分，其中，以说明性和非限制性的特征呈现了以下附图：

图1图示了示出对于多个温度升高沿常规风力涡轮机叶片的半径的热损失的曲线图。

图2a图示了第一优选构造的示意图，其清楚地示出了沿叶片纵向方向设置的多个加热单元。

图2b图示了第二优选构造的示意图，其清楚地示出了沿叶片纵向方向设置的一个单一加热单元。

图3图示了加热单元的第一优选实施例，其清楚地示出了分别通过串重叠部（string overlap）和交叉邻接接合部（cross-adjoining junction）串联和并联连接的六个加热元件。

图4图示了加热单元的第二优选实施例，其清楚地示出了具有可变的宽度和材料的六个加热元件。

图5图示了加热单元的第三优选实施例，其清楚地示出了六个加热元件，其中，两个单一元件的宽度沿其长度是可变的。

具体实施方式

借助上述附图，下面提供对本发明的目的的优选实施例的示例的详细说明。

图1图示了示出对于多个温度升高沿常规风力涡轮机叶片的半径的热损失的曲线图。因此，可以看到随着叶片半径的增加，热通量需求以及因此理想情况下应产生的精确热通量继而如何逐渐变化。

另外，热通量需求从后缘直到前缘（未示出）逐渐增加，并且进一步地，可发现待加热的表面覆盖前缘，直到朝向后缘的一定距离，并且所述距离沿叶片可能不是恒定的。

因此，说明了优化沿叶片的半径的每个单一部段以及还沿叶片的每个单一部段中的其弦产生的热通量以减少用于除冰和防冰的能量消耗的显著重要性。

图2a图示了第一优选构造的示意图，其清楚地示出了包括叶片根部（1）、叶片末梢（2）、前缘（3）、后缘（4）的风力涡轮机叶片。

图2a还图示了风力涡轮机叶片包括多个加热单元（5），该加热单元（5）包括两个端子（6），该加热单元（5）适于通过导体（C）由电加热电流供电，并且其中，每个加热单元（5）沿纵向方向设置在叶片根部（1）与叶片末梢（2）之间以及也设置在前缘（3）与后缘（4）之间。

另外，图2a图示了每个加热单元（5）包括多个加热元件（7）。

图2b图示了第二优选构造的示意图，其清楚地示出了风力涡轮机叶片包括延伸到叶片末梢（2）的单一加热单元（5）。

图3图示了根据上述第一构造的单一加热单元（5）的第一优选实施例的详细示意图。这是沿叶片具有多个加热单元（5）。

更具体而言，图3清楚地示出了单一加热单元（5），其包括借助于串联连接的相邻加热元件（7）之间的串重叠部（9）以及通过并联连接的相邻加热元件（7）之间的交叉邻接接合部（8）以矩阵构造并联和串联布置的六个加热元件（7）。

图3中描绘的加热单元（5）能够改变电加热电流（I），而不包括额外的端子电缆。这是一个显著的优点，因为每个端子电缆都应连接到位于叶片的内表面处的导体，这为将加热系统组装到风力涡轮机叶片造成了很大的不便。

另外，通过改变每个加热元件（7）的电阻，加热单元（4）还能够通过每个加热单元（5）精确地产生从叶片根部（1）朝向叶片末梢（2）以及从后缘（4）朝向前缘（3）的增加的热通量。即，沿叶片的纵向方向，并且也沿弦。

在图3中所示的第一优选实施例中，这通过如下方式来实现，即：改变加热元件（5）的材料和/或几何形状，并且因此，修改其电阻率并因此修改其电阻。

更具体而言，在第一优选实施例中，加热元件E1和E3由相同的材料制成，E4和E6同样，但在其每组之间由不同的材料制成。加热元件E2和E5各自另外包括另一种不同的材料。因此，根据叶片的精确的半径和弦部分处的期望热通量，来改变和优化线性电阻率以及因此的电阻。

另外，元件的宽度也被改变，特别是元件E2和E5的宽度相对于元件E1、E3、E4和E6的宽度减小。同样，目的是优化叶片的每个精确部分处所需的热通量需求。

注意，通过根据特定构造来优化每个个别加热元件（7）的电阻，加热通量可通过每个单一加热单元（5）来精确地优化，并且因此沿叶片的纵向和横截面方向得到更精确的优化。

图3还示出了元件E1和E4与E2之间的交叉邻接接合部（8）是交叉重叠部，而元件E4和E6与E5之间的所述交叉邻接接合部（8）是相邻接合，而其没有间隔距离或重叠。

图4图示了根据前述第一构造的单一加热单元（5）的第二优选实施例的详细示意图。

更具体而言，图4清楚地示出了借助于串联连接的相邻加热元件（7）之间的串重叠部（9）以及通过并联连接的相邻加热元件（7）之间的交叉邻接接合部（8）以矩阵构造并联和串联布置的六个加热元件（7）。

在图4中所示的该第二优选实施例中，加热元件E4和E6的宽度沿其所述加热元件（7）的长度线性减小，从而随着宽度缩短增大电阻。

此外，加热元件E1和E3由相同的材料制成，对于E4和E6也同样，但是它们彼此之间的材料或几何形状不同。加热元件E2和E5各自另外包括另一种与先前提到的不同的材料或几何形状。

另外，在图4中，示出了E4和E6与E5的交叉邻接接合部为0 mm。尽管如此，请注意，即使是几毫米的间隔距离的分隔对于交叉邻接接合（未图示）也可能是可行的。

图5图示了加热单元（5）的另一个优选实施例。从图5可以看到，矩阵构造不需要具有相等数量的行和列。

更具体而言，图5示出了直接连接到端子（6）的加热元件E1和E3，并且其中，所述加热元件E1和E3的宽度沿其相对应的长度线性减小。此外，所述加热元件E1和E3具有相同的材料和电阻率，并且继而与元件E2、E4和E5重叠，这些元件又各自包括另外不同的材料和长度。

图5还示出了与加热元件E4和E5两者重叠的附加的导电元件（10）。这可通过金属网或者任何其他导电片、织物或网在两个呈串重叠（8）的加热元件（7）之间实现。在两个重叠的加热元件（7）之间使用金属网仅可应用于相对于电流流动在横向方向上的那些加热元件，这是用于呈串重叠（9）的加热元件（7）。

注意，在所描述的任何优选实施例中，热通量都可沿每个单一加热单元（5）优化，并且因此，能够实现沿叶片的每个单独部分的极其精确的渐变热通量，以便适应理想情况需求的热通量。换言之，通过修改串联和并联的加热元件（5）的数量，因此修改矩阵构造，并进一步修改每个加热元件（5）的材料、宽度和/或厚度，可实现待沿叶片产生的热通量的非常精确的分布，从而非常精确地适应理想的热通量需求。因此，用于除冰和防冰的能量消耗可大大降低，并且因此，大大增加能量产出和给电网的产量。这是在不增加每个加热单元（5）的端子电缆（6）的数量的情况下实现的。

Claims

1.一种风力涡轮机叶片，包括叶片根部（1）、叶片末梢（2）、前缘（3）、后缘（4），并且还包括：

- 包括两个端子（6）的至少一个加热单元（5），所述加热单元（5）适于由电加热电流供电，并且设置在所述叶片根部（1）和所述叶片末梢（2）之间以及所述前缘（3）和所述后缘（4）之间，

其中，每个加热单元（5）包括多个加热元件（7），所述多个加热元件（7）借助于串联连接的相邻加热元件（7）之间的至少一个串重叠部（9）以及并联连接的相邻加热元件（7）之间的至少一个交叉邻接接合部（8）以矩阵构造并联和串联布置，从而允许改变电加热电流，从而去除任何附加的端子电缆，并且还使得能够通过每个加热单元（5）产生从所述叶片根部（1）朝向所述叶片末梢（2）以及从所述后缘（4）朝向所述前缘（3）的精确增加的热通量。

2. 根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其中，所述串重叠部（9）包括0.5-20 cm的长度。

3. 根据权利要求2所述的风力涡轮机叶片，其中，所述串重叠部（9）包括1-3 cm的长度。

4.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片，包括与两个相邻加热元件（7）重叠的至少一个附加导电元件（10）。

5. 根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其中，所述交叉邻接接合部（8）是相邻加热元件（7）之间的交叉重叠部，并且所述重叠部包括0.5-3 cm的长度。

6. 根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其中，所述交叉邻接接合部（8）包括相邻交叉加热元件（7）之间的间隔距离，所述间隔距离包括0至50 mm之间的长度。

7.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其中，每个加热元件（7）包括以下参数：宽度（w）、长度（L）、厚度（t）和电阻率（ρ），并且在加热单元（5）内每个加热元件（7）包括所述参数的可变组合。

8.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其中，所述电加热电流（I）沿纵向方向施加。

9.根据权利要求8所述的风力涡轮机叶片，其中，每个加热单元（5）朝向所述叶片末梢（2）具有更高的电阻。

10.根据权利要求8所述的风力涡轮机叶片，其中，每个加热单元（5）朝向叶片前缘（3）具有更低的电阻。

11.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其中，所述电加热电流沿横向方向施加。

12.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片，还包括沿所述叶片并联设置的多个加热单元（5）。

13.根据权利要求12所述的风力涡轮机叶片，其中，每个加热单元（5）以不同的电压单独地供给。

14.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其中，所述加热元件（7）是导电的织物复合材料或涂料。