[发明专利]一种大型风力发电组合叶片防冰与除冰系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种在低温高湿结冰环境下大型风力发电叶片的防冰系统，特别是一种大型风力发电组合叶片防冰系统。 

背景技术

世界上传统能源的紧缺造成人们对不可再生能源的枯竭的普遍担忧，作为可再生能源的风能的开发和利用成为世界关注的热点和必然的发展方向。作为提高风能利用率和发电效益的有效途径，风力发电机的单机容量不断向大型化发展。此外，在我国，风力发电机的应用不仅在气候比较适宜的地区使用，在低温高湿结冰地区的使用也越来越多。

在低温高湿结冰环境下，风力发电机的叶片的空气动力学特性受到表面覆冰的影响，而且风力发电叶片上的覆冰冰层的存在会增加叶片的质量使得叶片的负荷增大，进而改变翼面的升力，叶片的空气动力学性能明显下降，在很大程度上影响风力发电效率，在连续低温高湿条件下覆冰进一步发展，甚至会导致风力发电机的停机事故，造成巨大经济损失和资源浪费。研究和开发对大型风力发电机的叶片进行防冰和除冰的经济、适用和有效的方法具有重要意义。

现有的叶片除冰技术主要包括运动颤抖除冰、热空气循环除冰、热空气循环加运动颤抖，微波加热，以及喷涂除冰剂等方法。

丹麦维斯塔斯风力发电系统有限公司申请的公开号为101821500A的“用于给风轮机的叶片除冰的方法、风轮机及其应用”专利，属于运动颤抖除冰的方法。该专利所述方法是，在风力发电机停机后通过叶片变浆电机使叶片形成先加速变浆后减速的颤抖，抖掉叶片上的结冰。该方法明显的缺点是，由于叶片根部刚度大振动幅度很小，对根部的除冰效果不明显，而且通过震颤除冰将对整个风力发电机的机械系统以及风力发电塔结构造成较大冲击作用，会降低相关零部件的使用寿命，对整个风力发电系统的安全性和可靠性造成较大的负面影响。

美国通用电气公司申请的公开号为1727673的专利属于热空气循环除冰的方法。该专利公开了“用于除去翼型或转子叶片上的冰的方法和装置”，该方法通过鼓风机将热空气输送到叶片内的循环通道内，热空气在叶根和叶尖之间的循环通道内流动，通过热交换对叶片蒙皮加热。该方法需要在叶片腔体内增设热空气循环通道，增加了叶片制作工艺上的难度以及制造成本，循环通道的存在也不可避免地增加了叶片的整体质量，进而影响发电效率。此外，该方法还需要在现有风力发电机的机舱内增设空气加热系统，增加成本和能耗。该方法的其他缺点还包括，对于叶片较长的大功率风力发电机，当结冰量比较大时，由于叶片蒙皮材料一般为玻璃纤维通过树脂成形的玻璃钢材料，为热的不良导体，要达到使叶片蒙皮表面的覆冰融化的目的，必须先通过叶片内部腔体加热整个叶片蒙皮，在供热不足的情况下叶片所吸收的热量很难达到融冰的要求。要使叶片除冰，必须使得叶片蒙皮整体温度达到零度以上，耗能大，若提高腔体内部的加热空气温度，耗能会进一步增大，甚至有可能会导致叶片燃烧的问题，安全性低。再者，由于叶尖部分空间狭小，由于热空气难以到达，对最容易结冰的叶尖部分的覆冰难以有效去除。

 授权发明专利（授权公告号CN102003353B）公开了一种大型风力发电机叶片除冰方法，属于热空气循环加运动颤抖的方法，是以上两类方法的综合。该专利先利用空气加热系统将热空气输入叶片内的循环通道中，使得热空气和叶片蒙皮进行热交换，升温后的蒙皮为其表面覆冰供热，使得覆冰冰层吸热融化，然后使用变桨系统和偏航系统对叶片先加速后减速，叶片产生颤振并抖掉冰层。本发明采用先加热再颤振的方法，需要在现有风力发电机的发电机机舱内增设空气加热系统，而且要在叶片内增设热空气循环通道，工艺复杂，增加成本，而且增设热空气循环通道也会增加叶片重量，影响发电效率。更重要的一个弊端是，该方法通过变桨系统和偏航系统形成先加速后减速的运动，叶片产生颤振并抖掉冰层。这种先加速后减速的运动会对发电机的机械部分以及塔筒结构形成强列的冲击，对机械损伤造成威胁。

申请号为201110394097.5的发明专利“一种大型风机叶片除冰系统及其方法”所公开的方法也采用抽风机和加热器，使用抽风机将冷空气抽出，热空气在叶片内循环加热叶片蒙皮，达到出去叶片蒙皮表层冰层的作用。该方法的缺点与以上授权发明专利（授权公告号CN102003353B）类似。

所有热空气循环加热的方法均还有一个共同的缺点，其循环管道很难覆盖整个叶片，加上叶片材料为热的不良导体，有些部位难以达到除冰效果。