用于风力发电机组的防冰除冰系统及其方法与流程

本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种用于风力发电机组的防冰除冰系统及其方法。

背景技术：

近年来，风能作为清洁能源已经得到了广泛的应用，其中一种有效的利用方式就是风力发电。风力发电就是把风的动能转化为电能的一种发电方式，风力发电所需要的装置称作风力发电机组(以下简称风机)，该风机一般包括风轮、发电机和塔筒三部分，风轮中含叶片、轮毂、加固件等组成。风机的工作环境在风力资源较为丰富的室外，在空气温度较低或者遇到雨雪天气的时候，叶片上可能会结冰。风机的叶片结冰会改变叶片的气动外形，风机在叶片结冰的状况下运行会明显降低功率输出，增大风机的载荷，严重时甚至导致风机长时间停机，严重影响风电场的电力生产。因此，能够有效地检测风机叶片的结冰状况，从而能够及时除冰，对于风机发电系统来讲是至关重要的。

目前兆瓦级风力发电机组上使用的叶片防冰除冰系统或方法有人工高空作业除冰方式、无人机除冰方式等、叶片加热除冰方式、超声波除冰方式等方式。

然而，人工高空作业除冰方式一般是通过人工攀爬至叶片结冰部位喷洒融冰液来进行除冰，这种方式对作业人员要求较高，且由于是冬季施工，施工比较困难，效率比较低，实施费用较高，难以自动化作业，风机除冰作业的停机时间较长。

无人机除冰方式是利用无人机来侦测叶片的结冰情况及携带融冰液对叶片进行近距离的除冰作业，但是由于无人机需要接近叶片才能进行作业，且不能撞伤叶片，因此对无人机的操控及自动防碰撞要求较高，且由于无人机的载重量和续航时间都比较有限，且随着低风速区风场的开发和无人机飞行申报和监管等措施的实施，无人机的除冰能力和除冰效率也不高，除冰的费用也较高。

叶片加热除冰方式是在叶片制造阶段在叶片内表面上敷设加热膜或加热丝，并在轮毂或机舱内安装加热控制装置，此方式需要在叶片生产阶段就需要安装，并且由于在叶片内部敷设加热膜或加热丝等，需要考虑温度控制和防雷等问题，还需要额外耗费机组的一部分电能，降低了机组的发电性能，同时每台机组的叶片都需要提前进行预装，成本也比较高。

超声波除冰方式采用超声波作用于叶片表面产生振动，将叶片表面的冰层震碎并脱落从而起到防除冰的作用，一般包括结冰监测单元、超声波控制装置、超声信号发生器和放大器等装置，其组成和结构比较复杂，成本也比较高。

综上可知，人工除冰和无人机除冰效率低，且成本高。加热除冰和超声波除冰，需要在风机叶片内固定加热装置或者超声波发生器等，增加了风机叶片的重量，重型叶片在安装后会给风机轴承部件带来巨大的负重压力，增加的重量还会在风机运转中提升设备的疲劳度，缩短叶片寿命。也不利于防冰除冰装置的稳定性。因此，设计一种不增加叶片重量的防冰除冰系统，是本领域技术人员的热点研究问题。

技术实现要素：

针对以上存在的问题，本发明提出了一种用于风力发电机组的防冰除冰系统及其方法，具体的实施方式如下。

本发明实施例提供一种用于风机叶片的防冰除冰系统，其中，包括结冰检测单元10、控制单元20和防冰除冰单元30，所述结冰检测单元10和所述防冰除冰单元30电连接至所述控制单元20，其中，

所述结冰检测单元10用于检测所述风机叶片的结冰状况，并将检测数据发送给所述控制单元20；

所述控制单元20用于接收所述检测数据，并根据比对所述检测数据和预设数据，控制所述防冰除冰单元30动作；

所述防冰除冰单元30设置于风机叶片根部，用于在所述控制单元20的控制下防冰或者除冰；所述防冰除冰单元30包括可沿风机叶片长度方向移动的轴向行走机构31和设置于所述轴向行走机构31端部的纵向伸缩机构32，所述纵向伸缩机构32具有机械手322，所述机械手322的前端安装有浮动式吸附触头321，所述浮动式吸附触头321上设置有振动器3211，所述机械手322上固定有远红外加热器3212。

在本发明的一个实施例中，所述机械手322上设置有用于安装所述远红外加热器3212的安装架。

在本发明的一个实施例中，所述防冰除冰单元30还包括设置在所述风机叶片内的多个滑轨，所述轴向行走机构31沿所述滑轨移动。

在本发明的一个实施例中，所述浮动式吸附触头321上还设置有振动监测传感器3213、温度传感器3214和限位开关3215，其中，

所述振动监测传感器3213用于检测所述风机叶片的振动幅值；

所述温度传感器3214用于检测所述风机叶片的局部加热温度；

所述限位开关3215设置在所述浮动式吸附触头321的吸附面上，用于控制所述机械手322的运动。

在本发明的一个实施例中，所述结冰检测单元10包括室外温湿度传感器11、叶片转动惯量测量传感器12、结冰厚度仪13和数据采集器14；所述室外温湿度传感器11、所述叶片转动惯量测量传感器12和所述结冰厚度仪13分别电连接至所述数据采集器14，所述数据采集器14将所述检测数据发送给所述控制单元20。

在本发明的一个实施例中，所述叶片转动惯量测量传感器12安装于所述风机叶片内部质心位置的龙骨框架上。

在本发明的一个实施例中，所述控制单元20包括接收模块21、处理模块22和控制模块23，其中，

所述接收模块21，用于接收所述结冰检测单元10发送的所述检测数据；

所述处理模块22，用于将所述检测数据与预设条件进行比对，判断所述风机叶片的结冰状态；

所述控制模块23，根据所述风机叶片的结冰状态，控制所述防冰除冰单元30。

本发明的另一个实施例提供一种用于风机叶片的防冰除冰方法，其中，

步骤1、检测所述风机叶片所处的室外温度、湿度、转动惯量的变化量和结冰厚度；

步骤2、判断所述室外环境是否达到结冰条件，若达到，则执行步骤3，若未达到，则风机正常运行；

步骤3、判断所述风机叶片的结冰厚度；

若所述结冰厚度小于等于第一阈值，则风机正常运行；

若所述结冰厚度大于第一阈值，执行步骤4；

步骤4、判断所述转动惯量的变化量是否大于第二阈值；

若大于第二阈值，则控制所述风机叶片进行除冰；

若不大于第二阈值，则控制所述风机叶片进行防冰。

在本发明的一个实施例中，所述步骤2包括：

判断所述温度是否小于第三阈值，并且所述湿度是否大于第四阈值，

若是，则达到结冰条件；

若否，则未达到结冰条件。

本发明的有益效果为：

1、本发明实施例通过在风机叶片根部内设置防冰除冰单元，具体包括可沿风机叶片长度方向移动的轴向行走机构和纵向伸缩机构，这样在需要防冰或者除冰操作时，防冰除冰单元由叶片根部位置移动至除冰部位，通过振动和/或远红外加热器进行防冰或者除冰操作；而当风机正常转动时，防冰除冰单元则归位至风机叶片根部内，而不会增加风机叶片的重量，延长了设备的使用寿命。

2、本发明实施例通过在风机叶片内预设多个滑轨，轴向行走机构可沿不同滑轨到达风机叶片的任何位置，灵活性更高，且在滑轨的支撑作用下，防冰除冰单元的结构稳定性更高，使用寿命更长。

3、本发明实施例提供的防冰除冰方法，通过采集室外温度、湿度以及结冰厚度，判断风机的运转状态，当风机需要防冰除冰时，则控制防冰除冰单元执行相应的动作，本发明的防冰除冰方法，有利于降低除冰的工作量和风力发电机因结冰和除冰作业造成的停机时间，可以提高机组的可利用率和发电性能，使得风力发电机组的环境适应能力更好，更节能环保，高效利用能源。

附图说明

图1为本发明实施例提供的防冰除冰系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的防冰除冰单元的结构示意图；

图3(a)为本发明实施例提供的浮动式吸附触头的结构示意图一；

图3(b)为本发明实施例提供的浮动式吸附触头的结构示意图二；

图4为本发明实施例提供的防冰除冰方法的流程示意图。

附图标记说明：

结冰检测单元10；

室外温湿度传感器11；

叶片转动惯量测量传感器12；

结冰厚度仪13；

数据采集器14；

控制单元20；

接收模块21；

处理模块22；

控制模块23；

防冰除冰单元30；

轴向行走机构31；

纵向伸缩机构32；

浮动式吸附触头321；

振动器3211；

远红外加热器3212；

振动监测传感器3213；

温度传感器3214；

限位开关3215；

机械手322。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

实施例一

如图1-图3(b)所示，图2为本发明实施例提供的防冰除冰单元的结构示意图；图3(a)为本发明实施例提供的浮动式吸附触头的结构示意图一；图3(b)为本发明实施例提供的浮动式吸附触头的结构示意图二；本发明实施例提供的用于风机叶片的防冰除冰系统，包括结冰检测单元10、控制单元20和防冰除冰单元30，所述结冰检测单元10和所述防冰除冰单元30电连接至所述控制单元20，其中，

所述结冰检测单元10用于检测所述风机叶片的结冰状况，并将检测数据发送给所述控制单元20；

所述控制单元20用于接收所述检测数据，并根据比对所述检测数据和预设数据，控制所述防冰除冰单元30动作；

所述防冰除冰单元30设置于风机叶片根部，用于在所述控制单元20的控制下防冰或者除冰；所述防冰除冰单元30包括可沿风机叶片长度方向移动的轴向行走机构31和设置于所述轴向行走机构31端部的纵向伸缩机构32，所述纵向伸缩机构32具有机械手322，所述机械手322的前端安装有浮动式吸附触头321，所述浮动式吸附触头321上设置有振动器3211，所述机械手322上固定有远红外加热器3212。

具体的，本发明实施例中，防冰除冰单元30在风机正常运行时，收缩于风机叶片根部内，对风机叶片的转动不产生任何影响，而当需要防止风机叶片结冰时，防冰除冰单元30响应控制单元20的动作执行指令，如图2所示，主要是：防冰除冰单元30的轴向行走机构31则沿着风机叶片的长度方向移动，由叶片根部移动到防除冰位置处，而纵向伸缩机构32通过机械手322将振动器3211和远红外加热器3212移动至距离叶片内表面的一定位置，将机械手322上设置的浮动式吸附触头321将振动器3211紧贴于叶片内表面，振动器3211进行高频振动引起叶片表面的局部振动，破坏低温液态水在叶片表面的吸附，通过抖动将水滴清除；并结合远红外加热器3212距离叶片内表面一定距离处对叶片局部进行照射，使得低温水滴或薄冰加速消融，从而达到快速防结冰的目的。

这样风机正常运转时，防冰除冰单元不会增加叶片重量，延长了风机的寿命；另一方面，防冰除冰单元可以只在冬季时安装在风机上，而在夏季时拆卸下来进行检修，从而解决了现有技术中，防冰除冰装置一直安装在叶片内，增加叶片重量耗费风机电能的技术问题。进一步的，防冰除冰单元设置于风机叶片根部，工作人员拆装检修时不需要进入空间狭小的叶片内部进行作业，提高了工作效率。

进一步的，所述机械手322上设置有用于安装所述远红外加热器3212的安装架。

具体的，所述机械手322通过机械臂长的不同，而使浮动式吸附触头与安装架之间形成距离差，振动器3211安装在吸附式触头上，使用时与叶片接触，远红外加热器3212安装于安装架上，与叶片保持一定距离，这样通过非接触式远红外加热器3212采用远红外加热技术对叶片表面进行加热，延缓叶片结冰和加速冰层溶解，减少叶片结冰及除冰的作业时间，尽可能延长风力发电机组的发电时间，从而避免加热器加热时对叶片结构造成损伤。

需要说明的是，振动器3211的振动模式可以分为点阵式、纵波、行波、共振式，可以在不同的振动模式间进行自动切换或固定采用某种振动模式，具体采用哪种模式取决于当前的任务类型，不同的任务采用的振动模式不同，例如，防结冰时采用高频低幅振动，除冰时采用行波与纵波相结合的方式破坏结冰层，进行碎冰，当冰层破碎后，切换到共振模式，将碎冰振出叶片表面。

本发明实施例充分利用了振动原理防止结冰的技术和远红外加热的除冰方式实现对风机叶片外表面上的结冰预防和除冰等功能，可有效解决叶片的预防结冰及除冰问题，进一步的，本发明实施例中，借助于振动器3211可以清除风机叶片表面的灰尘和附着物，改善叶片表面的气动性能。

实施例二

本发明实施例中，所述防冰除冰单元30还包括设置在所述风机叶片内的多个滑轨，所述轴向行走机构31沿所述滑轨移动。

通过在风机叶片内预设多个滑轨，轴向行走机构31可沿不同滑轨到达风机叶片的任何位置，以满足对风机叶片内不同位置处进行防冰或者除冰的要求，因而灵活性更高，并且在滑轨的支撑作用下，防冰除冰单元30的结构稳定性更高，使用寿命更长；需要说明的是，该多个滑轨均沿风机叶片的长度方向设置。

进一步的，所述浮动式吸附触头321上还设置有振动监测传感器3213、温度传感器3214和限位开关3215，其中，

所述振动监测传感器3213用于检测所述风机叶片的振动幅值；

所述温度传感器3214用于检测所述风机叶片的局部加热温度；

所述限位开关3215设置在所述浮动式吸附触头321的吸附面上，用于控制所述机械手322的运动。

本发明实施例中，如图3(a)-图3(b)所示，在浮动式吸附触头321具有吸附面，振动监测传感器3213和温度传感器3214设置于浮动式吸附触头321的吸附面上，吸附触头吸附在叶片上时，振动监测传感器3213和温度传感器3214紧贴于叶片上，实时监测加热区域的温度和振动幅值，避免叶片振动过于剧烈或加热温度过高。此外，如图3(b)所示，在浮动式吸附触头321上设置有限位开关3215，当浮动式吸附触头321吸附在叶片上时，与叶片之间产生吸附压力，触发限位开关3215，发出限位信号给控制单元20，表明浮动式吸附触头321已经到达叶片内表面上，停止机械手322的运动，同时，控制单元20以该限位信号为参考，启动振动器3211和/或远红外加热器3212以及相应的振动监测传感器3213和温度传感器3214，进行防冰和/或除冰操作。

进一步的，所述结冰检测单元10包括室外温湿度传感器11、叶片转动惯量测量传感器12、结冰厚度仪13和数据采集器14；所述室外温湿度传感器11、所述叶片转动惯量测量传感器12和所述结冰厚度仪13分别电连接至所述数据采集器14，所述数据采集器14将所述检测数据发送给所述控制单元20。

所述叶片转动惯量测量传感器12安装于所述风机叶片内部质心位置的龙骨框架上。

具体的，本发明实施例中，温湿度传感器安装于机组轮毂外部的导流罩上靠近叶片根部位置处，实时检测叶片周围的温度和湿度；叶片转动惯量测量传感器12安装在叶片内部质心位置的龙骨框架上，实时监测由于叶片结冰导致叶片质量变化引起的叶片转动惯量的变化量；结冰厚度仪13安装于叶片根部，检测迎风面的叶片根部处的结冰厚度，数据采集器14安装于叶片根部，用于向各传感器供电及实时采集监测数据并以无线方式传输给控制单元20。本发明实施例中，通过检测室外温度和湿度情况，判断是否达到结冰条件，然后根据结冰厚度仪13检测结冰厚度，数据采集器14将结冰厚度数据发送给控制单元20，控制单元20对结冰厚度进行判断，当结冰厚度较厚时，通过叶片转动惯量的变化量来判断风机上的冰是否已经严重影响风机运行，控制单元20根据不同的结冰的不同程度给出相应的控制指令。

需要说明的是，由于叶片转动惯量等于叶片的质量乘以叶片质心到轮毂中心的半径的平方，当叶片结冰时，引起叶片的质量发生变化，叶片的转动惯量也会随之发生变化，通过在叶片的质心位置安装一个叶片转动惯量测量传感器12，该测量传感器包含一个质量块，该质量块随着叶片转动惯量的变化而发生相对移动，叶片的转动惯量变化量越大发生相对位移的量也越大，当对该相对移动量进行检测，并对转动惯量的变化量与相对移动量进行标定后，通过监测叶片的转动惯量的变化量来间接评估叶片结冰严重程度。

本发明实施例中，所述控制单元20包括接收模块21、处理模块22和控制模块23，其中，

所述接收模块21，用于接收所述结冰检测单元10发送的所述检测数据；

所述处理模块22，用于将所述检测数据与预设条件进行比对，判断所述风机叶片的结冰状态；

所述控制模块23，根据所述风机叶片的结冰状态，控制所述防冰除冰单元30。

具体的，本发明实施例中，接收模块21数据采集器14发送的温度、湿度、转动惯量变化量数据，处理模块22将温度值、湿度值和转动惯量变化量与预设条件进行比较，并根据比对结果判断出风机叶片的结冰状态。控制模块23根据结冰状态控制防冰除冰单元30，具体的，若风机叶片不需要防冰除冰，则控制模块23控制防冰除冰单元30待机，若风机叶片需要防冰除冰，则控制模块23控制防冰除冰单元30进入风机叶片内，执行防冰除冰操作。

实施例三

本发明另一实施例提供一种用于风机叶片的防冰除冰方法，其中，

步骤1、检测所述风机叶片所处的室外温度、湿度、转动惯量的变化量和结冰厚度；

步骤2、判断所述室外环境是否达到结冰条件，若达到，则执行步骤3，若未达到，则风机正常运行；

步骤3、判断所述风机叶片的结冰厚度；

若所述结冰厚度小于等于第一阈值，则风机正常运行；

若所述结冰厚度大于第一阈值，执行步骤4；

步骤4、判断所述转动惯量的变化量是否大于第二阈值；

若大于第二阈值，则控制所述风机叶片进行除冰；

若不大于第二阈值，则控制所述风机叶片进行防冰。

具体的，如图4所示，图4为本发明实施例提供的防冰除冰方法的流程示意图。结冰检测单元用于检测风机叶片所处的室外温度、湿度、转动惯量的变化量和结冰厚度；然后控制单元接收结冰检测单元发送的检测数据，并对其进行处理，具体的处理过程为：

其次，根据风机叶片所处的温度、湿度环境，判断外部环境是否达到结冰条件，判断条件为：判断温度是否小于第三阈值，并且湿度是否大于第四阈值。具体的第三阈值和第四阈值需要根据风机所在区域的海拔、大气压强等进行调整，本实施例中第三阈值可以取值为5℃，第四阈值可以取值为40％，也即，若温度低于5℃，且湿度大于40％，则说明外部环境达到了结冰条件，若温湿度不满足上述条件，则说明外部环境并未达到结冰条件，此时风机正常运行即可，防冰除冰单元30收缩于风机叶片根部，处于待机状态。

进一步的，若外部环境达到了结冰条件时，需要通过测定风机叶片上的结冰厚度来判断结冰程度，具体的：若叶片上的冰厚度小于第一阈值，认定冰厚度较小，若风机上的结冰量较少不会影响风机正常发电，从经济的角度考虑，不适合停机除冰，此时风机正常运行即可，防冰除冰单元30收缩于风机叶片根部，处于待机状态。

而当叶片上的结冰厚度大于第一阈值时，说明结冰厚度较厚，此时需要判断结冰厚度对风机叶片造成的影响程度，从而决定是进行除冰还是防冰，具体的是通过比对叶片转动惯量的变化量与变化量阈值(即第二阈值)之间的关系，若叶片转动惯量的变化量大于第二阈值，说明叶片转动惯量变化较大，叶片质量增加量较大，已经严重影响到了风机的运行，需要立即停机除冰，以避免冰对风机叶片造成较大损伤；此时，轴向行走机构31从风机叶片根部沿风机叶片的长度方向移动，纵向伸缩机构32通过机械手322将浮动式吸附触头321吸附在目标位置处，浮动式吸附触头321触发限位开关3215，控制单元控制振动器3211进行振动，并且远红外加热器3212对叶片局部进行加热，相应的，振动监测传感器3213和温度传感器3214监测目标位置处的振动幅度和加热温度，避免振动过于剧烈或者温度过高；此外，控制单元20根据叶片上的冰厚度的严重程度控制振动器3211的振动幅度以及远红外加热器3212的加热功率，以便高效地除冰。

而若叶片转动惯量的变化量小于第二阈值，说明风机叶片上面的冰厚度并没有对风机叶片造成较大的影响，为了减少停机时间，可以只进行防冰操作，而不需要进行除冰。具体的，控制单元20控制防冰除冰单元30执行防冰动作，轴向行走机构31从风机叶片根部沿风机叶片的长度方向移动，纵向伸缩机构32通过机械手322将浮动式吸附触头321吸附在目标位置处，浮动式吸附触头321触发限位开关3215，控制单元控制振动器3211开始进行振动，同时振动监测传感器3213监测所述振动器3211的振动幅值，避免振动过于剧烈，影响风机叶片的结构稳定性；通过振动使得薄冰片从风机叶片上脱离。

需要说明的是，本发明实施例中，当防冰除冰操作执行完毕后，控制单元20控制结冰检测单元10周期性检测外部环境，循环执行如图4所示的判断过程，以便准确判断风机叶片的工作状态。

综上所述，本文中应用了具体个例对本发明实施例提供的一种用于风力发电机组的防冰除冰系统及其方法的实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方案及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，本发明的保护范围应以所附的权利要求为准。