一种具有热泵自除冰系统的风力发电机组及其工作方法与流程

本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种具有热泵自除冰系统的风力发电机组及其工作方法。

背景技术：

风力发电是一种低碳近零排放的发电方式，其可以将风能转化为电能，从而为电网提供清洁可再生的电力。风力发电机组通过叶片捕获风能，并通过传动机构连接发电机，将机械能转化为电能。

在风机实际运行过程中，会面临很多问题。在冬天气温较低时，叶片易发生结冰，需要及时提供热源进行除冰；而风机在运行时，机舱内部、发电机等处的温度较高，需提供冷源进行机舱内部降温。一般来说，风机叶片除冰和发电机冷却均是通过引入外部能量实现，这很大程度上带来了能量的损耗。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种具有热泵自除冰系统的风力发电机组及其工作方法，能够提高风力发电机组整体的能量利用率，提升风力发电机组的发电效率。

本发明通过以下技术方案来实现：

本发明公开的一种具有热泵自除冰系统的风力发电机组，包括叶片、轮毂、机舱、低速轴、发电机高速轴、齿轮传动系统、热泵回路高速轴、热泵循环回路、叶片除冰换热器、发电机冷却换热器、叶片除冰循环回路、叶片除冰装置和外部冷却回路；

叶片与轮毂连接，轮毂与低速轴连接，低速轴与齿轮传动系统连接，齿轮传动系统两个输出端分别与发电机高速轴和热泵回路高速轴连接；发电机高速轴与发电机连接，发电机冷却换热器设在发电机内；热泵循环回路包括压缩机，热泵回路高速轴与压缩机连接；叶片除冰装置设在叶片内部；叶片除冰循环回路上设有加热器和除冰风机，叶片除冰循环回路与叶片除冰装置连通；叶片上设有叶尖测温仪；热泵循环回路与叶片除冰循环回路在叶片除冰换热器中交流换热，热泵循环回路与外部冷却回路在发电机冷却换热器中交流换热。

优选地，齿轮传动系统包括第一齿轮、第二齿轮和第三齿轮组，第一齿轮分别与第二齿轮和第三齿轮组啮合，第二齿轮与热泵回路高速轴连接，第三齿轮组与发电机高速轴连接。

优选地，热泵循环回路还包括膨胀阀、冷凝器和蒸发器，冷凝器与叶片除冰换热器的热侧连接，蒸发器设在发电机内部，且与发电机冷却换热器的热侧连接。

优选地，外部冷却回路的进口和出口均设在机舱外部，外部冷却回路与发电机冷却换热器的冷侧连接，外部冷却回路上设有控制阀和发电机冷却风机。

优选地，叶片除冰循环回路通过旋转接头与叶片除冰装置连接，旋转接头设在轮毂内部。

优选地，叶片除冰装置为若干串联的散热器。

优选地，叶片除冰装置为在叶片内部迂回设置的弯管。

进一步优选地，弯管在叶片前缘的布置密度大于叶片后缘。

本发明公开的上述具有热泵自除冰系统的风力发电机组的工作方法，包括：

叶片捕获风能，通过轮毂的旋转带动低速轴旋转，低速轴通过齿轮传动系统带动发电机高速轴旋转，发电机高速轴带动发电机发电；

当环境温度高于凝冰点时，热泵循环回路不工作，热泵回路高速轴脱离齿轮传动系统；发电机通过外部冷却回路进行冷却；

当环境温度低于凝冰点时，热泵回路高速轴接入齿轮传动系统，热泵循环回路开始工作；叶片除冰循环回路中的除冰气流在叶片除冰换热器中与热泵循环回路中的介质进行换热，除冰气流温度升高后进入叶片中的叶片除冰装置，对叶片进行加热除冰；

叶尖测温仪实时测量叶片尖端的温度并反馈至热泵循环回路，调节压缩机载荷，逐渐增加压缩机出力，直至叶片尖端的温度高于预设温度；

当压缩机运行于最大功率时，若叶片尖端的温度仍然低于凝冰点，则开启加热器对除冰气流进行辅助加热，直至叶尖测温仪测量的温度高于预设温度；

当压缩机运行于最大功率时，若发电机冷却未达到冷却效果，开启外部冷却回路进行辅助冷却，直至发电机内部循环气流温度符合要求。

优选地，预设温度为凝冰点+3℃，压缩机最大功率不大于风力发电机组额定功率的5％。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的具有热泵自除冰系统的风力发电机组，基于热泵的原理，充分利用风机自身的能量，对叶片进行除冰，实现风机内部能量的合理分配。风轮通过低速轴连接齿轮传动系统，发电机高速轴与发电机连接，构成风力发电机组的基础发电结构。发电机的冷却由两路组成，其中一路为常规的外部冷却回路，即通过从大气中引入冷空气与发电机内部循环工质进行换热，带走发电机产生的热量；另一路为热泵循环回路，该回路的动力来源于风轮的机械能，在原有齿轮传动系统的基础上，新增一路传动支路，由热泵回路高速轴驱动压缩机做功，将热泵介质压缩。热泵介质在叶片除冰换热器内部与叶片除冰循环回路中的除冰气流进行换热，对除冰气流进行加热。进行换热后的除冰气流进入叶片内的叶片除冰装置，与叶片进行换热除冰，而换热后的热泵介质进入发电机内部换热，吸收发电机运行过程中产生的热量；在发电机内部换热之后，再次被送入压缩机，实现热泵的循环。热泵循环回路和外部冷却回路之间形成相互补充的关系：当外部环境气温比较高，叶片不存在结冰现象，则热泵循环回路不启用，仅仅启用外部冷却回路，引入外部冷空气对发电机进行冷却。而当叶片存在结冰趋势或结冰情况时，首先启用热泵循环回路，从发电机侧吸热，将热量转移至风机叶片处进行除冰；若热泵循环回路传递的热量不能完全清除叶片上的覆冰，则开启加热器，引入外部能量，对除冰气流的热量进行补偿；若热泵循环回路从发电机侧吸收的热量不足以使发电机冷却至正常工作水平，则启用外部冷却回路，直至发电机的冷却符合要求。该系统实现了风力发电机组中能量的梯级利用。利用风轮系统自身的机械能驱动压缩机，避免额外动力源的引入。通过热泵循环回路对热量的重新分配，同时实现了发电机的冷却和叶片的除冰，极大地降低了系统的能耗，具有良好的应用前景。

进一步地，叶片除冰装置为若干串联的散热器，能够根据实际情况，在易发生结冰的部位多设置散热器，加热效率高、布置灵活。

进一步地，叶片除冰装置为在叶片内部迂回设置的弯管，能够贴合叶片内部的形状进行布置，加热效果好、能耗低。

更进一步地，弯管在叶片前缘的布置密度大于叶片后缘，因为叶片前缘一般先出现凝冰，能够使叶片前缘和叶片后缘的加热效果接近，叶片内部温度均衡，避免产生较大的热应力。

本发明公开的上述具有热泵自除冰系统的风力发电机组的工作方法，能够根据实际的工况对内部的能量进行调配，自动化程度高、能量利用率高，降低了系统的能耗。

进一步地，压缩机最大功率不大于风力发电机组额定功率的5％，以避免对风力机整体出力产生较大影响。

附图说明

图1为本发明的具有热泵自除冰系统的风力发电机组的整体结构示意图。

图中，1-叶片；2-轮毂；3-机舱；4-低速轴；5-发电机高速轴；6-第一齿轮；7-第二齿轮；8-热泵回路高速轴；9-压缩机；10-叶片除冰换热器；11-膨胀阀；12-发电机冷却换热器；13-发电机冷却风机；14-加热器；15-旋转接头；16-叶片除冰装置；17-除冰风机；18-叶尖测温仪。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构和工作原理做进一步详细描述：

如图1，本发明的具有热泵自除冰系统的风力发电机组，叶片1、轮毂2、机舱3、低速轴4、发电机高速轴5、齿轮传动系统、热泵回路高速轴8、热泵循环回路、叶片除冰换热器10、发电机冷却换热器12、叶片除冰循环回路、叶片除冰装置16和外部冷却回路。

叶片1与轮毂2连接，轮毂2与低速轴4连接，低速轴4与齿轮传动系统连接，齿轮传动系统两个输出端分别与发电机高速轴5和热泵回路高速轴8连接；发电机高速轴5与发电机连接，发电机冷却换热器12设在发电机内；热泵循环回路包括压缩机9，热泵回路高速轴8与压缩机9连接；叶片除冰装置16设在叶片内部；叶片除冰循环回路上设有加热器14和除冰风机17，叶片除冰循环回路与叶片除冰装置16连通；叶片1上设有叶尖测温仪18；热泵循环回路与叶片除冰循环回路在叶片除冰换热器10中交流换热，热泵循环回路与外部冷却回路在发电机冷却换热器12中交流换热。

在本发明的一个实施例中，齿轮传动系统包括第一齿轮6、第二齿轮7和第三齿轮组，第一齿轮6分别与第二齿轮7和第三齿轮组啮合，第二齿轮(7)与热泵回路高速轴8连接，第三齿轮组与发电机高速轴5连接。

在本发明的一个实施例中，热泵循环回路还包括膨胀阀11、冷凝器和蒸发器，冷凝器与叶片除冰换热器10的热侧连接，蒸发器设在发电机内部，且与发电机冷却换热器12的热侧连接。

在本发明的一个实施例中，外部冷却回路的进口和出口均设在机舱3外部，外部冷却回路与发电机冷却换热器12的冷侧连接，外部冷却回路上设有控制阀和发电机冷却风机13。

在本发明的一个实施例中，叶片除冰循环回路通过旋转接头15与叶片除冰装置16连接，旋转接头15设在轮毂2内部。

在本发明的一个实施例中，叶片除冰装置16为若干串联的散热器。根据实际经验，可以在易发生结冰的部位多设置散热器

在本发明的一个较优的实施例中，叶片除冰装置16为在叶片内部迂回设置的弯管，可以是蛇形管，也可以是方波形管。优选地，弯管在叶片前缘的布置密度大于叶片后缘。

在本发明的一个较优的实施例中，叶片除冰换热器10和发电机冷却换热器12均为气-气相换热器，换热效率高。

上述具有热泵自除冰系统的风力发电机组的工作方法，包括：

叶片1捕获风能，通过轮毂2的旋转带动低速轴4旋转，低速轴4通过第一齿轮6带动第三齿轮组旋转，第三齿轮组带动发电机高速轴5旋转，发电机高速轴5带动发电机发电；

当环境温度高于凝冰点(一般为3℃)时，热泵循环回路不工作，与热泵回路高速轴8连接的第二齿轮7不与第一齿轮6啮合；发电机通过外部冷却回路进行冷却；

当环境温度低于凝冰点时，第二齿轮7与第一齿轮6啮合，热泵回路高速轴8接入齿轮传动系统，驱动压缩机9做功。压缩机9压缩热泵介质，介质受压，释放热量，在叶片除冰换热器10中完成热量交换，将热量传递至叶片除冰循环回路中的除冰气流。换热后的热泵介质温度降低，进入膨胀阀11，体积增加，温度进一步降低后流经发电机冷却换热器12，吸收发电机内部循环气流的热量，对发电机进行冷却后重新流入压缩机9，由此形成热泵循环。除冰气流在叶片除冰换热器10中与热泵循环回路中的介质进行换热，除冰气流温度升高后通过旋转接头15进入叶片1中的叶片除冰装置16，对叶片1进行加热除冰；

叶尖测温仪18实时测量叶片1尖端的温度并反馈至热泵循环回路，调节压缩机9载荷，逐渐增加压缩机9出力，直至叶片1尖端的温度高于凝冰点3℃；

当压缩机9运行于最大功率时，若叶片1尖端的温度仍然低于凝冰点，则开启加热器14对除冰气流进行辅助加热，直至叶尖测温仪18测量的温度高于凝冰点3℃；

当压缩机9运行于最大功率时，若发电机冷却未达到冷却效果，开启外部冷却回路进行辅助冷却，直至发电机内部循环气流温度符合要求。

一般的，压缩机最大功率不大于风力发电机组额定功率的5％。

以上描述仅为本发明的较佳实施例以及对所运用技术原理等方案的说明。同时，本发明中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本发明中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。