[发明专利]风力涡轮机叶片

说明书

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。

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。