加热风力涡轮机叶片的制作方法

本发明涉及一种风力涡轮机叶片和加热风力涡轮机叶片的方法。

背景技术

在温度低或空气中有大量水分的条件下，风力涡轮机的叶片上会形成冰。这种冰的堆积会降低风力涡轮机叶片的空气动力性能，从而降低风力涡轮机的效率和性能。

电热加热(ETH)元件可用于叶片的防冰(防止积冰)或除冰(去除积冰)中的任何一种或两种。WO2017/190748中示出一个示例，其中两个或多个ETH面板重叠在一起，以提供预定的热通量(heat flux)。

常规地，这种ETH元件只在叶片的前缘处提供。常规ETH元件的问题是，当水滴流过ETH元件的后缘时，它们会冻结以形成冰脊(ice ridge)。

技术实现要素：

本发明的第一方面提供了一种风力涡轮机叶片，其具有叶片外壳，该叶片外壳限定叶片的吸取侧、压力侧、前缘和后缘。叶片进一步包括叶片加热系统，该叶片加热系统包括一个或多个配置为在第一和第二加热区加热叶片的加热元件，其中第一加热区比第二加热区更靠近前缘，并且加热系统配置为在第一和第二加热区中产生热通量，使得在第一加热区中产生的热通量低于在第二加热区中产生的热通量，以便在第二加热区中产生的热通量足以导致水的蒸发。

已经意识到的是，使水滴蒸发所需的热通量在叶片前缘后面减少。因此，将第二(较高热通量)加热区定位在比第一(较低热通量)加热区离前缘更远的地方，意味着需要更少的热通量来引起显著程度的蒸发并抑制冰脊的形成。

第一加热区可以配置为叶片的防冰(防止积冰)或除冰(去除积冰)中的一种或两种。

加热系统可以配置为同时在第一和第二加热区中产生热通量，使得在第一加热区中产生的热通量低于在第二加热区中产生的热通量。

加热系统可以配置为在加热时段中在第一和第二加热区中产生热通量，使得在加热时段中平均而言，在第一加热区中产生的热通量低于在第二加热区中产生的热通量。

第一加热区可以比第二加热区延伸更大的弦向距离(chordwise distance)。这为给定数量的可用功率提供了有效的安排，并可以最大限度地提高加热的面积(经由相对较大的第一加热区)，同时利用较小的第二加热区来防止或至少抑制第一加热区后面的冰脊的形成。

第一和第二加热区可以在重叠的跨度位置。这确保了跨过叶片流动的水从第一加热区流动到第二加热区中。

第一和第二加热区可以有相同(或基本相同)的跨度大小，或者它们可以有不同的跨度大小。

第二加热区可以有在超过5％弦长(chord)、超过10％弦长、超过15％弦长或超过20％弦长的弦向位置(chordwise position)的前缘。将第二加热区定位在这样相对较高的弦向位置可以降低功耗，因为随着弦向位置增加，蒸发水所需的功率趋于减少。

该一个或多个加热元件可以包括第一和第二加热元件，它们配置为分别在第一和第二加热区中加热叶片。

第一加热元件可以包括导电的电阻材料的面板，第二加热元件可以包括导电的电阻材料的细条或丝。

第二电热加热元件可以有比第一电热加热元件更低的片状电阻(以欧姆平方为单位)。

第二电热加热元件可以有比第一加热元件的电阻低的电阻(以欧姆为单位)。

该一个或多个加热元件可以是电热加热元件。

该一个或多个加热元件可以包括导电的电阻材料，例如纤维(诸如碳纤维)的纱(veil)或金属网。

加热系统可以配置为在第二加热区中产生平均热通量，该平均热通量至少是在第一加热区中产生的平均热通量的两倍。换句话说，加热系统可以配置为在第一加热区中产生第一平均热通量和在第二加热区中产生第二平均热通量，并且第二平均热通量可以是第一热通量的至少两倍。

第二加热区可以比第一加热区更靠近后缘。

第二加热区的整体可以比第一加热区相对于后缘更靠近后缘。

第一和第二加热区可以是相邻的。也就是说，第一和第二加热区之间可以没有空隙。

本发明的另一个方面提供了一种风力涡轮机，其包括根据本发明第一方面的风力涡轮机叶片。

本发明的另一个方面提供了一种加热风力涡轮机叶片的方法，风力涡轮机叶片具有限定叶片的吸取侧、压力侧、前缘和后缘的叶片外壳，该方法包括：在第一和第二加热区中加热叶片，其中第一加热区比第二加热区更靠近前缘，并且第一加热区以低于第二加热区的热通量进行加热。

第二加热区可以被加热到比第一加热区更高的温度。

该方法可以包括在第一和第二加热区中同时加热叶片，使得第一加热区以低于第二加热区的热通量进行加热。

该方法可以包括在加热时段中在第一和第二加热区中加热叶片，使得在加热时段中平均而言，第一加热区以低于第二加热区的热流量进行加热。

通常，第二加热区以足以使流过第二加热区的水蒸发的热通量进行加热。水可以跨过第一加热区流动到第二加热区中，在那里蒸发。跨过第一加热区流动的水可能基本上没有蒸发。

附图说明

现在将参照附图对本发明的实施方式进行描述，其中：

图1示出风力涡轮机；

图2示出带有多个加热元件的风力涡轮机叶片；

图3示出其中一个加热单元的驱动方式；

图4是示出叶片的带有叶片加热系统的部分的比较性的示例；以及

图5示出叶片的带有根据本发明的一个实施方式的叶片加热系统的部分。

具体实施方式

图1以示意性立体图展示风力涡轮机1。风力涡轮机1包括塔架2、位于塔架顶点的机舱3以及操作性耦连至容纳在机舱3内部的发电机的转子4。除发电机外，机舱还容纳将风能转换为电能所需的各种部件，以及操作、控制和优化风力涡轮机1性能所需的各种部件。风力涡轮机的转子4包括中心轮毂5和多个从中心轮毂5向外伸出的叶片6。在图示的实施方式中，转子4包括三个叶片6，但数量可以不同，例如，转子4可以有两个或四个叶片6。此外，风力涡轮机1包括控制系统。控制系统可以放置在机舱3内部，也可以分布在风力涡轮机1内部的若干位置，并进行通信连接。

风力涡轮机1可以包括在属于风力发电厂的其他风力涡轮机的集合中，风力发电厂也称为风电场或风场，作为发电厂通过输电线路与电网连接。电网一般由发电站的网络、输电回路和通过输电线路网络耦连的变电站组成，该输电线路将电力传输到终端用户和电力设施的其他客户形式的负载。

每一个叶片6具有叶片加热系统10，该叶片加热系统包括十二个加热单元，其中六个在图2中可见。每一个加热单元包括两个加热元件。

如图5中最清楚地显示，每一个叶片6具有叶片外壳，该叶片外壳限定叶片的吸取侧30、压力侧32、前缘26和后缘28。其中六个加热单元被设置在吸取侧30，在图2中可见。另外六个加热单元在压力侧32，在图2中隐藏。

如图2所示，加热单元的弦向尺寸可以在邻近叶片末端处减少。例如，最靠近叶片末端的加热单元可以有最小的弦向尺寸，而离叶片末端最远(最靠近叶片根部)的加热单元可以有最大的弦向尺寸。

加热元件是相同的(除了它们的弦向尺寸)，所以只对其中的一个示例性的加热单元进行编号，并将在下面进行描述。

示例性的加热单元包括第一和第二电热加热元件12、14，它们配置为分别在第一(防冰式)和第二(蒸发式)加热区中加热叶片。第一加热元件12(及其相关的加热区)比第二加热元件14(及其相关的加热区)更靠近叶片的前缘26。第一和第二加热元件12、14配置为在其相应的第一和第二加热区中产生热通量，使得在第一加热区中产生的热通量低于在第二加热区中产生的热通量。

第一和第二加热元件12、14中的每一个可以包括导电的电阻材料的相应的片材16、18，诸如纤维的纱，或者具体地说，碳纤维的纱。

图3示出如何驱动两个加热元件12、14的示例。每一个加热元件在一端具有电极22，在另一端具有电极24。电源20通过在电极22、24之间施加交流或直流电压来并联地驱动加热元件。这导致电流流过片材16、18，而碳纱材料中的电阻导致通过电阻加热、焦耳加热或欧姆加热产生热量。

由每一个加热元件输出的热通量是V²/(Rs*L²)，其中V是电极22、24之间的电压，Rs是碳纱的片状电阻(单位是欧姆平方)，L是电极22、24之间的长度。因此，可以选择第二加热元件14的碳纱片材18的片状电阻Rs以低于第一加热元件12的碳纱片材16的片状电阻(例如，纱材料可以更厚，或者其可以有更高的碳纤维密度)，所以其热通量更高，通常是两倍或更多。

现在参考图4，示出比较性的叶片加热系统100，以展示冰脊堆积的问题。加热系统100包括配置为加热前缘处的单一加热区104的单一防冰式加热元件102。当水滴撞击加热区104时，来自加热元件102的热量确保大多数水滴保持在液态而不是冻结。水滴回流经过加热区104的后缘，这时它们冻结形成冰脊106。这个冰脊106对叶片的空气动力学性能有显著影响，其存在对风力涡轮机的效率和性能有负面影响。这样的冰脊可以在叶片的吸取侧和压力侧两者堆积。

图5展示其中一个示例性的加热单元12、14的操作。水滴撞击前缘，由第一加热元件12产生的热通量确保大部分(水滴)停留在液态阶段，不会结冰。

第一加热元件12位于或靠近叶片6的前缘26，大多数水滴在那里撞击叶片6。在这个示例中，第一加热元件12的前缘(及其相关的第一加热区)可以在叶片的前缘26处(该叶片通常被制造成两个半壳)。

水滴沿弦长方向跨过第一加热区朝向后缘28行进，并且由于第一加热元件12的加热作用而保持液态。然后，水滴从第一加热区流动到第二加热元件14上方的第二加热区中，在那里它们经历更高的温度和更高的热通量，这使它们蒸发。

加热元件12、14之间可以几乎没有间隙，所以第一和第二加热区是相邻的，如图5所示，或者加热元件12、14之间可以有小的间隙，如图3中示意性地示出。

蒸发水滴所需的热通量在前缘26处达到最大，并沿弦长方向减少。因此，将第二(蒸发)加热元件14定位在第一(防冰)加热元件12后面(而不是反过来)意味着需要较少的热通量来引起相当程度的蒸发并抑制冰脊的形成。

第二加热元件14的前缘(及其相关的第二加热区)可以有例如在20％-30％的弦向范围中的弦向位置。在这个弦向位置蒸发水所需的热通量少于在前缘处所需的。

第一加热元件12的弦向尺寸可以大于第二加热元件14的弦向尺寸。换句话说，图5中所示的第一加热元件12的投射到叶片弦线34上的尺寸C1可以大于第二加热元件14的投射到叶片弦线34上的尺寸C2。

第二加热元件14只需要相对较小的弦向尺寸，因为只要热通量足够，水滴就会相对快速蒸发。因此，第二加热元件13的片材18可以是窄条或丝，相比之下，第一加热元件12的片材16可以是相对较宽的面板。

如图2所示，第一和第二加热元件12、14可以有相同的跨度尺寸。第一和第二加热元件12、14也可以有相同或重叠的跨度位置，这意味着从前缘26开始沿弦长方向跨过叶片的表面的水滴可以跨过第一加热元件12流动然后到达第二加热元件14。如图3所示，第一加热元件12的面积可以大于第二加热元件14。

在上述的示例中，加热元件12、14同时由电源20供电。在另一个示例中，不是同时驱动元件12、14，而是向第一加热元件12供电几秒钟，然后向第二加热元件14供电几秒钟，这个周期在加热时段(例如可以是几小时或几天)上重复。因此，元件12、14同时是热的，但不一定同时被供电。

在这两个示例中，在加热时段中平均而言，由第一加热元件12在第一加热区中产生的热通量(单位：瓦特/平方米)低于由第二加热元件14在第二加热区中产生的热通量。第二加热区的温度也可以平均高于第一加热区的温度。

在上述示例中，由第一和第二加热元件12、14产生的热通量可以分别跨过第一和第二加热区基本保持恒定。如果热通量跨过第一和第二加热区变化，那么由第一加热元件12跨过第一加热区产生的平均(和/或最大)热通量可以低于由第二加热元件14跨过第二加热区产生的平均(和/或最大)热通量。

由第二加热区中的第二加热元件14产生的平均热通量优选地至少是由第一加热区中的第一加热元件12产生的平均热通量的两倍。

如上所述，第一和第二加热元件12、14配置为加热相应的第一和第二加热区，使得热通量不同。这种加热元件之间的热通量差异可以如上所述通过使用带有不同片状电阻的碳纱材料来实现，但其他方式也是可以的。

在一个备选方案中，第二加热区可以由一对重叠的加热元件加热，如WO2017/190748所述，而第一加热区只由单一加热元件加热。

在另一个备选方案中，加热元件可以是相同的，但第二加热元件由更高的电压驱动。

在另一个备选方案中，加热元件14可以是加热丝或加热网或加热丝的排列。

如上所述，第一和第二加热区可以由相应的独立的加热元件12、14加热。在其他示例中，单一加热元件可以加热两个加热区。例如，单一加热元件可以有产生不同热通量的带有不同片状电阻的碳纱区域。

在这个示例中，叶片的每一侧具有六个加热单元，每一个单元带有一对加热元件12、14。其他安排也是可以的。例如，可以只有单一的蒸发式加热元件，其取代六个蒸发式加热元件14，并沿叶片行进相同的跨度长度。

叶片的压力侧32可以有与图2所示的吸取侧30上的加热元件相同的加热元件(即，带有防冰式加热元件12和蒸发式加热元件14两者)。

备选地，叶片的压力侧可以只有防冰式加热元件12(即，其没有蒸发式加热元件14)。反之亦然，即，叶片的压力侧32可以有防冰式加热元件12和蒸发式加热元件14两者，而叶片的吸取侧只有防冰式加热元件12(即，没有蒸发式加热元件14)。

虽然本发明在上面已经参照一个或多个优选实施方式进行了描述，但可以理解的是，在不脱离所附权利要求书中定义的本发明范围的情况下，可以进行各种改变或修改。