一种能量桩仿生风机叶片除冰装置及其除冰方法与流程

本发明涉及风力发电设备，具体涉及一种能量桩仿生风机叶片除冰装置及其除冰方法。

背景技术：

1、风能是一种可再生的清洁能源，其缓解依赖化石能源、减少环境污染以及防止全球气候变化的作用已经得到了广泛的认知。为了水平轴风力发电机在风荷载下叶片可以绕水平沿一个方向旋转驱动风力涡轮机将风能转化为电能，叶片形状的设计参考鸟类翅膀的原理，风叶厚度从迎风的前缘到后缘逐渐变薄，从叶根到叶尖也逐渐变薄，且迎风面的弧度大于背风面的弧度，以确保迎风面的气压小于背风面的气压从而叶片沿固定方向发生转动。当风力涡轮机处于气候寒冷、湿度高的高空环境下，特别是在冬季或高海拔地区，低温环境下的湿气会在叶片表面结冰。这个情况对风电机组的性能和安全性有着巨大影响。结冰会改变风电机组叶片的空气动力学形状，降低其发电效率，甚至可能导致机组停机。同时，由于冰的重量，会增加叶片负担，可能导致叶片断裂，严重危害风电场的安全。

2、因此，关于风电涡轮机叶片除冰技术，已成为风电领域的重要研究课题。目前这些技术的发展包括但不限于：1)机械除冰：采用机械手段，如振动或撞击以移除冰层。传统的机械除冰技术存在物理损伤、安全问题和维护成本高的问题。传统的除冰刀具对叶片表面会造成一定的划伤、劈裂甚至裂口，长期使用会对叶片寿命产生影响，并对叶片的性能和效率产生不可逆的影响。机械除冰需要使用大功率机器设备，动力消耗相对较大，另外转速太高，还会从物理上对叶片表面施加极大的机械负荷，也带来高能耗问题。2)热风除冰：通过叶片内部的加热元件，如加热线圈，使冰层融化。3)电热除冰：利用电热带或加热膜覆盖在叶片表面，通过电阻发热来防止或除去积冰。但传统的加热除冰过程消耗的能源比较大，会增加风力发电的成本。尤其是在长期低温条件下进行加热除冰，能源损耗会更加严重，使用的电加热线会对设备产生极高的热量和电磁场干扰，存在一定的火灾隐患和安全隐患。4)超疏水涂层：在风机叶片表面应用超疏水材料，从而减少水分附着并形成冰层。在极端降雪寒冷气候条件下，如恶劣的冻雨冻雪情况下，超疏水涂层除冰效果不能完全保证，需导入其他除冰技术来补充，且长期受到风沙的碰撞侵蚀，宜造成涂层刮破或划伤，失效损耗。且掉落的超疏水材料会在特定条件下沉积或结合，形成新的污染物质，导致二次污染。

3、受到技术进步和环境要求的影响，这些技术的效率和成本优化，以及寻找更为环境友好和可持续的解决方案仍是未来的技术发展重心，旨在改善风电叶片的防冰性能，确保风电机组稳定、安全地运行，从而提高风电场的总体经济效益。为此，提出一种高效节能、无二次污染且不影响叶片安全的除冰装置与方法，显得尤为重要。

技术实现思路

1、针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种能量桩仿生风机叶片除冰装置及其除冰方法，解决了现有技术中缺少一种高效节能、无二次污染且不影响叶片安全的除冰装置的问题。

2、为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一方面的，一种能量桩仿生风机叶片除冰装置，包括风电塔，其特征在于，风电塔包括：地热能提取回路，地热能提取回路包括位于风电塔地基内的多个能量桩；热泵机组循环回路，热泵机组循环回路设置在风电塔的塔筒内部，并与地热能提取回路连通，用于提高地热能的能量品位；轮毂加热回路，轮毂加热回路设置在塔筒、机舱和轮毂的内部，并与热泵机组循环回路连通，用于将地热能传递至风电塔的轮毂中；叶片除冰回路，叶片除冰回路设置在风电塔的多个叶片中，并与轮毂连通，用于通过地热能加热每片叶片。

4、本方案的工作原理为，通过地热能提取回路中的多个能量桩提取地热能，并利用热泵机组循环回路提高地热能的能量品位，将地热能转化为除冰水，除冰水的热量通过轮毂加热回路传递至风电塔的轮毂中，从而轮毂利用加热空气或高温除冰水的方式通过叶片除冰回路对叶片进行除冰。本方案相较于现有技术中的机械除冰和电热除冰，减少了能量的消耗，降低了风电的运行成本和安全隐患，具有节能增效的效果。且相较于现有技术中的超疏水涂层，本方案除冰效果更加稳定，无二次污染。

5、进一步地，地热能提取回路还包括位于风电塔地基上的地源侧循环泵和地源侧分集水器，地源侧循环泵、地源侧分集水器和多个能量桩通过地源侧水管连通。本方案中，将水或者其他液体作为循环介质，循环介质在地源侧循环泵的作用下进入能量桩中的换热管，由于地下温度相对恒定且高于处于冬季中的风电塔的地表温度，循环介质吸收位于地下浅层的地热能，并将地热能带回地源侧分集水器中，从而完成地热能的提取。

6、进一步地，热泵机组循环回路包括与地热能提取回路连通的蒸发器，蒸发器分别与压缩机和膨胀阀连通，压缩机和膨胀阀的另一端均与冷凝器连通，冷凝器的出水管与风电辅助热水箱连通。本方案中，采用蒸发器、冷凝器、压缩机、膨胀阀完成逆卡诺循环，将低品位的地热能转化为高品位的除冰水。同时可以通过温度检测器检测除冰水在冷凝器完成冷凝散热过程后的温度，若除冰水温度无法满足除冰需求时，可启动风电辅助热水箱，采用风电塔产生的电量作为风电辅助热水箱的电源以加热除冰水。

7、进一步地，轮毂加热回路包括与冷凝器的出水端连通的除冰侧循环泵，除冰侧循环泵通过加热水管回路依次与密封滑环、风机盘管组、空调设备和冷凝器的回水端连通；密封滑环设置在机舱内的转子主轴上，风机盘管组设置在内舱的内部，空调设备固定在塔筒的内底部。塔筒顶部偏航平台段的加热水管回路宜应采用软管，便于机舱转向过程中同步旋转，保证加热水管回路的连通。本方案中，轮毂加热回路将除冰水的热量传递至轮毂中，并完成除冰水的回收。

8、进一步地，密封滑环包括固定在机舱内的滑环外圈，滑环外圈的内圈中旋转设置有滑环内圈，滑环内圈的内圈固定在机舱中的转子主轴上；滑环外圈和滑环内圈上均设置有多个导水通道，每个导水通道的两端均设置有密封圈；滑环外圈上的多个导水通道与风机盘管组连通；滑环内圈上的多个导水通道与加热水管回路连通。本方案中，密封滑环的设置实现了轮毂在自由旋转过程中除冰水的循环流通，导水通道的数量可以适当调整以满足除冰水的流量、压力需求。

9、进一步地，轮毂中设置有绝热隔板，绝热隔板将轮毂分为内舱和外舱，风机盘管组包括位于内舱中的3个风机盘管，内舱通过送回风筒分别与风电塔上3个叶片连通；每个叶片内部中空设置，每个叶片和每个送回风筒的内部均沿其轴向设置有呈s型的肋板，叶片中的肋板将叶片内部分为连通设置的送风腔和回风腔；送回风筒中的肋板将其内部分为送风筒和回风筒，送风腔和回风腔分别与送风筒和回风筒连通；且送风腔和回风腔分别靠近叶片的前缘和后缘。每个送回风筒呈圆柱状，且两端开口设置；送回风筒的一端通过轴承设置在绝热隔板上，送回风筒的另一端呈半球状并与叶片的叶根处连通；送回风筒和叶片的连接处均设置有转动齿轮，转动齿轮均与位于轮毂内的转向电机上的输出齿轮啮合连接。由于每片叶片安装在轮毂上的角度需要根据当地的风向和风速进行实时调整，以最大化地获取风力资源，从而本方案的送回风筒与叶片同时与转向电机上的输出齿轮啮合连接，保证了送风筒与送风腔、回风筒与回风腔能够始终保持连通，确保热量的循环。

10、本方案中，风机盘管的设置便于除冰水的热量更好散发至轮毂的空气中，使轮毂中形成热空气，热空气经送风筒进入送风腔中，热空气与送风腔壁体上的冰进行热交换变为冷空气，冷空气经回风腔通过回风筒从外舱排出，完成热量的传递循环并对叶片前缘上的冰进行有效去除。肋板呈s型设置可以优化叶片内送风腔和回风腔的体积，且肋板上的圆角化处理可同时避免棱角对叶片内风场的干扰，降低气流引起的风机叶片振动。

11、进一步地，叶片除冰回路包括位于送风腔中的多根相变热棒，每根相变热棒包括依次连通的吸热段、绝热段和散热段；吸热段穿过送风筒延伸至内舱中，散热段延伸至叶片内部中靠近叶尖处，且散热段的上设置有多块固定在送风腔内壁上的散热片。相变热棒的截面自外向内分为三层结构：封闭管道、毛细管芯、空心腔体。本方案中，吸热段内有可发生相变的液氨、丙酮或氟利昂热敏材料，吸热段内的热敏材料在吸热后发生气化成气态，并迁移到散热段中。散热段的热量被附着在叶尖表层的冰层吸收后，散热段内部的热敏材料凝结成液态再借助其中毛细管芯内的毛细力克服重力迁移回到吸热段中，相变热棒的设置利于轮毂和叶片内的热量传递。

12、进一步地，叶片除冰回路包括位于叶片内腔的仿生散热管网，仿生散热管网设置在叶片内壁的迎风面和背风面上；仿生散热管网呈叶脉状分布，其包括一个主脉，主脉与多根侧脉连通，每根侧脉上与有多根毛细脉络连通。仿生散热管网呈叶脉状结构能够更均匀地分布冷却液或空气等传热介质，确保整个散热过程更加均衡有效，避免局部过热或冷却不均的现象，使叶脉结构具有良好的力学性能以及在保证结构稳定性和强度的同时，减轻了重量。

13、另一方面的，提供一种能量桩仿生风机叶片除冰装置的操作方法，其包括步骤：

14、s1、采用地热能提取回路中的多个能量桩提取地热能，并利用热泵机组循环回路将地热能转化为能量品位比其更高的除冰水；

15、s2、采用轮毂加热回路将除冰水的热量传递至风电塔的轮毂中；

16、s3、采用叶片除冰回路将轮毂中热量输送至风电塔上每片叶片的内腔中，融化叶片上的冰。

17、进一步地，述步骤s3包括以下的任一步骤：

18、s31、将每片叶片中的内腔分为连通的送风腔和回风腔，并将轮毂中的热量以空气为介质依次传递至送风腔和回风腔中；

19、s32、将每片叶片中的内腔分为连通的送风腔和回风腔，且在送风腔中设置有至少一根相变热棒，并将轮毂中的热量以相变热棒为介质依次传递至送风腔和回风腔中；

20、s33、将每片叶片的内腔中设置仿生散热管网，并与轮毂内的加热水管回路连通，将热量以除冰水为介质依次传递至仿生散热管网中。

21、本发明公开了一种能量桩仿生风机叶片除冰装置及其操作方法，其有益效果为：

22、1、本方案利用地热能形成热空气对叶片进行除冰，相较于现有技术中的机械除冰和电热除冰，减少了能量的消耗，降低了风电的运行成本和安全隐患，具有节能增效的效果。

23、2、本方案采用清洁的浅层地热能，不需要使用电力能源或化学药品，相较于现有技术中的超疏水涂层，本方案除冰效果更加稳定，且完全不会对环境产生二次污染，对环境友好。

24、3、本方案通过密封滑环和送回风筒的设置，实现了轮毂、叶片在自由旋转过程中除冰水的循环流通，改善了现有的地热能除冰装置技术中，机舱、轮毂、叶片自由旋转过程中水管的扭曲打结的难题，避免了现有技术中叶片内布管对叶片带来附加荷载，且不会对叶片造成损害，避免了机械振动和撞击对叶片造成的损伤。