本发明涉及一种风机叶片分区电热除冰装置，属于风力发电技术领域。
背景技术：
寒冷地区更高的空气密度会带来大约10％的额外发电量，因此风电场多建设在高纬度、高海拔的寒冷地区。这些地区冬季由于气温低、空气湿度大，极易造成风力发电机叶片覆冰。
叶片覆冰改变叶片外型而使其气动性能改变，严重影响着风机的输出效率。同时,由于覆冰的增加,不仅叶片负荷加重严重影响其机械强度，而且叶片质量分布的不平衡,会产生不对称载荷,引发机械故障甚至停机。因此，针对风力发电机叶片除冰技术的研究具有重大现实意义。
现在存在的防除冰技术主要有：气热除冰，电热除冰，机械除冰，超声波除冰，电脉冲除冰以及疏水涂层防冰等等。其中以美国通用电气公司发明的热鼓风机除冰方式最具代表性，并且该方法在encrocn公司已经有应用实例，通过鼓风装置将工业加热装置产生的热量以热空气形式在叶片内循环，实现热风循环传热除冰，但热鼓风机大大增加了叶片载荷，同时传热效率低下。此外各国研究人员针对其他除冰方式也做了相关研究，也提出了相应措施。
但目前尚未有一种完善的叶片除冰控制装置。风机覆冰问题已经严重阻碍国内外风电产业的发展。因而探究风机叶片的覆冰特性及规律，探寻合理高效的风机除冰装置已迫在眉睫。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是：本发明提供一种风机叶片分区电热除冰装置，用于克服现有风电场叶片除冰方法效率低下，能耗大等不足。
本发明技术方案是：一种风机叶片分区电热除冰装置，包括分区除冰控制柜1、外部结冰传感检测装置、石墨烯电热膜2、电控开关以及太阳能光伏板13；所述外部结冰传感检测装置与分区除冰控制柜1连接用于实时监测风机叶片上各加热分区的结冰情况并反馈给分区除冰控制柜1，分区除冰控制柜1收到某分区反馈的结冰信号后，分区除冰控柜1通过电控开关控制该结冰区域石墨烯电热膜2对各加热分区进行单区域电热除冰；石墨烯电热膜2设置在风机叶片叶根部分是纵向布置于叶片内，石墨烯电热膜2设置在风机叶片叶尖部分是设置叶片前缘和后缘，叶片前缘和后缘中间用横向条状石墨烯电热膜2连接。分区石墨烯电热膜2在结冰分区进行一定时间电加热后，冰面与叶片之间会产生水膜间隙，从而使积冰粘附力降低，通过风机变桨系统和偏航系统进行一定范围内的变速运动，叶片产生颤震从而抖落加热后附着力变低的冰层。
作为本发明的进一步方案，风机叶片从叶根至叶尖依次划分为加热分区ⅰ9、加热分区ⅱ10、加热分区ⅲ11和加热分区ⅳ12，所述外部结冰传感检测装置包括安装在各加热分区内的分区一结冰传感器3，分区二结冰传感器4、分区三结冰传感器5和分区四结冰传感器6，分区一结冰传感器3，分区二结冰传感器4、分区三结冰传感器5和分区四结冰传感器6依次分别设置在加热分区ⅰ9、加热分区ⅱ10、加热分区ⅲ11和加热分区ⅳ12上；加热分区ⅰ9位于叶片根部，采用十根长条形石墨烯电热膜2纵向布置于叶片内，加热分区ⅱ10、加热分区ⅲ11、加热分区ⅳ12均位于靠近叶尖处，采用阶梯状布置，两侧石墨烯电热膜2用于加热叶片前缘和后缘，中间用横向条状石墨烯电热膜2连接，横向条状石墨烯电热膜2数量由加热分区ⅳ12至加热分区ⅲ11、加热分区ⅱ10依次递减。
作为本发明的进一步方案，所述外部结冰传感检测装置采用若干个结冰传感器，型号为model9734-system。model9734-system重量轻,易于安装,结构紧凑，能完全独立运行。
作为本发明的进一步方案，所述石墨烯电热膜2柔性与稳定性绝佳，温度面均衡易控制，防水防腐蚀性强，耐压耐侯性好，且安全环保不易燃，其电能与热能的转换率高达98％以上。
作为本发明的进一步方案，所述太阳能光伏板13安装在机舱15顶部，产生电量存储至机舱内电能储能设备中，作为供电系统，风机维护人员能通过机舱15上方设置的维护通道14，对太阳能光伏板13进行维修维护。
作为本发明的进一步方案，所述分区除冰控制柜1采用plc控制并安装于塔筒底部，便于工作人员使用与维护，分区除冰控制柜1接收外部传感检测装置的监测数据并通过轮毂中的电滑轮将不同加热分区的控制电信号传输到风机叶片相应加热分区，控制石墨烯电热膜2工作。
作为本发明的进一步方案，所述电控开关分别与分区除冰控制柜1、石墨烯电热膜2连接；分区除冰控柜1控制叶根加热分区内的石墨烯电热膜2对单区域电热除冰的方式如下：
当设置在风机叶片根部的加热分区ⅰ9上的分区一结冰传感器3反馈结冰信号时，电控开关k1、k2均闭合，设置在加热分区ⅰ9内纵向布置的长条状石墨烯电热膜2均加热；
当分区一结冰传感器3无反馈结冰信号，设置在依次靠近风机叶尖部分的加热分区ⅱ10、加热分区ⅲ11和加热分区ⅳ12有反馈结冰信号时，电控开关k1、k2定时交替闭合，保证风机叶片根部的加热分区ⅰ9上设置的石墨烯电热膜2间隔交替加热；
当所有加热分区均未反馈结冰信号时，电控开关k1、k2均打开，石墨烯电热膜2均不加热。
本发明的有益效果是：
1、本发明根据各加热分区反馈的结冰信号，针对性的对结冰的分区独立电加热除冰，能大大降低非结冰分区的能量投入，提高整体除冰效率；
2、本发明依据电加热冰面与叶片之间会产生水膜间隙，从而使积冰粘附力降低的原理，通过风机变桨系统和偏航系统进行一定范围内的变速运动，在叶片产生颤震能，有效的将覆冰抖落，大大提高除冰效率。
3、本发明使用石墨烯电热膜进行加热，石墨烯电热膜稳定性好，温度面均衡易控制，防水防腐蚀性强，电能与热能的转换率高达98％以上，每个加热分区石墨烯电热膜单独控制，并根据叶片结冰主要集中在靠近叶尖的叶片前后缘处的特点，在靠近叶尖的加热分区ⅱ，ⅲ、ⅳ石墨烯电热膜均采用阶梯状布置，根据叶尖更易结冰，结冰厚度大的特点，横向条状石墨烯电热膜数量由加热分区ⅳ至加热分区ⅲ、加热分区ⅱ依次递减。实现了重点区域的重点照顾，提高除冰效率，降低整体除冰系统的能耗；
4、本发明在对靠近叶根的加热分区ⅰ，利用电控开关k1,k2实现对不同结冰状况下不同模式的选择，对于结冰不严重的情况，减少石墨烯电热膜工作数量，减少了不必要的能量损耗，达到降低除冰系统整体能耗的作用；
5、本发明能实现重点区域的高效除冰，不仅大大降低了非结冰区域的非必要能耗而且提高了除冰效率，整体更加高效、节能，本发明能够在大大降低能耗的前提下达到良好的除冰效果。
附图说明
图1是本发明分区电热除冰装置控制框图；
图2是本发明一种实施例结构示意图；
图3是本发明图2单叶片布置结构放大图；
图4是本发明实例风机叶片的叶尖石墨烯电热膜布置侧切面图；
图5是本发明实例风机叶片的叶根石墨烯电热膜布置侧切面图；
图6是本发明机舱顶部太阳能光伏板布置图；
图1-6中各标号：1-分区除冰控制柜，2-石墨烯电热膜，3-分区一结冰传感器，4-分区二结冰传感器，5-分区三结冰传感器，6-分区四结冰传感器，7-电控开关k1，8-电控开关k2，9-加热分区ⅰ，10-加热分区ⅱ，11-加热分区ⅲ，12-加热分区ⅳ，13-太阳能光伏板，14-维护通道，15-机舱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。
实施例：如图1-6所示，一种风机叶片分区电热除冰装置，包括分区除冰控制柜1、外部结冰传感检测装置、石墨烯电热膜2、电控开关以及太阳能光伏板13；所述外部结冰传感检测装置与分区除冰控制柜1连接用于实时监测风机叶片上各加热分区的结冰情况并反馈给分区除冰控制柜1，分区除冰控制柜1收到某分区反馈的结冰信号后，分区除冰控柜1通过电控开关控制该结冰区域石墨烯电热膜2对各加热分区进行单区域电热除冰；石墨烯电热膜2设置在风机叶片叶根部分是纵向布置于叶片内，石墨烯电热膜2设置在风机叶片叶尖部分是设置叶片前缘和后缘，叶片前缘和后缘中间用横向条状石墨烯电热膜2连接。分区石墨烯电热膜2在结冰分区进行一定时间电加热后，冰面与叶片之间会产生水膜间隙，从而使积冰粘附力降低，通过风机变桨系统和偏航系统进行一定范围内的变速运动，叶片产生颤震从而抖落加热后附着力变低的冰层，提高整个除冰装置的效率。
作为本发明的进一步方案，风机叶片从叶根至叶尖依次划分为加热分区ⅰ9、加热分区ⅱ10、加热分区ⅲ11和加热分区ⅳ12，所述外部结冰传感检测装置包括安装在各加热分区内的分区一结冰传感器3，分区二结冰传感器4、分区三结冰传感器5和分区四结冰传感器6，分区一结冰传感器3，分区二结冰传感器4、分区三结冰传感器5和分区四结冰传感器6依次分别设置在加热分区ⅰ9、加热分区ⅱ10、加热分区ⅲ11和加热分区ⅳ12上；加热分区ⅰ9位于叶片根部，采用十根长条形石墨烯电热膜2纵向布置于叶片内，加热分区ⅱ10、加热分区ⅲ11、加热分区ⅳ12均位于靠近叶尖处，采用阶梯状布置，对靠近叶尖加热分区内的叶片前缘和后缘等主要结冰区域布置石墨烯电热膜2，实现重点区域的重点布置，前缘和后缘中间用横向条状石墨烯电热膜2连接，并根据叶尖至叶根结冰严重程度逐渐降低的特点，横向条状石墨烯电热膜2数量由加热分区ⅳ12至加热分区ⅲ11、加热分区ⅱ10依次递减。
作为本发明的进一步方案，所述外部结冰传感检测装置采用若干个结冰传感器，型号为model9734-system。model9734-system重量轻,易于安装,结构紧凑，能完全独立运行。
作为本发明的进一步方案，所述石墨烯电热膜2柔性与稳定性绝佳，温度面均衡易控制，防水防腐蚀性强，耐压耐侯性好，且安全环保不易燃，其电能与热能的转换率高达98％以上。
作为本发明的进一步方案，所述太阳能光伏板13安装在机舱15顶部，产生电量存储至机舱内电能储能设备中，作为供电系统，风机维护人员能通过机舱15上方设置的维护通道14，对机舱15顶部太阳能光伏板13进行维修维护。
作为本发明的进一步方案，所述分区除冰控制柜1采用plc控制并安装于塔筒底部，便于工作人员使用与维护，分区除冰控制柜1接收外部传感检测装置的监测数据并通过轮毂中的电滑轮将不同加热分区的控制电信号传输到风机叶片相应加热分区，控制石墨烯电热膜2工作。
作为本发明的进一步方案，所述电控开关分别与分区除冰控制柜1、石墨烯电热膜2连接；所述电控开关包括k1,k2，控制加热分区ⅰ9内纵向布置的长条形石墨烯电热膜2工作状态；
分区除冰控柜1控制叶根加热分区内的石墨烯电热膜2对单区域电热除冰的方式如下：
当设置在风机叶片根部的加热分区ⅰ9上的分区一结冰传感器3反馈结冰信号时，电控开关k1、k2均闭合，设置在加热分区ⅰ9内纵向布置的长条状石墨烯电热膜2均加热；
当分区一结冰传感器3无反馈结冰信号，设置在依次靠近风机叶尖部分的加热分区ⅱ10、加热分区ⅲ11和加热分区ⅳ12有反馈结冰信号时，电控开关k1、k2定时交替闭合，保证风机叶片根部的加热分区ⅰ9上设置的石墨烯电热膜2间隔交替加热；如图5所示，设置在加热分区ⅰ9内纵向布置的长条状石墨烯电热膜2有10条，间隔交替加热的意思可以这样理解，电控开关k1控制其中第1、3、5、7、9条石墨烯电热膜2加热，下一时间，电控开关k2控制其中第2、4、6、8、10条石墨烯电热膜2加热，依次循环交替加热。
当所有加热分区均未反馈结冰信号时，电控开关k1、k2均打开，石墨烯电热膜2均不加热。
叶尖部分设置的石墨烯电热膜2采用每个叶尖分区对应设置的另外的电控开关控制，当哪个叶尖分区有结冰信号需要加热时，把哪个分区对应设置的电控开关打开，哪个叶尖部分对应设置的石墨烯电热膜2加热；
当哪个叶尖分区无结冰信号不需要加热时，把哪个分区对应设置的电控开关关闭，哪个叶尖部分对应设置的石墨烯电热膜2不加热；
作为本发明的进一步说明，所述石墨烯电热膜2稳定性好，温度面均衡易控制，防水防腐蚀性强，电能与热能的转换率高达98％以上，每个加热分区石墨烯电热膜2单独控制，并根据叶片结冰主要集中在靠近叶尖的叶片前后缘处，既靠近叶尖的加热分区ⅱ10，加热分区ⅲ11、加热分区ⅳ12石墨烯电热膜2均采用阶梯状布置，根据叶尖更易结冰，结冰厚度大的特点，横向条状石墨烯电热膜2数量由加热分区ⅳ12至加热分区ⅲ11、加热分区ⅱ10依次递减。实现了重点区域的重点照顾，提高除冰效率，降低整体除冰系统的能耗。
本发明的工作原理是：
本发明采用通过结冰传感器实时监测风机叶片上各加热分区的结冰情况并反馈给分区除冰控制柜1，分区除冰控制柜1收到某分区反馈的结冰信号后，控制该结冰区域石墨烯电热膜2进行单区域独立电加热除冰，一定时间后风机变桨系统和偏航系统进行一定范围内的变速运动，叶片产生颤震抖落加热后附着力低的冰层的主动式除冰方式。
所述风机叶片从叶根至叶尖依次划分为加热分区ⅰ9，加热分区ⅱ10、加热分区ⅲ11以及加热分区ⅳ12，加热分区ⅰ9位于叶片根部，采用十根长条状石墨烯电热膜2纵向布置于叶片内，加热分区ⅱ10、加热分区ⅲ11、加热分区ⅳ12均位于靠近叶尖，根据叶片结冰主要集中在靠近叶尖的叶片前后缘处的特点，在靠近叶尖的加热分区ⅱ10，加热分区ⅲ11、加热分区ⅳ12石墨烯电热膜2均采用阶梯状布置，根据叶尖更易结冰，结冰厚度大的特点，横向条状石墨烯电热膜2数量由加热分区ⅳ12至加热分区ⅲ11、加热分区ⅱ10依次递减。实现了重点区域的重点照顾，提高了除冰效率，降低了整体除冰系统的能耗。
对于分区二、三、四加热分区靠近叶尖，半径大，旋转的线速度就大，撞击到叶片上的水滴就会发生横向流动，造成横向结冰，所以叶尖电热膜横向布置，越靠近叶尖的分区，结冰会越严重，所以横向布置的电热膜由二、三、四依次增多，即越靠近叶尖布置间距越小。叶片前缘和后缘是结冰的重点区域，分区二、三、四均在前缘和后缘布置了电热膜。对于分区一靠近叶根，旋转线速度慢，撞击到叶片上的水滴就会纵向流动，造成纵向结冰，故叶根电热膜采用纵向布置。
通过控制加热分区ⅰ9内纵向布置的长条状石墨烯电热膜2工作状态，对于结冰不严重的情况，减少石墨烯电热膜2工作数量，减少了不必要的能量损耗，达到降低除冰系统整体能耗的作用。
所述分区电热除冰装置在结冰分区进行一定时间电加热后，冰面与叶片之间会产生水膜间隙，从而使积冰粘附力降低，通过风机变桨系统和偏航系统进行一定范围内的变速运动，叶片产生的颤震能有效的将覆冰抖落，提高整个除冰装置的效率。
上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
1.一种风机叶片分区电热除冰装置，其特征在于：包括分区除冰控制柜(1)、外部结冰传感检测装置、石墨烯电热膜(2)、电控开关以及太阳能光伏板(13)；所述外部结冰传感检测装置与分区除冰控制柜(1)连接用于实时监测风机叶片上各加热分区的结冰情况并反馈给分区除冰控制柜(1)，分区除冰控柜(1)通过电控开关控制石墨烯电热膜(2)对各加热分区进行单区域电热除冰；石墨烯电热膜(2)设置在风机叶片叶根部分是纵向布置于叶片内，石墨烯电热膜(2)设置在风机叶片叶尖部分是设置叶片前缘和后缘，叶片前缘和后缘中间用横向条状石墨烯电热膜(2)连接。
2.根据权利要求1所述的风机叶片分区电热除冰装置，其特征在于：风机叶片从叶根至叶尖依次划分为加热分区ⅰ(9)、加热分区ⅱ(10)、加热分区ⅲ(11)和加热分区ⅳ(12)；加热分区ⅰ(9)位于叶片根部，采用若干根长条形石墨烯电热膜(2)纵向布置于叶片内，加热分区ⅱ(10)、加热分区ⅲ(11)、加热分区ⅳ(12)均位于靠近叶尖处，采用阶梯状布置，两侧石墨烯电热膜(2)用于加热叶片前缘和后缘，中间用横向条状石墨烯电热膜(2)连接，横向条状石墨烯电热膜(2)数量由加热分区ⅳ(12)至加热分区ⅲ(11)、加热分区ⅱ(10)依次递减。
3.根据权利要求1所述的风机叶片分区电热除冰装置，其特征在于：所述外部结冰传感检测装置采用若干个结冰传感器，型号为model9734-system。
4.根据权利要求1所述的风机叶片分区电热除冰装置，其特征在于：所述太阳能光伏板(13)安装在机舱(15)顶部，产生电量存储至机舱内电能储能设备中，作为供电系统，风机维护人员能通过机舱(15)上方设置的维护通道(14)，对太阳能光伏板(13)进行维修维护。
5.根据权利要求1所述的风机叶片分区电热除冰装置，其特征在于：所述电控开关分别与分区除冰控制柜(1)、石墨烯电热膜(2)连接；分区除冰控柜(1)控制叶根加热分区内的石墨烯电热膜(2)对单区域电热除冰的方式如下：
当设置在风机叶片根部的加热分区ⅰ(9)上的分区一结冰传感器(3)反馈结冰信号时，电控开关k1(7)、k2(8)均闭合，设置在加热分区ⅰ(9)内纵向布置的长条状石墨烯电热膜(2)均加热；
当分区一结冰传感器(3)无反馈结冰信号，设置在依次靠近风机叶尖部分的加热分区ⅱ(10)、加热分区ⅲ(11)和加热分区ⅳ(12)有反馈结冰信号时，电控开关k1(7)、k2(8)定时交替闭合，保证风机叶片根部的加热分区ⅰ(9)上设置的石墨烯电热膜(2)间隔交替加热；
当所有加热分区均未反馈结冰信号时，电控开关k1(7)、k2(8)均打开，石墨烯电热膜(2)均不加热。
技术总结