海上风力发电机及其叶片保护及叶尖防损装置的制作方法

本实用新型涉及风力发电技术，特别涉及一种海上风力发电机及其叶片保护及叶尖防损装置。

背景技术：

由于一般设置在高山、海上等环境恶劣的地方，海上风力发电机的叶片很容易结冰。出现覆冰后，叶片表面气动特性将遭到破坏，会影响风力机的效率及安全运行。此外，当高速连续水滴撞击叶片表面时，会在叶片内部产生很大的内应力，随着内应力的聚集，会逐渐发展成为宏观缺陷(沙眼、沟槽状缺陷等)，严重危害叶片的使用效率和寿命。因此，为保障正常运行，需要消除叶片表面的覆冰及其内部的应力。

目前常用的覆冰去除的方法主要分为机械除冰、热力除冰和涂层除冰三大类。其中，机械除冰方法主要有人工敲击的直接除冰方式和利用超声波间接除冰方式，人工敲击法工作效率低，并且不能在线除冰，需要在机组停机情况下进行，影响发电效率；超声波除冰方法虽然能在线除冰，但是由于覆冰黏附力强，该方法较难实现覆冰去除。热力除冰方式通过对叶片进行加热来实现除冰，由于叶片的主要成分是玻璃纤维，绝热性强，热量很难在叶片中传递。涂层除冰方法是在叶片表面特殊材料来减弱覆冰与涂层表面的粘结力来实现叶片除冰，该方法除冰效果不佳，并且涂层会影响叶片表面的气动特性。

目前，消除风力机叶片内应力的方法主要是采用高弹性涂层材料的方法来减少材料内部应力聚集

然而，高弹性涂层的方法只能延缓叶片的腐蚀时间，并不能根本上消除叶片内应力。而且，现有的三种除冰方法都是在覆冰出现之后才进行覆冰去除，由于覆冰黏附力强，很难达到理想的覆冰去除效果。因此，当叶片出现覆冰或内应力后，现有方法再进行消除的效果均不是很好。

技术实现要素：

基于此，有必要提供一种能有效防止产生覆冰及内应力的海上风力发电机及其叶片保护及叶尖防损装置。

一种叶片保护及叶尖防损装置，包括：

设置于叶片表面、收集所述叶片受到的表面压力的压力传感器；

与所述压力传感器电连接、在所述表面压力满足预设条件时发出触发信号的信号分析器；

与所述信号分析器电连接、在获取所述触发信号后产生振动信号的控制器，所述振动信号中包含振动频率；及

设置于所述叶片内、与所述控制器电连接、根据所述振动信号以所述振动频率产生振动的振动器。

在其中一个实施例中，所述信号分析器在所述表面压力大于或等于第一预设压力且小于第二预设压力时发出第一触发信号；

所述控制器在获取所述第一触发信号后产生第一振动信号，所述振动频率为预设频率。

在其中一个实施例中，所述信号分析器在所述表面压力大于或等于所述第二预设压力时发出第二触发信号，并获取在预设时间段内所述叶片表面的受力频率；

所述控制器在获取所述第二触发信号后产生第二振动信号，所述振动频率为所述受力频率。

在其中一个实施例中，所述振动器包括依次串联的低频信号发生器、功率放大器及压电陶瓷片，所述压电陶瓷片嵌设于所述叶片内。

在其中一个实施例中，所述压力传感器为光纤光栅压力传感器。

一种海上风力发电机，包括：

叶片；及

如上述优选实施例中任一项所述的叶片保护及叶尖防损装置；其中，所述压力传感器设置于所述叶片的表面，所述振动器嵌设于所述叶片内。

在其中一个实施例中，所述压力传感器位于所述叶片远离其转动轴心的末端。

一种叶片保护及叶尖防损装置，用于防止海上风力发电机的叶片产生覆冰及内应力，所述叶片保护及叶尖防损装置包括：

设置于所述叶片表面的压力传感器；

与所述压力传感器电连接的比较器；

与所述比较器电连接的控制器；及

设置于所述叶片内、与所述控制器电连接的振动器。

上述海上风力发电机及其叶片保护及叶尖防损装置，压力传感器可感知到叶片受到的表面压力。当有飘雪或雨滴撞击叶片时，叶片受到的表面压力增大，直至满足预设条件时，从而发出触发信号。进一步的，控制器发出振动信号，设置于叶片内的振动器以振动频率产生振动。通过叶片的振动与高速旋转，可将撞击叶片的飘雪及雨滴甩落，防止其附着在叶片表面。而飘雪与过冷水滴，则是在叶片表面产生覆冰的主要原因。此外，叶片通过振动，可将雨滴撞击所产生的振动相抵消，从而防止内应力聚集于叶片内。因此，上述海上风力发电机及其叶片保护及叶尖防损装置能有效防止产生覆冰及内应力。

附图说明

图1为本实用新型一个实施例中海上风力发电机的结构意图；

图2为图1所示海上风力发电机中叶片保护及叶尖防损装置的模块示意图；

图3为图2所示叶片保护及叶尖防损装置中振动器的模块示意图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳的实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1及图2，本实用新型一个实施例中的海上风力发电机10包括叶片100及叶片保护及叶尖防损装置200。叶片保护及叶尖防损装置200包括压力传感器210、信号分析器220、控制器230及振动器240。

请参阅图1及图2，本发明一个实施例中的海上风力发电机10包括叶片100及叶片保护及叶尖防损装置200。叶片保护及叶尖防损装置200包括压力传感器210、信号分析器220、控制器230及振动器240。

压力传感器210设置于叶片100的表面。压力传感器210用于收集叶片100受到的表面压力。叶片100的表面压力主要由飘雪及雨滴的撞击产生，而飘雪及过冷雨滴是在叶片100上产生覆冰及内应力的主要原因。

具体的，压力传感器210用于将叶片100的表面压力转变成电信号。由于飘雪及雨滴对叶片100的撞击为断续的撞击，故叶片100的表面压力也呈断续的脉冲形式。因此，压力传感器210将表面压力转变成电脉冲信号。

在本实施例中，压力传感器210位于叶片100远离其转动轴心的末端。叶片100远离其转动轴心的末端为叶尖，叶尖转动的速度最快、转动范围最大，受撞击的概率及强度最高，故在叶尖位置产生覆冰及内应力的可能性也最高。因此，将压力传感器210设置于叶尖位置，能实现更有针对性的监控。

在本实施例中，压力传感器210为光纤光栅压力传感器。光纤光栅压力传感器相较于其它传感器(电阻、电容、电感等)识别精度更高，能准确识别对叶片100的撞击，从而提高压力采集的准确性。

信号分析器220与压力传感器210电连接。信号分析器220用于获取表面压力，并在表面压力满足预设条件时发出触发信号。具体的，信号分析器220可为比较器，压力传感器210的输出端接入比较器的输入端，比较器的标准端接标准电压，该标准电压对应预设的条件。信号分析器220可在输入端的电压大于和/或小于和/或等于标准电压时被触发。

控制器230与信号分析器220电连接。控制器230用于在获取触发信号后产生振动信号，振动信号中包含振动频率。具体的，触发信号为信号分析器220发出的电平信号。

请一并参阅图3，振动器240设置于叶片100内。振动器240与控制器230电连接，振动器240用于获取振动信号，并根据振动信号以振动频率产生振动。具体在本实施例中，振动器240包括依次串联的低频信号发生器241、功率放大器243及压电陶瓷片245，压电陶瓷片245嵌设于叶片100内。低频信号发生器241在接收到振动信号后，发出低频脉冲信号，功率放大器243对该低频脉冲信号进行放大，进而使得压电陶瓷片245起振。

叶片100通过振动与高速旋转，可将撞击叶片的飘雪及雨滴甩落，防止其附着在叶片表面，避免产生覆冰。此外，叶片100通过振动，可将雨滴撞击所产生的振动相抵消，从而防止内应力聚集于叶片100内。

在一个实施例中，信号分析器220在表面压力大于或等于第一预设压力且小于第二预设压力时发出第一触发信号。控制器230在获取第一触发信号后产生第一振动信号，振动频率为预设频率。

进一步的，在一个实施例中，信号分析器220在表面压力大于或等于第二预设压力时发出第二触发信号，并获在取预设时间段内，叶片表面的受力频率。控制器230在获取第二触发信号后产生第二振动信号，振动频率为受力频率。

其中，第一预设压力及第二预设压力为两个不同的预设条件。触发信号包括第一触发信号及第二触发信号。根据不同的触发信号，振动信号也包括第一振动信号及第二振动信号。

信号分析器220的功能可通过两个比较器及逻辑门电路实现。其中，两个比较器的标准端分别接与第一预设压力及第二预设压力对应的标准电压，输入端接压力传感器210。两个比较器的输出端分别接门电路器件，以形成比较电路。通过比较电路，便可根据比较器输入端接收的不同电脉冲信号，得到对应的触发信号。

飘雪与雨滴的密度不同，故对叶片100产生的撞击力度以及作用效果也不同。飘雪的密度较小，对叶片100的撞击力度较小，主要作用是在叶片100表面产生覆冰。而雨滴密度大，撞击力度大，在叶片100表面产生覆冰的同时，还会在叶片100内形成内应力。

显而易见的，第一预设压力小于第二预设压力。具体的，通过多次实验，获得飘雪撞击叶片所产生作用力的平均值，设置成第一预设压力；而获得雨滴撞击叶片100所产生作用力的平均值，设置成第二预设压力。

当检测到叶片100的表面压力大于或等于第一预设压力且小于第二预设压力时，则表示叶片100被飘雪撞击。此时，只需将附着于叶片100表面的飘雪振落即可。因此，控制器230发出的振动信号中，振动频率为预设频率。该预设频率为固定频率，且该固定频率经过多次实验获得，在该固定频率下振动，叶片100振动甩落飘雪的效果最佳且不会对叶片100造成损害。振动器240随即以该预设频率产生振动。

当检测到叶片100的表面压力大于第二预设压力，则表示叶片100被雨滴撞击。此时，不仅需要甩落附着于叶片100表面的雨滴，还需将雨滴撞击所产生的振动消除，以防止产生内应力。

而消除振动的效果，则与振动器240的振动频率及雨滴对叶片100的撞击频率有关。若振动器240的振动频率小于雨滴撞击频率，则叶片100区域内部残余的内应力和附加的振动应力的矢量不能完全抵消，叶片100内部会有残留应力。若振动器240的振动频率大于雨滴撞击频率，则会因为振动器240附加的应力过大而对叶片100产生损害。

因此，当雨滴撞击叶片100时，需要对振动器240的振动频率进行同步，以使振动频率等于雨滴的撞击频率(即叶片100表面的受力频率)，从而便能有效的消除雨滴撞击叶片产生的振动，防止产生内应力，且不对叶片100造成损害。

具体的，信号分析器220获取预设时间段内，压力传感器210发出的电脉冲信号，该电脉冲信号的频率即为叶片100的受力频率，也就是雨滴撞击叶片100的频率。进一步的，控制器230便以该受力频率作为振动频率。

通过上述设置，可根据雨势不同对振动器240的振动频率进行实时调整，使得振动器240的振动频率始终与雨滴的撞击频率保持一致，从而能有效的防止叶片100内产生内应力。

上述海上风力发电机10叶片保护及叶尖防损装置200，压力传感器210可感知到叶片受到的表面压力。当有飘雪或雨滴撞击叶片100时，叶片100受到的表面压力增大，直至满足预设条件时，从而发出触发信号。进一步的，控制器230发出振动信号，设置于叶片100内的振动器240以振动频率产生振动。通过叶片100的振动与高速旋转，可将撞击叶片100的飘雪及雨滴甩落，防止其附着在叶片100表面。而飘雪与过冷水滴，则是在叶片100表面产生覆冰的主要原因。此外，叶片100通过振动，可将雨滴撞击所产生的振动相抵消，从而防止内应力聚集于叶片100内。因此，海上风力发电机10及叶片保护及叶尖防损装置200能有效防止产生覆冰及内应力。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。