一种基于热泵技术回收机舱余热的风力发电机组及其叶片除冰系统

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种基于热泵技术回收机舱余热的风力发电机组及其叶片除冰系统。

背景技术

随着风力发电技术的进步，机组单机容量越来越大。与此同时，风力发电机组的散热量也相应增大。大容量风力发电机组运行过程中很多部件都会产生热量，主要散热部件包括齿轮箱、发电机和控制变频器等。散热部件散发的大量废热，会引起机舱内环境温度升高，进而威胁到各电子零器件的安全运行。传统的机舱散热主要通过加装风扇将热空气排至机舱外的方式实现，热量不能得到有效回收利用。

此外，风力发电机在温度低、湿度大、海拔高的条件下运行时，叶片容易发生结冰现象，导致叶片气动性能降低，进而降低功率输出，甚至被迫停机。叶片结冰还会增加额外载荷，长期运行将降低机组使用寿命。叶片结冰后还可能发生甩冰现象，危害人身及设备安全。传统的叶片防/除冰技术主要采用在叶片前缘铺设电加热元器件(电阻丝或导电片等)或者在叶片根部及周围区域安装空气加热系统(电加热器和鼓风机等)，导致风电机组自身耗电量显著增加。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明旨在提供一种基于热泵技术回收机舱余热的风力发电机组及其叶片除冰系统，通过回收利用机舱散热部件的低品位余热，有效的预防或消除叶片结冰现象，不仅能够提升风力发电机组的运行安全性，同时保证了风力发电机组的运行经济性。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于热泵技术回收机舱余热的风力发电机组及其叶片除冰系统，包括机舱余热回收除冰系统，所述机舱余热回收除冰系统包括设置在机舱出风口的引风机，所述引风机用于汇集机舱流出的低品位热源空气进入蒸发器，所述蒸发器用于冷却低品位热源空气形成冷空气；所述蒸发器的口连接冷凝器入口，所述冷凝器用于接收蒸发器送出的冷空气，冷空气在冷凝器中吸收热源能量后升温转变为高品位热源；高品位热源通过送风机送至风轮；所述风轮的叶片内设置有换热管，所述换热管用于接收送风机引入的高品位热源。

优选的，本风力发电机组及其叶片除冰系统，还包括压缩机和膨胀阀，所述冷凝器的制冷剂出口连接至膨胀阀的入口，所述膨胀阀的出口连接至蒸发器的制冷剂入口，所述蒸发器的制冷剂出口连接至压缩机的制冷剂入口，所述压缩机的制冷剂出口连接至冷凝器的制冷剂入口。

优选的，本风力发电机组及其叶片除冰系统，所述制冷剂经过压缩机后成为高温高压制冷剂气体，进入冷凝器放热后成为高压的饱和或过冷液体，经膨胀阀后成为低压低温的制冷剂液，再经过蒸发器吸收热量后成为低压高温制冷剂气体，低压高温制冷剂气体经压缩机压缩后输送至冷凝器。

优选的，本风力发电机组及其叶片除冰系统，所述风轮的轮毂内设置有两组环形集箱，分别用于实现加热叶片的热空气的分流与加热叶片后的冷空气的汇集。

优选的，本风力发电机组及其叶片除冰系统，所述蒸发器和冷凝器为翅片换热器或管壳式换热器。

优选的，本风力发电机组及其叶片除冰系统，所述制冷剂为无机化合物、氟化物纯工质、碳氢化合物或混合制冷剂。

优选的，本风力发电机组及其叶片除冰系统，所述制冷剂为R142b、R134a或R22。

优选的，本风力发电机组及其叶片除冰系统，所述机舱的空气进口和/或出口设置有空气流量调节阀门。

优选的，本风力发电机组及其叶片除冰系统，所述冷凝器的制冷剂回路上设置有制冷剂量调节阀门。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明采用热泵技术，实现了低品位的机舱余热的回收利用，同时降低了机舱环境温度。本发明采用热泵技术，提升机舱余热的能量品质后用其对叶片加热，可以预防或消除叶片结冰，提高了风电机组运行的经济性。通过调节空气流量、制冷剂量以及机舱外进风量等参数，控制机舱环境温度与叶片温度分别处在安全、合理的范围。本发明利用机舱余热对叶片加热除冰，提高了风电机组运行的安全性。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明的风轮内部换热管示意图。

其中各附图标记的含义如下：

1、机舱；2、引风机；3、蒸发器；4、冷凝器；5、送风机；6、风轮；7、压缩机；8、膨胀阀。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作更详细的说明。

如图1所示，一种基于热泵技术回收机舱余热的风力发电机组及其叶片除冰系统，包括机舱余热回收除冰系统，所述机舱余热回收除冰系统包括设置在机舱1出风口的引风机2，所述引风机2用于汇集机舱1流出的低品位热源空气进入蒸发器3，所述蒸发器3用于冷却低品位热源空气形成冷空气；所述蒸发器3的口连接冷凝器4入口，所述冷凝器4用于接收蒸发器3送出的冷空气，冷空气在冷凝器4中吸收热源能量后升温转变为高品位热源；高品位热源通过送风机5送至风轮6；所述风轮6的叶片内设置有换热管，在本发明的某一优选实施例中，换热管沿风轮6叶片内表面布置，用于对叶片进行热空气的间接加热，所述换热管用于接收送风机5引入的高品位热源。

如图1所示，本发明还包括压缩机7和膨胀阀8，所述冷凝器4的制冷剂出口连接至膨胀阀8的入口，所述膨胀阀8的出口连接至蒸发器3的制冷剂入口，所述蒸发器3的制冷剂出口连接至压缩机7的制冷剂入口，所述压缩机7的制冷剂出口连接至冷凝器4的制冷剂入口，所述制冷剂经过压缩机7后成为高温高压制冷剂气体，进入冷凝器4放热后成为高压的饱和或过冷液体，经膨胀阀8后成为低压低温的制冷剂液，再经过蒸发器3吸收热量后成为低压高温制冷剂气体，低压高温制冷剂气体经压缩机7压缩后输送至冷凝器4。

在本发明的某一优选实施例中，所述蒸发器3和冷凝器4为翅片换热器或管壳式换热器。所述制冷剂为无机化合物、氟化物纯工质、碳氢化合物或混合制冷剂。在本发明的某一优选实施例中，所述制冷剂为R142b、R134a或R22。

本发明的系统在使用过程中分为空气流程和制冷剂流程，其中：

所述空气流程为：经机舱1汇集流出的低品位热源空气通过引风机2进入蒸发器3。经过蒸发器3中冷源的冷却后，热空气温度降低形成冷空气。冷空气进入冷凝器4，在冷凝器4中吸收热源能量后升温转变为高品位热源，再经送风机5送至风轮6去加热叶片。

所述制冷剂流程为：制冷剂经过所述压缩机7后成为高温高压制冷剂气体，进入冷凝器4放热后成为高压的饱和或过冷液体，再经膨胀阀8后成为低压低温的制冷剂液，再经过蒸发器3吸收热量后成为低压高温制冷剂气体，最后再经压缩机7压缩循环利用。

在本发明的优选实施例中，所述机舱1的空气进口和/或出口设置有空气流量调节阀门，所述冷凝器4的制冷剂回路上设置有制冷剂量调节阀门，通过设置空气流量调节阀门和制冷剂量调节阀门控制系统的运行功率，控制机舱环境温度与叶片温度处在安全合理的范围。

在本发明的某一优选实施例中，所述风轮6的轮毂内设置有两组环形集箱，用于实现加热叶片的热空气的分流与加热叶片后的冷空气的汇集，风轮的叶片内设置有换热管，换热管用于接收送风机引入的高品位热源。

本发明的一种基于热泵技术回收机舱余热的风力发电机组及其叶片除冰系统，其工作原理为：采用热泵技术，将低品位的机舱余热进行回收并提高能量品质，然后利用其对叶片加热，从而预防或消除叶片结冰现象；通过调节空气流量、制冷剂量以及机舱外进风量等参数，控制机舱环境温度与叶片温度分别处在安全、合理的范围。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。