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CN113236512B - 一种优化的风力机叶片除冰方法 - Google Patents

一种优化的风力机叶片除冰方法 Download PDF

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CN113236512B CN202110778698.XA CN202110778698A CN113236512B CN 113236512 B CN113236512 B CN 113236512B CN 202110778698 A CN202110778698 A CN 202110778698A CN 113236512 B CN113236512 B CN 113236512B
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Abstract

本发明适用于风力机叶片防除冰领域，尤其是涉及一种优化的风力机叶片除冰方法，将风力机叶片划分为高/低功率持续加热区、周期性加热区；通过设定叶片表面温度的初始值，计算所需的电流热量；采用该电流热率进行试验，调整该电流热率值，得到最佳的低/高功率持续加热区所需的电热流率；再采用这两个最佳值试验得到周期性加热区的积累冰形，根据积累冰形进行仿真计算得到覆冰合力，令积冰粘附力等于覆冰合力，计算得到周期性加热区表面温度，进而得到周期性加热区所需的电热流率；最后采用通过试验和模拟得到的各区的最佳热流率值分别控制各个区进行除冰。本发明能够在达到有效除冰目的的基础上降低能耗，提高风电场的经济收益。

Description

一种优化的风力机叶片除冰方法
技术领域
本发明涉及风力机叶片防除冰领域，尤其是涉及一种优化的风力机叶片除冰方法。
背景技术
近些年，随着风电市场的快速发展，寒冷气候条件下的风能资源利用得到越来越多的关注。然而在寒冷气候地区，风力机因结冰导致的叶片气动性能降低、风轮附加震动、控制策略失效、冰脱落威胁等已成为限制寒冷气候条件下风能利用的核心瓶颈。
风力机的叶片长时间结冰存在很多问题：叶片结冰增加了风力机重量，对风力机悬挂机构增加受力，同时结冰影响了叶片外形形状，增加了转动阻力，大大降低了风力机发电效率。特别是在风力机高速转动中，由于每个叶片结冰重量的不同，容易造成整个风力机系轮毂不平衡情况，加剧了传动系统磨损，降低了风力机工作寿命。
目前较为成熟的风力机除冰方法采用电加热，叶片内部安装大型电热吹风机进行叶片内部加热，或者，叶片外部重点区域安装加热膜进行外部加热除冰。现有的电加热除冰方式都需要使用风机外的电网电源来给加热器进行供电加热。由于电加热所需要的功率较高，所以能耗较大。一般会影响风力发电机组及风电场的发电量，并且增加了机组的消耗电量，影响风电场的经济收益。
发明内容
为了降低风力发电机除冰的能耗，提高风电场的经济收益，本发明提供一种优化的风力机叶片除冰方法，首先对风机叶片进行分区控制，通过模拟和试验，得到每个区最佳的电热流率，采用最佳的电热流率进行控制电加热除冰，从而能够最大限度地降低除冰能耗，提高风电场的经济收益。
一种优化的风力机叶片除冰方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10. 将风力机叶片进行区域划分，划分为高功率持续加热区、低功率持续加热区、周期性加热区；
S20. 计算所述低功率持续加热区和所述高功率持续加热区的所需的电热流率；
S201. 设定叶片表面温度TS的初始值，计算所需的电热流率qrequired；
S203. 采用电热流率qrequired对高功率持续加热区和低功率持续加热区加热进行试验，调整加热的电热流率，得到最佳的低功率持续加热区所需的电热流率qrequired-L和最佳的高功率持续加热区所需的电热流率qrequired-H；
S30. 计算所述周期性加热区所需的加热流率；
S301. 以最佳的低功率持续加热区所需的电热流率qrequired-L和最佳的高功率持续加热区所需的电热流率qrequired-H对所述低功率持续加热区和所述高功率持续加热区加热，周期性加热区不加热，得到周期性加热区的积累冰形;
S302. 根据所述积累冰形进行仿真计算得到覆冰合力FC；
S303. 令FC=Fad，计算周期性加热区表面温度TS-C; 其中Fad为积冰粘附力：
Figure 175833DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 806665DEST_PATH_IMAGE002
为冰的融化点温度；K是开氏温度；
S304. 根据周期性加热区表面温度TS-C计算周期性加热区所需的电热流率qrequired-C；
S40. 分别采用最佳的低功率持续加热区所需的电热流率qrequired-L、最佳的高功率持续加热区所需的电热流率qrequired-H和周期性加热区所需的电热流率qrequired-C控制所述低功率持续加热区、高功率持续加热区、周期性加热区进行除冰。
进一步地，所述步骤S201中，电热流率qrequired的计算公式为：
Figure 334074DEST_PATH_IMAGE003
其中
Figure 149583DEST_PATH_IMAGE004
为控制单元热损失，
Figure 437476DEST_PATH_IMAGE005
为加热材料的导热系数
Figure 465475DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 178216DEST_PATH_IMAGE007
为电热单元厚度，
Figure 836731DEST_PATH_IMAGE008
为第j层材料的热导率，
Figure 877499DEST_PATH_IMAGE009
为第j层材料的厚度，n为材料的总层数，其中，第1到h-1层以及第h+1层到第n层材料为不加热的隔热层，第h层为加热层，
Figure 256659DEST_PATH_IMAGE010
为内部表面的对流换热系数
Figure 496010DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure 653322DEST_PATH_IMAGE012
为表面温度，
Figure 912878DEST_PATH_IMAGE013
为内部的环境温度；
所述步骤S304中，令TS=TS-C，采用电热流率qrequired的计算公式计算得到周期性加热区所需的电热流率qrequired-C。
进一步地，所述步骤S203中，调整加热的电热流率的方法为：
观察试验过程中作为试验区的所述高功率持续加热区和低功率持续加热区的结冰情况，若能保持无冰，则降低电热流率；若不能保持无冰，则提高电热流率，直至试验区刚好能保持无冰状态，记录此时所述高功率持续加热区和低功率持续加热区所采用的电热流率分别为最佳的高功率持续加热区所需的电热流率qrequired-H和最佳的低功率持续加热区所需的电热流率qrequired-L。
进一步地，所述步骤S302中，所述覆冰合力FC的计算公式为：
Figure 485942DEST_PATH_IMAGE014
；
其中
Figure 173275DEST_PATH_IMAGE015
为气流场作用于当前计算单元覆冰的法向力，
Figure 970330DEST_PATH_IMAGE016
为气流场作用于当前计算单元覆冰的切向力，
Figure 720111DEST_PATH_IMAGE017
为当前计算单元覆冰因叶片旋转产生的离心力。
进一步地，所述步骤S40中，采用电流作为参数进行控制。
进一步地，采用最佳的周期性加热区所需的电热流率qrequired-C-E控制周期性加热区进行除冰，其中
Figure 159183DEST_PATH_IMAGE018
。
进一步地，所述积累冰形为自行脱落前的临界冰形。
进一步地，其特征在于，所述高功率持续加热区位于叶片前缘处；所述低功率持续加热区位于叶片覆冰极限处；叶片上其余位置至少部分为周期性加热区。
进一步地，在叶片表面涂覆疏水性涂层。
采用本发明的优化的风力机叶片除冰方法，相比于现有技术，至少具有以下有益效果：
1. 本发明采用分区控制除冰的方法，相比于采用相同的除冰功率的除冰方式，降低了除冰的能耗；
2. 本发明通过试验和模拟计算，得到最佳的各区的加热控制参数，能够在达到有效除冰目的的基础上降低能耗，提高风电场的经济收益。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的风力机叶片区域划分示意图。
图中，1-风力机叶片，2-低功率持续电加热单元，3-周期性电加热单元，4-高功率持续电加热单元，5-疏水性涂层。
具体实施方式
以下的说明提供了许多不同的实施例、或是例子，用来实施本发明的不同特征。以下特定例子所描述的元件和排列方式，仅用来精简的表达本发明，其仅作为例子，而并非用以限制本发明。
一种优化的风力机叶片除冰方法，包括以下步骤：
S10. 将风力机叶片1进行区域划分，划分为高功率持续加热区、低功率持续加热区和周期性加热区；相应地，在高功率持续加热区设置高功率持续电加热单元4，在低功率持续加热区设置低功率持续电加热单元2，在周期性加热区设置周期性电加热单元3；
如图1所示，高功率持续加热区位于叶片前缘处；低功率持续加热区位于叶片覆冰极限处；叶片上其余位置至少部分为周期性加热区；也就是说，除了高功率持续加热区和低功率持续加热区以外的其余叶片可都设置为周期性加热，也可部分设置为周期性加热区，例如在叶片中段到叶片根部的位置可以不设置加热区。
S20. 计算低功率持续加热区和高功率持续加热区的所需的电热流率；
S201. 设定叶片表面温度TS的初始值，计算所需的电热流率qrequired，计算公式为：
Figure 169864DEST_PATH_IMAGE019
；（1）
其中
Figure 341082DEST_PATH_IMAGE004
为控制单元热损失，
Figure 843739DEST_PATH_IMAGE005
为加热材料的导热系数
Figure 820922DEST_PATH_IMAGE006
，为电热单元厚度，为第j层材料的热导率，
Figure 951689DEST_PATH_IMAGE009
为第j层材料的厚度，n为材料的总层数，其中，第1到h-1层以及第h+1层到第n层材料为不加热的隔热层，第h层为加热层，
Figure 293809DEST_PATH_IMAGE010
为内部表面的对流换热系数
Figure 18182DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure 799057DEST_PATH_IMAGE021
为表面温度，
Figure 784330DEST_PATH_IMAGE022
为内部的环境温度。
S203. 采用计算所得的电热流率qrequired对高功率持续加热区和低功率持续加热区加热进行试验，在试验的过程中根据试验现象所施加的电热流率，得到最佳的低功率持续加热区所需的电热流率qrequired-L和最佳的高功率持续加热区所需的电热流率qrequired-H；
具体地，观察试验过程中作为试验区的高功率持续加热区和低功率持续加热区的结冰情况，若能保持无冰，则降低电热流率；若不能保持无冰，则提高电热流率，直至试验区刚好能保持无冰状态，记录此时高功率持续加热区和低功率持续加热区所采用的电热功率分别为最佳的低功率持续加热区所需的电热流率qrequired-L和最佳的高功率持续加热区所需的电热流率qrequired-H。
S30. 计算周期性加热区所需的加热流率；
S301. 以最佳的低功率持续加热区所需的电热流率qrequired-L和最佳的高功率持续加热区所需的电热流率qrequired-H对低功率持续加热区和高功率持续加热区加热，周期性加热区不加热，得到周期性加热区的积累冰形;
S302. 根据所述积累冰形进行仿真计算得到覆冰合力FC；
值得说明的是，由于周期性加热区没有进行加热，高功率持续加热区和低功率持续加热区的热量会传递到周期性加热区域，但是由于热损失等，周期性加热区域仍然可能会结冰，并且随着结冰时间的增加，积冰会增加，积累到一定程度会自行脱落，选择脱落前的临界冰形进行模拟计算；
Figure 500613DEST_PATH_IMAGE014
；
其中
Figure 529528DEST_PATH_IMAGE015
为气流场作用于当前计算单元覆冰的法向力，
Figure 114094DEST_PATH_IMAGE016
为气流场作用于当前计算单元覆冰的切向力，
Figure 953874DEST_PATH_IMAGE017
为当前计算单元覆冰因叶片旋转产生的离心力；
S303. 令FC=Fad，计算周期性加热区表面温度TS-C; 其中Fad为积冰粘附力：
Figure 575479DEST_PATH_IMAGE023
；（2）
其中，
Figure 664658DEST_PATH_IMAGE002
为冰的融化点温度；
S304. 根据周期性加热区表面温度TS-C计算周期性加热区所需的电热流率qrequired-C；
采用公式（1），令TS=TS-C，计算得到周期性加热区所需的电热流率qrequired-C。
S40. 分别采用最佳的低功率持续加热区所需的电热流率qrequired-L、最佳的高功率持续加热区所需的电热流率qrequired-H和周期性加热区所需的电热流率qrequired-C控制所述低功率持续加热区、高功率持续加热区、周期性加热区进行除冰。
由于覆冰合力需要大于等于积冰的粘附力才能保证积冰能够被去除，因此，作为优选，最佳的周期性加热区所需的电热流率qrequired-C-E应大于等于所计算的周期性加热区所需的电热流率，即：
Figure 459438DEST_PATH_IMAGE018
。
作为优选，在叶片表面涂覆疏水性涂层5用于减小积冰粘附力，进一步降低除冰能耗。
作为优选，本领域技术人员可以理解，本发明实施例中所记载的控制参数为电热流率，实际上，亦可以采用电流I进行控制，电流I和电热流率的换算公式为：
I=qrequired/U，其中，U为所采用的电压。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种优化的风力机叶片除冰方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10. 将风力机叶片进行区域划分，划分为高功率持续加热区、低功率持续加热区、周期性加热区；
S20. 计算所述低功率持续加热区和所述高功率持续加热区的所需的电热流率；
S201. 设定叶片表面温度TS的初始值，计算所需的电热流率qrequired；
S203. 采用电热流率qrequired对高功率持续加热区和低功率持续加热区进行加热试验，调整加热的电热流率，得到最佳的低功率持续加热区所需的电热流率qrequired-L和最佳的高功率持续加热区所需的电热流率qrequired-H；
S30. 计算所述周期性加热区所需的电热流率；
S301. 以最佳的低功率持续加热区所需的电热流率qrequired-L和最佳的高功率持续加热区所需的电热流率qrequired-H对所述低功率持续加热区和所述高功率持续加热区加热，周期性加热区不加热，得到周期性加热区的积累冰形;
S302. 根据所述积累冰形进行仿真计算得到覆冰合力FC；
S303. 令FC=Fad，计算周期性加热区表面温度TS-C; 其中Fad为积冰粘附力：
Figure 504702DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 668967DEST_PATH_IMAGE002
为冰的融化点温度；K是开氏温度；
S304. 根据周期性加热区表面温度TS-C计算周期性加热区所需的电热流率qrequired-C；
S40. 分别采用最佳的低功率持续加热区所需的电热流率qrequired-L、最佳的高功率持续加热区所需的电热流率qrequired-H和周期性加热区所需的电热流率qrequired-C控制所述低功率持续加热区、高功率持续加热区、周期性加热区进行除冰。
2.根据权利要求1所述的一种优化的风力机叶片除冰方法，其特征在于，所述步骤S201中，电热流率qrequired的计算公式为：
Figure 317117DEST_PATH_IMAGE003
其中
Figure 123399DEST_PATH_IMAGE004
为控制单元热损失，
Figure 907815DEST_PATH_IMAGE005
为加热材料的导热系数
Figure 711823DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 706324DEST_PATH_IMAGE007
为电热单元厚度，
Figure 50718DEST_PATH_IMAGE008
为第j层材料的热导率，
Figure 689640DEST_PATH_IMAGE009
为第j层材料的厚度，n为材料的总层数，其中，第1到h-1层以及第h+1层到第n层材料为不加热的隔热层，第h层为加热层，
Figure 726867DEST_PATH_IMAGE010
为内部表面的对流换热系数
Figure 143417DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure 25922DEST_PATH_IMAGE012
为表面温度，
Figure 519352DEST_PATH_IMAGE013
为内部的环境温度；
所述步骤S304中，令TS=TS-C，采用电热流率qrequired的计算公式计算得到周期性加热区所需的电热流率qrequired-C。
3.根据权利要求2所述的一种优化的风力机叶片除冰方法，其特征在于，所述步骤S203中，调整加热的电热流率的方法为：
观察试验过程中作为试验区的所述高功率持续加热区和低功率持续加热区的结冰情况，若能保持无冰，则降低电热流率；若不能保持无冰，则提高电热流率，直至试验区刚好能保持无冰状态，记录此时所述高功率持续加热区和低功率持续加热区所采用的电热流率分别为最佳的高功率持续加热区所需的电热流率qrequired-H和最佳的低功率持续加热区所需的电热流率qrequired-L。
4.根据权利要求3所述的一种优化的风力机叶片除冰方法，其特征在于，所述步骤S302中，所述覆冰合力FC的计算公式为：
Figure 727479DEST_PATH_IMAGE014
；
其中
Figure 368676DEST_PATH_IMAGE015
为气流场作用于当前计算单元覆冰的法向力，
Figure 54872DEST_PATH_IMAGE016
为气流场作用于当前计算单元覆冰的切向力，
Figure 668387DEST_PATH_IMAGE017
为当前计算单元覆冰因叶片旋转产生的离心力。
5.根据权利要求4所述的一种优化的风力机叶片除冰方法，其特征在于，所述步骤S40中，采用电流作为参数进行控制。
6.根据权利要求1所述的一种优化的风力机叶片除冰方法，其特征在于，采用最佳的周期性加热区所需的电热流率qrequired-C-E控制周期性加热区进行除冰，其中
Figure 47416DEST_PATH_IMAGE019
。
7.根据权利要求4所述的一种优化的风力机叶片除冰方法，其特征在于，所述积累冰形为自行脱落前的临界冰形。
8.根据权利要求1-7任一所述的一种优化的风力机叶片除冰方法，其特征在于，所述高功率持续加热区位于叶片前缘处；所述低功率持续加热区位于叶片覆冰极限处；叶片上其余位置至少部分为周期性加热区。
9.根据权利要求8所述的一种优化的风力机叶片除冰方法，其特征在于，在叶片表面涂覆疏水性涂层。
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