本發(fā)明屬于風(fēng)力發(fā)電，涉及一種基于相變材料的風(fēng)電機(jī)組葉片電加熱除冰系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
1、在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，風(fēng)電機(jī)組葉片的運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜多變，尤其在低溫高濕的惡劣條件下，葉片極易形成覆冰。覆冰會(huì)在葉片表面形成不規(guī)則的冰層，改變?nèi)~片的氣動(dòng)外形，導(dǎo)致葉片的升力系數(shù)下降、阻力系數(shù)增大，進(jìn)而嚴(yán)重影響風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電效率，降低發(fā)電量。同時(shí)，覆冰還會(huì)增加葉片的重量，改變?nèi)~片的固有頻率和振動(dòng)特性，對機(jī)組的安全運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重威脅，甚至可能引發(fā)葉片斷裂、塔架倒塌等重大安全事故。
2、目前，電熱除冰技術(shù)是風(fēng)電機(jī)組葉片除冰的常用手段之一。該技術(shù)通過在葉片內(nèi)部或表面布置電加熱元件，利用電能轉(zhuǎn)化為熱能來融化冰層。雖然電熱除冰技術(shù)在一定程度上能夠有效去除葉片覆冰，但存在諸多缺陷。一方面，電熱除冰技術(shù)能耗較大，需要消耗大量的電能來維持加熱過程，這不僅增加了風(fēng)電場的運(yùn)營成本，還與風(fēng)力發(fā)電追求的節(jié)能環(huán)保理念相悖。另一方面，長時(shí)間持續(xù)加熱會(huì)導(dǎo)致葉片材料因溫度過高而加速老化，縮短葉片的使用壽命，增加更換葉片的成本和維護(hù)難度。此外，現(xiàn)有的電熱除冰系統(tǒng)缺乏智能化的控制手段，無法根據(jù)葉片的實(shí)際覆冰情況和環(huán)境條件實(shí)時(shí)調(diào)整加熱功率，容易造成能源的浪費(fèi)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中電加熱對葉片除冰時(shí)能耗大、加速葉片老化的技術(shù)問題，提供一種基于相變材料的風(fēng)電機(jī)組葉片電加熱除冰系統(tǒng)及方法。
2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：
3、第一方面，本發(fā)明公開一種基于相變材料的風(fēng)電機(jī)組葉片電加熱除冰系統(tǒng)，包括設(shè)置在葉片除冰區(qū)域表面上的相變材料層，所述相變材料層上設(shè)置有電加熱輔助單元；所述葉片上設(shè)置有連接有智能控制單元的傳感器單元；所述電加熱輔助單元與智能控制單元連接。
4、進(jìn)一步的改進(jìn)在于：
5、所述電加熱輔助單元包括電加熱膜，所述電加熱膜為柔性電加熱膜。
6、所述傳感器單元包括溫度傳感器、濕度傳感器、風(fēng)速傳感器和振動(dòng)傳感器。
7、所述相變材料層為無機(jī)相變材料、有機(jī)相變材料、復(fù)合相變材料或金屬相變材料。
8、所述相變材料層采用三層復(fù)合結(jié)構(gòu)，自與葉片接觸面依次為導(dǎo)熱增強(qiáng)層、相變材料核心層和防護(hù)層。
9、所述導(dǎo)熱增強(qiáng)層為鋁箔微槽道；所述相變材料核心層為月桂酸-二氧化硅定形相變材料；所述防護(hù)層為碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂。
10、所述鋁箔微槽道深度為0.1~0.3?mm；所述碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂的厚度為0.1~0.2mm。
11、第二方面，本發(fā)明個(gè)公開一種基于上述系統(tǒng)的基于相變材料的風(fēng)電機(jī)組葉片電加熱除冰方法，包括：
12、獲取環(huán)境參數(shù)、葉片狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)及相變材料層的性能參數(shù)，基于智能控制算法判斷是否需要電加熱輔助；
13、若否，則僅采用相變材料層除冰；若是，啟動(dòng)電加熱輔助單元；
14、實(shí)時(shí)獲取環(huán)境參數(shù)和葉片狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，得到實(shí)時(shí)反饋的除冰效果，基于除冰效果調(diào)整電加熱輔助單元的功率；
15、基于所述實(shí)時(shí)反饋的除冰效果判斷除冰是否完成，若是，關(guān)閉電加熱輔助單元；若否，返回所述基于智能控制算法判斷是否需要電加熱輔助步驟，繼續(xù)除冰。
16、基于所述實(shí)時(shí)反饋的除冰效果判斷除冰是否完成具體為：
17、滿足溫度持續(xù)超融點(diǎn)、振動(dòng)頻譜復(fù)原、視覺無冰殘留三項(xiàng)條件時(shí)，判斷除冰完成。
18、所述環(huán)境參數(shù)包括環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速及降雨量；所述葉片狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)包括葉片表面溫度分布、實(shí)時(shí)結(jié)冰厚度及振動(dòng)頻譜數(shù)據(jù)；所述相變材料層的性能參數(shù)包括相變溫度范圍、潛熱值及當(dāng)前相態(tài)比例。
19、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：
20、本發(fā)明公開了一種基于相變材料的風(fēng)電機(jī)組葉片電加熱除冰系統(tǒng)，通過相變材料層與電加熱輔助單元的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了葉片溫度的精準(zhǔn)調(diào)控與能量高效利用。相變材料層能夠在特定溫度范圍內(nèi)吸熱融化，釋放潛熱以維持葉片溫度穩(wěn)定，減少電加熱能耗；而電加熱輔助單元?jiǎng)t能在環(huán)境溫度極低或葉片覆冰嚴(yán)重時(shí)快速啟動(dòng)，提高葉片溫度，加速融冰過程。這種結(jié)合方式不僅提高了除冰效率，還顯著降低了能源消耗。該系統(tǒng)通過智能控制單元與傳感器單元的集成，實(shí)現(xiàn)了除冰過程的智能化控制。傳感器單元實(shí)時(shí)監(jiān)測葉片狀態(tài)及環(huán)境條件，為智能控制單元提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。智能控制單元?jiǎng)t根據(jù)這些數(shù)據(jù)判斷葉片是否結(jié)冰以及結(jié)冰的嚴(yán)重程度，并選擇最合適的除冰策略。這種智能化控制方式不僅提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，還確保了除冰操作的有效性和效率。相變材料層與電加熱輔助單元的協(xié)同工作，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。在惡劣環(huán)境下，兩者能夠共同作用，確保葉片表面不會(huì)因結(jié)冰而影響風(fēng)電機(jī)組的正常運(yùn)行。同時(shí)，智能控制單元能夠根據(jù)除冰效果監(jiān)測反饋進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，進(jìn)一步優(yōu)化除冰過程，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
21、進(jìn)一步地，相變材料層采用的三層復(fù)合結(jié)構(gòu)帶來了顯著的技術(shù)效果。導(dǎo)熱增強(qiáng)層緊貼葉片表面，有效提升了熱傳導(dǎo)效率，確保葉片或電加熱輔助單元產(chǎn)生的熱量能夠迅速、均勻地傳遞至相變材料核心層，從而加快了葉片的升溫速度，提高了除冰效率。相變材料核心層作為儲(chǔ)熱和放熱的關(guān)鍵部分，能夠充分利用相變材料的潛熱特性，在葉片可能結(jié)冰的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定地吸收和釋放熱量，維持葉片溫度的穩(wěn)定，防止結(jié)冰現(xiàn)象的發(fā)生。同時(shí)，防護(hù)層有效地保護(hù)了相變材料核心層免受外部環(huán)境因素的侵蝕，如風(fēng)沙、雨雪、紫外線等，延長了相變材料層的使用壽命，確保了系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行。三層結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用，不僅優(yōu)化了熱管理策略，減少了不必要的電能消耗，還顯著提高了整個(gè)除冰系統(tǒng)的性能和可靠性。
22、本發(fā)明公開了一種基于相變材料的風(fēng)電機(jī)組葉片電加熱除冰方法，通過智能控制算法融合環(huán)境參數(shù)、葉片狀態(tài)及相變材料性能數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)判斷電加熱介入時(shí)機(jī)，避免無效加熱，最大限度利用相變材料的潛熱儲(chǔ)能特性，顯著降低除冰過程整體能耗；基于實(shí)時(shí)除冰效果反饋構(gòu)建閉環(huán)控制系統(tǒng)，可根據(jù)冰層融化進(jìn)度、葉片溫度分布等動(dòng)態(tài)調(diào)整電加熱功率，防止局部過熱或加熱不足，在保證除冰效率的同時(shí)減少能源浪費(fèi)；采用"相變材料主除冰+電加熱精準(zhǔn)輔助"的分級(jí)工作模式，既發(fā)揮相變材料持續(xù)穩(wěn)定釋熱的優(yōu)勢，又通過電加熱快速響應(yīng)極端工況，形成優(yōu)勢互補(bǔ)的除冰機(jī)制；通過循環(huán)判斷機(jī)制確保除冰完整性，避免人工干預(yù)誤差，當(dāng)監(jiān)測到冰層殘留時(shí)可自動(dòng)重啟判斷流程，保障風(fēng)機(jī)在復(fù)雜氣象條件下的持續(xù)安全運(yùn)行；少電加熱系統(tǒng)頻繁啟停及長時(shí)間高功率運(yùn)行，降低加熱元件熱應(yīng)力疲勞，同時(shí)相變材料層的隔熱防護(hù)作用可減緩葉片表面材料老化速度。
1.一種基于相變材料的風(fēng)電機(jī)組葉片電加熱除冰系統(tǒng)，其特征在于，包括設(shè)置在葉片除冰區(qū)域表面（3）上的相變材料層（2），所述相變材料層（2）上設(shè)置有電加熱輔助單元（1）；所述葉片上設(shè)置有連接有智能控制單元的傳感器單元；所述電加熱輔助單元（1）與智能控制單元連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于相變材料的風(fēng)電機(jī)組葉片電加熱除冰系統(tǒng)，其特征在于，所述電加熱輔助單元（1）包括電加熱膜，所述電加熱膜為柔性電加熱膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于相變材料的風(fēng)電機(jī)組葉片電加熱除冰系統(tǒng)，其特征在于，所述傳感器單元包括溫度傳感器、濕度傳感器、風(fēng)速傳感器和振動(dòng)傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于相變材料的風(fēng)電機(jī)組葉片電加熱除冰系統(tǒng)，其特征在于，所述相變材料層（2）為無機(jī)相變材料、有機(jī)相變材料、復(fù)合相變材料或金屬相變材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于相變材料的風(fēng)電機(jī)組葉片電加熱除冰系統(tǒng)，其特征在于，所述相變材料層（2）采用三層復(fù)合結(jié)構(gòu)，自與葉片接觸面依次為導(dǎo)熱增強(qiáng)層、相變材料核心層和防護(hù)層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于相變材料的風(fēng)電機(jī)組葉片電加熱除冰系統(tǒng)，其特征在于，所述導(dǎo)熱增強(qiáng)層為鋁箔微槽道；所述相變材料核心層為月桂酸-二氧化硅定形相變材料；所述防護(hù)層為碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于相變材料的風(fēng)電機(jī)組葉片電加熱除冰系統(tǒng)，其特征在于，所述鋁箔微槽道深度為0.1~0.3?mm；所述碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂的厚度為0.1~0.2?mm。
8.一種基于權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述系統(tǒng)的基于相變材料的風(fēng)電機(jī)組葉片電加熱除冰方法，其特征在于，包括：
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于相變材料的風(fēng)電機(jī)組葉片電加熱除冰方法，其特征在于，基于所述實(shí)時(shí)反饋的除冰效果判斷除冰是否完成具體為：
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于相變材料的風(fēng)電機(jī)組葉片電加熱除冰方法，其特征在于，所述環(huán)境參數(shù)包括環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速及降雨量；所述葉片狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)包括葉片表面溫度分布、實(shí)時(shí)結(jié)冰厚度及振動(dòng)頻譜數(shù)據(jù)；所述相變材料層（2）的性能參數(shù)包括相變溫度范圍、潛熱值及當(dāng)前相態(tài)比例。