风力机在线防冰除冰装置 【技术领域】
本发明涉及设备除冰领域， 具体涉及一种用于风力发电的风力机的在线防冰、 除冰装置。 背景技术 风能是非常重要且储量巨大的安全、 洁净能源， 风力发电是风能利用的主要形式。 然而安装在寒冷地区的风力发电机组， 风力机桨叶的结冰问题是影响其安全可靠性的主要 因素之一， 当风力机桨叶大量覆冰时， 将产生如下严重影响 ：
(1) 翼型表面的粗糙度增加、 翼型发生改变， 从而降低风力机桨叶的气动特性， 导 致风力机的效率降低， 机组的功率输出减少 ； 严重覆冰时将导致风力发电机组非计划停机， 影响电网系统的安全稳定运行。
(2) 叶片的质量增加， 从而增加了转子的载荷， 并使转子产生质量不平衡， 引发转 子及传动系统振动， 导致风力机桨叶的轴承损坏及风力机桨叶疲劳断裂。
基于上述原因， 研究冬季寒冷地区特别是湿冷地区风力机桨叶的防冰、 除冰技术， 对于风电场及大型风力机的安全、 经济、 高效运行具有重要的意义。但是， 目前还没有成熟 的风力机桨叶除冰技术， 对于风力机桨叶覆冰， 一股采取停机处理， 影响了电网系统的正常 运行， 限制了对风能的利用。
发明内容
本发明针对上述现有技术的缺点， 提供一种可以实现风力机在线防冰除冰， 具有 不损伤风力机桨叶材料、 能耗低、 成本低、 维修简单的优点的风力机在线防冰除冰装置。
为了解决上述技术问题， 本发明采用的技术方案为 ： 一种风力机在线防冰除冰装 置， 它包括超声波发生器和用于在风力机桨叶的表面产生超声兰姆波和水平剪切波的除冰 单元， 所述除冰单元由设于风力机桨叶内表面的多个压电换能器组成， 所述压电换能器的 输入端分别与所述超声波发生器的输出端相连。
作为本发明的进一步改进 ：
所述压电换能器为条状， 所述除冰单元中各压电换能器沿着同一方向呈阵列状分 布。
所述除冰单元中平行分布的两个相邻压电换能器之间的距离 L 为 ：
L ＝ (n+1/2)λR，
其中 n 为自然数， λR 为所述除冰单元产生的超声兰姆波或者水平剪切波在风力机 桨叶的表面传播的波长 ；
所述压电换能器沿着所述风力机桨叶的长度方向设置 ；
所述压电换能器的基体为压电陶瓷片， 所述压电陶瓷片的两侧分别固设有金属电 极， 所述金属电极分别与所述超声波发生器的输出端相连 ；
所述除冰单元的长度 a 为风力机桨叶的整体长度 A 的 2/3， 且除冰单元设于所述风力机桨叶靠根部的一侧 ；
所述除冰单元的宽度 b 为风力机桨叶整体宽度 B 的 1/3。
所述超声波发生器装设于风力机的舱体内。
本发明具有下述优点 ： 本发明中设于风力机桨叶的内表面的除冰单元可以在风力 机桨叶表面激发超声兰姆波和水平剪切波， 可以在不停机的情况下， 对风力机桨叶实现在 线防冰除冰， 在不损伤风力机桨叶材料的前提下， 可有效防止并消除风力机桨叶的结冰问 题， 大大减少风力机的非计划停机， 保证风力机在寒冷天气提供持续电力供应， 提高风力机 的风能利用效率， 具有不损伤风力机桨叶材料、 能耗低、 成本低、 无重结冰现象的优点。
压电换能器为条状且平行分布的两个相邻压电换能器之间的距离 L 为 L ＝ (n+1/2)λR， 能够提高除冰单元激发超声兰姆波或者水平剪切波的能效比 ； 压电换能器沿 着风力机桨叶的长度方向设置， 使得压电换能器能够尽可能贴着风力机桨叶的表面， 可以 有效提高除冰单元在风力机桨叶表面的防冰除冰能力 ； 压电换能器的基体为压电陶瓷片， 结构简单， 成本低。
除冰单元设于风力机桨叶靠根部的一侧， 且长度为风力机桨叶长度的 2/3、 宽度为 风力机桨叶宽度的 1/3， 对风力机桨叶的载荷影响较小 ； 此外， 超声波发生器设于风力机的 机舱内， 可以进一步减少风力机桨叶的载荷， 可以有效保证风力机的风能利用效率。 附图说明
图 1 为本发明实施例安装于风力机上的结构示意图 ； 图 2 为本发明实施例中除冰单元的结构示意图 ； 图 3 为本发明实施例的除冰原理示意图 ； 图 4 为本发明实施例中压电换能器的结构示意图 ； 图 5 为本发明实施例中除冰单元在风力机桨叶宽度方向的安装结构示意图 ； 图 6 为本发明实施例中除冰单元在风力机桨叶长度方向的安装结构示意图 ； 图 7 为本发明实施例中超声波发生器的结构示意图。具体实施方式
如图 1 和图 2 所示， 本实施例中的风力机在线防冰除冰装置包括超声波发生器 1 和用于在风力机桨叶 3 的表面产生超声兰姆波和水平剪切波的除冰单元 2， 除冰单元 2 由设 于风力机桨叶 3 内表面的多个压电换能器 21 组成， 压电换能器 21 的输入端分别与超声波 发生器 1 的输出端相连。
本实施例中， 超声波发生器 1 装设于风力机的舱体内， 压电换能器 21 为条状， 除冰 单元 2 中各压电换能器 21 沿着同一方向呈阵列状分布， 为了更好地激发超声兰姆波 (Lamb 波 ) 或者水平剪切波 (SH 波 )， 平行分布的两个相邻压电换能器 21 之间的距离 L 为 L ＝ (n+1/2)λR， 其中 n 为自然数， n 的取值由压电换能器 21 的影响范围而定， λR 为除冰单元 2 产生的超声兰姆波或者水平剪切波在风力机桨叶 3 的表面传播的波长， 即平行分布的两个 相邻压电换能器 21 之间的距离的二倍等于超声兰姆波或者水平剪切波在风力机桨叶 3 的 表面传播的波长的奇数倍。本实施例中， 风力机桨叶 3 采用玻璃纤维复合材料制成， 除冰时 超声波发生器 1 输出的高频交流信号的频率为 300khz、 波速为 1120m/s， Lamb 波在风力机桨叶 3 的表面传播的波长为 3.73mm， 为了使得激发 Lamb 波的效果最好， 相邻分布的两个相 邻压电换能器 21 之间的距离 L 为 (n+1/2)×3.73mm。本实施例中风力机桨叶 3 的翼型截面 形状为水滴状， 压电换能器 21 沿着风力机桨叶 3 的长度方向设置， 使得安装压电换能器 21 时不会因为风力机桨叶 3 的翼型截面形状而导致压电换能器 21 与风力机桨叶 3 的表面之 间存在间隙， 可以有效提高压电换能器 21 的稳定性和防冰除冰效率。
如图 3 所示， 风力机桨叶 3 覆盖有冰层 4 时， Lamb 的传播方向为 X1 和 X3， SH 波的 传播方向沿 X1， 质点的位移沿 X2， 则该双层系统在 Lamb 波和 SH 波作用下的控制方程为 ：
式中， ρ 是材料的密度， Cijkl 是刚度张量， ui 是位移场， Cijkl 可转化为材料的刚度 张量 Cnm， 其中 i， l 为自由下标， j， k 为求和下标， t 表示时间， xj ， xk 为方向。
上式的通解为 ：
式中， Ui ＝ Uαi ； Ui 为向 αi 方向的极化偏振矢量， αi 为质点位移的方向余弦， k 是沿 X1 x1 方向的波数， c 是沿 X1 方向的相速度， α 是沿 X3 方向与 X1 方向的波数之比。
根据 Christoffel( 克里斯多菲 ) 公式， 利用反推法可得到下式 ：
式中 ： λil ＝ Cijklnjnk， nj、 nk 为波前的方向余弦。Ui 代表向各个方向的偏振矢量， c 为相速度。
求解上式可得 SH 波在各向异性固体弹性媒质中传播的形式解 ：
Lamb 波在各向异性固体弹性媒质中传播的形式解为 ：其中， Bk 是部分波的加权系数。U3k 是波沿 X3 方向和 X1 方向的极化矢量比。波在 多层板中传播时， 结构中的能量流 ( 即坡印廷矢量 ) 为 ：
其中， u 为位移场， t 为时间， μ 为剪切模量， k 为波数， w 为所用波的频率， vj 是待 定的部分波系数， αj 从 Christoffel 方程获得的特征值。Pxi 为结构中 xi 方向的能量流即 坡印廷矢量， 对于周期性电磁场而言， 坡印廷矢量的时间平均值是一个矢量， 可认为该矢量 的方向就是能量的传播方向、 大小就是平均功率通量密度。
求解 Lamb 波和 SH 波所产生的应力集中系数 ISCCL 和 ISCCS 为 ：
式中 ： power 为所需输入换能器的功率，为应力场。因此， Lamb 波和 SH 波在冰层 4 与风力机桨叶 3 之间会产生剪切应力， 如果剪切 应力大于冰层 4 的粘附应力， 则冰层 4 可直接除掉 ； 如果剪切应力小于冰层 4 的粘附应力， Lamb 波和 SH 波会在冰层 4 与风力机桨叶 3 之间产生摩擦运动而生热， 从而使冰层 4 与风 力机桨叶 3 之间形成一层很薄的水层， 超声空化作用会在局部产生激变的瞬态高压将冰除 掉， 从而可以实现在线的防冰除冰。研究表明， 频率处在 18kHz-2MHz 的超声 SH 波和 Lamb 波最大可产生 2MPa 的界面剪切应力， 而冰层 4 的附着剪切强度仅为 0.4MPa， 超声波的相速 度从 1km/s 增加至 7km/s 时， SH 波所产生的界面应力集中系数最高可达 Lamb 波所产生的界面应力集中系数 ISCC 是 SH 波的 1.4 倍， 因此超声波中的 SH 波和 Lamb 波能够起到防冰和除冰的作用。
如图 4 所示， 本实施例中压电换能器 21 的大小为 30cm×2.5cm×0.5cm， 压电换能 器 21 的基体为压电陶瓷片 211， 压电陶瓷片 211 的两侧分别固设有金属电极 212， 金属电极 212 分别与超声波发生器 1 的输出端相连。
如图 5 和图 6 所示， 除冰单元 2 的长度 a 为风力机桨叶 3 的整体长度 A 的 2/3， 且 除冰单元 2 设于风力机桨叶 3 靠根部的一侧 ； 除冰单元 2 设于风力机桨叶 3 中心轴线附近， 且除冰单元 2 的宽度 b 为风力机桨叶 3 整体宽度 B 的 1/3。
如图 7 所示， 超声波发生器 1 上设有功率调节按钮 11、 频率调节按钮 12 和 LED 显 示单元 13。功率调节按钮 11 用于调节对压电换能器 21 输出能量 power 的大小， 输出的能 量越大， Lamb 波和 SH 波在冰层 4 与风力机桨叶 3 之间会产生剪切应力越大， 防冰除冰的效 果越好。频率调节按钮 12 上分别设有对应的最佳防冰频率档和最佳除频率冰档， 分别对应 输出最佳防冰频率和最佳除冰频率的高频交流电信号。 LED 显示单元 13 用于显示超声波发 生器 1 当前的工作状态， 例如输出高频交流电信号的频率和功率等。
超声波发生器 1 输出最佳防冰频率或最佳除冰频率的高频交流电信号时， 除冰单 元 2 的防冰或者除冰的能效比最高， 最佳防冰频率和最佳除冰频率与风力机桨叶 3 的材料 有关。对于各向同性材料， 当高频交流电信号的频率 37kHz， 振幅为 3.1μm 时， 可消除冰层 4 的 60％的粘附应力 ； 当高频交流电信号的频率增大到 84kHz 时， 可消除冰层 4 的 70％的 粘附应力 ； 高频交流电信号的频率达到 130khz 时， 冰层 4 会在瞬间破碎。对于各向异性材 料， 高频交流电信号的频率在 300khz ～ 450khz 之间时， 冰层 4 会在瞬间破碎。对于各向同性材料， 超声波的最佳除冰频率为 130kHz， 对于各向异性材料， 最佳除冰频率在 300khz ～ 450khz 之间。本实施例中制备风力机桨叶 3 用的玻璃纤维复合材料属于各向异性复合材 料， 因此高频交流电信号的最佳除冰频率为 300khz ～ 450khz、 最佳防冰频率则更高， 一股 达到 450khz 以上。本实施例中， 频率调节按钮 12 调节至最佳除冰频率档时， 超声波发生器 1 发出 300khz 的高频交流电信号 ； 频率调节按钮 12 调节至最佳防冰频率档时， 超声波发生 器 1 发出 500khz 的高频交流电信号。
以 1 米作为一个单位长度， 气温为零下 15℃的环境中进行除冰 1 小时为例 ： 当冰 层 4 的厚度为 3mm ～ 4mm 时， 传统的热除冰技术能耗约为 2.7kw 左右， 而本发明的能耗约为 0.75kw。 随着冰层 4 厚度的增加， 本发明的能耗逐渐减少 ； 而防冰的能耗会比相应环境下的 除冰能耗更少。经研究表明， 本发明的除冰防冰能耗平均约为传统热除冰技术的 40％， 如 果高频交流电信号的频率高于 500khz， 本发明的除冰防冰能耗平均约为传统热除冰技术的 28％左右。
以上所述仅是本发明的优选实施方式， 本发明的保护范围并不仅局限于上述实施 例， 凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。 应当指出， 对于本技术领域 的普通技术人员来说， 在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰， 例如改变除冰单元 2 的多个压电换能器 21 之间采用其他的组合形式， 调整除冰单元 2 的安装宽度或者长度等 等， 这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。