一种基于风电机组叶片覆冰特性的防除冰系统设计方法与流程

1.本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种基于风电机组叶片覆冰特性的防除冰系统设计方法。


背景技术：

2.在南方低风速地区与部分高风速地区的风电场中，冬季和春季普遍存在着较为严重的冰冻问题。风电机组叶片上出现覆冰，将改变叶片的气动外形与重量分布，打破叶片的载荷平衡，导致叶片和风轮的振动等问题，对机组运行与电力生产的经济性和安全性有直接影响。
3.基于目前拥有基数较大的存量风电，在凝冻天气下对风电机组叶片高效防除冰技术有着迫切需求。现阶段，防除冰方法有基于热融冰的气热除冰/电热除冰法、化学除冰法、机械除冰法，以及基于超疏水涂层喷覆的防覆冰涂层法。
4.现阶段，尚无可大范围推广应用的成熟的风电机组叶片防除冰技术(或组合)，实际上，由于风机所处环境及气候的差异性，加之风电机组叶片长度大、厚度分布不均等属性，防除冰技术不同程度地从存在着能耗高、寿命短、设备与运维成本高、雷击损伤等风险，造成了单一技术路线的叶片防除冰方法的“瓶颈”。而由于叶片在弦向特别是展向的长尺寸，且展向不同位置/区域与大气来流相对速度不同，这就导致大气中的水汽或微小水滴与叶片相互作用形成覆冰的过程呈现一定的规律及差异性。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于风电机组叶片覆冰特性的防除冰系统设计方法，能够有效应对不同程度凝冻天气下的叶片防除冰需求，并且除冰高效、能耗低。
6.本发明是通过以下技术方案来实现：
7.一种基于风电机组叶片覆冰特性的防除冰系统设计方法，包括以下步骤：
8.s1：收集并分析风电机组的环境及气象因素，确定用于叶片覆冰特性试验的气象参数组合；
9.s2：根据实际风电机组的叶片状况，还原并制作喷覆有防覆冰涂层的叶片覆冰特性试验模型；
10.s3：在风洞试验设施中，基于s1确定的气象参数组合和s2制得的叶片覆冰特性试验模型，结合风电机组的正常运行参数，还原风电机组叶片的结冰环境特性；观察叶片覆冰特性试验模型的结冰特性，得到叶片表面结冰的时空特性；
11.s4：对s3得到的叶片表面结冰的时空特性进行量化分析，得到在覆冰开始形成后的不同时间段内的叶片覆冰演变规律，得到覆冰规律数据库；
12.s5：基于s5得到的覆冰规律数据库，对于无法单独采用防覆冰涂层实现防冰的叶片，增加电加热膜进行辅助热除冰；
13.s6：确定叶片上需要设置电热膜的区域，并结合各区域结冰强度的差异，定制化设置不同区域中电加热膜的额定功率，完成叶片防除冰系统的设计。
14.优选地，s1中，所述环境及气象因素包括风速、气压、气温、湿度和空气中过冷水滴颗粒度分布。
15.优选地，s1中，所述气象参数组合包括能反映风电机组所处的正常结冰天气与极端凝冻天气下的主要气象特征。
16.优选地，s2中，所述叶片状况包括表面材料、翼型、长度和表面粗糙度。
17.优选地，s2中，所述叶片覆冰特性试验模型的吸力面和压力面均匀喷覆防覆冰涂层，并且防覆冰涂层的工艺和喷覆参数与实际风电机组的叶片一致。
18.优选地，s3中，所述结冰特性包括叶片覆冰的类型、发生区域和形成速度。
19.优选地，s4中，所述叶片覆冰演变规律包括结冰区域和覆冰厚度发展。
20.优选地，s5中，无法单独采用防覆冰涂层实现防冰的叶片根据以下原则判断：在极端天气下，30min内出现厚度超过2mm覆冰的区域，认为该区域的防覆冰涂层功能失效。
21.优选地，在对实际风电机组叶片进行施工时，首先进行电加热膜的铺覆，然后在叶片的外表面全部喷覆防覆冰涂层。
22.进一步优选地，防覆冰涂层的厚度为0.3～0.5mm。
23.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
24.本发明公开的基于风电机组叶片覆冰特性的防除冰系统设计方法，基于叶片的弦向与展向方向覆冰出现及生长的规律特性以及防覆冰涂层在严重凝冻天气下在结冰严重区域防冰特性的可能失效情况，结合叶片结冰试验与覆冰的时空发展特性数据库，提出了主动型的电热膜除冰方法与被动型的防覆冰涂层防冰方法相结合的高效防除冰系统设计及高效低能耗运行控制方法，可实现风电机组在所处环境全气候下的无叶片覆冰持续运行。本发明充分耦合了电热除冰技术与防覆冰涂层技术的优点，使得风机叶片在全气候条件下(包括极端凝冻天气)都具备高效的防除冰功能，并且结合覆冰监测与叶片覆冰特性数据库，优化了叶片上各区域电机热膜的运行功率，降低了防除冰系统的整体能耗。
附图说明
25.图1为本发明的方法流程示意图。
具体实施方式
26.下面以附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
27.如图1，本发明的基于风电机组叶片覆冰特性的防除冰系统设计方法，首先，针对要进行防除冰方案设计的特定风电机组叶片，收集并整理环境和气象因素(包括但不限于风速、气压、气温、湿度、空气中过冷水滴颗粒度分布等信息)，结合风电机组叶片出现最严重凝冻情况时的极端天气情况，选择并设计多组用于叶片覆冰特性试验的参数组合。气象参数组合的选择与设计须能反映机组所处的正常结冰天气与严重(极端)凝冻天气下的主要气象特征。
28.其次，基于防除冰改造目标风机的叶片状况(如表面材料、翼型、长度、表面粗糙度
等)，还原并制作相同的叶片结冰试验模型；
29.关键地，在上述试验模型的吸力面与压力面均匀并全部喷覆防覆冰涂层，工艺和喷覆参数(如厚度等)与叶片喷覆超疏水防覆冰涂层的改造要求保持一致。
30.然后，在风洞试验设施中，基于上述气象数据设定和试验叶片设计，结合风电机组的正常运转(如转速等)，还原风电机组叶片的结冰环境特性。
31.观察设定的多种结冰气候条件下风电机组叶片的结冰特性，包括叶片覆冰的类型、发生区域、形成速度等，得到叶片表面结冰的时空特性，即随时间发展的覆冰出现与发展特性。
32.对试验结果进行量化分析，结合现有的结冰理论，覆冰主要出现在叶尖以及叶片中后段的前缘处，因为叶尖与空气来流的相对速度更大，空气中的微小过冷水滴与更快速的叶片碰撞，过冷水滴更容易发生形态上的变化，即转变成固态并粘附在碰撞区域形成覆冰；在叶片中后段，其前缘容易结冰，则是由于空气来流先与前缘碰撞的缘故。相比之下，叶片的其他部位出现覆冰，更多是因为前缘等结冰后对叶片整体气动外形等的影响，导致冰层逐渐蔓延生长。
33.对叶片表面结冰的时间与空间发展特性进行量化分析，设定不同叶片展向位置上，叶片覆冰转变为较为严重(或失控)情况的临界值等，如特定时间后，在叶片弦向方向上，叶片出现覆冰的面积占比达到某临界值，或是在特定时间内叶片特定位置出现覆冰的厚度超过某个值，等等。超过这个临界值，由于叶片气动特性的失效，叶片将很快全被生长蔓延的覆冰覆盖。
34.在上述设定下，基于试验数据的时空特性分析结果，得到全部喷覆防覆冰涂层的叶片在覆冰开始形成后的不同时间段内的演变规律(包括结冰区域与厚度发展等)，形成覆冰规律数据库，基于该数据库，可以查询到特定叶片位置出现覆冰的时间，以及冰层厚度随时间的演变等。
35.一般地，叶片若喷覆有涂层，在极端天气下，30min内出现厚度超过2mm覆冰的区域，可认为该区域的涂层防结冰功能失效，即无法基于防覆冰涂层实现防冰，需要增加电热膜进行辅助热除冰。
36.在此设定下，结合覆冰特性数据库，确定整个叶片的添加电加热除冰的区域，并结合严重结冰天气下各区域结冰强度的差异，进行定制化设计，针对性选定电加热膜的额定功率，形成设计方案。
37.最后，在目标风电机组叶片的防除冰改造施工阶段，按照上述电热除冰系统设计方案，首先进行电加热膜的铺覆，其次，完成电加热膜铺覆后，在叶片的外表面全部喷覆防覆冰涂层，由于电加热膜厚度普遍较小，在电加热膜表面喷覆防覆冰涂层，并不影响电热膜设备的运行，而防覆冰涂层的喷覆厚度普遍不超过0.3～0.5mm，其对电加热膜产生热能的传导的影响可以忽略。
38.需要说明的是，以上所述仅为本发明实施方式的一部分，根据本发明所描述的系统所做的等效变化，均包括在本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于风电机组叶片覆冰特性的防除冰系统设计方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：收集并分析风电机组的环境及气象因素，确定用于叶片覆冰特性试验的气象参数组合；s2：根据实际风电机组的叶片状况，还原并制作喷覆有防覆冰涂层的叶片覆冰特性试验模型；s3：在风洞试验设施中，基于s1确定的气象参数组合和s2制得的叶片覆冰特性试验模型，结合风电机组的正常运行参数，还原风电机组叶片的结冰环境特性；观察叶片覆冰特性试验模型的结冰特性，得到叶片表面结冰的时空特性；s4：对s3得到的叶片表面结冰的时空特性进行量化分析，得到在覆冰开始形成后的不同时间段内的叶片覆冰演变规律，得到覆冰规律数据库；s5：基于s5得到的覆冰规律数据库，对于无法单独采用防覆冰涂层实现防冰的叶片，增加电加热膜进行辅助热除冰；s6：确定叶片上需要设置电热膜的区域，并结合各区域结冰强度的差异，定制化设置不同区域中电加热膜的额定功率，完成叶片防除冰系统的设计。2.如权利要求1所述的基于风电机组叶片覆冰特性的防除冰系统设计方法，其特征在于，s1中，所述环境及气象因素包括风速、气压、气温、湿度和空气中过冷水滴颗粒度分布。3.如权利要求1所述的基于风电机组叶片覆冰特性的防除冰系统设计方法，其特征在于，s1中，所述气象参数组合包括能反映风电机组所处的正常结冰天气与极端凝冻天气下的主要气象特征。4.如权利要求1所述的基于风电机组叶片覆冰特性的防除冰系统设计方法，其特征在于，s2中，所述叶片状况包括表面材料、翼型、长度和表面粗糙度。5.如权利要求1所述的基于风电机组叶片覆冰特性的防除冰系统设计方法，其特征在于，s2中，所述叶片覆冰特性试验模型的吸力面和压力面均匀喷覆防覆冰涂层，并且防覆冰涂层的工艺和喷覆参数与实际风电机组的叶片一致。6.如权利要求1所述的基于风电机组叶片覆冰特性的防除冰系统设计方法，其特征在于，s3中，所述结冰特性包括叶片覆冰的类型、发生区域和形成速度。7.如权利要求1所述的基于风电机组叶片覆冰特性的防除冰系统设计方法，其特征在于，s4中，所述叶片覆冰演变规律包括结冰区域和覆冰厚度发展。8.如权利要求1所述的基于风电机组叶片覆冰特性的防除冰系统设计方法，其特征在于，s5中，无法单独采用防覆冰涂层实现防冰的叶片根据以下原则判断：在极端天气下，30min内出现厚度超过2mm覆冰的区域，认为该区域的防覆冰涂层功能失效。9.如权利要求1所述的基于风电机组叶片覆冰特性的防除冰系统设计方法，其特征在于，在对实际风电机组叶片进行施工时，首先进行电加热膜的铺覆，然后在叶片的外表面全部喷覆防覆冰涂层。10.如权利要求9所述的基于风电机组叶片覆冰特性的防除冰系统设计方法，其特征在于，防覆冰涂层的厚度为0.3～0.5mm。

技术总结
本发明公开了一种基于风电机组叶片覆冰特性的防除冰系统设计方法，属于风力发电技术领域。基于叶片的弦向与展向方向覆冰出现及生长的规律特性以及防覆冰涂层在严重凝冻天气下在结冰严重区域防冰特性的可能失效情况，结合叶片结冰试验与覆冰的时空发展特性数据库，提出了主动型的电热膜除冰方法与被动型的防覆冰涂层防冰方法相结合的高效防除冰系统设计及高效低能耗运行控制方法，可实现风电机组在所处环境全气候下的无叶片覆冰持续运行。本发明充分耦合了电热除冰技术与防覆冰涂层技术的优点，使得风机叶片在全气候条件下都具备高效的防除冰功能，并且具有系统能耗低等特点。点。点。


技术研发人员：林伟荣 敖海 徐超 赵江 杨文云 陈宫 蔡春辉 吴孝伟 刘勇 詹彪 付荣方 孟鹏飞 邓越
受保护的技术使用者：中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 中国华能集团有限公司
技术研发日：2023.01.10
技术公布日：2023/5/30