一种风力发电机叶片超声波除冰智慧方法

技术领域

本发明涉及除冰设备领域,尤其是涉及一种风力发电机叶片超声波除冰智慧方法。

背景技术

随着国家的不断发展，人类对电能的需求也越来越巨大。风能作为一种优秀的可再生能源，利用风能发电已经是各国重点关注的领域。叶片的结冰问题特别是在高纬度装机的风力发电机所不能忽视的，但是传统的叶片除冰方法如：机械除冰、人工除冰、热能除冰等方法成本较高而效率却较低，无法满足风电场的大规模同时除冰作业。

目前常用的去除冰层的方式有机械手段，物理手段，化学手段，此类的手段都不甚理想，机械手段：费事费力，工作效率低；化学手段：对生态环境造成不利的结果；物理手段：操作要求高，能源消耗大。所以实现不停机的情况下进行除冰，克服上述不利影响、消耗能源少的除冰方法已经是势在必行。

发明内容

为解决上述技术背景中提出的现在已有的风力发电机叶片除冰方式费时费力，工作效率低；对生态环境造成有不利的结果；操作要求高，能源消耗大等问题。

为实现上述目的，本发明将采取以下的技术方案：，包括以下四个方面：电加热系统；传感器系统；超声波发射器；物联网处理系统。

一种风力发电机叶片超声波智能除冰方法，包括预埋在叶片内部的电加热组工作一段时间，使叶片温度趋于20～30°之间，该温度下不会对叶片造成损伤，使得叶片周围冰层松动，可以辅助超声波系统快速除冰，此为电加热系统。传感器系统由压力传感器，湿度传感器，温度传感器组成，通过检测叶片周围的覆冰情况，湿度情况，温度情况，可以有效收集数据传输至物联网系统更有效率的除冰。超声波除冰系统主要根据不同的波长和频率在物体表面产生垂直于物体表面的剪切力，产生的剪切力会使叶片基片与覆冰之间产生位移，通过重力的作用使得叶片上的覆冰脱落从而达到除冰效果。最后，通过前面的系统反馈给物联网的信息，大数据会分析出合理的除冰方案，这样会达到即除冰又不浪费资源的情况，可以达到智慧除冰。

物联网是指通过各种信息传感器。采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，能够更好结合智慧除冰的理念，通过传感器信号来判定结冰覆冰程度，可以智能识别监督，通过信息交换等功能，更精确智能的制定除冰方案。

进一步的,叶片制造时在内部埋嵌入特制的换能器和电加热带，对于已经装机的风力发电机叶片则是直接在叶片上装置换能器与电加热带。这样便可以在超声波发生器正式工作前，首先开启电加热带控制器，一段时间后叶片基板与覆冰之间有了一定厚度的水层，这时便可以开启超声波发生器进行除冰工作。

进一步的，温度检测端口是通过安置在叶片表面的温度传感器来检测叶片表面和叶片周围的温度，判断环境温度是否会造成叶片表面覆冰和所造成的覆冰程度。

进一步的，湿度检测端口是用来检测周围环境中的湿度，根据周围环境中湿度的变化来判断出叶片可能结冰的时间与结冰的类型，以此为基础来制定适合当前情况下的电加热预热系统的加热温度与加热时间，辅助超声波除冰部分快速除去叶片表面的覆冰。

进一步的，红外检测端口是用来检测叶片表面是否结冰，由于当物体温度高于绝对零度时物体表面就会向周围环境中发出红外线，通过红外传感器检测到叶片表面的红外线后会传递信号给控制平台，系统分析确认信号无误后除冰装置将会进入待机状态。

进一步的，压力检测端口是用来检测叶片表面覆冰的厚度，通过检测到叶片上压力的变化，可以判断出除冰工作的进行程度，进而选择是否改变超声波频率或停止超声波除冰工作。

进一步的，表面波、Lamb波和界面波。Lamb波和SH波在物体表面传播时，由于超声波的频率不同其波速也不相同，因此会在物体表面产生垂直于物体表面的剪切力，这一产生的剪切力会导致叶片基板与覆冰之间产生位移，之后通过重力的作用使得叶片上的覆冰脱落达到除冰效果。

进一步的，在叶片内部嵌入电加热带，可以在超声波发射器工作前，利用电加热辅助加热一段时间，使得叶片基板与覆冰之间有一定厚度的水层，起到超声波系统加快出去叶片覆冰的效果。

进一步的，物联网是指通过信息传感设备，按照约定的协议，把物品之间连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别，定位，跟踪和管理的一种网络。本发明智能之处在于利用物联网模块与设置在叶片上的传感器形成互联，当周围温度，湿度，压力到达结冰临界点时，物联网会实时得出叶片结冰的厚度，并将结冰数据传递给超声波系统。之后物联网控制单元就会向除冰系统发出开始工作的指令。在除冰系统的电加热辅助系统预热工作时，叶片上的各个传感器也会实时监测除冰时的电加热带温度，保证电加热带的加热温度始终处于叶片不会被损伤的范围之内。

传感器收集数据传输至物联网经过控制平台得出最高效率的除冰工作。

本发明具有以下有益效果：

本发明可以实时有效地预防结冰：电加热系统可以使叶片表面难以结冰。

本发明可以实时有效地进行除冰，通过电加热系统使得叶片基板与覆冰之间形成水层，然后利用超声波在水层之间传播时因速度的不同而产生的剪切力除去覆冰。通过传感系统可以使叶片表面的覆冰厚度和周围环境情况快速准确的到达控制台，平台会控制超声波发生器所产生的频率和电加热预热系统所需的加热时间与加热温度，从而达到高效、智能、个性化的除冰。通过控制平台系统，可以与传感器更好的作出一种反馈，从而让除冰效率更高，更精准，更节能。

本发明设备简单，不会给风机叶片造成过多的负担，也不会影响风电机组正常工作。

附图说明

图1-4是本发明供能系统示意图。

图5是本发明系统设计思路图。

图6是本发明的相关传感器工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。如图1所示，包括以下组件:温度传感器(1)、湿度传感器(2)、压力传感器(3)、红外线传感器(4)、电加热辅助(5)、蓄电池供能(6)、超声波发射器(7)。

图中的温度传感器(1)设置在叶片内部来检测叶片表面和叶片周围的温度，判断环境温度是否会造成叶片表面覆冰和所造成的覆冰程度。湿度传感器(2)设置在叶片内部来用来检测周围环境中的湿度，根据周围环境中湿度的变化来判断出叶片可能结冰的时间与结冰的类型。压力传感器(3)设置在叶片内部是用来检测叶片表面覆冰的厚度，通过检测到叶片上压力的变化。红外线传感器(4)用来检测叶片表面是否结冰。

进一步的：电加热辅助(5)在风机内部，通过电加热带预热一段时间，使得叶片基板与覆冰之间形成水层，然后利用超声波在水层之间传播因速度不同而产生的剪切力除去覆冰。

进一步的：为了高效的利用风能所转换的电能，我们可以在结冰期到来前的一段时间内风力机所发的电能储存到蓄电池(6)内。加上一部分的电能损耗求得蓄电池的容量至少为200AH。

进一步的：蓄电池(6)通过与超声波发生器(7)和电加热(5)系统的连接，在除冰时为除冰系统提供充足的电能。

并且不会受到人为因素的干扰，减少除冰工作中的能量消耗。

图5是根据本设计提供的一种系统设计思路图，如图5所示，该方案包括以下步骤：

步骤1：结冰到来前的一段时间内风力机所发的电能储存到蓄电池内，在除冰时为除冰提供充足的电能。

步骤2：利用储存在蓄电池里的电能向超声波换能器、电加热管网、传感器与物联网模块供能。

步骤3：超声波换能器根据波长产生的Lamb波和SH波产生的剪切应力除去叶片上的覆冰、电加热管网预热产生的能量，可以将部分冰融化为水，通过超声波振动除冰。

步骤4：传感器与物联网模块监测相关参数并传输回控制中心进行动态调控，从而有效除冰。

图6是根据本设计提供的一种相关传感器工作流程图，如图6所示：该过程包括：

开始经过各种传感器检测情况，如温度检测端口是通过安置在叶片表面的温度传感器来检测叶片表面和叶片周围的温度，判断环境温度是否会造成叶片表面覆冰和所造成的覆冰程度。进而向大数据平台传输预警信号，准备“智慧除冰”工作。此端口会进行数据检测，判断出最适合的情况，传输给物联网达到最佳。

湿度检测端口是用来检测周围环境中的湿度，根据周围环境中湿度的变化来判断出叶片可能结冰的时间与结冰的类型，以此为基础来制定适合当前情况下的电加热预热系统的加热温度与加热时间，辅助超声波除冰部分快速除去叶片表面的覆冰。此端口会进行数据检测，判断出最适合的情况，传输给物联网达到最佳。

当空气湿度处于80％～90％之间时，不考虑过冷的情况，已经是处于结冰的危险情况，湿度传感器会向物联网提供预警，为除冰工作进行相关准备。

压力检测端口是用来检测叶片表面覆冰的厚度，通过检测到叶片上压力的变化，可以判断出除冰工作的进行程度，进而选择是否改变超声波频率或停止超声波除冰工作。此端口会进行数据检测，判断出最适合的情况，传输给物联网达到最佳。

进一步的：控制平台分析数据是否处于结冰范围。

由于风机叶片结冰主要是通过导热传递，所以这里使用经验公式，通过热流量来判断叶片是否处于结冰状态。

根据

其中Q表示物体通过的热量，式中λ为导热系数，负号表示热量传递的方向总是指向温度降低的方向，A为传热面积。当温度处于4℃～-10℃左右时，温度检测端口会传输到物联网后台预警，将会在可能结冰的到来前启动电加热系统等进行预除冰工作。

风力发电机轴向推力可由欧拉定律的：

F

式中：F

风力发电机叶片处的风速为：

式中a为轴向诱导因数。

风轮处的风速与叶片空气流入、流出方向风速关系如下所述：

对于结冰的厚度特征量进行无量纲化，引入如下无量纲数：

无因次结冰面积η

无因次结冰驻点厚度η

无因次结冰上极限η

无因次结冰下极限η

式中，A为风机叶片的面积，c为风机叶片的长度。

压力检测端口会根据风速的大小以及受压程度的不同，向物联网后台传输信号，进而制定合理的除冰方案。

当风速V处于6-11km/h，此时的风速强度已经可以利用其进行发电，风力发电机开始工作，不会有显著的结冰情况，当V大于11km/h时，此时会有风暴在周围产生，过程中容易结冰影响风机工作，此时向物联网系统传递信号，物联网会提前进行预备工作。

当环境温度低于零下摄氏度，此时已经达到结冰温度，(不同规格的叶片面积不尽相同，这里以60平方米作为参考)当无因次结冰面积η

无因次结冰上极限η

当结冰工作开始进行后，当无因次结冰下极限η

进一步的：如果处于结冰范围，则进行除冰工作。反之，则继续重复此流程。