风机叶片电加热除冰及间歇加热控制方法研究

颜训刚

（湖北民族大学）

0 引言

冬季的风力资源丰富，但覆冰破坏风机叶片气动特性和机械性能，影响风机输出效率，甩落的覆冰也会威胁周围人身安全[1]，研究表明：通过安装除冰控制系统，冰冻期因覆冰停机时间减少 98.88%、能源可利用率提高71.32%[2]。巨大的经济效益和能源利用率促进研究人员对风机防冰除冰的研究。

目前风机叶片电热除冰以实现途径简单且高除冰效率等优点得到广泛研究[3]。国外开展了叶片材料结构和内嵌电加热层的研究[4]，国内主要集中在对环境和风机运行参数等的数值研究，舒立春[5]通过对覆冰厚度，环境温度，相对风速和液态水含量等对除冰时间的影响进行研究，提出合理电阻丝布置方式能缩短除冰时间，但热量散失较多，造成能源浪费；戚家浩[6]等对风机叶片覆冰表面的热量传递进行分析，搭建了电加热方式下风机叶片防冰除冰的模型，提出等差分区加热方法，但缺少对合理分区个数的研究；吕庆[7]等人通过地面试验及有限元分析数据研究叶片表面温度随时间变化的规律，但缺少实验数据支撑。Pinard[8]通过对风力发电机运行情况的估算提出150kW功率的风机，需要加热除冰功率大约为风机发电功率的6.8%，但缺少对实际风机运行的研究。

本文搭建了覆冰实验装置，对覆冰过程进行理论和实验研究，针对不同覆冰厚度和环境温湿度等条件开展除冰实验，利用石墨烯复合加热薄膜进行除冰，并提出不同加热间隔方式以获得更加快速节能方案。研究结果对电加热方式风机叶片防除冰领域具有一定的参考意义和实际工程价值。

1 冰层融化几何模型建立

加热系统启动时，热能随加热层传至冰层，假设能量都供给冰层和各区域温升。当冰层达到0℃，融化水的流失在接触面形成气隙，如图 1所示，叶片分成四个区域：空气层L1，冰层L2，气隙层 L3，加热层L4。

图1 叶片几何模型示意图

2 冰层融化控制方程

2.1 热平衡方程

加热系统热量作用于：热辐射和热对流；L1～L4的温升；冰层融化吸收潜热。根据能量守恒，热平衡方程为：

式中，hc为换热系数；ε为黑体辐射系数；σ为Stefan-Boltzman常数。

2.2 热传导方程

在叶片表面各区域取任意一体积微元，其传热示意图如图2所示。

图2 体积微元传热示意图

微元体内焓变传热方程为：

式中，qx，qy，qz和qx+dx，qy+dy，qz+da为流入和流出微元体热流量；为单位体积热流量。为简化计算，只分析z方向的一维传热过程：

将式（6）代入式（1）可得融冰过程的传热方程：

2.3 除冰时间

除冰时间包括各区域的温升和冰层内表面融化以及放热阶段时间总和，气隙一般不超过0.1mm，可认为热传导是主要传热方式，对冰层任意微元，其热平衡方程为：

式中，为温升吸收的能量，为冰层吸收的潜热，温升阶段第二项为0℃，融化阶段第一项中温度为0℃，其值也为0。

（1）升温阶段

由式（1）热平衡方程知，热能只用于冰层升温，平衡方程为：

（2）放热阶段

间歇加热过程存在放热阶段，由于间歇短暂，认为冰层只与空气传热：

综合加热和放热过程，冰层达到0℃需要的时间为：

（3）冰层融化阶段

负号表示热量传递为温度降低方向。

ta+1时刻融冰厚度增加量：

当气隙达到0.1mm时冰层脱落，经迭代计算，可得对应气隙厚度下时间即为融冰时间t2：

总体除冰时间：

2.4 除冰时间仿真分析

为观察单次加热时间对除冰时间和除冰能耗的影响，在Matlab 2019R环境下仿真分析。流程图如图3所示，物化参数如表1所示，覆冰面积0.125m2，仿真结果如图4所示。

表1 除冰单元各区域物性参数

图3 除冰时间计算流程图

除冰时间计算步骤如下：

1）初始化参数，测取冰面温度T°、冰层厚度、覆冰面积，设置加热周期等物化参数，单次加热时间tt1=[0:0.1:T]，为一数组。

2）Iterration1=0，判断T°是否小于等于零，若是，则执行3），若否，执行5）；

3）计算加热和降温过程温度改变值，△T，Tk+1=Tk+△T，Iterration=Iterration+1；T1为热源供冰层温度上升的温度，TT1为停止加热时冰层放热温度：

4）判断Tk+1是否小于等于零，若是，则返回3），若否，则执行5）。

5）计算升温阶段所需时间t1：

6）Iterration2=0，hk+1=hk+△h，判断气隙厚度是否大于0.1 m m。若是则执行7），否则Iterration2=Iterration2+1。其中：

7）计算融化阶段所需时间t2，t=t1+t2。

由图4可知，随功率密度增加,最优单次加热时间先降后增，在图4b、4c达到最小值25.5s。随单次加热时间的递增，除冰能耗先呈指数下降，再缓慢上升，这是因为在单次加热时间较小时，热量提供很少，除冰时间很长甚至无法除冰，消耗能量巨大，单次加热时间增大时，间歇减少，热源供给差别不大，能耗差别不明显；如图4c功率1400W/m2，除冰能耗在单次加热时间25.5s时达最低值45871.9J，除冰时间308.4s；持续加热方式能耗47671.7J，除冰时间272.4s。间歇加热方式比持续加热方式节省1799.8J，除冰时间仅增加36s。

图4 功率密度除冰时间和能耗随单次加热时间变化曲线

3 实验验证

3.1 实验装置

为验证间歇加热除冰方式较持续加热更节约能源，本文通过对风机叶片运行环境模拟，开展风机叶片覆冰和除冰实验。实验在低温环境进行，采用喷雾控制湿度，石墨烯薄膜作为加热体，通过直流开关电源给系统供电。

3.2 实验结果及分析

由表2可知，随着功率密度的升高，间歇加热与持续加热消耗的能量总体逐渐减少，且间歇加热比持续加热消耗的能量少。如表所示，1300W/m2下间歇加热比持续加热节省1137.5J，1400W/m2下间歇加热比持续加热节省1050J。

表2 不同功率密度除冰时间和能耗

4 结束语

本文通过设置单次加热时间，搭建了风机叶片间隔加热除冰时间的模型，仿真并验证了间隔加热除冰方式比持续加热减少能耗提高除冰效率。后续的实验研究，会考虑加热周期的确定和实际风速大小，叶片转动及转速情况等影响，对加热间隔时间进一步优化。