一种风机叶片自动防冰除冰系统及防冰除冰方法

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一种风机叶片自动防冰除冰系统及防冰除冰方法
申请号	CN201610382608.4	申请日	2016-06-02	公开(公告)号	CN105863972B	公开(公告)日	2019-08-02
申请人	湖南科技大学;			发明人	沈意平; 王送来; 王钢; 朱广辉; 李学军; 宾光富;
摘要	本发明公开了一种风机叶片自动防冰除冰系统及防冰除冰方法，本发明的风机叶片自动防冰除冰系统包括结冰解析单元、驻波除冰单元、行波防冰单元、振动频率传感单元及控制单元，结冰解析单元、驻波除冰单元、行波防冰单元、振动频率传感单元安装在风机叶片内，结冰解析单元、驻波除冰单元、行波防冰单元、振动频率传感单元分别与控制单元连接。本发明能够快速准确确定风机叶片结冰状况；进而及时自动除去风机叶片上的冰块；且能够自动进行防冰处理；防止了在风机叶片上严重覆冰现象的出现，保证了风机的正常运行。
权利要求	1.一种风机叶片自动防冰除冰系统，包括结冰解析单元(1)、驻波除冰单元(2)、行波防冰单元(3)、振动频率传感单元(4)及控制单元(5)，其特征在于：所述结冰解析单元(1)、所述驻波除冰单元(2)、所述行波防冰单元(3)、所述振动频率传感单元(4)安装在风机叶片(6)内，所述结冰解析单元(1)、所述驻波除冰单元(2)、所述行波防冰单元(3)、所述振动频率传感单元(4)分别与所述控制单元(5)连接；所述的结冰解析单元(1)包括压电陶瓷谐波激振器I(7)，所述压电陶瓷谐波激振器I(7)安装在所述风机叶片（6）的内侧壁上，所述的驻波除冰单元(2)包括压电陶瓷谐波激振器Ⅱ(9)，所述压电陶瓷谐波激振器Ⅱ(9)安装在所述风机叶片（6）的内侧壁上，除冰工作时，所述压电陶瓷谐波激振器Ⅱ(9)发出的激振谐波与所述压电陶瓷谐波激振器I(7)发出的激振谐波的振幅和频率相同，两谐波形成驻波，对附着的冰块施加剪应力与拉应力；所述的行波防冰单元(3)包括压电陶瓷谐波消能器(12)，所述的压电陶瓷谐波消能器(12)安装在所述风机叶片（6）的内侧壁上，所述压电陶瓷谐波消能器(12)能够将所述压电陶瓷谐波激振器I(7)发出的激振谐波变形消能，产生行波，驱动水滴在叶片上运动；所述的振动频率传感单元(4)包括加速度传感器(13)和连线Ⅳ(14)；所述的加速度传感器(13)安装在所述风机叶片（6）的内侧壁上，通过所述连线Ⅳ(14)与所述控制单元(5)连接。 2.根据权利要求1所述的一种风机叶片自动防冰除冰系统，其特征在于：所述的结冰解析单元(1)还包括连线Ⅰ(8)；所述压电陶瓷谐波激振器I(7)通过所述连线Ⅰ(8)与所述控制单元(5)连接。 3.根据权利要求2所述的一种风机叶片自动防冰除冰系统，其特征在于：所述的驻波除冰单元(2)还包括连线Ⅱ(10)；所述压电陶瓷谐波激振器Ⅱ(9)通过所述连线Ⅱ(10)与所述控制单元(5)连接。 4.根据权利要求3所述的一种风机叶片自动防冰除冰系统，其特征在于：所述的行波防冰单元(3)还包括连线Ⅲ(11)；所述的压电陶瓷谐波消能器(12)通过所述连线Ⅲ(11)与所述控制单元(5)连接。 5.一种利用权利要求1-4中任一权利要求所述的风机叶片自动防冰除冰系统的防冰除冰方法，包括如下步骤： 1）在未达到结冰条件下，所述结冰解析单元(1)发出激振信号，所述振动频率传感单元(4)和所述控制单元(5)计算出所述风机叶片(6)的振动频率并与所述风机叶片(6)的固有振动频率相比较，判断所述风机叶片(6)是否结冰；确定所述风机叶片（6）结冰时，进行下一步骤，否则，继续该步骤； 2）当判断所述风机叶片(6)已结冰时，启动所述驻波除冰单元(2)，形成驻波，由于附在所述风机叶片(6)上的冰块存在剪切力和拉应力，则冰块破碎脱落，达到除冰效果； 3）在所述驻波除冰单元(2)工作一段时间后，所述控制单元(5)控制所述结冰解析单元(1)再次发出激振信号，按步骤1）判断叶片是否结冰；判断叶片结冰时，则继续步骤2)操作，判断叶片未结冰时，所述控制单元(5)启动所述行波防冰单元(3)，使所述风机叶片(6)振动产生行波，使得所述风机叶片(6)上的水滴作椭圆运动，无法停在所述风机叶片(6)上结冰，达到防冰效果。
说明书全文	一种风机叶片自动防冰除冰系统及防冰除冰方法技术领域 [0001] 本发明涉及一种风机叶片自动防冰除冰系统及防冰除冰方法。背景技术 [0002] 风力发电机组一般安装于风资源丰富的高山及边疆等湿寒地区，叶片结冰问题成为影响其安全运行的严重隐患之一。风机叶片结冰导致叶片气动外形改变是影响风力机组安全可靠性的主要因素之一，桨叶大量覆冰时，风力机组效率降低，机组输出功率减少，有可能导致风力机组非计划停机，影响电网系统的安全稳定运行。严重覆冰时还将导致叶片折断和机组损毁，同时旋转状态下冰层脱落极易造成运营事故。根据全国风电场装机容量统计数据，基中92.7%的机组处于易结冰区域，因此风电叶片除冻防冻技术已成为我国大力发展风力发电需要重点攻克的技术难关。 [0003] 公开号为CN102562479A的发明专利批露了一种风机叶片除冰系统及其方法，采用测温传感器、控制系统、抽风机和加热器组成的除冰组件构成的除冰系统。该方法需要消耗大量电能来产生热量，约占风力发电机总发电量的6% 12%。由于叶片耐温性要求，热力除冰~系统常常周期性运行，存在覆冰积累和融冰再冻结现象，大块冰脱离飞落也将给风力机其余部件造成潜在危胁。而且该系统只有除冰效果，不能在节能的基础上达到防冰效果。公开号为CN 202718816U的实用新型批露了一种风机叶片自动防冰除冰装置，采用叶片迎风面表面温度检测件和/或叶片背风面温度检测件、叶片位置判断组件等构成的装置。该装置通过检测叶片表面的温度判断是否结冰，此方法在空气中水量较少的地区并不能完全判断低温条件下风机叶片能否结冰现象，而且也是采用加热的方法进行除冰，耗能大。发明内容 [0004] 为了解决上述技术问题，本发明是提供一种结构简单，能用较低的成本准确判断风机叶片结冰，并自动进行除冰的一种风机叶片自动防冰除冰系统及防冰除冰方法。 [0005] 本发明采用的技术方案是：一种风机叶片自动防冰除冰系统，它主要包括结冰解析单元、驻波除冰单元、行波防冰单元、振动频率传感单元，控制单元，其特征在于：结冰解析单元、驻波除冰单元、行波防冰单元、振动频率传感单元安装在风机叶片内，结冰解析单元、驻波除冰单元、行波防冰单元、振动频率传感单元分别与控制单元连接。 [0006] 上述的风机叶片自动防冰除冰系统中，所述的结冰解析单元包括压电陶瓷谐波激振器I和连线Ⅰ；压电陶瓷谐波激振器I安装在叶片的内侧壁上，通过连线Ⅰ 与控制单元连接。 [0007] 上述的风机叶片自动防冰除冰系统中，所述的驻波除冰单元包括压电陶瓷谐波激振器Ⅱ和连线Ⅱ；压电陶瓷谐波激振器Ⅱ安装在叶片的内侧壁上，通过连线Ⅱ 与控制单元连接。 [0008] 上述的风机叶片自动防冰除冰系统中，所述的行波防冰单元包括压电陶瓷谐波消能器、连线Ⅲ；所述的压电陶瓷谐波消能器安装在叶片的内侧壁上，通过连线Ⅲ与控制单元连接。 [0009] 上述的风机叶片自动防冰除冰系统中，所述的振动频率传感单元包括加速度传感器和连线Ⅳ；所述的加速度传感器安装在叶片的内侧壁上，通过连线Ⅳ与控制单元连接。 [0010] 一种风机叶片自动防冰除冰方法，包括如下步骤： [0011] 1）在未达到结冰条件下，结冰解析单元发出激振信号，振动频率传感单元和控制单元计算出风机叶片的振动频率并与风机叶片的固有振动频率相比较，是否数值大致一致判断风机叶片是否结冰； [0012] 2）当判断风机叶片已结冰时，启动驻波除冰单元，形成驻波，由于附在风机叶片上的冰块存在剪切力和拉应力，则冰块破碎脱落，达到除冰效果； [0013] 3）在驻波除冰单元工作一段时间后，控制单元控制结冰解析单元再次发出激振信号，按步骤1）判断叶片是否结冰；判断叶片结冰时，则继续步骤2)操作，判断叶片未结冰时，控制单元启动行波防冰单元，使风机叶片振动产生行波，风机叶片上的水滴作椭圆运动，无法停在风机叶片上结冰，达到防冰效果。 [0014] 与现有技术相比，本发明的有益效果是： [0015] 本发明采用结冰解析单元、驻波除冰单元、行波防冰单元、振动频率传感单元和控制单元等联合控制进行风机叶片自动防冰除冰，克服了在节能条件下不能自动防冰的缺陷，本发明相比现有技术具有： [0016] 1)本发明具有结构简单，体积小，重量轻，安装方便的优点； [0017] 2)本发明能够快速准确确定风机叶片结冰状况；进而及时自动除去风机叶片上的冰块；且能够自动进行防冰处理；防止了在风机叶片上严重覆冰现象的出现，保证了风机的正常运行。 [0018] 3)本发明采用驻波除冰，节能。附图说明 [0019] 图１为本发明的原理框图。 [0020] 图2为本发明的结构布局示意图。 [0021] 图中所示标记如下：1—结冰解析单元、2—驻波除冰单元、3—行波防冰单元、4—振动频率传感单元、5—控制单元、6—风机叶片、7—压电陶瓷谐波激振器I、8—连线Ⅰ、9—压电陶瓷谐波激振器Ⅱ、10—连线Ⅱ、11—连线Ⅲ、12—压电陶瓷谐波消能器、13—加速度传感器、14—连线Ⅳ。具体实施方式 [0022] 下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。 [0023] 本发明的核心是提供一种用于风力发电机组的叶片防冰除冰系统，其能够准确的检测和判断出叶片结冰情况，并能及时自动除冰，最后在节能的情况下自行防冰处理，具有较高的检测除冰防冰的可靠性。为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图1和附图2及具体实施方法对本发明作进一步的详细说明。 [0024] 如图1所示，本发明的风机叶片自动防冰除冰系统，包括结冰解析单元1、驻波除冰单元2、行波防冰单元3、振动频率传感单元4，控制单元5，其特征在于：结冰解析单元1、驻波除冰单元2、行波防冰单元3、振动频率传感单元4安装在风机叶片6内，结冰解析单元1、驻波除冰单元2、行波防冰单元3、振动频率传感单元4分别与控制单元5连接。 [0025] 如图2所示，所述的结冰解析单元1包括压电陶瓷谐波激振器I 7和连线Ⅰ8，压电陶瓷谐波激振器I 7安装在叶片6内，通过连线Ⅰ8 与控制单元5连接。所述的驻波除冰单元2包括压电陶瓷谐波激振器Ⅱ 9和连线Ⅱ 10，压电陶瓷谐波激振器Ⅱ 9 安装在叶片6内，通过连线Ⅱ 10 与控制单元 5连接。所述的行波防冰单元3 包括压电陶瓷谐波消能器12、连线Ⅲ 11，所述的压电陶瓷谐波消能器12 安装在叶片6内，通过连线Ⅲ 11与控制单元5连接。所述的振动频率传感单元4 包括加速度传感器13和连线Ⅳ 14，所述的加速度传感器13 安装在叶片6内，通过连线Ⅳ 14 与控制单元5连接。压电陶瓷谐波激振器I 7、压电陶瓷谐波激振器Ⅱ 9、压电陶瓷谐波消能器12及加速度传感器13安装在叶片6的内侧壁上；位于风机叶片6的最大截面处。 [0026] 本发明的风机叶片自动防冰除冰方法，包括如下步骤： [0027] 1）在风机叶片6未结冰条件下，控制单元5每隔一段时间发出电信号启动一次结冰解析单元1，通过连线Ⅰ8，压电陶瓷谐波激振器I 7激振风机叶片6，使风机叶片6产生振动。此时，振动频率传感单元4的加速度传感器13通过连线14将风机叶片6的振动频率数值传输到控制单元5，与控制单元5里存储的风机叶片6固有频率数值相比较，超出一定数值时，则确定风机叶片6结冰，进行下一步骤，否则，继续该步骤。 [0028] 2）判断风机叶片6已结冰时，控制单元5控制启动驻波除冰单元2，通过连线Ⅰ8，压电陶瓷谐波激振器I 7谐波激振风机叶片6，使风机叶片6谐波振动，同时控制单元5通过连线Ⅱ 10发出电信号，压电陶瓷谐波激振器Ⅱ 9以同样频率，同样振幅的谐波激振风机叶片6，使风机叶片6谐波振动，这两谐波形成驻波，对附在风机叶片6上的冰块作用剪应力和拉应力，使冰块破碎脱落，达到除冰效果。 [0029] 3）驻波除冰单元2工作一段时间后，控制单元5控制启动结冰解析单元1，执行步骤1），判断是否结冰；是，则重复步骤2)，否，控制单元5则启动行波防冰单元3，通过连线Ⅰ8 ，压电陶瓷谐波激振器I 7谐波激振风机叶片6，使风机叶片6谐波振动，此时压电陶瓷谐波消能器12随着谐波振动变形消能，产生行波效应，使风机叶片6上的沾附的水滴作椭圆运动而无法停在风机叶片6上结冰，在重力的作用下自行掉落，达到节能防冰效果。