CN109973333B - 一种风力机电热除冰系统性能评价方法 - Google Patents

一种风力机电热除冰系统性能评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风力机电热除冰系统性能评价方法，属于风力机防除冰领域，本发明的方法为：通过前期调研获得计算的相关输入参数；选择电热除冰系统排布方法，获得使用面积及造价；利用试验方式对电热除冰系统的除冰情况进行研究，得到除冰系统运行时间和运行功率；根据公式计算出的性能指标，并选择最优的设计方案；通过本发明的方法可以定量的评估电热除冰系统的除冰性能，可以更直观的选择最优的电热除冰系统布局，形式简单、思路明确、效果明显的优势，能有效提高风力机电热除冰系统设计水平。

Description

一种风力机电热除冰系统性能评价方法
技术领域
本发明涉及风力机防除冰领域，尤其涉及一种风力机电热除冰系统性能评价方法。
背景技术
风力机安装在寒冷潮湿的地区时，风力机叶片表面会发生结冰现象。而在我国，风力机主要安装在东北，华北，西北等地区以及东南沿海，极有可能发生叶片结冰现象。风力机叶片结冰会对风力机运行效率以及人员安全产生极大危害。叶片结冰改变风力机叶片的翼型，严重影响风力机的气动性能，导致风力机停机，使得风力机发电量减少。结冰也导致风力机的负荷增大，破坏了旋转桨叶的动平衡，大大提高了叶片的疲劳载荷。
为了应对结冰问题，风力机叶片内部会安装有防除冰系统，其中电热除冰系统是现阶段较为流行的除冰方式之一。电热除冰系统是在风力机叶片表面或者内部安装有发热元件，通过电加热的方式达到除冰的效果。而随着新材料如石墨烯、复合涂料等的应用，电热除冰系统正得到快速发展。由于风力机叶片表面面积较大，不可能在整个风力机叶片上都安装有电加热元件，因此风力机电热除冰系统选择的是分布式加热方法，即加热元件间隔排布。
目前，国内对于电热除冰系统除冰效果的评价主要考虑的是在某一功率下，使用多长时间将冰去除进行评判，并未考虑实际风力机用户关心的经济角度，因此需要一种更加全面的评价方法，帮助科研人员选择更好的电热除冰系统分布方式。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的问题，提供一种风力机电热除冰系统性能评价方法。本发明的方法采用综合经济角度进行更加全面的评价方法，并且计算简单，效果明显，且考虑实际工程需求，可以为风力机设计单位及业主准确判定除冰系统性能。
本发明是这样实现的：
本发明公开了一种风力机电热除冰系统性能评价方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤一、首先进行前期调研：根据风力机安装地区情况得到风力机每年平均结冰天数和每天运行时间；根据风力机设计情况，得到风力机的发电功率；
根据风力机行业现状，得到电价及预期投资回收期；通过上述前期调研获得计算的相关输入参数：
步骤二、选择电热除冰系统排布方法，根据排布方式的不同，获得使用面积及造价；电热除冰系统排布方法有多种，可以根据用户需求进行定制，根据排布方式的不同，生产商可以根据需要制造的面积直接给出造价。
步骤三、通过试验对电热除冰系统的除冰情况进行研究，得到除冰系统运行时间和运行功率；针对选择的电热除冰系统，在环境箱中进行结冰和除冰过程，首先调节环境箱温度至设定的结冰温度，通过人工加水的方式制取结冰。
为了测量除冰过程中除冰系统表面温度变化情况，将测温的热电偶布置在除冰系统表面。测量系统包括电源、数据采集、加热元件等部分组成。开启电源使得电加热元件开始发热，，通过设定输入电压，控制加热元件的功率；通过热电偶记录表面温度变化情况，即可以得到除冰系统运行时间。
步骤四、根据公式计算出的性能指标，进行性能评价并选择最优的设计方案；
所述的公式为：
Pt＝((H-t)×Pw-Pe×t)×Qe×D×Y-A×Qg
其中，Pt为最终评价参数，H为风力机每天的预计发电时间，Pw为风力机的发电功率，Pe为电热除冰系统效率，t为电热除冰系统运行的时间，Qe为电价，D为风力机每年预计的结冰天数，Y为预期投资回收期，A为电热除冰系统使用面积，Qg为电热除冰系统单位面积的造价。
进一步，所述的Pt为最大值时的方案为最优方案。
进一步，所述的步骤三的试验方式为：针对选择的电热除冰系统，在环境箱中进行结冰和除冰过程，首先调节环境箱温度至设定的结冰温度，通过人工加水的方式制取结冰；将测温的热电偶布置在除冰系统表面，开启电源使得电加热元件开始发热，通过设定输入电压，控制加热元件的功率；通过热电偶记录表面温度变化情况，即得到除冰过程中除冰系统表面温度变化，进而得到除冰系统运行时间和运行功率。
本发明与现有技术的有益效果在于：
本发明采用的方法与现有方法相比，具有以下技术效果：
1.本发明中考虑了现有电热除冰系统选择的考虑除冰时间的方法，除冰时间越短，评价指标越高；本发明中考虑到电热除冰系统加热面积对最终评价方案的影响，加热面积越小，评价指标越高；本发明在考虑到电热除冰系统实际加热情况的基础之上，综合考虑了电热系统的经济性指标，符合实际工程需求；
2.本发明通过简单的计算，定量的评估电热除冰系统的除冰性能，可以更直观的选择最优的电热除冰系统布局，形式简单、思路明确、效果明显的优势，能有效提高风力机电热除冰系统设计水平。
附图说明
图1是电热除冰系统结构图；
图2是结冰条件下试验中电热除冰系统表面温度随时间变化；
图3是结冰位置及热电偶布置位置；
图中，1-冰层，2-保护层，3-外绝缘层，4-加热元件，5-内绝缘层，6-风力机基底，7-对称面，8-填充绝缘层。
具体实施方式
本发明公开了一种风力机电热除冰系统性能评价方法，为使本发明的实质性特点及其所具有的实用性更易于理解，以下结合附图对本发明的技术方案进一步的详细说明。
本发明所述方法包括以下步骤：
步骤一、经过前期调研了解风力机安装地区的气象环境，得到风力机每年的平均结冰天数和风力机每天能运行的时间；根据风力机自身的特性，得到风力机的发电功率；根据风力机行业现状，了解电价及普遍预期投资回收期；
步骤二、如图1所示，选择一种电热除冰系统排布方式：在加热元件4周围分别有内绝缘层5、外绝缘层3和填充绝缘层8，防止电加热元件漏电；内绝缘层5直接与风力机基底6连接，外绝缘层3外侧还需要安装保护层2，防止外绝缘层3在风力机长期运行过程中被破坏，结冰发生在保护层2外层；冰层1位于保护层2的上表面。根据制造成本计算获得系统单位面积的造价；通过风力机实际结冰情况或者数值计算得到风力机表面电热除冰系统使用的面积；
步骤三、针对该种电热除冰系统排布方式，在其表面冻结某一厚度冰层1，对电热除冰系统选择某一加热功率后通电加热，利用温度传感器测量表面温度，针对选择的电热除冰系统，在环境箱中进行结冰和除冰过程，首先调节环境箱温度至设定的结冰温度，通过人工加水的方式制取结冰，具体的测量如图3中(a)(b)(c)所示。为了测量除冰过程中除冰系统表面温度变化情况，将测温的热电偶布置在除冰系统表面。测量系统系统包括电源、数据采集、加热元件等部分组成。开启电源使得电加热元件开始发热，，通过设定输入电压，控制加热元件的功率；通过热电偶记录表面温度变化情况，电热除冰系统表面温度随时间变化如图2所示，从图中可以得到表面结冰融化的时间，即图2中A的时间为除冰时间。该时间乘以一个安全系数，例如1.2倍，即可以得到除冰系统运行时间；
步骤四、根据本发明使用的方法Pt＝((H-t)×Pw-Pe×t)×Qe×D×Y-A×Qg计算出风力机电热除冰系统评价指标参数；
步骤五、对不同电热除冰系统情况下的指标参数进行计算，可以得到最优的电热除冰系统排布。
现以某风场实际情况为例，具体步骤如下：
在步骤一中，确定该风场风力机平均每年的结冰天数为60天，风力机每天运行时间为8小时，该型号风力机的平均发电功率为1200KW；根据风力机行业现状目前电价约为0.3元/度，风场业主的预期投资回收期为3年。
在步骤二中，设计了三种电热除冰系统排布方式，三种方式改变图1中加热元件的宽度和间隔，分别为宽4cm，间隔4cm、宽4cm，间隔8cm、宽8cm，间隔4cm。采用三种排布方式，电热除冰系统使用的面积均为120m2，造价分别约为1000元/m2、600元/m2、1600元/m2。
在步骤三中，三种电热除冰系统加热功率均选择为1KW/m2，总功率为120KW，利用试验方法分别测得结冰融化时间为0.5h、0.8h和0.3h。选择安全系数1.2，得到除冰系统运行时间分别为0.6h、0.96h和0.36h。
在步骤四和五中。利用本发明使用的方法，基于步骤1-3中得到的参数，计算得到三种电热除冰系统排布的Pt值分别为：463632、377971、300739。可以看出，在本算例情况下，第一种排布方式的Pt值最大，说明第一种电热除冰系统排布方式为最优方案。
当风场风力机平均每年的结冰天数为40天，其他所有参数均不变的情况下，可以计算得到三种电热除冰系统排布的Pt值分别为：197088、227980、136492。可以看出，在本算例情况下，第二种排布方式的Pt值最大，说明第二种电热除冰系统排布方式为该情况下的最优方案。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种风力机电热除冰系统性能评价方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤一、首先进行前期调研：根据风力机安装地区情况得到风力机每年平均结冰天数和每天运行时间；根据风力机设计情况，得到风力机的发电功率；根据风力机行业现状，得到电价及预期投资回收期；通过上述前期调研获得计算的相关输入参数：
步骤二、选择电热除冰系统排布方法，获得使用面积及造价；所述的电热除冰系统排布方式为：在加热元件周围分别有内绝缘层、外绝缘层和填充绝缘层；内绝缘层直接与风力机基底连接，外绝缘层外侧还需要安装保护层，结冰发生在保护层外层；冰层位于保护层的上表面；通过风力机实际结冰情况或者数值计算得到风力机表面电热除冰系统使用的面积；根据制造成本计算获得系统单位面积的造价；
步骤三、通过试验对电热除冰系统的除冰情况进行研究，得到除冰系统运行时间和运行功率；
步骤四、根据公式计算出的性能指标，进行性能评价并选择最优的设计方案；
所述的公式为：
Pt＝((H-t)×Pw-Pe×t)×Qe×D×Y-A×Qg
其中，Pt为最终评价参数，H为风力机每天的预计发电时间，Pw为风力机的发电功率，Pe为电热除冰系统功率，t为电热除冰系统每天运行的时间，Qe为电价，D为风力机每年预计的结冰天数，Y为预期投资回收期，A为电热除冰系统使用面积，Qg为电热除冰系统单位面积的造价。
2.根据权利要求1所述的一种风力机电热除冰系统性能评价方法，其特征在于，所述的Pt为最大值时的方案为最优方案。
3.根据权利要求1所述的一种风力机电热除冰系统性能评价方法，其特征在于，所述的步骤三的试验方式为：针对选择的电热除冰系统，在环境箱中进行结冰和除冰过程，首先调节环境箱温度至设定的结冰温度，通过人工加水的方式制取结冰；将测温的热电偶布置在除冰系统表面，开启电源使得电加热元件开始发热，通过设定输入电压，控制加热元件的功率；通过热电偶记录表面温度变化情况，即得到除冰过程中除冰系统表面温度变化，进而得到除冰系统运行时间和运行功率。
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