CN113179557A - 基于碳纤维复合加热材料的智能风速风向仪防冰方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于碳纤维复合加热材料的智能风速风向仪防冰方法，包括步骤：S1.确定所述碳纤维复合加热材料的长度L以及长度为L的碳纤维复合加热材料的根数n；S2.将n根长度均为L的碳纤维复合加热材料并联而形成加热单元；S3.将所述加热单元设置于所述智能风速风向仪的目标加热区域；S4.判断所述加热单元的温度是否小于温度阈值T1，若是，则加热单元开始加热；若否，则进入步骤S5；S5.判断所述加热单元的温度是否大于温度阈值T2，若是，则加热单元停止加热；若否，则加热单元继续加热。本发明能够有效地防止风速风向仪的覆冰，进而实现覆冰环境下风速风向的实时准确测量，且能避免由于覆冰而引发的事故与灾害。
Description
技术领域
本发明涉及防冰领域，具体涉及一种基于碳纤维复合加热材料的智能风速风向仪防冰方法。
背景技术
由于高山冬季冰冻期较长，风速传感器、风机叶片等电力设备在高寒天气条件下常常被冻结破坏，无法正常工作，降低了数据的可用性。这些设备的抗冰技术经历了机械除冰、电热除冰、超疏水涂层防冰的发展历程。机械除冰耗能小，成本低，但比较被动、除冰速度慢且受地理条件限制；防冰涂料或特殊材料，无运行能耗、成本低廉、易于维护，但是防覆冰效果有限、不足以防止覆冰。
对于电热除冰技术，其中的自限温伴热带，PTC材质，可以限温65℃，通常用于水管道加热，用于小型电力设备则过于坚硬，且存在加热不均的问题。铠装电缆、云母加热片等电热材料都存在类似问题，且存在发热元件质量大、不易弯曲、加热速度慢的缺点。
我国每年都有很大比例的电力设备受到覆冰灾害的影响，因此研究新型的防除冰技术很有工程价值。随着复合材料的发展，碳纤维因具有高强、高模、高弹、耐高温、耐酸碱腐蚀、导电性能良好等优异特性而得到了广泛应用。碳纤维在传统使用中除了用作绝热保温材料外，多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。碳纤维已成为先进复合材料中最重要的增强材料。碳纤维作为新一代增强纤维，其碳含量在95％以上，拥有优良的物理性能与化学稳定性。其在飞机制造、船舶工业与汽车行业等领域拥有广阔的应用前景。
目前，冬季覆冰环境下风速风向仪等户外长期运行测量装置的防冰问题一直是未解决的难题，导致瞬时风速的测量比较困难，难以得到实时准确的覆冰环境参数。因此，需要一种快速、简洁的防冰方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供基于碳纤维复合加热材料的智能风速风向仪防冰方法，能够有效地防止风速风向仪的覆冰，实现覆冰环境下风速风向的实时准确测量，避免了由于覆冰而引发的事故与灾害。
本发明的基于碳纤维复合加热材料的智能风速风向仪防冰方法，包括如下步骤：
S1.确定所述碳纤维复合加热材料的长度L以及长度为L的碳纤维复合加热材料的根数n；
S2.将n根长度均为L的碳纤维复合加热材料并联而形成加热单元；
S3.将所述加热单元设置于所述智能风速风向仪的目标加热区域；
S4.判断所述加热单元的温度是否小于温度阈值T1，若是，则加热单元开始加热；若否，则进入步骤S5；
S5.判断所述加热单元的温度是否大于温度阈值T2，若是，则加热单元停止加热；若否，则加热单元继续加热。
进一步，所述步骤S1中，根据如下式子确定所述碳纤维复合加热材料的长度L以及长度为L的碳纤维复合加热材料的根数n：
其中，R为需要的碳纤维复合加热材料的发热总电阻；ρ0为碳纤维复合加热材料丝束的线电阻率；S为智能风速风向仪需要防冰的面积；ΔW为相邻碳纤维复合加热材料之间的间距。
进一步，根据如下公式确定需要的碳纤维复合加热材料的发热总电阻R：
R＝U2/(P·S)；
其中，U为智能风速风向仪的额定工作电压；P为智能风速风向仪的临界防冰功率密度；S为智能风速风向仪需要防冰的面积。
进一步，所述加热单元，从上到下依次包括绝缘导热层、加热层、绝缘隔热层以及保护层；
所述加热单元设置于智能风速风向仪的目标加热区域；
所述加热层包括n根长度均为L且并联的碳纤维复合加热材料。
本发明的有益效果是：本发明公开的一种基于碳纤维复合加热材料的智能风速风向仪防冰方法，通过确定需要发热的总电阻以及需要满足的防冰加热面积，从而得到需要的碳纤维复合加热材料的根数以及每根材料对应的长度，并将设置好的碳纤维复合加热材料铺设到目标加热区域进行加热处理，进而有效地防止风速风向仪的覆冰，实现覆冰环境下风速风向的实时准确测量，避免了由于覆冰而引发的事故与灾害。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的方法流程示意图；
图2为本发明的加热单元的层次结构示意图；
图3为本发明的加热层中碳纤维复合加热材料等效电阻的结构示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明做出进一步的说明，如图1所示：
本发明的基于碳纤维复合加热材料的智能风速风向仪防冰方法，包括如下步骤：
S1.确定所述碳纤维复合加热材料的长度L以及长度为L的碳纤维复合加热材料的根数n；
S2.将n根长度均为L的碳纤维复合加热材料并联而形成加热单元；
S3.将所述加热单元设置于所述智能风速风向仪的目标加热区域；
S4.判断所述加热单元的温度是否小于温度阈值T1，若是，则加热单元开始加热；若否，则进入步骤S5；本实施例中，所述温度阈值T1为0°；所述加热单元通电后开始工作并加热；
S5.判断所述加热单元的温度是否大于温度阈值T2，若是，则加热单元停止加热；若否，则加热单元继续加热。本实施例中，所述温度阈值T2为30°；所述加热单元断电后不再工作并停止加热。
需要说明的是，所述碳纤维复合加热材料为T300 1K碳纤维簇，将所述碳纤维作为加热元件，其电阻是碳纤维加热元件最重要的性能参数之一，也即是利用电阻的发热达到加热的效果；所述智能风速风向仪为测量风速以及风向的设备或装置。
本实施例中，所述步骤S1中，根据如下式子确定所述碳纤维复合加热材料的长度L以及长度为L的碳纤维复合加热材料的根数n：
其中，R为需要的碳纤维复合加热材料的发热总电阻，单位为Ω；ρ0为碳纤维复合加热材料丝束的线电阻率，单位为Ω/m，所述线电阻率ρ0根据实际使用的加热材料确定；S为智能风速风向仪需要防冰的面积，单位为m2；ΔW为相邻碳纤维复合加热材料之间的间距，根据实际工况，设置ΔW为1cm，也即是0.01m。
所述式子(1)根据如下过程进行推导：
如图3所示，一根长度为L碳纤维复合加热材料的电阻RL为：RL＝ρ0·L；(3)，其中，ΔL为碳纤维复合加热材料丝束的测试段长度，单位为m；
n根长度均为L的碳纤维复合加热材料并联后得到发热总电阻R为：
其中，W为加热层的宽度，单位为m；
当n根长度均为L且并联的碳纤维复合加热材料形铺设的形状为一个矩形时，则有
根据式子(3)、(4)以及(5)，可得需要的碳纤维复合加热材料的发热总电阻
所述式子(2)根据如下过程进行推导：
所述碳纤维复合加热材料要铺满整个智能风速风向仪的目标加热区域，其中，所述目标加热区域的面积也即是智能风速风向仪需要防冰的面积S，则有S＝L·(n-1)(2)。
通过联立式子(1)以及(2)，可得到所述碳纤维复合加热材料的长度L以及长度为L的碳纤维复合加热材料的根数n。需要说明的是，当求得的根数n不为正整数时，比如n＝11.5，则可以先铺设11根，再铺设后续的0.5根(也就是半根)。
本实施例中，根据如下公式确定需要的碳纤维复合加热材料的发热总电阻R：
R＝U2/(P·S)；
其中，U为智能风速风向仪的额定工作电压；P为智能风速风向仪的临界防冰功率密度；S为智能风速风向仪需要防冰的面积。
本实施例中，智能风速风向仪的额定工作电压U为直流12V；输电线路临界防冰功率密度约为300W/m2，风机叶片临界防冰功率密度约为2000W/m2，而临界防冰功率与风速、环境温度有关，则智能风速风向仪的工作环境风速、环境温度介于输电线路与风机叶片之间，故取智能风速风向仪的临界防冰功率密度P＝1000W/m2。根据实际工况需求，可以直接测量得到智能风速风向仪需要防冰的面积S，一般地，取智能风速风向仪的外壁侧表面的面积作为需要防冰的面积。
本实施例中，如图2所示，所述加热单元，从上到下依次包括绝缘导热层、加热层、绝缘隔热层以及保护层；
所述加热单元设置于智能风速风向仪的目标加热区域；
所述加热层包括n根长度均为L且并联的碳纤维复合加热材料；所述加热层的一端设置有正电极，所述加热层的另一端设置有负电极。
其中，所述绝缘导热层一方面起导热作用，另一方面将加热层与需要加热的部件连接起来；所述加热层产生热量；所述绝缘隔热层一方面起隔热作用，另一方面将加热层与保护层连接起来；所述保护层保护整体不被外界破坏。
所述加热单元中各层材料的属性参数，如表1所示：
表1
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种基于碳纤维复合加热材料的智能风速风向仪防冰方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1.确定所述碳纤维复合加热材料的长度L以及长度为L的碳纤维复合加热材料的根数n；
S2.将n根长度均为L的碳纤维复合加热材料并联而形成加热单元；
S3.将所述加热单元设置于所述智能风速风向仪的目标加热区域；
S4.判断所述加热单元的温度是否小于温度阈值T1，若是，则加热单元开始加热；若否，则进入步骤S5；
S5.判断所述加热单元的温度是否大于温度阈值T2，若是，则加热单元停止加热；若否，则加热单元继续加热。
2.根据权利要求1所述的基于碳纤维复合加热材料的智能风速风向仪防冰方法，其特征在于：所述步骤S1中，根据如下式子确定所述碳纤维复合加热材料的长度L以及长度为L的碳纤维复合加热材料的根数n：
其中，R为需要的碳纤维复合加热材料的发热总电阻；ρ0为碳纤维复合加热材料丝束的线电阻率；S为智能风速风向仪需要防冰的面积；ΔW为相邻碳纤维复合加热材料之间的间距。
3.根据权利要求2所述的基于碳纤维复合加热材料的智能风速风向仪防冰方法，其特征在于：根据如下公式确定需要的碳纤维复合加热材料的发热总电阻R：
R＝U2/(P·S)；
其中，U为智能风速风向仪的额定工作电压；P为智能风速风向仪的临界防冰功率密度；S为智能风速风向仪需要防冰的面积。
4.根据权利要求1所述的基于碳纤维复合加热材料的智能风速风向仪防冰方法，其特征在于：所述加热单元，从上到下依次包括绝缘导热层、加热层、绝缘隔热层以及保护层；
所述加热单元设置于智能风速风向仪的目标加热区域；
所述加热层包括n根长度均为L且并联的碳纤维复合加热材料。
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