CN114718805A - 一种具有微波定向除冰功能的风电机组叶片及其制造和除冰方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有微波定向除冰功能的风电机组叶片及其制造和除冰方法,所述叶片的前缘部分及叶尖部分由具备高吸波性能的金属纳米粒子/碳纤维/环氧树脂复合材料制成;多个高功率磁控管被安装在所述风电机组叶片的叶根位置,并配置为呈某机械角度均匀分布,并在磁控管的天线处安装微型舵机,用于以控制微波的方向;在叶片腔内靠近叶片前缘的工字梁处覆盖具备高微波反射能力的金属箔。当叶片上产生结冰时,启动安装在叶片叶根位置的高功率磁控管和舵机,发出定向微波,通过所述金属箔将微波反射至叶片上的覆冰区域,所述复合材料将微波能吸收转化为热能,从而实现除冰。
Description
技术领域
本发明涉及风电机组叶片设计及风电场运行维护等技术领域,具体涉及一种具有微波定向除冰功能的风电机组叶片及其制造和除冰方法。
背景技术
风电机组工作在露天环境中,恶劣天气条件对于其安全经济运行有重要影响。在阴冷潮湿环境下,达到一定条件时风电机组的关键部件叶片上会产生结冰现象。叶片结冰轻则使风电机组发电效率降低、使用寿命缩短;重则诱发叶片断裂,危及人员安全。
现有除冰方法主要有三种:一是热力除冰,是指通过电热元件直接或者间接加热叶片以达到叶片除冰目的,但该方法耗电量高且效率较低;二是机械除冰,是指在风电机组停机后应用机械设备将叶片表面覆冰击碎以达到除冰目的,但该方法费时费力且覆冰掉落存在安全隐患;三是涂层防冰,是指将具有超疏水性的特殊材料涂于叶片表面以减小冰层与叶片之间的粘合力,但该方法有效防护时间短。
综上,现有技术中的除冰方法在效率性、安全性、耐久性等方面存在问题,无法很好地去除叶片覆冰。
发明目的
本发明的目的即在于针对现有叶片除冰方法的不足,提供了一种具有微波定向除冰功能的风电机组叶片及其制造和除冰方法。在叶片设计制造过程中,在最易发生覆冰的叶片前缘及叶尖处掺混碳纤维及金属颗粒,制造具备能够高效吸收微波的金属纳米粒子/碳纤维/环氧树脂复合材料叶片;在叶片安装过程中,在叶根位置处安装多个磁控管以发射微波,并通过舵机精准控制微波发射方向;在靠近叶片前缘的工字梁处贴覆能够反射微波的锡箔纸以将磁控管发射的微波反射至叶片前缘和叶尖处;通过微波在具备高吸波性能复合材料叶片表面产生的热效应,使得叶片表面冰层快速融化。本发明避免了内埋加热元件复杂的布线设计,具有定向加热、效率高、安装方便、无安全隐患等优点,能够较好解决叶片覆冰问题。
发明内容
根据本发明的一个方面,提供了一种具有微波定向除冰功能的风电机组叶片,所述叶片包括叶根、主梁、前缘部分、后缘部分、叶尖部分;该叶片的前缘部分及叶尖部分由具备高吸波性能的金属纳米粒子/碳纤维/环氧树脂复合材料制成,所述金属纳米粒子/碳纤维/环氧树脂复合材料指在环氧树脂中掺入碳纤维和等浓度梯度的金属纳米粒子形成复合材料,或在环氧树脂中掺入等浓度梯度的金属纳米粒子形成复合环氧树脂材料,在所述风电机组叶片中,金属纳米粒子浓度从叶片内腔至外表面不断降低;
多个高功率磁控管被安装在所述风电机组叶片的叶根位置,并配置为呈某机械角度均匀分布,在所述高功率磁控管的天线处安装微型舵机,用于以控制所述高功率磁控管所发射的微波的方向;在所述高功率磁控管对称部位安装等重配件以保持平衡;
在所述风电机组叶片腔内靠近叶片前缘的工字梁处覆盖具备高微波反射能力的金属箔,用来反射微波。
优选地,所述风电机组叶片被用于2MW的风电机组。
优选地,所述金属纳米粒子包括Fe、Ni、Co、Mn的一种或多种的组合。
优选地,将5个额定功率10kw的可调节高功率磁控管安装于所述风电机组叶片的叶根位置并呈45°机械角度均匀分布。
优选地,所述具备高微波反射能力的金属箔由Au、Cu、Mo、Ag、Al之一或它们的组合物制成。
根据本发明的另一个方面,提供一种上述叶片的制造方法,包括以下步骤:
步骤1、用复合环氧树脂制备所述叶片,其中,构建叶片的前缘部分及叶尖部分时,在环氧树脂中掺入碳纤维和等浓度梯度的金属纳米粒子,其中金属纳米粒子浓度从叶片内腔至外表面不断降低,或者在叶片前缘掺入等浓度梯度的金属纳米粒子,其中金属纳米粒子浓度从叶片内腔至外表面不断降低,从而制得由金属纳米粒子/碳纤维/环氧树脂复合材料制成的风机机组叶片主体;
步骤2、将多个高功率磁控管安装于叶片的叶根位置,并呈一定机械角度均匀地分布在环形的叶根内表面上;在所述多个高功率磁控管的天线处分别安装微型舵机以控制微波的方向,并配置波导元件;在磁控管对称部位安装等重配件以保持整体负重平衡;
步骤3、在叶片腔内靠近叶片前缘的工字梁处覆盖具备高微波反射能力的金属箔来反射微波。
优选地,所述金属纳米粒子包括Fe、Ni、Co、Mn的一种或多种的组合。
优选地,将5个额定功率10kw的可调节高功率磁控管安装于所述风电机组叶片的叶根位置并呈45°机械角度均匀分布。
优选地,所述具备高微波反射能力的金属箔由Au、Cu、Mo、Ag、Al之一或它们的组合物制成。
根据本发明的另一个方面,提供了一种应用上述叶片定向除冰的方法,包括:在风机机组运行过程中,当叶片上产生结冰时,启动安装在叶片叶根位置的高功率磁控管和舵机,发出定向微波,通过所述高微波反射能力的金属箔将所发出的微波反射至叶片上的覆冰区域,由金属纳米粒子/碳纤维/环氧树脂复合材料将微波能吸收转化为热能,从而实现除冰。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案,下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是叶片微波除冰方法的流程示意图。
图2是本发明所述具有微波除冰功能的风电机组叶片的结构示意图。
图3是叶片微波发生装置的结构示意图。
图4是叶片腔内金属箔覆盖位置示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本领域技术人员应当理解,文中所使用的步骤编号仅是为了方便描述,不对作为对步骤执行先后顺序的限定。在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样,除非上下文清楚地指明其它情况,否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在,但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合,并且包括这些组合。
图1是叶片微波除冰方法的流程示意图。由图1所示,首先,构建高吸波性能的金属纳米粒子/碳纤维/环氧树脂复合材料,制成的风机机组叶片主体;接着,利用磁控管和舵机产生定向微波;然后,利用金属箔反射微波至叶片的结冰位置;最后,复合材料吸收微波以热形式耗散达到除冰效果。
图2是具有微波除冰功能的风电机组叶片的结构示意图,由图可知,所述叶片包括叶根、主梁、前缘部分、后缘部分、叶尖部分,结冰位置位于前缘及叶尖部分。叶片的前缘面及叶尖由高吸波复合材料制成,可以吸收电磁波。
下面通过实施例进行详细说明。
实施例
针对2MW的风电机组,结合附图对本发明的具体实施例作进一步的详细说明。所述具有微波定向除冰功能的风电机组叶片的制造及除冰过程如下:
(1)制造具备高吸波性能的金属纳米粒子/碳纤维/环氧树脂复合材料叶片。在环氧树脂材料中加入碳纤维可以增强材料将电磁波转化为热能的能力而掺入金属纳米粒子可以增强材料低频附近微波吸收能力。针对两种不同材料叶片,具体步骤如下:。
1)对于环氧树脂复合材料的2MW的风电机组叶片,在叶片前缘掺入碳纤维和等浓度梯度的金属纳米粒子,其中金属纳米粒子浓度从叶片内腔至外表面不断降低;
2)对于碳纤维/环氧树脂复合材料的2MW的风电机组叶片,仅需在叶片前缘掺入等浓度梯度的金属纳米粒子,其中金属纳米粒子浓度从叶片内腔至外表面不断降低;
在本实施例中,金属纳米粒子选取Fe、Ni、Co、Mn的一种或多种的组合,它们均具有良好的吸波特性。
(2)定向微波发生、控制装置。通过高功率磁控管发生微波,出于力学性能及易维护性等方面的考虑,将5个额定功率10kw的可调节磁控管安装于叶根位置并呈45°机械角度均匀分布,在磁控管天线处安装微型舵机以控制微波的方向,如图3所示。考虑到可能出现的负重不平衡问题,在磁控管对称部位安装等重配件。
(3)微波反射装置。微波的发生和接收并非直线传播,需要以反射物作为中间媒介进行传递,在叶片腔内靠近叶片前缘的工字梁处覆盖具备高微波反射能力的金属箔来反射微波,如图4所示。
(4)接收微波。经反射的微波到达金属纳米粒子/碳纤维/环氧树脂复合材料叶片,将微波能吸收转化为热能,从而实现除冰。
本发明具有如下有益效果:
本发明通过在叶片中掺混碳纤维和金属纳米粒子等吸波材料提升叶片吸收微波的能力,解决了传统叶片导热率低的问题,使叶片从内部自身产生热量,使用较少的能量即可达到相同的除冰效果。
Claims (10)
1.一种具有微波定向除冰功能的风电机组叶片,包括叶根、主梁、前缘部分、后缘部分、叶尖部分,其特征在于,该叶片的前缘部分及叶尖部分由具备高吸波性能的金属纳米粒子/碳纤维/环氧树脂复合材料制成,所述金属纳米粒子/碳纤维/环氧树脂复合材料指在环氧树脂中掺入碳纤维和等浓度梯度的金属纳米粒子形成复合材料,或在环氧树脂中掺入等浓度梯度的金属纳米粒子形成复合环氧树脂材料,在所述风电机组叶片中,金属纳米粒子浓度从叶片内腔至外表面不断降低;
多个高功率磁控管被安装在所述风电机组叶片的叶根位置,并配置为呈某机械角度均匀分布,在所述高功率磁控管的天线处安装微型舵机,用于以控制所述高功率磁控管所发射的微波的方向;在所述高功率磁控管对称部位安装等重配件以保持平衡;
在所述风电机组叶片腔内靠近叶片前缘的工字梁处覆盖具备高微波反射能力的金属箔,用来反射微波。
2.根据权利要求1所述的一种具有微波定向除冰功能的风电机组叶片,其特征在于,所述风电机组叶片被用于2MW的风电机组。
3.根据权利要求1所述的一种具有微波定向除冰功能的风电机组叶片,其特征在于,所述金属纳米粒子包括Fe、Ni、Co、Mn的一种或多种的组合。
4.根据权利要求1所述的一种具有微波定向除冰功能的风电机组叶片,其特征在于,将5个额定功率10kw的可调节高功率磁控管安装于所述风电机组叶片的叶根位置并呈45°机械角度均匀分布。
5.根据权利要求1所述的一种具有微波定向除冰功能的风电机组叶片,其特征在于,所述具备高微波反射能力的金属箔由Au、Cu、Mo、Ag、Al之一或它们的组合物制成。
6.一种根据权利要求1所述具有微波定向除冰功能的风电机组叶片的制造方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1、用复合环氧树脂制备所述叶片,其中,构建叶片的前缘部分及叶尖部分时,在环氧树脂中掺入碳纤维和等浓度梯度的金属纳米粒子,其中金属纳米粒子浓度从叶片内腔至外表面不断降低,或者在叶片前缘掺入等浓度梯度的金属纳米粒子,其中金属纳米粒子浓度从叶片内腔至外表面不断降低,从而制得由金属纳米粒子/碳纤维/环氧树脂复合材料制成的风机机组叶片主体;
步骤2、将多个高功率磁控管安装于叶片的叶根位置,并呈一定机械角度均匀地分布在环形的叶根内表面上;在所述多个高功率磁控管的天线处分别安装微型舵机以控制微波的方向,并配置波导元件;在磁控管对称部位安装等重配件以保持整体负重平衡;
步骤3、在叶片腔内靠近叶片前缘的工字梁处覆盖具备高微波反射能力的金属箔来反射微波。
7.根据权利要求6所述的制造方法,其特征在于,所述金属纳米粒子包括Fe、Ni、Co、Mn的一种或多种的组合。
8.根据权利要求6所述的制造方法,其特征在于,将5个额定功率10kw的可调节高功率磁控管安装于所述风电机组叶片的叶根位置并呈45°机械角度均匀分布。
9.根据权利要求6所述的制造方法,其特征在于,所述具备高微波反射能力的金属箔由Au、Cu、Mo、Ag、Al之一或它们的组合物制成。
10.一种应用根据权利要求1-5任一所述的具有微波定向除冰功能的风电机组叶片定向除冰的方法,包括:在风机机组运行过程中,当叶片上产生结冰时,启动安装在叶片叶根位置的高功率磁控管和舵机,发出定向微波,通过所述高微波反射能力的金属箔将所发出的微波反射至叶片上的覆冰区域,由金属纳米粒子/碳纤维/环氧树脂复合材料将微波能吸收转化为热能,从而实现除冰。
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