专利名称：热辅助超声波联合除冰装置及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种热辅助超声波联合除冰装置，主要应用于风力发电设备中发电机叶片的防冰、除冰处理，属于设备防冰、除冰领域。
背景技术：
风力发电是风能利用的主要形式，然而对于冬季运行的风力发电机组尤其是安装在湿冷地区的风力发电机组而言，叶片结冰是影响风力机效率以及安全可靠性的主要因素之一。叶片大量覆冰时，会严重影响其气动特性，使风力机的效率降低，机组的输出功率减少；严重覆冰时还将导致风力发电机组非正常停机，影响电网系统的安全稳定运行。然而， 目前还没有有效成熟的叶片除冰技术，一般是采用停机的方式除冰，严重影响了电网运行的稳定性。因此，寻求有效的叶片防冰、除冰方法具有重要的工程应用价值。而超声波作为一种能量形式，在固体介质中传播时具有机械效应，可以产生高频振荡，这种高频振荡可以在不同物质的粘结界面处产生巨大的剪切力，使物质分离。
发明内容
本发明的目的是针对现有风力发电机叶片除冰技术的不足，提出一种热辅助超声波联合除冰装置，该装置能够实时有效地除去叶片表面的冰层，简单高效，安全可靠，从而保证了冬季风力发电机组的安全运行，提高了冬季风力发电机组的运行效率。为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案
一种热辅助超声波联合除冰装置，包括风力发电机叶片、自动控制装置、辅助电加热装置、超声波高频振荡装置、用于检测外界环境温度的室外环境温度传感器以及用于检测风力发电机叶片冰层厚度的叶片表面冰层厚度测试仪；辅助电加热装置包括电加热电源以及与电加热电源连接的电加热片，超声波高频振荡装置包括超声波发生器以及通过连接电缆与超声波发生器连接的超声波换能器，且超声波换能器与电加热片交错地固定安装在风力发电机叶片的内表面；自动控制装置根据室外环境温度传感器所反馈的温度信号以及叶片表面冰层厚度测试仪所反馈的叶片冰层厚度信号自动控制超声波发生器的启动/制停，且自动控制装置根据叶片表面冰层厚度测试仪所反馈的叶片冰层厚度信号以及超声波发生器的持续工作时间自动控制辅助电加热装置的启动/制停。所述叶片表面冰层厚度测试仪为超声波测厚仪。所述超声波换能器与电加热片均呈矩形阵列分布。所述超声波换能器为压电陶瓷圆盘换能器；而电加热片为方形云母电加热片。本发明的另一技术目的是提供一种上述热辅助超声波联合除冰装置的控制方法， 包括以下步骤(1)根据室外环境温度传感器所反馈的温度信号判断是否达到结冰温度， 一旦达到结冰温度，自动启动超声波发生器；(2)超声波发生器启动后，对超声波换能器提供交流激励电流，产生高频振荡，以对风力发电机叶片进行除冰操作；(3)超声波发生器的工作时间持续了预设时间t后，判断叶片表面冰层厚度测试仪所反馈的当前风力发电机叶片冰层厚度与预设的冰层厚度下限值h的大小，若当前风力发电机叶片冰层厚度不高于冰层厚度下限值h，则关闭超声波发生器；若当前风力发电机叶片冰层厚度高于冰层厚度下限值h，则自动开启辅助电加热装置，超声波发生器以及辅助电加热装置联合工作，直至当前风力发电机叶片冰层厚度不高于冰层厚度下限值h，关闭超声波发生器、辅助电加热装置。根据以上的技术方案，与现有技术相比，本发明具有以下的优点
1、本发明有效弥补了现有风力发电机停机除冰的不足，可以实时进行有效的除冰，无需停机。通过加入一定强度和频率的超声波，在叶片表面产生高频振荡，克服冰层在叶片表面的粘附强度，破坏冰层结构，有效除去叶片表面冰层，可以在不停机的情况下，保持风力发电机的正常运行，提高能源利用率。2、本发明采用热辅助超声波除冰的方式，在超声波不能有效除冰的情况下，采用辅助电加热的方式，只需加入极少的热量，仅仅融化冰层与叶片粘结界面处的一层冰晶，降低冰层在叶片表面的粘结强度，同时加之超声波的机械作用，利用超声波的高频振荡除去冰层。与现有完全融化冰层的热除冰方式相比，只需消耗极少的热量便可完成整个除冰过程，高效节能。3、设备简单，操作方便，不会对叶片额外增加过多的重量。
图1是本发明热辅助超声波联合除冰装置示意图
图2是本发明叶片内表面超声波换能器以及电加热片布置示意图； 图3是本发明除冰方法控制流程图中1、超声波发生器，2、连接电缆、3、若干超声波换能器，4、辅助电加热系统，5、室外环境温度传感器，6、叶片表面冰层厚度测试仪。
具体实施例方式附图非限制性地公开了本发明所涉及优选实施例的结构示意图；以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。如图1、图2所示，本发明所述热辅助超声波联合除冰装置，包括风力发电机叶片、 自动控制装置、辅助电加热装置、超声波高频振荡装置、用于检测外界环境温度的室外环境温度传感器以及用于检测风力发电机叶片冰层厚度的叶片表面冰层厚度测试仪，其中所述叶片表面冰层厚度测试仪为超声波测厚仪，；辅助电加热装置包括电加热电源以及与电加热电源连接的电加热片，超声波高频振荡装置包括超声波发生器以及通过连接电缆与超声波发生器连接的超声波换能器，换能器和加热片的数量根据叶片的大小进行布置，超声波换能器和加热片的功率均可根据结冰情况进行有效调节，且超声波换能器与电加热片交错地固定安装在风力发电机叶片的内表面。本发明中，超声波换能器与电加热片均采用螺纹连接的方式紧固于叶片的内表面，同时所述超声波换能器与电加热片均呈矩形阵列分布，超声波换能器为压电陶瓷圆盘换能器；而电加热片则为方形云母电加热片；自动控制装置根据室外环境温度传感器所反馈的温度信号以及叶片表面冰层厚度测试仪所反馈的叶片冰层厚度信号自动控制超声波发生器的启动/制停，且自动控制装置根据叶片表面冰层厚度测试仪所反馈的叶片冰层厚度信号以及超声波发生器的持续工作时间自动控制辅助电加热装置的启动/制停。如图3所示，其公开了一种上述热辅助超声波联合除冰装置的控制方法，包括以下步骤(1)根据室外环境温度传感器所反馈的温度信号判断是否达到结冰温度，一旦达到结冰温度，自动启动超声波发生器；(2)超声波发生器启动后，对超声波换能器提供交流激励电流，超声波换能器产生高频振荡，以对风力发电机叶片进行除冰操作；(3)超声波发生器的工作时间持续了预设时间t后，判断叶片表面冰层厚度测试仪所反馈的当前风力发电机叶片冰层厚度与预设的冰层厚度下限值h的大小，若当前风力发电机叶片冰层厚度不高于冰层厚度下限值h，则关闭超声波发生器；若当前风力发电机叶片冰层厚度高于冰层厚度下限值h，则自动开启辅助电加热装置，直至当前风力发电机叶片冰层厚度不高于冰层厚度下限值h，关闭超声波发生器、辅助电加热装置。本发明的工作原理是
首先根据室外环境温度传感器5采集的环境温度信号判断是否达到了结冰温度，一旦达到了结冰温度，超声波发生器1自动开启，驱动超声波换能器3工作，利用超声波换能器3 发出的超声波产生的高频振荡除冰，在设定时间内叶片表面冰层厚度测试仪6实时测量冰层厚度，若冰层厚度低于设定值，超声波发生器1自动停止工作，除冰过程完成；若冰层厚度高于设定值，辅助电加热系统4自动开启，在电加热辅助超声波高频振荡的联合作用下除冰，同时叶片表面冰层厚度测试仪6实时测量冰层厚度，当冰层厚度低于设定值时，超声波发生器1和辅助电加热系统4自动停止工作。因此，在结冰的初始阶段，室外环境温度传感器采集温度信号，自动控制装置根据反馈的温度信号实时自动开启超声波发生器，超声波换能器阵列开始工作，在叶片表面产生高频振荡，高频振荡在叶片表面和冰层的界面处产生巨大的剪切力，可以有效克服冰层和叶片表面之间的粘结强度，从而使得冰层破碎脱落；若设定工作时间内，高频振荡在叶片表面和冰层的界面处产生的剪切力不足以完全克服冰层和叶片表面之间的粘结强度，冰层无法完全去除，辅助电加热系统自动开启，电加热片阵列对叶片表面施以小功率加热，只需要融化叶片表面和冰层界面处的冰晶，使得界面处形成一层水膜或者固液粘稠区，降低冰层与叶片表面之间的粘结强度，同时超声装置继续运行，超声波的高频振荡产生的巨大剪切力便可以将冰层振掉。在热辅助超声波联合作用下，最终完成整个叶片除冰过程。在除冰过程中，超声波换能器阵列也可以根据结冰情况调节功率和运行列数。
权利要求
1.一种热辅助超声波联合除冰装置，包括风力发电机叶片，其特征在于，还包括自动控制装置、辅助电加热装置、超声波高频振荡装置、用于检测外界环境温度的室外环境温度传感器以及用于检测风力发电机叶片冰层厚度的叶片表面冰层厚度测试仪；辅助电加热装置包括电加热电源以及与电加热电源连接的电加热片，超声波高频振荡装置包括超声波发生器以及通过连接电缆与超声波发生器连接的超声波换能器，且超声波换能器与电加热片交错地固定安装在风力发电机叶片的内表面；自动控制装置根据室外环境温度传感器所反馈的温度信号以及叶片表面冰层厚度测试仪所反馈的叶片冰层厚度信号自动控制超声波发生器的启动/制停，且自动控制装置根据叶片表面冰层厚度测试仪所反馈的叶片冰层厚度信号以及超声波发生器的持续工作时间自动控制辅助电加热装置的启动/制停。
2.根据权利要求1所述热辅助超声波联合除冰装置，其特征在于，所述叶片表面冰层厚度测试仪为超声波测厚仪。
3.根据权利要求1或2所述热辅助超声波联合除冰装置，其特征在于，所述超声波换能器与电加热片均呈矩形阵列分布。
4.根据权利要求3所述热辅助超声波联合除冰装置，其特征在于，所述超声波换能器为压电陶瓷圆盘换能器；而电加热片为方形云母电加热片。
5.一种用于权利要求1所述热辅助超声波联合除冰装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤(1)根据室外环境温度传感器所反馈的温度信号判断是否达到结冰温度，一旦达到结冰温度，自动启动超声波发生器；(2)超声波发生器启动后，对超声波换能器提供交流激励电流，超声波换能器产生高频振荡，以对风力发电机叶片进行除冰操作；(3)超声波发生器的工作时间持续了预设时间t后，判断叶片表面冰层厚度测试仪所反馈的当前风力发电机叶片冰层厚度与预设的冰层厚度下限值h的大小，若当前风力发电机叶片冰层厚度不高于冰层厚度下限值h，则关闭超声波发生器；若当前风力发电机叶片冰层厚度高于冰层厚度下限值h，则自动开启辅助电加热装置，超声波发生器以及辅助电加热装置联合工作，直至当前风力发电机叶片冰层厚度不高于冰层厚度下限值h，关闭超声波发生器、辅助电加热装置。
全文摘要
本发明公开了一种热辅助超声波联合除冰装置及其控制方法，包括风力发电机叶片、自动控制装置、辅助电加热装置、超声波高频振荡装置、室外环境温度传感器及叶片表面冰层厚度测试仪；辅助电加热装置包括电加热电源、电加热片，超声波高频振荡装置包括超声波发生器、超声波换能器；自动控制装置根据室外环境温度传感器所反馈的温度信号及叶片表面冰层厚度测试仪所反馈的冰层厚度信号控制超声波发生器工作、根据叶片表面冰层厚度测试仪所反馈的冰层厚度信号以及超声波发生器的持续工作时间控制辅助电加热装置工作。故本发明能够实时有效地除去叶片表面的冰层，简单高效，安全可靠，保证冬季风力发电机组的安全运行，提高冬季风力发电机组的运行效率。
文档编号F03D11/00GK102434405SQ20111044413
公开日2012年5月2日 申请日期2011年12月27日 优先权日2011年12月27日
发明者李栋, 查翔, 陈振乾 申请人:东南大学