本发明属于风力发电技术领域，尤其涉及一种包括风机叶片除冰系统的除冰方法。
背景技术
风电叶片表面出现覆冰，这会导致叶片的性能以及风力发电机组功率输出无法达到设计要求，并且也对风场、机组运行及人员安全带来一定的影响。因此，叶片的防冰与除冰显得尤为重要。现有的除冰方式主要包括机械除冰与热力除冰，前者主要利用机械方法把冰破碎，然后靠气流吹除，或者利用离心力、振动把冰除去，但这样会给叶片结构带来机械损坏的风险；而后者大多直接采用电阻丝加热用以除冰，然而，采用电阻丝加热的方法会导致能源浪费、总体成本较高，以及人工维护不方便等问题。
本发明设计一种基于石墨烯加热涂层的风机叶片除冰系统的除冰方法来解决如上问题。
技术实现要素：
为解决现有技术中的上述缺陷，本发明公开一种基于石墨烯加热涂层的风机叶片除冰系统，它是采用以下技术方案来实现的。
一种包括风机叶片除冰系统的除冰方法，其特征在于：所述除冰系统包括具有叶根和叶尖的叶片、除冰装置、结冰诊断装置；所述除冰装置包括石墨烯涂层、加热电极、控制器；所述石墨烯涂层采用多层石墨烯结构，其由低于8nm的苯环结构周期性紧密堆积的碳原子以不同的堆垛方式所构成；
制备所述石墨烯涂层的石墨烯浆料通过氢碘酸还原氧化石墨烯得到，通过在模具中依次刮膜、热处理、再刮膜、抛光，得到石墨烯涂层，所述石墨烯涂层包括石墨烯涂层环和石墨烯涂层条，并且将石墨烯涂层在叶片组装之前即平铺在叶根至叶尖方向的叶片外壳的内壁上，所述石墨烯涂层在与叶片弦线垂直的横断面上成环状，形成从叶根至叶尖方向的风机叶片外壳内壁上的多个不同间距的石墨烯涂层环；和/或同时沿叶片内壁的前缘和后缘线上分别设有从叶根至叶尖的贯穿于所述石墨烯涂层环的石墨烯涂层条，该石墨烯涂层条将所述具有不同间距的石墨烯涂层环连接，以便温度从石墨烯涂层条传导至石墨烯涂层环，进而在各石墨烯涂层环之间迅速传递；在所述石墨烯涂层的边缘区域沿着叶片叶根至叶尖的方向布置有加热电极，所述加热电极通过电源线连接控制器；
分别在叶片前缘与后缘沿线布置数个结冰诊断装置，所述结冰诊断装置检测所处位置的邻域面积区间内的结冰层平均厚度，判断所述结冰层厚度是否超过设定的厚度阈值，若是，则启动除冰装置，电源供电并通过控制器控制电极传导至石墨烯涂层以对叶片进行加热，若结冰诊断装置检测到结冰层平均厚度低于所述厚度阈值，则不启动除冰装置；
作为本技术的进一步改进，所述结冰诊断装置在叶片前缘与后缘沿线分别均布置三个，其分别位于叶根、叶尖、叶片前缘/后缘中点处；所述启动除冰装置的条件具体为在叶根、叶尖、叶片前缘/后缘中点分别至少有一处的结冰层厚度超过设定厚度阈值；
作为本技术的进一步改进，所述石墨烯涂层环的厚度为20-25μm，宽度为10-13mm或50-63mm；从叶根至叶尖的方向，所述石墨烯涂层环之间的间距以单调递减函数关系趋势减小，以使叶片叶尖处获得更高的比面加热功率，或者所述函数关系为f(x)=|-x+cos(x)|，其中，x为区间（0，n）之间的正整数，n为一根叶片上的石墨烯涂层环总数，f(x)为从叶根至叶尖方向的各个相邻石墨烯涂层环截面中心线之间的距离，其最小值趋近于零；
作为本技术的进一步改进，所述石墨烯涂层条的宽度为10-13mm或50-63mm，所述石墨烯涂层条的厚度满足以下函数关系：f(x)=|x-sin(x)|，其中，x为区间（0，n）之间的正整数，f(x)为从叶根至叶尖方向的各个相邻石墨烯涂层环之间的石墨烯涂层条的厚度值。
相对于传统的风机叶片除冰技术，本发明克服了现有的电加热除冰方式都需要大量使用风机外的电源来给加热器进行供电加热，从而导致大量能耗的问题；同时，利用石墨烯表面涂覆的方法，采用石墨烯涂层条与石墨烯涂层环相结合的方式，设计特殊分布结构与连接关系，确保了石墨烯涂层加热的稳定性和可靠性，同时以叶片结构特点为依据，采用沿叶根至叶尖的石墨烯涂层的不同厚度和石墨烯涂层环的不同间距结构，增大了涂层加热的结构适应性，对叶片不同位置分区域、分功率进行加热，其除冰效果大大增强，综合能耗也得到降低。
附图说明
图1是水平轴风力发电机示意图。
图2是叶片覆冰层局部放大图。
图3是设置有石墨烯涂层环的叶片结构示意图。
图4是设置有石墨烯涂层环/条的叶片结构示意图。
具体实施方式
如图2所示为叶片覆冰层位于叶片表面时的叶片横断面剖面图，从图中可以看到，结冰层覆盖于叶片外壳外表面处，石墨烯涂层则被设置于叶片外壳内壁上，其沿叶片展向方向成环状分布，该石墨烯涂层根据结冰检测装置的发出的信号由控制器控制其电通断，并且，石墨烯涂层环与石墨烯涂层条根据结冰检测装置发出的脉冲信号，两者相协同分别或共同作用于叶片外壳表面，以对结冰层进行加热融化处理。
如图4所示，所述石墨烯涂层包括石墨烯涂层环和石墨烯涂层条，并且将石墨烯涂层在叶片组装之前即平铺在叶根至叶尖方向的叶片外壳的内壁上，所述石墨烯涂层在与叶片弦线垂直的横断面上成环状，形成从叶根至叶尖方向的风机叶片外壳内壁上的多个不同间距的石墨烯涂层环，而图3、4中通过设置石墨烯涂层环讲叶片表面分为了10段；同时沿叶片内壁的前缘和后缘线上分别设有从叶根至叶尖的贯穿于所述石墨烯涂层环的石墨烯涂层条，该石墨烯涂层条将所述具有不同间距的石墨烯涂层环连接，以便温度从石墨烯涂层条传导至石墨烯涂层环，并在各石墨烯涂层环之间迅速传递。
其中，线段ab即为叶片从叶根至叶尖的连线，其与叶片横断面最长的竖直线条具有交点c，而沿着中弦线所在的平面与叶片外壳内壁的交线即为其中一条石墨烯涂层环。
具体实施方式：一种包括风机叶片除冰系统的除冰方法，其特征在于：所述除冰系统包括具有叶根和叶尖的叶片、除冰装置、结冰诊断装置；所述除冰装置包括石墨烯涂层、加热电极、控制器；所述石墨烯涂层采用多层石墨烯结构，其由低于8nm的苯环结构周期性紧密堆积的碳原子以不同的堆垛方式所构成；
制备所述石墨烯涂层的石墨烯浆料通过氢碘酸还原氧化石墨烯得到，通过在模具中依次刮膜、热处理、再刮膜、抛光，得到石墨烯涂层，所述石墨烯涂层包括石墨烯涂层环和石墨烯涂层条，并且将石墨烯涂层在叶片组装之前即平铺在叶根至叶尖方向的叶片外壳的内壁上，所述石墨烯涂层在与叶片弦线垂直的横断面上成环状，形成从叶根至叶尖方向的风机叶片外壳内壁上的多个不同间距的石墨烯涂层环；或者同时沿叶片内壁的前缘和后缘线上分别设有从叶根至叶尖的贯穿于所述石墨烯涂层环的石墨烯涂层条，该石墨烯涂层条将所述具有不同间距的石墨烯涂层环连接，以便温度从石墨烯涂层条传导至石墨烯涂层环，并在各石墨烯涂层环之间迅速传递；在所述石墨烯涂层的边缘区域沿着叶片叶根至叶尖的方向布置有加热电极，所述加热电极通过电源线连接控制器；
分别在叶片前缘与后缘沿线布置数个结冰诊断装置，所述结冰诊断装置检测所处位置的邻域面积区间内的结冰层平均厚度，判断所述结冰层厚度是否超过设定的厚度阈值，若是，则启动除冰装置，电源供电并通过控制器控制电极传导至石墨烯涂层以对叶片进行加热；
作为本技术的进一步改进，所述结冰诊断装置在叶片前缘与后缘沿线分别均布置三个，其分别位于叶根、叶尖、叶片前缘/后缘中点处；所述启动除冰装置的条件具体为在叶根、叶尖、叶片前缘/后缘中点分别至少有一处的结冰层厚度超过设定厚度阈值；
作为本技术的进一步改进，所述石墨烯涂层环的厚度为20-25μm，宽度为10-13mm或50-63mm；从叶根至叶尖的方向，所述石墨烯涂层环之间的间距以单调递减函数关系趋势减小，以使叶片叶尖处获得更高的比面加热功率，或者所述函数关系为f(x)=|-x+cos(x)|，其中，x为区间（0，n）之间的正整数，n为一根叶片上的石墨烯涂层环总数，f(x)为从叶根至叶尖方向的各个相邻石墨烯涂层环截面中心线之间的距离，其最小值趋近于零；
作为本技术的进一步改进，所述石墨烯涂层条的宽度为10-13mm或50-63mm，所述石墨烯涂层条的厚度满足以下函数关系：f(x)=|x-sin(x)|，其中，x为区间（0，n）之间的正整数，f(x)为从叶根至叶尖方向的各个相邻石墨烯涂层环之间的石墨烯涂层条的厚度值。
以上所述实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。