專利名稱：熱輔助超聲波聯(lián)合除冰裝置及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱輔助超聲波聯(lián)合除冰裝置，主要應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電設(shè)備中發(fā)電機葉片的防冰、除冰處理，屬于設(shè)備防冰、除冰領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
風(fēng)力發(fā)電是風(fēng)能利用的主要形式，然而對于冬季運行的風(fēng)力發(fā)電機組尤其是安裝在濕冷地區(qū)的風(fēng)力發(fā)電機組而言，葉片結(jié)冰是影響風(fēng)力機效率以及安全可靠性的主要因素之一。葉片大量覆冰時，會嚴重影響其氣動特性，使風(fēng)力機的效率降低，機組的輸出功率減少；嚴重覆冰時還將導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機組非正常停機，影響電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。然而， 目前還沒有有效成熟的葉片除冰技術(shù)，一般是采用停機的方式除冰，嚴重影響了電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。因此，尋求有效的葉片防冰、除冰方法具有重要的工程應(yīng)用價值。而超聲波作為一種能量形式，在固體介質(zhì)中傳播時具有機械效應(yīng)，可以產(chǎn)生高頻振蕩，這種高頻振蕩可以在不同物質(zhì)的粘結(jié)界面處產(chǎn)生巨大的剪切力，使物質(zhì)分離。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電機葉片除冰技術(shù)的不足，提出一種熱輔助超聲波聯(lián)合除冰裝置，該裝置能夠?qū)崟r有效地除去葉片表面的冰層，簡單高效，安全可靠，從而保證了冬季風(fēng)力發(fā)電機組的安全運行，提高了冬季風(fēng)力發(fā)電機組的運行效率。為實現(xiàn)以上的技術(shù)目的，本發(fā)明將采取以下的技術(shù)方案
一種熱輔助超聲波聯(lián)合除冰裝置，包括風(fēng)力發(fā)電機葉片、自動控制裝置、輔助電加熱裝置、超聲波高頻振蕩裝置、用于檢測外界環(huán)境溫度的室外環(huán)境溫度傳感器以及用于檢測風(fēng)力發(fā)電機葉片冰層厚度的葉片表面冰層厚度測試儀；輔助電加熱裝置包括電加熱電源以及與電加熱電源連接的電加熱片，超聲波高頻振蕩裝置包括超聲波發(fā)生器以及通過連接電纜與超聲波發(fā)生器連接的超聲波換能器，且超聲波換能器與電加熱片交錯地固定安裝在風(fēng)力發(fā)電機葉片的內(nèi)表面；自動控制裝置根據(jù)室外環(huán)境溫度傳感器所反饋的溫度信號以及葉片表面冰層厚度測試儀所反饋的葉片冰層厚度信號自動控制超聲波發(fā)生器的啟動/制停，且自動控制裝置根據(jù)葉片表面冰層厚度測試儀所反饋的葉片冰層厚度信號以及超聲波發(fā)生器的持續(xù)工作時間自動控制輔助電加熱裝置的啟動/制停。所述葉片表面冰層厚度測試儀為超聲波測厚儀。所述超聲波換能器與電加熱片均呈矩形陣列分布。所述超聲波換能器為壓電陶瓷圓盤換能器；而電加熱片為方形云母電加熱片。本發(fā)明的另一技術(shù)目的是提供一種上述熱輔助超聲波聯(lián)合除冰裝置的控制方法， 包括以下步驟(1)根據(jù)室外環(huán)境溫度傳感器所反饋的溫度信號判斷是否達到結(jié)冰溫度， 一旦達到結(jié)冰溫度，自動啟動超聲波發(fā)生器；(2)超聲波發(fā)生器啟動后，對超聲波換能器提供交流激勵電流，產(chǎn)生高頻振蕩，以對風(fēng)力發(fā)電機葉片進行除冰操作；(3)超聲波發(fā)生器的工作時間持續(xù)了預(yù)設(shè)時間t后，判斷葉片表面冰層厚度測試儀所反饋的當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電機葉片冰層厚度與預(yù)設(shè)的冰層厚度下限值h的大小，若當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電機葉片冰層厚度不高于冰層厚度下限值h，則關(guān)閉超聲波發(fā)生器；若當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電機葉片冰層厚度高于冰層厚度下限值h，則自動開啟輔助電加熱裝置，超聲波發(fā)生器以及輔助電加熱裝置聯(lián)合工作，直至當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電機葉片冰層厚度不高于冰層厚度下限值h，關(guān)閉超聲波發(fā)生器、輔助電加熱裝置。根據(jù)以上的技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下的優(yōu)點
1、本發(fā)明有效彌補了現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電機停機除冰的不足，可以實時進行有效的除冰，無需停機。通過加入一定強度和頻率的超聲波，在葉片表面產(chǎn)生高頻振蕩，克服冰層在葉片表面的粘附強度，破壞冰層結(jié)構(gòu)，有效除去葉片表面冰層，可以在不停機的情況下，保持風(fēng)力發(fā)電機的正常運行，提高能源利用率。2、本發(fā)明采用熱輔助超聲波除冰的方式，在超聲波不能有效除冰的情況下，采用輔助電加熱的方式，只需加入極少的熱量，僅僅融化冰層與葉片粘結(jié)界面處的一層冰晶，降低冰層在葉片表面的粘結(jié)強度，同時加之超聲波的機械作用，利用超聲波的高頻振蕩除去冰層。與現(xiàn)有完全融化冰層的熱除冰方式相比，只需消耗極少的熱量便可完成整個除冰過程，高效節(jié)能。3、設(shè)備簡單，操作方便，不會對葉片額外增加過多的重量。


圖1是本發(fā)明熱輔助超聲波聯(lián)合除冰裝置示意圖
圖2是本發(fā)明葉片內(nèi)表面超聲波換能器以及電加熱片布置示意圖； 圖3是本發(fā)明除冰方法控制流程圖中1、超聲波發(fā)生器，2、連接電纜、3、若干超聲波換能器，4、輔助電加熱系統(tǒng)，5、室外環(huán)境溫度傳感器，6、葉片表面冰層厚度測試儀。
具體實施例方式附圖非限制性地公開了本發(fā)明所涉及優(yōu)選實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；以下將結(jié)合附圖詳細地說明本發(fā)明的技術(shù)方案。如圖1、圖2所示，本發(fā)明所述熱輔助超聲波聯(lián)合除冰裝置，包括風(fēng)力發(fā)電機葉片、 自動控制裝置、輔助電加熱裝置、超聲波高頻振蕩裝置、用于檢測外界環(huán)境溫度的室外環(huán)境溫度傳感器以及用于檢測風(fēng)力發(fā)電機葉片冰層厚度的葉片表面冰層厚度測試儀，其中所述葉片表面冰層厚度測試儀為超聲波測厚儀，；輔助電加熱裝置包括電加熱電源以及與電加熱電源連接的電加熱片，超聲波高頻振蕩裝置包括超聲波發(fā)生器以及通過連接電纜與超聲波發(fā)生器連接的超聲波換能器，換能器和加熱片的數(shù)量根據(jù)葉片的大小進行布置，超聲波換能器和加熱片的功率均可根據(jù)結(jié)冰情況進行有效調(diào)節(jié)，且超聲波換能器與電加熱片交錯地固定安裝在風(fēng)力發(fā)電機葉片的內(nèi)表面。本發(fā)明中，超聲波換能器與電加熱片均采用螺紋連接的方式緊固于葉片的內(nèi)表面，同時所述超聲波換能器與電加熱片均呈矩形陣列分布，超聲波換能器為壓電陶瓷圓盤換能器；而電加熱片則為方形云母電加熱片；自動控制裝置根據(jù)室外環(huán)境溫度傳感器所反饋的溫度信號以及葉片表面冰層厚度測試儀所反饋的葉片冰層厚度信號自動控制超聲波發(fā)生器的啟動/制停，且自動控制裝置根據(jù)葉片表面冰層厚度測試儀所反饋的葉片冰層厚度信號以及超聲波發(fā)生器的持續(xù)工作時間自動控制輔助電加熱裝置的啟動/制停。如圖3所示，其公開了一種上述熱輔助超聲波聯(lián)合除冰裝置的控制方法，包括以下步驟(1)根據(jù)室外環(huán)境溫度傳感器所反饋的溫度信號判斷是否達到結(jié)冰溫度，一旦達到結(jié)冰溫度，自動啟動超聲波發(fā)生器；(2)超聲波發(fā)生器啟動后，對超聲波換能器提供交流激勵電流，超聲波換能器產(chǎn)生高頻振蕩，以對風(fēng)力發(fā)電機葉片進行除冰操作；(3)超聲波發(fā)生器的工作時間持續(xù)了預(yù)設(shè)時間t后，判斷葉片表面冰層厚度測試儀所反饋的當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電機葉片冰層厚度與預(yù)設(shè)的冰層厚度下限值h的大小，若當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電機葉片冰層厚度不高于冰層厚度下限值h，則關(guān)閉超聲波發(fā)生器；若當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電機葉片冰層厚度高于冰層厚度下限值h，則自動開啟輔助電加熱裝置，直至當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電機葉片冰層厚度不高于冰層厚度下限值h，關(guān)閉超聲波發(fā)生器、輔助電加熱裝置。本發(fā)明的工作原理是
首先根據(jù)室外環(huán)境溫度傳感器5采集的環(huán)境溫度信號判斷是否達到了結(jié)冰溫度，一旦達到了結(jié)冰溫度，超聲波發(fā)生器1自動開啟，驅(qū)動超聲波換能器3工作，利用超聲波換能器3 發(fā)出的超聲波產(chǎn)生的高頻振蕩除冰，在設(shè)定時間內(nèi)葉片表面冰層厚度測試儀6實時測量冰層厚度，若冰層厚度低于設(shè)定值，超聲波發(fā)生器1自動停止工作，除冰過程完成；若冰層厚度高于設(shè)定值，輔助電加熱系統(tǒng)4自動開啟，在電加熱輔助超聲波高頻振蕩的聯(lián)合作用下除冰，同時葉片表面冰層厚度測試儀6實時測量冰層厚度，當(dāng)冰層厚度低于設(shè)定值時，超聲波發(fā)生器1和輔助電加熱系統(tǒng)4自動停止工作。因此，在結(jié)冰的初始階段，室外環(huán)境溫度傳感器采集溫度信號，自動控制裝置根據(jù)反饋的溫度信號實時自動開啟超聲波發(fā)生器，超聲波換能器陣列開始工作，在葉片表面產(chǎn)生高頻振蕩，高頻振蕩在葉片表面和冰層的界面處產(chǎn)生巨大的剪切力，可以有效克服冰層和葉片表面之間的粘結(jié)強度，從而使得冰層破碎脫落；若設(shè)定工作時間內(nèi)，高頻振蕩在葉片表面和冰層的界面處產(chǎn)生的剪切力不足以完全克服冰層和葉片表面之間的粘結(jié)強度，冰層無法完全去除，輔助電加熱系統(tǒng)自動開啟，電加熱片陣列對葉片表面施以小功率加熱，只需要融化葉片表面和冰層界面處的冰晶，使得界面處形成一層水膜或者固液粘稠區(qū)，降低冰層與葉片表面之間的粘結(jié)強度，同時超聲裝置繼續(xù)運行，超聲波的高頻振蕩產(chǎn)生的巨大剪切力便可以將冰層振掉。在熱輔助超聲波聯(lián)合作用下，最終完成整個葉片除冰過程。在除冰過程中，超聲波換能器陣列也可以根據(jù)結(jié)冰情況調(diào)節(jié)功率和運行列數(shù)。
權(quán)利要求
1.一種熱輔助超聲波聯(lián)合除冰裝置，包括風(fēng)力發(fā)電機葉片，其特征在于，還包括自動控制裝置、輔助電加熱裝置、超聲波高頻振蕩裝置、用于檢測外界環(huán)境溫度的室外環(huán)境溫度傳感器以及用于檢測風(fēng)力發(fā)電機葉片冰層厚度的葉片表面冰層厚度測試儀；輔助電加熱裝置包括電加熱電源以及與電加熱電源連接的電加熱片，超聲波高頻振蕩裝置包括超聲波發(fā)生器以及通過連接電纜與超聲波發(fā)生器連接的超聲波換能器，且超聲波換能器與電加熱片交錯地固定安裝在風(fēng)力發(fā)電機葉片的內(nèi)表面；自動控制裝置根據(jù)室外環(huán)境溫度傳感器所反饋的溫度信號以及葉片表面冰層厚度測試儀所反饋的葉片冰層厚度信號自動控制超聲波發(fā)生器的啟動/制停，且自動控制裝置根據(jù)葉片表面冰層厚度測試儀所反饋的葉片冰層厚度信號以及超聲波發(fā)生器的持續(xù)工作時間自動控制輔助電加熱裝置的啟動/制停。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述熱輔助超聲波聯(lián)合除冰裝置，其特征在于，所述葉片表面冰層厚度測試儀為超聲波測厚儀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述熱輔助超聲波聯(lián)合除冰裝置，其特征在于，所述超聲波換能器與電加熱片均呈矩形陣列分布。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述熱輔助超聲波聯(lián)合除冰裝置，其特征在于，所述超聲波換能器為壓電陶瓷圓盤換能器；而電加熱片為方形云母電加熱片。
5.一種用于權(quán)利要求1所述熱輔助超聲波聯(lián)合除冰裝置的控制方法，其特征在于，包括以下步驟(1)根據(jù)室外環(huán)境溫度傳感器所反饋的溫度信號判斷是否達到結(jié)冰溫度，一旦達到結(jié)冰溫度，自動啟動超聲波發(fā)生器；(2)超聲波發(fā)生器啟動后，對超聲波換能器提供交流激勵電流，超聲波換能器產(chǎn)生高頻振蕩，以對風(fēng)力發(fā)電機葉片進行除冰操作；(3)超聲波發(fā)生器的工作時間持續(xù)了預(yù)設(shè)時間t后，判斷葉片表面冰層厚度測試儀所反饋的當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電機葉片冰層厚度與預(yù)設(shè)的冰層厚度下限值h的大小，若當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電機葉片冰層厚度不高于冰層厚度下限值h，則關(guān)閉超聲波發(fā)生器；若當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電機葉片冰層厚度高于冰層厚度下限值h，則自動開啟輔助電加熱裝置，超聲波發(fā)生器以及輔助電加熱裝置聯(lián)合工作，直至當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電機葉片冰層厚度不高于冰層厚度下限值h，關(guān)閉超聲波發(fā)生器、輔助電加熱裝置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種熱輔助超聲波聯(lián)合除冰裝置及其控制方法，包括風(fēng)力發(fā)電機葉片、自動控制裝置、輔助電加熱裝置、超聲波高頻振蕩裝置、室外環(huán)境溫度傳感器及葉片表面冰層厚度測試儀；輔助電加熱裝置包括電加熱電源、電加熱片，超聲波高頻振蕩裝置包括超聲波發(fā)生器、超聲波換能器；自動控制裝置根據(jù)室外環(huán)境溫度傳感器所反饋的溫度信號及葉片表面冰層厚度測試儀所反饋的冰層厚度信號控制超聲波發(fā)生器工作、根據(jù)葉片表面冰層厚度測試儀所反饋的冰層厚度信號以及超聲波發(fā)生器的持續(xù)工作時間控制輔助電加熱裝置工作。故本發(fā)明能夠?qū)崟r有效地除去葉片表面的冰層，簡單高效，安全可靠，保證冬季風(fēng)力發(fā)電機組的安全運行，提高冬季風(fēng)力發(fā)電機組的運行效率。
文檔編號F03D11/00GK102434405SQ20111044413
公開日2012年5月2日 申請日期2011年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月27日
發(fā)明者李棟, 查翔, 陳振乾 申請人:東南大學(xué)