碳纤维丝在风力发电机叶片防除冰中的应用方式研究

发布时间：2020-06-17 10:27

【摘要】：碳纤维材料因其轻质量、高强度、优秀的热传导能力、良好的导电能力等优点,其在飞机制造、船舶工业、汽车制造等领域的应用也越来越广泛。国内外学者对碳纤维材料在导线及风力发电机叶片防除冰中的应用方式进行了初步的研究,取得了一定的研究进展。但目前碳纤维材料在风力发电机叶片防除冰中的应用方式研究还较少,技术尚不成熟。因此,设计一套完整的碳纤维风力发电机防除冰技术方案,对预防和消除风力发电机叶片覆冰、减少风电场覆冰灾害具有重要的学术意义和工程实用价值。论文首先建立了风力机叶片临界防冰/除冰功率密度计算模型;设计了具有多层材料结构的碳纤维加热元件;分析了风力发电机叶片的覆冰特征,同时,结合临界防冰功率密度在风力发电机叶片上的分布规律,提出了两种碳纤维加热元件的分区非均匀防冰/除冰布置方案,并对各方案的防除冰性能进行了测试。论文的主要工作及成果如下:(1)建立了风力发电机叶片的临界防冰/除冰功率密度的计算模型,分析了不同参数条件下临界防冰/除冰功率密度的变化规律,并进行了验证试验。结果表明,临界防冰功率密度随着水滴碰撞系数、翼型弦长、相对风速的增大而增大,随着环境温度的升高而减小;临界除冰功率密度随着覆冰厚度、翼型弦长、环境温度的增大而减小,随着相对风速的增大而升高。(2)设计了具有多层结构形式的碳纤维加热元件结构,该结构包括隔热层、加热层、导热层和保护层;推导了多层结构的碳纤维加热元件等效电阻的计算方法,且计算结果与试验测试结果一致;丝束间距分别为2mm、3mm、4mm及5mm的碳纤维加热元件的电阻-温度稳定性测试结果表明:加热元件在升温过程中,其电阻随温度的变化量很小,认为所制加热元件具有良好的电阻-温度稳定性;碳纤维加热元件除冰过程中,由于空气间隙、融冰水及渗透区的存在,将导致临界除冰功率密度的增大。(3)导热层的厚度增加时,加热元件除冰过程中冰层-叶片界面的最大温差减小,而当导热层的导热系数增加时,界面的最大温差也随之减小。当导热层厚度为0.5mm,导热系数为3.5W/m~2时,通过有限元法分析了加热元件除冰过程中,丝束间距对冰层-叶片界面的影响规律,建议加热元件除冰过程中的丝束间距应该控制在1mm~8mm以内。(4)根据风力机叶片的覆冰特征及临界防冰功率密度在风力机叶片上的分布规律,提出了碳纤维加热元件在叶片上的两种分区布置方案:丝束展向排列分区布置方案及丝束弦向排列分区布置方案。对两种分区布置方案的防除冰效果进行了试验测试,结果表明:在相同的加热功率密度条件下,丝束展向排列方案需要的电流比丝束弦向排列方案需要的电流大得多,其在防除冰系统中的接触电阻上产生大量的焦耳热。因此从减少能耗的角度考虑,推荐采用丝束弦向排列的分区布置方案。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM315
【图文】：

风电场

风能由于其清洁、可再生的特点已逐渐成为备受瞩目的新能源之一[1,2]。近年来风力发电技术日趋完善，世界各国均在大力建设风电场，风电行业迎来了其发展史上的春潮。我国能源消费在经过十多年的快速增长之后，增速逐渐放缓[3]。在传统化石能源中，天然气与石油消耗增速放缓、煤炭消耗整体呈负增长状态；而在非化石能源方面，水电建设速度放缓，核电、光伏、风电及其他能源消耗一直保持较高增速[4]。根据中投顾问产业与政策研究中心出版的《2016-2020 年中国风力发电行业投资分析及前景预测报告》，近年来，我国的风电装机容量和风力发电量增长快速，风能已经成为我国发电量排名第一的新能源，同时成为仅次于煤电、水电的第三大能源。目前，风电正在从替代能源向主力能源过渡，今后将成为中国能源结构中的主力能源之一。《风电发展 “十三五”规划》指出，“十三五”期间，为了保证到2020 年底，中国风电累计并网装机容量可以达到 2.1 亿 kW 以上，并使得风力年发电量超过 4200 亿 kW h，海上风力发电并网装机容量达到 500 万 kW 以上[5,6]，中国风电行业建设总投资将达到 7000 亿人民币以上。

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重庆大学硕士学位论文防冰利用涂料的理化作用来达到除冰的目的。防冰涂料的面：一是延缓物体表面冰霜的形成，这一点可以通过冰的速度来判断[35]；二是降低冰层在物体表面的粘附防冰涂料种类繁多，主要包括电热性涂料、光热性涂(a) 涂覆有机硅涂料的风力机叶片

【参考文献】