顏訓剛

（湖北民族大學）

0 引言

冬季的風力資源豐富，但覆冰破壞風機葉片氣動特性和機械性能，影響風機輸出效率，甩落的覆冰也會威脅周圍人身安全[1]，研究表明：通過安裝除冰控制系統(tǒng)，冰凍期因覆冰停機時間減少 98.88%、能源可利用率提高71.32%[2]。巨大的經(jīng)濟效益和能源利用率促進研究人員對風機防冰除冰的研究。

目前風機葉片電熱除冰以實現(xiàn)途徑簡單且高除冰效率等優(yōu)點得到廣泛研究[3]。國外開展了葉片材料結構和內(nèi)嵌電加熱層的研究[4]，國內(nèi)主要集中在對環(huán)境和風機運行參數(shù)等的數(shù)值研究，舒立春[5]通過對覆冰厚度，環(huán)境溫度，相對風速和液態(tài)水含量等對除冰時間的影響進行研究，提出合理電阻絲布置方式能縮短除冰時間，但熱量散失較多，造成能源浪費；戚家浩[6]等對風機葉片覆冰表面的熱量傳遞進行分析，搭建了電加熱方式下風機葉片防冰除冰的模型，提出等差分區(qū)加熱方法，但缺少對合理分區(qū)個數(shù)的研究；呂慶[7]等人通過地面試驗及有限元分析數(shù)據(jù)研究葉片表面溫度隨時間變化的規(guī)律，但缺少實驗數(shù)據(jù)支撐。Pinard[8]通過對風力發(fā)電機運行情況的估算提出150kW功率的風機，需要加熱除冰功率大約為風機發(fā)電功率的6.8%，但缺少對實際風機運行的研究。

本文搭建了覆冰實驗裝置，對覆冰過程進行理論和實驗研究，針對不同覆冰厚度和環(huán)境溫濕度等條件開展除冰實驗，利用石墨烯復合加熱薄膜進行除冰，并提出不同加熱間隔方式以獲得更加快速節(jié)能方案。研究結果對電加熱方式風機葉片防除冰領域具有一定的參考意義和實際工程價值。

1 冰層融化幾何模型建立

加熱系統(tǒng)啟動時，熱能隨加熱層傳至冰層，假設能量都供給冰層和各區(qū)域溫升。當冰層達到0℃，融化水的流失在接觸面形成氣隙，如圖 1所示，葉片分成四個區(qū)域：空氣層L1，冰層L2，氣隙層 L3，加熱層L4。

圖1 葉片幾何模型示意圖

2 冰層融化控制方程

2.1 熱平衡方程

加熱系統(tǒng)熱量作用于：熱輻射和熱對流；L1～L4的溫升；冰層融化吸收潛熱。根據(jù)能量守恒，熱平衡方程為：

式中，hc為換熱系數(shù)；ε為黑體輻射系數(shù)；σ為Stefan-Boltzman常數(shù)。

2.2 熱傳導方程

在葉片表面各區(qū)域取任意一體積微元，其傳熱示意圖如圖2所示。

圖2 體積微元傳熱示意圖

微元體內(nèi)焓變傳熱方程為：

式中，qx，qy，qz和qx+dx，qy+dy，qz+da為流入和流出微元體熱流量；為單位體積熱流量。為簡化計算，只分析z方向的一維傳熱過程：

將式（6）代入式（1）可得融冰過程的傳熱方程：

2.3 除冰時間

除冰時間包括各區(qū)域的溫升和冰層內(nèi)表面融化以及放熱階段時間總和，氣隙一般不超過0.1mm，可認為熱傳導是主要傳熱方式，對冰層任意微元，其熱平衡方程為：

式中，為溫升吸收的能量，為冰層吸收的潛熱，溫升階段第二項為0℃，融化階段第一項中溫度為0℃，其值也為0。

（1）升溫階段

由式（1）熱平衡方程知，熱能只用于冰層升溫，平衡方程為：

（2）放熱階段

間歇加熱過程存在放熱階段，由于間歇短暫，認為冰層只與空氣傳熱：

綜合加熱和放熱過程，冰層達到0℃需要的時間為：

（3）冰層融化階段

負號表示熱量傳遞為溫度降低方向。

ta+1時刻融冰厚度增加量：

當氣隙達到0.1mm時冰層脫落，經(jīng)迭代計算，可得對應氣隙厚度下時間即為融冰時間t2：

總體除冰時間：

2.4 除冰時間仿真分析

為觀察單次加熱時間對除冰時間和除冰能耗的影響，在Matlab 2019R環(huán)境下仿真分析。流程圖如圖3所示，物化參數(shù)如表1所示，覆冰面積0.125m2，仿真結果如圖4所示。

表1 除冰單元各區(qū)域物性參數(shù)

圖3 除冰時間計算流程圖

除冰時間計算步驟如下：

1）初始化參數(shù)，測取冰面溫度T°、冰層厚度、覆冰面積，設置加熱周期等物化參數(shù)，單次加熱時間tt1=[0:0.1:T]，為一數(shù)組。

2）Iterration1=0，判斷T°是否小于等于零，若是，則執(zhí)行3），若否，執(zhí)行5）；

3）計算加熱和降溫過程溫度改變值，△T，Tk+1=Tk+△T，Iterration=Iterration+1；T1為熱源供冰層溫度上升的溫度，TT1為停止加熱時冰層放熱溫度：

4）判斷Tk+1是否小于等于零，若是，則返回3），若否，則執(zhí)行5）。

5）計算升溫階段所需時間t1：

6）Iterration2=0，hk+1=hk+△h，判斷氣隙厚度是否大于0.1 m m。若是則執(zhí)行7），否則Iterration2=Iterration2+1。其中：

7）計算融化階段所需時間t2，t=t1+t2。

由圖4可知，隨功率密度增加,最優(yōu)單次加熱時間先降后增，在圖4b、4c達到最小值25.5s。隨單次加熱時間的遞增，除冰能耗先呈指數(shù)下降，再緩慢上升，這是因為在單次加熱時間較小時，熱量提供很少，除冰時間很長甚至無法除冰，消耗能量巨大，單次加熱時間增大時，間歇減少，熱源供給差別不大，能耗差別不明顯；如圖4c功率1400W/m2，除冰能耗在單次加熱時間25.5s時達最低值45871.9J，除冰時間308.4s；持續(xù)加熱方式能耗47671.7J，除冰時間272.4s。間歇加熱方式比持續(xù)加熱方式節(jié)省1799.8J，除冰時間僅增加36s。

圖4 功率密度除冰時間和能耗隨單次加熱時間變化曲線

3 實驗驗證

3.1 實驗裝置

為驗證間歇加熱除冰方式較持續(xù)加熱更節(jié)約能源，本文通過對風機葉片運行環(huán)境模擬，開展風機葉片覆冰和除冰實驗。實驗在低溫環(huán)境進行，采用噴霧控制濕度，石墨烯薄膜作為加熱體，通過直流開關電源給系統(tǒng)供電。

3.2 實驗結果及分析

由表2可知，隨著功率密度的升高，間歇加熱與持續(xù)加熱消耗的能量總體逐漸減少，且間歇加熱比持續(xù)加熱消耗的能量少。如表所示，1300W/m2下間歇加熱比持續(xù)加熱節(jié)省1137.5J，1400W/m2下間歇加熱比持續(xù)加熱節(jié)省1050J。

表2 不同功率密度除冰時間和能耗

4 結束語

本文通過設置單次加熱時間，搭建了風機葉片間隔加熱除冰時間的模型，仿真并驗證了間隔加熱除冰方式比持續(xù)加熱減少能耗提高除冰效率。后續(xù)的實驗研究，會考慮加熱周期的確定和實際風速大小，葉片轉動及轉速情況等影響，對加熱間隔時間進一步優(yōu)化。