双波模式下的风力机叶片除/抗冰系统说明

本项目拟研制一种新型的双波模式除/抗冰系统(Dual-wave-mode Anti/De-Icing, DADI)，系统结构如图1 所示。该系统采用两个压电堆驱动器，分别产生与叶片固有频率相同的谐波信号，控制其相位叠加形成驻波，利用叶片与冰层连接界面形成的剪力和拉应力来破碎叶片上冰块，达到除冰目的；同时还可控制压电堆驱动器激励位置点以及匹配系统负载阻抗，形成叶片上的行波，驱动附在叶片弦向方向上的水珠以椭圆方式运动，在运动过程中水珠与叶片表面之间的接触面积减少，降低了水珠在叶片表面上的附着力，在重力和旋转惯性力的作用下自行掉落，从而避免叶片上水珠长时间驻留冻结而达到防冰目的。

1.研制背景与意义

风力发电机组一般安装于风资源丰富的高山和边疆等温寒地区，根据全国风电场装机容量统计数据， 92.7% 的机组处于易结冰区域，若风电叶片严重覆冰，会导致风电机组停机，降低其发电量，造成严重经济损失。目前国内外风电叶片大都采用传统的热力除冰系统，往往需要消耗大量电能，这种传统除冰技术可能导致大块冰脱离飞落，会给风力机其余部件造成潜在威胁。国内外目前正在参照航空飞机和直升机机翼除冰技术积极探索风机叶片除冰技术，包括气囊式除冰、超声波除冰、电脉冲除冰、压电除冰等。近年来研究较多的除冰技术有电推进分离技术、电脉冲除冰技术、电涡流除冰技术、气动脉冲除冰技术、剪应力纵波除冰技术等。现有的除冰方法相对比热力除冰方法电能消耗都比较低，但是还存在着一种或几种缺陷。

本作品拟研制一种新型的双波模式除/抗冰系统，采用一对压电堆驱动器，通过结构与控制系统设计生成弦向驻波来实现前缘翼面除冰功能，同时产生弦向行波来实现抗冰功能。项目研制DADI 系统采用压电驱动器引发风机叶片弦向模态共振来实现除冰，相比热力除冰方法，能显著地减少电能消耗、保证除冰系统的低成本与高可靠性。

2.设计方案

2.1 研究目标

项目拟通过理论仿真分析、结构设计、样机研制和实验验证方法，研制新型基于压电堆驱动的双波模式风电叶片除/抗冰系统。构建叶片前缘翼型结构的FEM 模型，分析结冰工况下叶片结构的弦向弯曲固有模态，掌握叶片表面的覆冰对叶片振动模态的影响规律；研究基于压电堆驱动的双波除/抗冰机理，设计具有驻波除冰和行波抗冰功能的压电堆驱动器，确定压电驱动器驱动频率、功率及安装位置，研制风电叶片双波模式除/抗冰系统，开展相应的样机验证实验，验证系统除/抗冰性能，研究低温、盐雾等极端环境下的可靠性。

2.2 研究方案

（1）风力机叶片前缘翼面振动模态特性仿真分析

（2）基于压电堆驱动的双波除/抗冰机理研究

（3）压电堆驱动器结构设计

2.3 主要研究内容

（1）基于压电堆驱动的驻波除冰机理

基于风电叶片与冰层粘结剪应力远小于正应力，提出采用一对压电堆驱动的叶片弦向模态共振驻波剪切冰块的除冰方法。采用有限元法研究叶片弦向振动模态频率及振型分布，选取最佳模态频率为压电堆驱动的激励频率；探讨由一对压电堆驱动的叶片弦向模态共振驻波形成条件，在考虑叶片旋转离心力和气动载荷的情况下，通过理论与实验研究驻波碎冰机理。

（2）基于压电堆驱动的行波抗冰机理

基于叶片结冰理论，提出采用压电堆激励叶片蒙皮产生行波，使水滴在叶片蒙皮表面保持弧形高频运动，讨论行波形成及传播机理，研究叶片结构形式对行波传播的影响，通过理论与实验研究行波抗冰机理。

（3）研发基于压电堆的风电叶片除/抗冰系统结构

基于除/抗冰压电堆所需激振功率和频率要求，结合压电堆的压电效应特性，研究适合不同风电叶片弦向截面类型的压电堆驱动器整体结构形式，开展对沿风电叶片叶长方向多点布局压电堆驱动器结构优化方案的研究。

（4）研究集成除/抗冰功能的压电堆驱动器参数控制及装配关系

基于风电叶片有限元振动模态特性，研究压电驱动器对在驻波除冰模式下的激励频率、功率和最佳装配位置，研究压电驱动器对在行波抗冰模式下的激励频率、功率和最佳装配位置；研究多点激励下压电堆驱动器的协同控制方法。

2.4 拟解决的关键问题

（1） 研制满足风电叶片除/抗冰所需频率和功率要求的压电堆驱动器是本项目的最关键技术。风电叶片除冰利用共振形成驻波使冰层与结构表面剪切力达到一定值进行碎冰，抗冰则利用振动行波保持叶片表面水滴存在一定幅度的椭圆轨迹运动，从而阻止其凝固结冰。由于风电叶片尺寸和质量较大，叶片翼型截面固有频率较高，叶片内部空间的存在局限性，因此，合理设计压电堆结构是达到除/抗冰效果的至关重要的环节。

（2） 基于压电堆驱动的风电叶片除冰技术，能够实现叶片前沿翼面弦向模态共振模式除冰，通过压电驱动器对的同频激励在叶片中形成驻波，通过驻波的波动剪切功能，极大程度地实现碎冰，在驻波形成过程中激起了叶片的共振频率，为除冰功效节省了一定能量。叶片弦向模态频率较高，压电智能结构相比其余类型结构能够更加快速与灵敏地实现高频激振，同时考虑到叶片冰层与表面间的剪切力较弱，因此选取合适的模态振型，也是能够实现剪切力除冰的主要影响因素。

（3） 基于压电堆驱动的风电叶片抗冰技术，主要通过一对压电堆驱动器的阻抗匹配实现叶片弦向前缘翼面行波激励，保证叶片表面过冷水滴始终以沿叶片翼形为椭圆形轨迹的小幅高频运动，在重力和旋转惯性力的作用下自行掉落，阻止其结冰现象的形成。

2.5 研究方法及可行性分析

研究方法：

理论推导、仿真分析、结构设计、样机研制和实验验证，采用振动理论、压电材料与结构、控制技术研究压电堆智能结构的设计方法，研究叶片弦向行波及驻波产生的压电堆驱动控制策略。

可行性分析：

本作品拟研制新型压电堆智能驱动结构，通过叶片弦向振动激励实现驻波除冰和行波抗冰，研制满足驱动功率和频率等参数的压电堆驱动器，设计两个驱动器的协同控制方法，通过样机实验进行功能验证。传统的热力除冰系统往往需要消耗大量电能，约占风电机组总发电量的 6‰ 。本作品能极大地减小电能消耗，且不影响叶片翼型与结构设计。直升机、飞机机翼均存在叶片结冰而不能正常飞行的情况，该技术可以推广应用到机翼除冰领域。

参考文献

[1] Jasinski W. J.,Noe S. C.,Selig M. S., et al. Wind turbine performance under icing conditions. Journal of Solar Energy Engineering, 1998, 120(1): 60-65.

[2] Parent O.,Ilinca A. Anti-icing and de-icing techniques for wind turbines: Critical review. Cold regions science and technology, 2011, 65(1): 88-96.

[3] WEISEND N. A. Design of an advanced pneumatic deicer for the composite rotor blade. Journal of Aircraft, 1989, 26(10): 947-950.