一种风机叶片微波辐射除冰方法

1.本发明涉及风力发电领域，特别是一种风机叶片微波辐射除冰方法。


背景技术：

2.风能作为一种清洁可再生能源，得到了广泛的应用和发展。然而，在寒冷气候条件下，风电叶片容易遭受结冰现象，导致风能转化效率下降、运行不稳定以及设备损坏的风险增加。因此，为了提高风电场的可靠性和经济性，风电叶片除冰技术成为了研究和关注的焦点。
3.目前，常见的风电叶片除冰方法包括机械除冰、加热除冰和化学除冰等。然而，传统的机械除冰需要额外的设备和人工操作，成本高且效率低下。加热除冰方法主要采用电加热或加热介质进行加热，但存在能耗高和操作复杂的问题。化学除冰则需要使用化学物质，对环境产生污染。
4.为了克服传统除冰方法的局限性，微波辐射除冰技术应运而生。微波辐射除冰利用微波能量对叶片表面进行加热，通过吸收微波能量，迅速融化冰雪并防止新的冰雪形成。相较于传统方法，微波辐射除冰具有能耗低、高效、环保等优势。
5.然而，目前存在的微波辐射除冰技术仍然面临一些挑战。其中，如何合理布局微波加热源、设计有效的辐射天线以及控制微波功率等问题是亟待解决的。因此，本发明提供了一种风电叶片微波辐射除冰系统及方法，通过合理设计微波加热源和天线，实现了高效、低能耗的风电叶片除冰效果。


技术实现要素：

6.为了解决上述问题，本发明提供了一种应用于风机叶片的微波除冰方法。
7.本发明的技术方案如下：
8.一种风机叶片微波辐射除冰方法，步骤如下：
9.第一步，制备碳化硅/聚氨酯复合吸波涂料或石墨/聚氨酯复合吸波涂料
10.以聚氨酯为主漆，碳化硅或石墨为吸波填料，制备适合风电叶片表面除冰的高效吸波涂料。
11.(1)碳化硅/聚氨酯复合吸波涂料制备
12.选取碳化硅作为吸波填料，将碳化硅粉末作为吸波填料添加在聚氨酯涂料中，制备不同形貌碳化硅/聚氨酯复合涂层；将碳化硅与聚氨酯混合，制备不同载量的碳化硅/聚氨酯复合涂层。
13.(2)石墨/聚氨酯复合吸波涂料制备
14.首先采用氧化还原法调控石墨表面的微观缺陷和含氧官能团，采用物理共混法将不同氧化程度的石墨添加到聚氨酯涂料中，制备不同氧化程度的石墨/聚氨酯复合涂料；通过水热法/超声清洗法制备不同片径厚度的石墨，将其添加到聚氨酯涂层中制备石墨/聚氨酯复合吸波涂料。
15.第二步，制备超疏水碳化硅/聚氨酯复合吸波涂料或石墨/聚氨酯复合吸波涂料
16.(1)超疏水碳化硅/聚氨酯复合吸波涂料制备
17.通过水热法对碳化硅颗粒进行化学接枝改性来使碳化硅表面存在疏水基团；利用物理共混法将改性填料与树脂进行混合，之后通过喷涂将涂料喷涂在叶片表面。
18.(2)超疏水石墨/聚氨酯复合吸波涂料制备
19.首先，利用改进hummers法合成氧化石墨/氧化石墨烯纳米片。然后，在纳米片表面利用酰胺化反应接枝烷基链修饰改性制备超疏水纳米片，并通过控制反应时间实现不同的改性程度，之后通过喷涂将涂料喷涂在叶片表面。
20.第三步，设计微波除冰系统，包括改造供电线路、设计微波加热系统和布置辐射天线：
21.3.1改造供电线路为微波加热系统供电：根据所需安装微波源总功率，扩展风力机自用电供电系统，按需调整箱式变压器、塔基柜和主控柜等；增加导电滑环和电刷，电刷一侧与导电滑环接触，另一侧与对应叶片内的微波发生器电气连接。通过以上方式完成微波供电线路改造。
22.3.2微波加热系统设计：配置n个(n》＝1)可调节大功率微波源，大功率微波源的能量经波导同轴转换后输入功率分配器，被均匀地分配到各个射频开关输入端，随后通过控制开关开断实现天线的运作。
23.3.3辐射天线布置：从n个微波源中引出m条(m》＝1)可调节大功率天线，设置不同的天线间距和布放位置，实现微波的定向辐射。
24.第四步，复合涂料涂覆：首先将制备好的超疏水碳化硅/聚氨酯复合涂料涂覆在叶片表面的易结冰区域，保证叶片表面的疏水性能；然后涂覆制备好的碳化硅/聚氨酯复合吸波涂料或石墨/聚氨酯复合吸波涂料，以增强微波能量的吸收和热传导，实现快速除冰效果。涂覆面积应与天线辐射的定向辐射面积相匹配。
25.第五步，微波除冰操作：
26.5.1在需要除冰的情况下，启动微波源并设置适当的功率和辐射时间。设置每个微波源的功率，并根据实际需求调整辐射时间。
27.5.2微波源产生的微波能量经由天线定向辐射到复合涂料涂覆区域。
28.5.3碳化硅/聚氨酯复合吸波涂料或石墨/聚氨酯复合吸波涂料吸收微波能量并将其转化为热能。
29.5.4热能在复合材料内部传导，使叶片表面温度升高，从而迅速融化和除去结冰。
30.5.5除冰完成后，停止微波源的运行，恢复正常的风力发电操作。
31.进一步的，所述的步骤4具体操作如下：
32.4.1将制备好的超疏水碳化硅/聚氨酯复合涂料涂覆在叶片表面的重点结冰区域，即叶片靠近叶尖的2/3位置，叶片尖端位置厚涂。涂覆面积应与天线辐射的定向辐射面积相匹配。
33.4.2将制备好的碳化硅/聚氨酯复合吸波涂料或石墨/聚氨酯复合吸波涂料涂覆在步骤4.1中喷涂部位。
34.4.3确保涂覆过程中涂料均匀地覆盖叶片表面，并尽可能避免涂料的滴落或起皱。
35.进一步的，辐射天线布置在叶根处和叶片40％位置处。通过大功率电缆引出，接收
并定向传递微波能量。
36.本发明实现了风机叶片的微波除冰技术。超疏水碳化硅/聚氨酯复合涂料保证叶片表面的疏水性能，供电线路的改造保证了微波加热系统的自供电，微波加热系统的设计和辐射天线的布置实现了微波能量的定向辐射，碳化硅/石墨/聚氨酯复合吸波涂料吸收微波能量并转化为热能，实现叶片的高效除冰。
37.本发明的优点包括但不限于：
38.1.能耗低：相较于传统除冰方法，本发明采用微波加热源，能耗更低。
39.2.高效性：微波能量能够迅速融化叶片表面的冰雪，防止新的冰雪形成，提高风能转化效率。
40.3.灵活适应性：本发明适用于不同长度和形状的风电叶片，通过优化设计辐射天线的数量、布放位置，具有较高的灵活性和适应性。
41.4.安全可靠：通过控制微波功率和加热时间，确保叶片表面温度在合理范围内，避免过热和损坏，保证风电叶片的安全运行。
附图说明
42.图1是风电叶片微波除冰的流程示意图；
43.图2是微波供电线路改造示意图；
44.图3是微波加热系统示意图；
45.图4是辐射天线布置示意图。
具体实施方式
46.为了使本发明的目的、技术及优点更加清楚明白，以下结合附图及实例，对本发明进行进一步详细说明。
47.以长40m长风机叶片为例，以下是具体实施过程：
48.1.制备碳化硅/聚氨酯复合吸波涂料或石墨/聚氨酯复合吸波涂料
49.(1)碳化硅/聚氨酯复合吸波涂料制备
50.选取粒径为200nm、1μm、10μm、50μm、100μm的碳化硅作为吸波填料。将碳化硅粉末作为吸波填料添加在聚氨酯涂料中，制备不同形貌碳化硅/聚氨酯复合涂层；取10g聚氨酯于玻璃瓶中，分别称取0.25g、0.5g、1g、1.5g、2g、3g、3.5g、4g、5g碳化硅与聚氨酯混合，制备不同载量的碳化硅/聚氨酯复合涂层；将制备好的碳化硅/聚氨酯复合涂层采用涂刷法或喷涂法涂覆在基体上，待涂料晾干后继续涂刷，分别制成0.2mm、0.5mm、1mm、2mm、3mm和5mm厚试样。
51.(2)石墨/聚氨酯复合吸波涂料制备
52.首先采用氧化还原法调控石墨表面的微观缺陷和含氧官能团，采用物理共混法将不同氧化程度的石墨/石墨烯添加到聚氨酯涂料中，制备不同氧化程度的石墨/聚氨酯复合涂料；通过水热法/超声清洗法制备不同片径厚度的石墨/石墨烯，将其添加到聚氨酯涂层中，制备石墨/石墨烯/聚氨酯复合吸波涂料；将制备好的石墨/聚氨酯复合涂层采用涂刷法或喷涂法涂覆在基体上，待涂料晾干后继续涂刷，分别制成0.2mm、0.5mm、1mm、2mm、3mm和5mm厚试样。
53.2.制备超疏水碳化硅/聚氨酯复合吸波涂料或石墨/聚氨酯复合吸波涂料
54.(1)超疏水碳化硅/聚氨酯复合吸波涂料制备
55.通过水热法对碳化硅颗粒进行化学接枝改性，使碳化硅表面存在疏水基团；利用物理共混法将改性填料与树脂进行混合。通过喷涂将涂料喷涂在叶片表面，分别制成0.2mm、0.5mm、1mm、2mm、3mm和5mm厚试样。
56.(2)超疏水石墨/石墨烯/聚氨酯复合吸波涂料制备
57.利用改进hummers法合成氧化石墨/氧化石墨烯纳米片。然后，在纳米片表面利用酰胺化反应接枝烷基链修饰改性制备超疏水纳米片，并通过控制反应时间实现不同的改性程度，对不同改性程度的石墨/石墨烯纳米片进行化学结构、化学性质、元素含量、微观形貌的表征与评价。通过喷涂将涂料喷涂在叶片表面，分别制成0.2mm、0.5mm、1mm、2mm、3mm和5mm厚试样。
58.3.设计微波除冰系统
59.3.1改造供电线路为微波源供电：调整箱式变压器、塔基柜和主控柜等，将690v输出经过箱变并网，完成电源改造；增加导电滑环，将其连接在风力机的机舱上，固定不转，其中心轴与风力机的轮毂的中心轴重合；增加电刷，间隔固定在轮毂上，与叶片一一对应，跟随风力机叶片和轮毂一起旋转；电刷一侧与导电滑环接触，另一侧与对应叶片内的微波发生器电气连接。具体如图2所示。
60.3.2微波加热系统设计：配置3个频率为2.5ghz的大功率微波源，大功率微波源的能量经波导同轴转换后输入功率分配器，被均匀地分配到各个射频开关输入端，随后通过控制开关开断实现天线的运作。具体如图3所示。
61.3.3在叶片腔体内布置大功率辐射天线，数量为6个，通过观测叶片结冰区域可知，迎风面较易结冰，而背风面轻微结冰。根据叶片结冰区域，可确定辐射天线布置的位置：布置在叶根处和叶片40％位置处。通过大功率电缆引出，接收并定向传递微波能量。具体如图4所示。
62.4.复合涂料涂覆
63.4.1将制备好的超疏水碳化硅/聚氨酯复合涂料涂覆在叶片表面的重点结冰区域，即叶片靠近叶尖的2/3位置，叶片尖端位置厚涂。涂覆面积应与天线辐射的定向辐射面积相匹配。
64.4.2将制备好的碳化硅/聚氨酯复合吸波涂料或石墨/聚氨酯复合吸波涂料涂覆在步骤4.1中喷涂部位。
65.4.3确保涂覆过程中涂料均匀地覆盖叶片表面，并尽可能避免涂料的滴落或起皱。
66.5.微波除冰操作
67.5.1在需要除冰的情况下，启动微波源并设置适当的功率和辐射时间。根据具体情况可将每个微波源的功率设置为6kw，并根据实际需求调整辐射时间。
68.5.2微波源产生的微波能量经由天线定向辐射到复合涂料涂覆区域。
69.5.3碳化硅/聚氨酯复合吸波涂料或石墨/聚氨酯复合吸波涂料吸收微波能量并将其转化为热能。
70.5.4热能在复合材料内部传导，使叶片表面温度升高，从而迅速融化和除去结冰。
71.5.5除冰完成后，停止微波源的运行，恢复正常的风力发电操作。
72.本发明的风电叶片微波除冰方法，可以在风电场中广泛应用，有效解决风电叶片在寒冷气候条件下的结冰问题。通过对供电线路的改造，可以实现微波加热系统的自供电。通过在叶片内腔中合理布局微波加热系统和辐射天线，微波能量可以充分覆盖叶片表面，实现全面的防冰和除冰效果。此外，通过微波功率控制和加热时间的调节，可以确保叶片表面温度在安全范围内，避免过热和损坏。

技术特征：
1.一种风机叶片微波辐射除冰方法，其特征在于，步骤如下：第一步，制备碳化硅/聚氨酯复合吸波涂料或石墨/聚氨酯复合吸波涂料以聚氨酯为主漆，碳化硅或石墨为吸波填料，制备适合风电叶片表面除冰的高效吸波涂料；(1)碳化硅/聚氨酯复合吸波涂料制备选取碳化硅作为吸波填料，将碳化硅粉末作为吸波填料添加在聚氨酯涂料中，制备不同形貌碳化硅/聚氨酯复合涂层；将碳化硅与聚氨酯混合，制备不同载量的碳化硅/聚氨酯复合涂层；(2)石墨/聚氨酯复合吸波涂料制备首先采用氧化还原法调控石墨表面的微观缺陷和含氧官能团，采用物理共混法将不同氧化程度的石墨添加到聚氨酯涂料中，制备不同氧化程度的石墨/聚氨酯复合涂料；通过水热法/超声清洗法制备不同片径厚度的石墨，将其添加到聚氨酯涂层中制备石墨/聚氨酯复合吸波涂料；第二步，制备超疏水碳化硅/聚氨酯复合吸波涂料或石墨/聚氨酯复合吸波涂料(1)超疏水碳化硅/聚氨酯复合吸波涂料制备通过水热法对碳化硅颗粒进行化学接枝改性来使碳化硅表面存在疏水基团；利用物理共混法将改性填料与树脂进行混合，之后通过喷涂将涂料喷涂在叶片表面；(2)超疏水石墨/聚氨酯复合吸波涂料制备首先，利用改进hummers法合成氧化石墨/氧化石墨烯纳米片；然后，在纳米片表面利用酰胺化反应接枝烷基链修饰改性制备超疏水纳米片，并通过控制反应时间实现不同的改性程度，之后通过喷涂将涂料喷涂在叶片表面；第三步，设计微波除冰系统，包括改造供电线路、设计微波加热系统和布置辐射天线：3.1改造供电线路为微波加热系统供电：根据所需安装微波源总功率，扩展风力机自用电供电系统，按需调整箱式变压器、塔基柜和主控柜；增加导电滑环和电刷，电刷一侧与导电滑环接触，另一侧与对应叶片内的微波发生器电气连接；3.2微波加热系统设计：配置n个(n>＝1)可调节大功率微波源，大功率微波源的能量经波导同轴转换后输入功率分配器，被均匀地分配到各个射频开关输入端，随后通过控制开关开断实现天线的运作；3.3辐射天线布置：从n个微波源中引出m条(m>＝1)可调节大功率天线，设置不同的天线间距和布放位置，实现微波的定向辐射；第四步，复合涂料涂覆：首先将制备好的超疏水碳化硅/聚氨酯复合涂料涂覆在叶片表面的易结冰区域，保证叶片表面的疏水性能；然后涂覆制备好的碳化硅/聚氨酯复合吸波涂料或石墨/聚氨酯复合吸波涂料，以增强微波能量的吸收和热传导，实现快速除冰效果；涂覆面积应与天线辐射的定向辐射面积相匹配；第五步，启动微波除冰操作。2.如权利要求1所述的一种风机叶片微波辐射除冰方法，其特征在于，所述的第四步具体操作如下：4.1将制备好的超疏水碳化硅/聚氨酯复合涂料涂覆在叶片表面的重点结冰区域，即叶片靠近叶尖的2/3位置，叶片尖端位置厚涂；涂覆面积应与天线辐射的定向辐射面积相匹
配；4.2将制备好的碳化硅/聚氨酯复合吸波涂料或石墨/聚氨酯复合吸波涂料涂覆在步骤4.1中喷涂部位；4.3确保涂覆过程中涂料均匀地覆盖叶片表面，并尽可能避免涂料的滴落或起皱。3.如权利要求1或2所述的一种风机叶片微波辐射除冰方法，其特征在于，所述的步骤3.3中，所述的辐射天线布置在叶根处和叶片40％位置处，通过大功率电缆引出，接收并定向传递微波能量。4.如权利要求1或2所述的一种风机叶片微波辐射除冰方法，其特征在于，所述的第五步具体操作如下：5.1在需要除冰的情况下，启动微波源并设置适当的功率和辐射时间；设置每个微波源的功率，并根据实际需求调整辐射时间；5.2微波源产生的微波能量经由天线定向辐射到复合涂料涂覆区域；5.3碳化硅/聚氨酯复合吸波涂料或石墨/聚氨酯复合吸波涂料吸收微波能量并将其转化为热能；5.4热能在复合材料内部传导，使叶片表面温度升高，从而迅速融化和除去结冰；5.5除冰完成后，停止微波源的运行，恢复正常的风力发电操作。5.如权利要求3所述的一种风机叶片微波辐射除冰方法，其特征在于，所述的第五步具体操作如下：5.1在需要除冰的情况下，启动微波源并设置适当的功率和辐射时间；设置每个微波源的功率，并根据实际需求调整辐射时间；5.2微波源产生的微波能量经由天线定向辐射到复合涂料涂覆区域；5.3碳化硅/聚氨酯复合吸波涂料或石墨/聚氨酯复合吸波涂料吸收微波能量并将其转化为热能；5.4热能在复合材料内部传导，使叶片表面温度升高，从而迅速融化和除去结冰；5.5除冰完成后，停止微波源的运行，恢复正常的风力发电操作。

技术总结
本发明涉及风力发电领域，特别是一种风机叶片微波辐射除冰方法。本发明实现了风机叶片的微波除冰技术。超疏水碳化硅/聚氨酯复合涂料保证叶片表面的疏水性能，供电线路的改造保证了微波加热系统的自供电，微波加热系统的设计和辐射天线的布置实现了微波能量的定向辐射，碳化硅/石墨/聚氨酯复合吸波涂料吸收微波能量并转化为热能，实现叶片的高效除冰。本发明能耗低，相较于传统除冰方法，本发明采用微波加热源，能耗更低。高效性：微波能量能够迅速融化叶片表面的冰雪，防止新的冰雪形成，提高风能转化效率。灵活适应性：本发明适用于不同长度和形状的风电叶片，通过优化设计辐射天线的数量、布放位置，具有较高的灵活性和适应性。具有较高的灵活性和适应性。具有较高的灵活性和适应性。


技术研发人员：张东东 刘贵昌 刘宁 杨政清 黄芹芹 刘祥焱 王博 李博
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：2023.06.20
技术公布日：2023/9/14