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风力发电机叶片覆冰机理及防除冰技术研究进展

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表面技术 2024年第12期53卷 50-65页

作者：郭时毅安江峰吴军郑鹏华中国机械总院集团武汉材料保护研究所有限公司武汉430030 湖北武汉大气淡水环境材料腐蚀国家野外科学观测研究站武汉430030 新疆尉犁大气环境材料腐蚀国家野外科学观测研究站新疆尉犁841500

在“双碳”政策下,绿色能源在能源体系中的占比越来越大。风力发电以其原料来源广、污染少、发电量大等优点成为国家重点发展的方向之一。随着风力发电的快速发展,风力发电机覆冰问题愈发凸显。为了解决这一问题,研究人员基于生物仿生... 详细信息

在“双碳”政策下,绿色能源在能源体系中的占比越来越大。风力发电以其原料来源广、污染少、发电量大等优点成为国家重点发展的方向之一。随着风力发电的快速发展,风力发电机覆冰问题愈发凸显。为了解决这一问题,研究人员基于生物仿生学开发了具有优异防除冰性能的超疏水涂层,并广泛应用。目前,防止风机结冰最常用和最直接的方法是主动加热技术。综述了风力发电机覆冰的基本理论,介绍了覆冰产生的原因及危害,将覆冰抽象为过冷水滴在下降过程中撞击风力发电机叶片并黏附在叶片上,与叶片表面发生复杂热交换后凝结成冰的模型。概述了目前国内外常用的风力发电机防除冰方法,分析了不同被动和主动防除冰技术的优缺点。通过研究工程应用案例发现,单一的被动或主动防除冰技术存在防除冰能力有限、能耗高、效率低等问题,将不同的防除冰技术组合使用、互相补充,更能满足多样化实践需求,成为目前研究的热点和重点。在优化当前防除冰技术的基础上,采用组合防除冰技术具有良好的发展前景。

关键词：风力发电机叶片覆冰机理防除冰组合策略

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风力发电机叶片防除冰涂层(二):温升数值计算及防除冰性能

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电工技术学报 2024年第1期39卷 246-256页

作者：胡琴朱茂林舒立春蒋兴良徐兴重庆大学雪峰山能源装备安全国家野外科学观测研究站重庆400044 国网浙江省电力有限公司杭州市余杭区供电公司杭州311199 国网湖南省电力有限公司长沙供电分公司长沙410035

针对电热超疏水涂层覆冰过程中表现出的三类不同冰层形貌,该文建立了电加热融冰数值计算模型,并对仿真计算结果进行了相应的试验验证,验证结果与仿真结果基本一致,该模型能有效模拟融冰过程和温度分布。临界融冰功率的计算结果表明,电... 详细信息

针对电热超疏水涂层覆冰过程中表现出的三类不同冰层形貌,该文建立了电加热融冰数值计算模型,并对仿真计算结果进行了相应的试验验证,验证结果与仿真结果基本一致,该模型能有效模拟融冰过程和温度分布。临界融冰功率的计算结果表明,电热超疏水涂层融冰所需功率大于非超疏水电热涂层,尤其在乳突状冰层出现后,融冰功率将大幅增加。电热超疏水涂层防冰试验结果表明,在雨凇覆冰环境中,超疏水性能单独作用时,叶片在覆冰前期能延缓覆冰;电热性能与超疏水性能共同作用时,叶片无覆冰形成。电热超疏水涂层用于风力发电机防覆冰具有较好的效果,但用于覆冰后的融冰时将需要更多的能量。

关键词：风力发电机超疏水电热涂层防除冰数值模型人工试验

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不同微结构超疏水表面的光热防除冰特性

Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics 2023年第2期40卷 137-147页

作者：张海翔朱东宇兆环宇张锡文何枫郝鹏飞清华大学航天航空学院北京100084中国航空工业空气动力研究院沈阳110034 清华大学(材料学院)‐航空工业气动院先进材料与防除冰技术联合研究中心北京100084

超疏水光热防除冰表面作为一种新兴的防除冰手段,在防除冰领域具有巨大的应用潜能。本研究通过数值模拟和物理实验相结合的手段研究了不同微结构超疏水表面的光热防除冰特性。基于有限元模拟,得到了纳米颗粒的粒径、种类、体积分数、涂... 详细信息

超疏水光热防除冰表面作为一种新兴的防除冰手段,在防除冰领域具有巨大的应用潜能。本研究通过数值模拟和物理实验相结合的手段研究了不同微结构超疏水表面的光热防除冰特性。基于有限元模拟,得到了纳米颗粒的粒径、种类、体积分数、涂层厚度及微纳复合结构表面的结构参数对表面光热转化效率和升温效果的影响。另外,考虑了微柱和微锥两种微纳复合结构,数值结果表明微纳复合结构具有更好的光热特性,微锥结构的光热特性最好。同时,详细讨论了微结构尺寸参数,如特征尺度和高宽比,对表面吸收率与光热转化效率的影响。光照升温和融冰试验结果表明制备的超疏水光热表面能够实现高效的光热转化和防除冰功能,最优结构的表面在一个太阳光照条件下的温升可以达到45℃。本研究的研究工作可以为防除冰材料的优化设计提供参考。

关键词：超疏水表面光热特性微结构吸收率防除冰

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防除冰桨叶加热及温度控制系统设计

防除冰桨叶加热及温度控制系统设计

作者：锁俊睿南京航空航天大学

学位级别：硕士

防除冰桨叶加热及温度控制系统是直升机桨叶防除冰地面试验的重要测试工具。本文在研究国内外旋翼桨叶电加热防除冰技术的基础上，根据工程需求，综合考虑各方面因素，设计了一套加热及温度控制试验系统。控制系统包括：本地控制和远程... 详细信息

防除冰桨叶加热及温度控制系统是直升机桨叶防除冰地面试验的重要测试工具。本文在研究国内外旋翼桨叶电加热防除冰技术的基础上，根据工程需求，综合考虑各方面因素，设计了一套加热及温度控制试验系统。控制系统包括：本地控制和远程控制。控制系统可靠性高、界面友好、自动化水平高。本文着重整套控制系统的仿真预测、设计及集成，主要研究工作如下：(1)根据多层结构的传热理论，应用Fluent软件模拟了加热模式、加热功率、加热单元间隔及加热冷却时间比对桨叶传热特性的影响。(2)对工程需求进行分析，结合实际情况确定整体控制方案。控制系统能实现本地控制和远程控制功能。(3)设计本地温度测量及加热控制系统。应用欧姆龙PLC、温度巡检仪及功率调压器等主要硬件搭建加热及温度控制系统，选用基于协议宏的串口通信方式，实现PLC与外围设备的通信，并使用组态技术开发触摸屏控制面板。(4)应用VC++软件技术，组建基于FINS协议的工业以太网并设计远程控制系统。另外，应用Access数据库技术实现测试数据的记录。

关键词：防除冰温度控制数值模拟 VC++ 远程控制

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输电线路新型电磁防除冰

电网与清洁能源 2015年第1期31卷 1-6页

作者：王新掌李红磊高建良王君莉郝少帅河南理工大学电气工程与自动化学院河南焦作454000 河南理工大学安全科学与工程学院河南焦作454000 郑州华信学院机电工程学院河南郑州451150

针对当前国内外高压输电线路除冰时需要线路停运,且需要较多的人力、物力、劳动强度大和危险等特点,提出了一种不停电电磁防除冰方法。基于高频电磁感应技术和热传导理论,建立了高压输电线路的防除冰物理模型,利用ANSYS参数化语言APDL... 详细信息

针对当前国内外高压输电线路除冰时需要线路停运,且需要较多的人力、物力、劳动强度大和危险等特点,提出了一种不停电电磁防除冰方法。基于高频电磁感应技术和热传导理论,建立了高压输电线路的防除冰物理模型,利用ANSYS参数化语言APDL进行编程,对输电线路物理模型中的电磁-热现象进行了耦合数值计算。通过对比不同电磁参数下输电线路温度的分布和变化情况,找到了影响输电线路温度变化的主要电磁参数,包括高频电流的频率、高频电流密度、感应线圈间距、感应线圈长度、感应线圈厚度和感应加热时间。据此对线圈尺寸进行了优化设计,使输电线路温度在0℃以上能够有效防除冰。

关键词：输电线路防除冰电磁参数耦合数值计算

风力机防除冰的复合材料叶片传热分析与试验研究

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复合材料科学与工程 2022年第9期 76-82页

作者：李伟王顺燕文飞刘小春王昭力贵州理工学院人工智能与电气工程学院贵阳550003 大唐贵州新能源开发有限公司贵阳556000

掌握复合材料叶片壳层的传热特性对于实现风力机叶片气热法防除冰至关重要。通过分析复合材料叶片气热法传热理论,选择叶片主梁梁帽、前缘和后缘三个典型局部位置构建叶片壳层传热模型,施加不同载荷温度进行叶片传热模拟,分析表明在不... 详细信息

掌握复合材料叶片壳层的传热特性对于实现风力机叶片气热法防除冰至关重要。通过分析复合材料叶片气热法传热理论,选择叶片主梁梁帽、前缘和后缘三个典型局部位置构建叶片壳层传热模型,施加不同载荷温度进行叶片传热模拟,分析表明在不同载荷温度下,各模型的传热特性具有一致性,前缘模型和后缘模型因夹芯材料及厚度不同,传热缓慢且温度下降幅度最大,而主梁模型传热较快且在2 h后达到平衡状态温度。通过对现场2 MW叶片进行传热试验,前缘通道监测点温度变化与对应传热模型分析结果接近,传热模拟与试验结果表明加热1.5 h后叶片表面Δ10℃温升能够满足复合材料叶片防除冰的工程应用需求。

关键词：复合材料叶片传热特性防除冰传热模拟载荷温度

基于微流道技术的电磁功能结构防除冰系统流场与传热特性分析

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空军工程大学学报 2024年第3期25卷 36-40,102页

作者：陈晓宇司源陈龙航空工业济南特种结构研究所高性能电磁窗航空科技重点试验室济南250023 山东大学机械工程学院高效洁净机械制造教育部重点实验室济南250100

基于微流道技术的电磁功能结构气热防除冰系统设计与其内/外流场的流体流动行为及传热特性密切相关。为了实现微流道气热防除冰系统设计,提出了一种流场-传热耦合数值分析方法,以气热空心石英纤维增强树脂基复合材料为微流道实现手段,... 详细信息

基于微流道技术的电磁功能结构气热防除冰系统设计与其内/外流场的流体流动行为及传热特性密切相关。为了实现微流道气热防除冰系统设计,提出了一种流场-传热耦合数值分析方法,以气热空心石英纤维增强树脂基复合材料为微流道实现手段,进行了典型翼面前缘电磁功能结构的流场与传热特性仿真分析。结果表明:在-15℃的外部条件下,基于微流道的防除冰方案具备满足防除冰需求的潜力,为后续进行气热防除冰方案优化设计提供了理论支持。

关键词：防除冰微流道流-热耦合传热分析

聚丙烯基光热复合材料表面微纳结构制备及防除冰性能研究

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聚丙烯基光热复合材料表面微纳结构制备及防除冰性能研究

作者：邢清松广东工业大学

学位级别：硕士

低温环境产生的结冰现象对人们的生产生活造成了严重威胁。超疏水表面作为一种安全高效的新型防冰手段在近些年来被寄予厚望,尤其是将超疏水表面与光热材料结合,即实现被动防冰和主动除冰功能的结合展现出了巨大的应用潜力。但关于超疏... 详细信息

低温环境产生的结冰现象对人们的生产生活造成了严重威胁。超疏水表面作为一种安全高效的新型防冰手段在近些年来被寄予厚望,尤其是将超疏水表面与光热材料结合,即实现被动防冰和主动除冰功能的结合展现出了巨大的应用潜力。但关于超疏水表面,目前仍存在制备成本高、润湿理论不完善的问题,而关于光热材料,也存在光热转换过程中温度响应机制不清晰的问题。本文通过制备聚丙烯(PP)表面微纳结构,以石墨烯(GP)为光热填料,制备了PP基光热复合材料超疏水表面,实现了超疏水被动防冰和光热主动除冰功能的有效结合。并从理论的角度探讨了表面结构对其润湿性能的影响,以及GP含量对复合材料光热性能的影响。通过阳极氧化法制备了不同孔径和孔密度的阳极氧化铝(AAO)模板,并通过热压印技术在PP表面制备了对应的纳米结构。通过润湿性能测试,发现增加纳米结构尺寸和阵列密度都能提高表面的疏水性能,由接触线理论可知,这与表面结构接触线密度(ρ)的增加有关。通过数据拟合可知,表面接触角(CA)随ρ的增加而增大,并呈现二阶衰减指数函数关系(ExpDec2),滚动角(RA)也随ρ的增加而逐渐接近于0°,其中制备的纳米结构的最大ρ为11.91×10 cm,其超疏水性能也最好(CA为163.7°,RA为0.9°)。通过微米压印并结合阳极氧化工艺制备了微纳结构的AAO模板,再通过热压印技术在PP表面制备了相应的微纳结构。微米结构结合高ρ的纳米结构可以进一步提升表面的超疏水性能,而且具备较高ρ的纳米结构更有利于增强微纳结构表面的润湿稳定性。优选的微纳结构表面的CA为162.7°,RA约为0.2°,表面黏附力仅为4μN左右,动态润湿性能表现优异,几乎没有接触角迟滞,并且具有极强的抗冲击性能和抗浸泡性能。通过熔融共混的方法制备了不同GP含量的PP基光热复合材料。GP的加入,使得复合材料在全波段范围内的吸光率都有了大幅提升,其中1wt%GP的复合材料,吸光率最高,在全波段范围内普遍高于95%。从能量转换的角度,结合牛顿冷却定律,发现复合材料的光热性能与其吸光率和导热系数之比呈正相关。由于GP的高导热性,所以复合材料的导热系数随GP含量的增加而增加。当GP含量为1wt%时,吸光率和导热系数的比值最大,为3.84左右,光热性能最好。在一个太阳光下照射5 min后,表面最高温度稳定在96℃。由于复合材料的导热系数的提升,其表面的防冰性能有轻微的下降。在优选1wt%GP的PP基光热复合材料表面制备纳米结构和微纳结构。通过结冰测试发现提高纳米结构的ρ和构筑微纳结构都可以提升表面在低温高湿环境中的防冰性能,尤其是提升纳米结构的ρ对于表面的防冰性能更为关键。其中优选的微纳结构为微米结构和结合较高ρ的纳米结构,可以最大程度的保留结构之间的纳米级和微米级气穴,提高界面间热阻,从而其表面的防冰性能最优。优选的微纳结构表面液滴的冻结时间为214 s,与平板表面相比,冻结时间延长了约1倍。在一个太阳光强下,PP基光热复合材料表面微纳结构的融冰时间为73 s,相比于PP平板表面,融冰时间缩短了23%,实现了防除冰性能的有效结合。

关键词：超疏水微纳结构石墨烯光热转换防除冰

激光诱导石墨烯微米结构疏水表面制备及其防除冰性能研究

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激光诱导石墨烯微米结构疏水表面制备及其防除冰性能研究

作者：李世琛中国民用航空飞行学院

学位级别：硕士

结冰被认定为影响当前航空器安全运行的关键气象因素之一。当前传统防除冰技术不能够满足航空器发展的需要,迫切需要开发新型复合式防除冰新技术。基于精度高、可图案化、经济高效的激光诱导石墨烯技术构建“被动防冰+主动除冰”的航空... 详细信息

结冰被认定为影响当前航空器安全运行的关键气象因素之一。当前传统防除冰技术不能够满足航空器发展的需要,迫切需要开发新型复合式防除冰新技术。基于精度高、可图案化、经济高效的激光诱导石墨烯技术构建“被动防冰+主动除冰”的航空器复合型防除冰新技术开拓了新思路。本文基于激光诱导石墨烯技术开展复合型防除冰表面设计与优化,利用模拟仿真筛选较优激光参数组合;通过线阵列图案设计和激光功率参数调整初步构建疏水石墨烯表面;进行扫描速度、阵列线间距参数的优化,提高表面防除冰性能,最终实现疏水/超疏水/电热功能耦合的防除冰表面。主要研究:(1)利用COMSOL Multiphysics软件建立“光-热-力”耦合模型,研究激光参数对基底温度和热应力的影响,优化激光参数组合;(2)对激光扫描轨迹进行周期性线阵轨迹设计,探究激光功率对石墨烯生成物质量的影响规律,初步形成疏水/电热表面;(3)分析扫描速度和线间距对石墨烯表面结构的影响规律,通过优化提升延迟结冰/电热除冰性能,形成疏水/超疏水/电热功能耦合防除冰表面。仿真模拟和实验验证结果表明:(1)激光功率是影响光热效应和石墨烯生成的主要因素,光斑直径与扫描速度为次要因素,影响规律与激光能量分布密切相关;(2)功率偏小(3 W)或过大(7 W)会导致石墨烯表面出现缺陷结构,功率为5 W功率时制备的石墨烯表面表现疏水性和稳定焦耳热效应;(3)扫描速度的适当提升,有助于接触角的增大(134.5°-147.7°),形成了延迟结冰效果(延长1.80-2.36倍)和低能耗(0.09 W-1.82 W)的电热效果(45℃-246.9℃),实现了疏水防冰功能;(4)线间距增加至200μm,获得扫描速度与石墨烯线宽之间呈线性负相关关系,实现了超疏水性能(151°)和延迟结冰效果提升(延长2.23-2.61倍),验证了电热效应的除冰效果,实现了稳定防冰和高效除冰功能的耦合。综上所述,激光诱导石墨烯技术在主动/被动复合型防除冰功能一体化制造方面具有优势和潜力,且能够实现结构的精准调控和稳定的性能,为复合型防除冰表面设计与制备提供了新思路、新方法。

关键词：激光诱导石墨烯线阵列疏水表面防除冰延迟结冰电热除冰