CN108718477B - 一种三电极脉冲沿面流光放电等离子体防破覆冰装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种三电极脉冲沿面流光放电等离子体防破覆冰装置，在风力发电机叶片的易覆冰区域安装等离子体激励器，实现对该区域的防破覆冰。该激励器是高压激励电极、第一接地电极和第二接地电极交错布置于绝缘材料制成的风力发电机叶片表面和内部，其中高压激励电极和第二接地电极位于风力发电机叶片同侧且裸露在低温气相中，第一接地电极植入风力发电机叶片内部，采用高压脉冲电源激励。利用脉冲沿面流光放电的热效应加热来流和风力发电机叶片表面附着的液滴和冰晶使其融化和蒸发，利用产生的压力波及冲击效应将液滴与冰晶击碎和驱除，防破覆冰的发生。本发明提出的方法可以广泛应用于风力发电机叶片或其它有防除覆冰需求的对象。

Description

一种三电极脉冲沿面流光放电等离子体防破覆冰装置

技术领域

本发明属于放电等离子体在防除绝缘材料表面覆冰的应用技术领域，涉及一种三电极脉冲沿面流光放电等离子体防破风力发电机叶片覆冰的装置，用于快速高效防破风力发电机叶片覆冰，也可以用于暴露于湿冷气体中绝缘材料表面覆冰去除。

背景技术

由于传统化石能源的巨大消耗与不可再生，各国都在积极开发和研究可再生能源，而风能作为一种天然的清洁可再生能源，其发展与利用受到人们的普遍关注与青睐。风力发电机叶片作为捕获风能的装置，其运行效率显著影响着风力发电机的发电效率。风力发电机一般安装在高山与边疆区域，但由于该类地区温度低，湿度大，容易造成风力发电机叶片覆冰，大幅降低风力发电机的发电效率和使用寿命，甚至对周边的人和设备造成伤害。

当前风力发电机叶片的防除覆冰技术主要有机械防除覆冰、涂料防除覆冰和热能防除覆冰。其中最为常见的为热能防除覆冰，虽然上述方式均表现出一定的效果，但都包含一定问题。机械防除覆冰容易对风力发电机叶片造成损伤，影响发电机的正常运行。涂料防除覆冰虽然操作简单，但由于涂料性能不稳定，不能很好保证叶片的防除覆冰效果。热能防除覆冰通常为气热法和电阻丝防除覆冰，但由于叶片的传热性能限制，其防除覆冰效果相对受限，并且当防除覆冰面积较大时，所需能耗将会很大。

目前与应用等离子体防除覆冰相关在审与授权的专利主要有以下三份：(用于风力发电机叶片的等离子体控制装置和方法，中国发明专利，申请号：201310242446.0，邵涛，车学科，严萍，聂万胜，2016.01.20)、(一种基于等离子体冲击射流的破除冰方法，中国发明专利申请，申请号：201610841778.4，罗振兵，王林，蒋浩，夏智勋，周岩，2017.01.11)和(一种介质阻挡放电等离子体除积冰装置及方法，中国发明专利申请，申请号：201510275368.3，蔡晋生，田永强，孟宣市，翟琪，2015.09.09)。其中邵涛和蔡晋生等人的专利是基于传统沿面放电结构，存在放电区域有限，即防除覆冰范围受限的缺点。罗振冰等人的专利需安装等离子体激励器于孔内，孔的存在对激励器的安装要求较高，且当孔内充满冰和水时，其将不易产生合成射流实现破除覆冰。本申请的三电极脉冲沿面流光放电等离子体防破覆冰的装置通过第二接地电极的引入可有效增强其放电强度，且当流光接通第二接地电极时可产生火花放电，达到冲破覆冰的效果，但又不存在需要安装孔的问题。综上所述，风力发电机叶片急需一种高效、方便的防除覆冰的装置及方法，避免叶片覆冰造成不必要的损失。

发明内容

本发明为了克服现有技术对于风力发电机叶片防除覆冰存在的问题：对叶片有损伤、防除覆冰性能不稳定、防除覆冰效果受限、能耗较大和存在安装孔等，提出一种三电极脉冲沿面流光放电等离子体防破风力发电机叶片覆冰的装置。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种三电极脉冲沿面流光放电等离子体防破覆冰装置，包括三电极等离子体激励器、等离子体电源系统。所述的等离子体电源系统根据防破覆冰条件的不同改变相应的脉冲峰值、脉冲宽度和脉冲频率。所述的三电极等离子体激励器包括高压激励电极1、第一接地电极3和第二接地电极4；其中高压激励电极1、第一接地电极3和第二接地电极4在绝缘材料上匹配布置形成沿面流光放电等离子体，所述的绝缘材料为风力发电机叶片2。所述的高压激励电极1和第二接地电极4位于绝缘材料同侧且裸露在低温气相中；所述的第一接地电极3植入绝缘材料内部，第一接地电极3与高压激励电极高度上存在的距离为0.1-10mm，宽度上可铺满绝缘材料内部，也可位于高压激励电极1和第二接地电极4之间，即在该状态下第一接地电极3可和高压激励电极1形成普通沿面放电；第二接地电极4的引入可增强高压激励电极与第一接地电极形成的普通沿面放电，也可在有水的导通作用下与高压激励电极形成火花放电增强放电强度。所述的高压激励电极1与等离子体电源系统的高压脉冲电源输出端连接，高压脉冲电源低压输出端、第二接地电极4、第一接地电极3与地线连接。

所述的高压激励电极1和第二接地电极4在绝缘材料风力发电机叶片表面放置方式，可以在绝缘材料长度或者宽度方向上整体放置，也可以在绝缘材料表面长度或者宽度方向上多段连接放置，也可以在绝缘材料表面长度或者宽度方向上间隔连接放置。通过增加三电极等离子体激励器在绝缘材料上的放置套数，增加防破绝缘材料表面覆冰的区域。

所述的高压激励电极1和第二接地电极4的结构组合形式可为锯齿形-锯齿形、锯齿形-矩形、芒刺形-芒刺形、芒刺形-矩形、长方形-长方形、长方形-矩形、棒-棒、棒-矩形、矩形-矩形的形式，其中，前者为高压激励电极1，后者为第二接地电极4，高压激励电极1和第二接地电极2之间的距离范围为1-500mm。所述的锯齿形结构存在一个角度，其角度α不大于180度，同一个电极上相邻锯齿间距d为0-200mm；所述的矩形宽度为0～100mm；所述的突出的芒刺形结构的芒刺相距为0-200mm，小刺角度范围不大于180度；所述的突出端长方形结构的宽度为0～50mm，同一个电极上相邻长方形电极之间间距为1mm-200mm；所述的突出的棒形结构是在长方形电极基础上将凸出端处理为圆弧形。

当绝缘材料易覆冰区域需要防止覆冰时：此时三电极等离子体激励器未被冰层覆盖，等离子体电源系统为三电极等离子体激励器提供脉冲电压，三电极等离子体激励器工作；由高压激励电极1、第一接地电极3和第二接地电极4形成脉冲沿面流光放电等离子体，形成脉冲沿面流光放电等离子体的过程中伴有热效应、波效应与冲击效应，其中热效应将附着在叶片表面和在表面一定区域的冰晶与水滴受热融化蒸发，波效应和冲击效应对来流和介质层表面的冰晶与液滴进行破碎和吹除。三种效应的共同作用达到防止叶片覆冰的效果。

当易覆冰区域需要破除覆冰时：此时三电极等离子体激励器被冰层覆盖，等离子体电源系统为三电极等离子体激励器提供脉冲电压，三电极等离子体激励器工作：开始阶段，高压激励电极1在供电条件下放电破碎和融化周围的冰层形成液态水；当有空气、水和冰共存时，高压激励电极1周围开始形成明亮的沿面放电流光，随沿面流光向第二接地电极4的持续发展，放电流光所到之处融化冰层形成通道，使通道成为了空气、液态水和冰共存的状态；当通道发展至第二接地电极4时，由于通道内水的导通作用，使高压激励电极1和第二接地电极4之间发生火花放电，产生的火花放电快速加热空气，产生强烈的压力波伴随着冲击力，至此冲破冰层甚至掀掉整个冰层，使其于叶片表面脱落。该方式相较于受热融化覆冰，其不仅仅利用热来融化冰层，更可利用冲击力破除冰层，可在较少能量注入的情况下使冰层脱落于叶片。

本发明可以用于暴露湿冷气体中绝缘材料表面覆冰的去除。也可以制作成模块形式，安装在绝缘材料面，对暴露于湿冷气体中绝缘材料表面覆冰进行去除。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明可以替代传统的机械防除覆冰、涂层防除覆冰和热能防除覆冰等方法，没有机械防除覆冰对叶片造成的机械损伤问题，也无涂层防除覆冰的性能不稳定与效果不理想问题，也无需复杂的供气管路和布置要求，在灵活性、响应速度和能耗等方面具有较大优势。特别是在有破除覆冰需求时，本发明可利用较少能量破除风力发电机叶片覆冰，而无需通过加热融化覆冰消耗大量电能，可大幅度减少电能消耗。本发明首次提出三电极脉冲沿面流光放电等离子体在防除风力发电机叶片覆冰上的应用，也可以广泛应用于不同的绝缘材料表面覆冰问题等其它有防除覆冰需求的设备与场合。

附图说明

图1为三电极脉冲沿面流光放电等离子体防破风力发电机叶片覆冰系统示意图；

图2为三电极脉冲沿面流光放电等离子体激励器立体结构图：(a)锯齿形-锯齿形，(b)锯齿形(高压激励电极)-矩形(第二接地电极)，(c)芒刺形-芒刺形，(d)芒刺形(高压激励电极)-矩形(第二接地电极)，(e)长方形-长方形，(f)长方形(高压激励电极)-矩形(第二接地电极)，(g)棒-棒，(h)棒(高压激励电极)-矩形(第二接地电极)，(i)矩形-矩形；其中，前者为高压激励电极，后者为第二接地电极。

图3为三电极等离子体激励器在风力发电机叶片表面布置示意图；

图4为防止覆冰电压电流波形图；

图中：1高压激励电极；2风力发电机叶片(绝缘材料)；3第一接地电极；4第二接地电极。

具体实施方式

为使本发明描述的更为清楚明了，下面结合附图与模拟实验效果对本发明的实施方式进行进一步的描述说明。

本实施例中选取风力发电机叶片作为防破覆冰的应用对象，参阅图1和图2，三电极脉冲沿面流光放电等离子体防破覆冰系统由等离子体电源系统和三电极等离子体激励器组成。等离子体电源系统可根据防破覆冰条件的不同改变相应的脉冲峰值、脉冲宽度和脉冲频率。三电极等离子体激励器由高压激励电极1、第一接地电极3、第二接地电极4交错布置于风力发电机叶片(绝缘材料)2表面与内部。其中高压激励电极1和第二接地电极4相距一定距离(距离范围不大于500mm)且暴露于风力发电机表面，第一接地电极3植入风力发电机叶片2内部可铺满叶片内部也可位于高压激励电极1和第二接地电极4之间。高压激励电极1与等离子体电源系统连接，脉冲电源低压端、第一接地电极3和第二接地电极4与地线连接。

所述三电极等离子体激励器平滑安装在风力发电机叶片表面易覆冰区域，使其在不影响叶片表面气动外形的前提下对易覆冰区域有防破覆冰的效果。如图3所示，根据叶片长度、覆冰位置和不同覆冰位置的覆冰量，将叶片分为不同区域，采取分段布置方式，将三电极等离子体激励器布置于风力发电机叶片易覆冰区域，并将高压激励电极固定在易覆冰且覆冰较厚的区域。高压激励电极与第二接地电极每隔一段距离(不大于500mm)成对出现锯齿状电极，该锯齿状电极有利于在防破覆冰时放电流光的集中，产生的物理效应(热效应、波效应和力效应)增大，通过周而复始的脉冲放电产生热效应、波效应和冲击效应易于对叶片进行防除覆冰。

在风力发电机叶片需要防止覆冰时，此时等离子体激励器未见明显覆冰，开启等离子体电源为等离子体激励器供电使其工作，在绝缘材料表面产生周期性的沿面流光放电等离子体，利用其产生的热效应蒸发与融化来流和激励器表面附着的液滴与冰晶，利用其产生的波效应与冲击效应吹除与击碎来流和附着在等离子体激励器表面的液滴与冰晶，并扰动来流空气使其夹带液滴与冰晶不易撞击在风力发电机叶片表面，最终达到防止叶片覆冰的效果。当不需要防止覆冰时，停止等离子体电源供电。

在风力发电机叶片有破除覆冰需求时，此时等离子体激励器被冰层覆盖，开启等离子体电源通过高压激励电极1为等离子体激励器供电，使其开始工作，高压激励电极1与第一和第二接地电极形成耦合电场产生沿面流光放电对冰层进行破碎和融化，由于水的存在将产生较为强烈的流光放电，并且在两表面电极成对出现的锯齿状处更容易形成沿面流光放电，随着沿面流光放电的发展，通过其产生的热效应、波效应与冲击效应融化和击碎所到达的冰层，形成空气、水和冰并存的通道，当通道连接高压激励电极1和第二接地电极2时，其将产生火花放电并伴随着更为强烈的热效应、波效应与冲击效应，最终击碎和松动冰层甚至掀掉整块附着的冰层。破除覆冰完成后关闭等离子电源，停止供电。

为进一步的描述本专利提出的方法效果，本实施例选用实验室的防破聚四氟乙烯表面覆冰实验进行三电极脉冲沿面流光放电等离子体防破绝缘材料表面覆冰的说明，本实施例选用锯齿形-锯齿形结构进行防破覆冰实验。绝缘介质为选用长×宽×厚分别为100mm×100×1mm的聚四氟乙烯，聚四氟乙烯表面同侧对称安放锯齿形铝箔电极，上端为高压激励电极1，下端为第二接地电极4，两电极相距18mm，绝缘介质另一侧位于两暴露电极之间放置矩形铝箔作为第一接地电极3并用绝缘胶封住，整体构成三电极形式。

两个一样的上述三电极等离子体激励器平行安放在低温实验箱中，在温度-15.3℃、相对湿度为79.9％的环境下，施加脉冲峰值为23.6kV，脉冲频率75Hz，电压与电流波形如图4所示，于高压激励电极向第二接地电极方向产生沿面流光放电，伴随产生热效应、波效应和冲击效应，进行20分钟试验后，左边进行放电的三电极等离子体激励器，在放电区域有效的防止覆冰生成，而右边未放电系统表面有明显覆冰。

所述等离子体激励器的两锯齿形电极均被冻在冰层内部，外部一圈白色区域为固体硅胶，目的为限定水在该区域内结冰，将脉冲电压施加于高压激励电极，产生放电使电极附近的冰破碎和融化，随后在电极周围有空气、水和冰的情况下，继续产生沿面流光放电通道向第二接地电极延伸并破碎和融化等离子所到达的冰层，当放电通道到达第二接地电极时，由于水的导通放电最为剧烈，产生火花放电，伴随着强力的冲击效应使整个冰层从暴露电极与介质表面脱落，达到三电极脉冲沿面流光放电击碎甚至掀掉整个冰层的目的。实验结果显示三电极脉冲沿面流光放电等离子体破除绝缘材料表面覆冰的装置与方法是可行的。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施对象，但发明内容不限于此，任何简单变化和等效替换均落入本发明的保护范围内。如脉冲电压波形、脉冲极性的改变、成对锯齿形状电极的改变和电极结构与布置位置的改变等。

Claims (8)

1.一种三电极脉冲沿面流光放电等离子体防破覆冰装置，其特征在于，包括三电极等离子体激励器、等离子体电源系统；所述的等离子体电源系统根据防破覆冰条件的不同改变相应的脉冲峰值、脉冲宽度和脉冲频率；所述的三电极等离子体激励器包括高压激励电极(1)、第一接地电极(3)和第二接地电极(4)；其中高压激励电极(1)、第一接地电极(3)和第二接地电极(4)在绝缘材料上匹配布置形成沿面流光放电等离子体；所述的高压激励电极(1)和第二接地电极(4)位于绝缘材料同侧且裸露在低温气相中；所述的第一接地电极(3)植入绝缘材料内部；第二接地电极(4)的引入可增强高压激励电极与第一接地电极形成的普通沿面放电，也可在有水的导通作用下与高压激励电极形成火花放电增强放电强度；所述的高压激励电极(1)与等离子体电源系统的高压脉冲电源输出端连接，高压脉冲电源低压输出端、第二接地电极(4)、第一接地电极(3)与地线连接；通过增加三电极等离子体激励器在绝缘材料上的放置套数，增加防破绝缘材料表面覆冰的区域。

2.根据权利要求1所述的一种三电极脉冲沿面流光放电等离子体防破覆冰装置，其特征在于，所述的绝缘材料为风力发电机叶片(2)。

3.根据权利要求1或2所述的一种三电极脉冲沿面流光放电等离子体防破覆冰装置，其特征在于，所述的绝缘材料内部的第一接地电极(3)与高压激励电极高度上存在的距离为0.1-10 mm，宽度上可铺满绝缘材料内部，也可位于高压激励电极(1)和第二接地电极(4)之间，即第一接地电极(3)可和高压激励电极(1)形成普通沿面放电。

4.根据权利要求1或2所述的一种三电极脉冲沿面流光放电等离子体防破覆冰装置，其特征在于，所述的高压激励电极(1)和第二接地电极(4)在绝缘材料表面放置方式：可以在绝缘材料长度或者宽度方向上整体放置，也可以在绝缘材料表面长度或者宽度方向上多段连接放置，也可以在绝缘材料表面长度或者宽度方向上间隔连接放置。

5.根据权利要求3所述的一种三电极脉冲沿面流光放电等离子体防破覆冰装置，其特征在于，所述的高压激励电极(1)和第二接地电极(4)在绝缘材料表面放置方式：可以在绝缘材料长度或者宽度方向上整体放置，也可以在绝缘材料表面长度或者宽度方向上多段连接放置，也可以在绝缘材料表面长度或者宽度方向上间隔连接放置。

6.根据权利要求1或2或5所述的一种三电极脉冲沿面流光放电等离子体防破覆冰装置，其特征在于，所述的高压激励电极(1)和第二接地电极(4)的结构组合形式可为锯齿形-锯齿形、锯齿形-矩形、芒刺形-芒刺形、芒刺形-矩形、长方形-长方形、长方形-矩形、棒-棒、棒-矩形、矩形-矩形的形式，其中，前者为高压激励电极(1)，后者为第二接地电极(4)，高压激励电极(1)和第二接地电极(4)之间的距离范围为1-500 mm；锯齿形结构存在一个角度，其角度α不大于180度，同一个电极上相邻锯齿间距d为0-200 mm；所述的矩形宽度为0~100mm；突出的芒刺形结构的芒刺相距为0-200 mm，小刺角度范围不大于180度；突出的长方形结构的宽度为0~50 mm，同一个电极上相邻长方形电极之间间距为1 mm-200 mm；突出的棒形结构是在长方形电极基础上将凸出端处理为圆弧形。

7.根据权利要求3所述的一种三电极脉冲沿面流光放电等离子体防破覆冰装置，其特征在于，所述的高压激励电极(1)和第二接地电极(4)的结构组合形式可为锯齿形-锯齿形、锯齿形-矩形、芒刺形-芒刺形、芒刺形-矩形、长方形-长方形、长方形-矩形、棒-棒、棒-矩形、矩形-矩形的形式，其中，前者为高压激励电极(1)，后者为第二接地电极(4)，高压激励电极(1)和第二接地电极(4)之间的距离范围为1-500 mm；锯齿形结构存在一个角度，其角度α不大于180度，同一个电极上相邻锯齿间距d为0-200 mm；所述的矩形宽度为0~100 mm；突出的芒刺形结构的芒刺相距为0-200 mm，小刺角度范围不大于180度；突出的长方形结构的宽度为0~50 mm，同一个电极上相邻长方形电极之间间距为1 mm-200 mm；突出的棒形结构是在长方形电极基础上将凸出端处理为圆弧形。

8.根据权利要求4所述的一种三电极脉冲沿面流光放电等离子体防破覆冰装置，其特征在于，所述的高压激励电极(1)和第二接地电极(4)的结构组合形式可为锯齿形-锯齿形、锯齿形-矩形、芒刺形-芒刺形、芒刺形-矩形、长方形-长方形、长方形-矩形、棒-棒、棒-矩形、矩形-矩形的形式，其中，前者为高压激励电极(1)，后者为第二接地电极(4)，高压激励电极(1)和第二接地电极(4)之间的距离范围为1-500 mm；锯齿形结构存在一个角度，其角度α不大于180度，同一个电极上相邻锯齿间距d为0-200 mm；所述的矩形宽度为0~100 mm；突出的芒刺形结构的芒刺相距为0-200 mm，小刺角度范围不大于180度；突出的长方形结构的宽度为0~50 mm，同一个电极上相邻长方形电极之间间距为1 mm-200 mm；突出的棒形结构是在长方形电极基础上将凸出端处理为圆弧形。