Estudio Numérico y Experimental sobre el Deshielo de las Aspas de Aerogeneradores mediante Calentamiento Eléctrico Bajo un Campo de Flujo Complejo
Autores: Li, Jianwei; Yang, Panpan; Huang, Xuemei; Zhang, Leian; Wang, Jinghua
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2025
Acceso abierto
Artículo científico
2025
Estudio Numérico y Experimental sobre el Deshielo de las Aspas de Aerogeneradores mediante Calentamiento Eléctrico Bajo un Campo de Flujo Complejo
Categoría
Tecnología de Equipos y Accesorios
Subcategoría
Diseño de equipos y herramientas
Palabras clave
Palas de turbinas eólicas
Formación de hielo
Método de calefacción eléctrica antideshielo
Campo de flujo complejo
Eficiencia de deshielo
Modelo numérico
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 16
Citaciones: Sin citaciones
Las palas de los aerogeneradores son propensas a la formación de hielo en entornos fríos, lo que lleva a una disminución del rendimiento aerodinámico, un aumento de la pérdida de energía e incluso pone en peligro el funcionamiento seguro y estable de los aerogeneradores. El método de calefacción eléctrica anti-hielo es la solución más efectiva debido a su control flexible, respuesta rápida y alta eficiencia de descongelación. Sin embargo, en el proceso de rotación a alta velocidad de las palas, el efecto del campo de flujo complejo afecta significativamente el rendimiento de transferencia de calor de las palas, lo que lleva a problemas de alto consumo de energía, baja utilización del calor y calentamiento desigual de los métodos tradicionales de calefacción eléctrica anti-hielo/descongelación, limitando su efecto de aplicación en condiciones de trabajo complejas. Basado en el mecanismo físico y las características de intercambio de calor de la descongelación por calefacción eléctrica de las palas de los aerogeneradores, se construyó en este estudio un modelo numérico acoplado de flujo-transferencia de calor adecuado para condiciones de campo de flujo complejo, con el objetivo de realizar la simulación dinámica del campo de temperatura global y el proceso de transición de fase de las capas de hielo bajo diferentes modos de calefacción. Además, se compararon y analizaron las características de eficiencia de descongelación de los modos de calefacción continua y calefacción cíclica. Se tomó la sección de la punta de la pala de un Sinoma87.5 como objeto experimental, y se llevó a cabo el experimento de descongelación de la pala mediante calefacción eléctrica en condiciones de laboratorio de cobertura de hielo artificial. Los resultados de la simulación y el experimento muestran que el proceso de descongelación por calefacción eléctrica se puede dividir en tres etapas típicas: aumento inicial de temperatura, estancamiento y aumento rápido de temperatura. Bajo la influencia de las condiciones de flujo entrante, el aumento de temperatura de la región del punto de estancamiento frontal se retrasa en comparación con el lado de barlovento, y la temperatura máxima en estado estacionario es más baja. En comparación con el modo de calefacción cíclica, el modo de calefacción continua puede entrar y cruzar el período de estancamiento más rápidamente. La temperatura máxima en estado estacionario del modo de calefacción continua es de 24.2 grados Celsius, y la desviación del resultado de la simulación es solo de 2.8 grados Celsius, lo que está dentro del rango de error aceptable, verificando efectivamente la fiabilidad del modelo de cálculo numérico establecido.
Descripción
Las palas de los aerogeneradores son propensas a la formación de hielo en entornos fríos, lo que lleva a una disminución del rendimiento aerodinámico, un aumento de la pérdida de energía e incluso pone en peligro el funcionamiento seguro y estable de los aerogeneradores. El método de calefacción eléctrica anti-hielo es la solución más efectiva debido a su control flexible, respuesta rápida y alta eficiencia de descongelación. Sin embargo, en el proceso de rotación a alta velocidad de las palas, el efecto del campo de flujo complejo afecta significativamente el rendimiento de transferencia de calor de las palas, lo que lleva a problemas de alto consumo de energía, baja utilización del calor y calentamiento desigual de los métodos tradicionales de calefacción eléctrica anti-hielo/descongelación, limitando su efecto de aplicación en condiciones de trabajo complejas. Basado en el mecanismo físico y las características de intercambio de calor de la descongelación por calefacción eléctrica de las palas de los aerogeneradores, se construyó en este estudio un modelo numérico acoplado de flujo-transferencia de calor adecuado para condiciones de campo de flujo complejo, con el objetivo de realizar la simulación dinámica del campo de temperatura global y el proceso de transición de fase de las capas de hielo bajo diferentes modos de calefacción. Además, se compararon y analizaron las características de eficiencia de descongelación de los modos de calefacción continua y calefacción cíclica. Se tomó la sección de la punta de la pala de un Sinoma87.5 como objeto experimental, y se llevó a cabo el experimento de descongelación de la pala mediante calefacción eléctrica en condiciones de laboratorio de cobertura de hielo artificial. Los resultados de la simulación y el experimento muestran que el proceso de descongelación por calefacción eléctrica se puede dividir en tres etapas típicas: aumento inicial de temperatura, estancamiento y aumento rápido de temperatura. Bajo la influencia de las condiciones de flujo entrante, el aumento de temperatura de la región del punto de estancamiento frontal se retrasa en comparación con el lado de barlovento, y la temperatura máxima en estado estacionario es más baja. En comparación con el modo de calefacción cíclica, el modo de calefacción continua puede entrar y cruzar el período de estancamiento más rápidamente. La temperatura máxima en estado estacionario del modo de calefacción continua es de 24.2 grados Celsius, y la desviación del resultado de la simulación es solo de 2.8 grados Celsius, lo que está dentro del rango de error aceptable, verificando efectivamente la fiabilidad del modelo de cálculo numérico establecido.