碳纤维材料因其轻质量、高强度、优秀的热传导能力、良好的导电能力等优点,其在飞机制造、船舶工业、汽车制造等领域的应用也越来越广泛。国内外学者对碳纤维材料在导线及风力发电机叶片防除冰中的应用方式进行了初步的研究,取得了一定的研究进展。但目前碳纤维材料在风力发电机叶片防除冰中的应用方式研究还较少,技术尚不成熟。因此,设计一套完整的碳纤维风力发电机防除冰技术方案,对预防和消除风力发电机叶片覆冰、减少风电场覆冰灾害具有重要的学术意义和工程实用价值。论文首先建立了风力机叶片临界防冰/除冰功率密度计算模型;设计了具有多层材料结构的碳纤维加热元件;分析了风力发电机叶片的覆冰特征,同时,结合临界防冰功率密度在风力发电机叶片上的分布规律,提出了两种碳纤维加热元件的分区非均匀防冰/除冰布置方案,并对各方案的防除冰性能进行了测试。论文的主要工作及成果如下:(1)建立了风力发电机叶片的临界防冰/除冰功率密度的计算模型,分析了不同参数条件下临界防冰/除冰功率密度的变化规律,并进行了验证试验。结果表明,临界防冰功率密度随着水滴碰撞系数、翼型弦长、相对风速的增大而增大,随着环境温度的升高而减小;临界除冰功率密度随着覆冰厚度、翼型弦长、环境温度的增大而减小,随着相对风速的增大而升高。(2)设计了具有多层结构形式的碳纤维加热元件结构,该结构包括隔热层、加热层、导热层和保护层;推导了多层结构的碳纤维加热元件等效电阻的计算方法,且计算结果与试验测试结果一致;丝束间距分别为2mm、3mm、4mm及5mm的碳纤维加热元件的电阻-温度稳定性测试结果表明:加热元件在升温过程中,其电阻随温度的变化量很小,认为所制加热元件具有良好的电阻-温度稳定性;碳纤维加热元件除冰过程中,由于空气间隙、融冰水及渗透区的存在,将导致临界除冰功率密度的增大。(3)导热层的厚度增加时,加热元件除冰过程中冰层-叶片界面的最大温差减小,而当导热层的导热系数增加时,界面的最大温差也随之减小。当导热层厚度为0.5mm,导热系数为3.5W/m~2时,通过有限元法分析了加热元件除冰过程中,丝束间距对冰层-叶片界面的影响规律,建议加热元件除冰过程中的丝束间距应该控制在1mm~8mm以内。(4)根据风力机叶片的覆冰特征及临界防冰功率密度在风力机叶片上的分布规律,提出了碳纤维加热元件在叶片上的两种分区布置方案:丝束展向排列分区布置方案及丝束弦向排列分区布置方案。对两种分区布置方案的防除冰效果进行了试验测试,结果表明:在相同的加热功率密度条件下,丝束展向排列方案需要的电流比丝束弦向排列方案需要的电流大得多,其在防除冰系统中的接触电阻上产生大量的焦耳热。因此从减少能耗的角度考虑,推荐采用丝束弦向排列的分区布置方案。