低温造成的叶片覆冰严重制约风电产业的发展:覆冰导致叶片气动力性能下降,发电功率损耗严重,甚至可能造成叶片损毁或其他安全事故。电加热是有效的叶片除冰方式,但国内对于叶片加热方式,尤其是加热控制策略研究较少。本文提出了新型除冰方法——电加热循环除冰方法,并对其控制策略进行深入分析,通过理论分析、数值建模、实验验证,提出适用于多种典型覆冰环境的控制策略,并分析了环境因素对除冰效果的影响。研究对提升叶片除冰性能,减少风电场冰害影响具有较为重要的学术意义和工程实用价值。本文基于电加热循环除冰方法,结合叶素理论、湍流理论和传质传热平衡理论,建立基于流体力学和数值传热学的叶片电加热循环除冰模型。然后以NACA4412翼型为例,在覆雨凇、雾凇条件下进行试验验证。最后推广到300 kW风力发电机,针对实际覆冰环境进行分析研究,提出可行的电加热循环除冰策略,并分析各因素对除冰效果的影响。论文的主要工作及取得的成果如下:(1)利用COMSOL有限元数值仿真软件,以NACA4412翼型为例,建立基于典型雨凇和雾凇环境下的“流体场—热力场”电加热循环除冰模型,对其除冰性能进行仿真研究发现:覆冰叶片周围的风速峰值主要集中在冰层凸处,局部风速谷值主要集中在冰层凹处、迎风前端及背风尾端处。且覆冰粗糙度越高,局部风速越大。加热过程中,叶片温度呈现出先升后降、循环往复的升高变化趋势。热量呈现出朝较薄冰层处流动聚集的趋势,冰层较薄处温度升高快,而覆冰较厚区域温升较慢。(2)在多功能人工气候室搭建实验平台,对NACA4412翼型的两种典型覆冰条件进行电加热循环除冰试验。采用图像法观察叶片除冰情况,通过数据测量系统采集记录冰层温度变化,发现试验结果和理论结果基本一致,平均误差不超过12%,说明理论模型能较好的反映真实加热除冰情况。(3)针对重庆大学雪峰山自然覆冰基地内300 kW风力发电机覆冰叶片搭建了除冰模型。根据雪峰山当地的三种典型覆冰环境(雨凇、雾凇),研究循环除冰策略的四个因素:加热功率密度、加热分区、单次加热时间、除冰时间对叶片除冰效果的影响规律,基于经济节能原则,确定可行的除冰策略。并且采用该策略的循环除冰方式比连续性加热除冰方式节约6.5%~25.9%的能量,说明电加热循环除冰方式能有效达到节能提效的效果。(4)电加热循环除冰方法采用特别设计的复合发热元件作为加热的基本单位,从理论和数值仿真角度分析各因素对除冰效果的影响。本文分析了复合发热单元隔热层隔热效果,为叶片确定隔热层的最低厚度提供理论依据;研究覆冰厚度对除冰效率影响,对叶片加热控制提出建议;分析风速对叶片除冰的影响,发现在风速6~20 m/s变化区间内,除冰时间随风速的增加呈现先递减再增加的趋势;分析环境温度对除冰的影响,发现环境温度与除冰时间呈线性反比关系,为后续研究和实际除冰工作提供了理论依据和基础。