低温环境所导致的叶片结冰问题-第2页-北极星风力发电网

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3应对策略

在低温环境运行风机可以选择多重策略：第一个参数就是预期的结冰周期。如果一个地方没有结冰记录，则不用采取特殊策略；如果一个地方存在较少结冰的情况，比如结冰周期为一年中的几天，则建议通过防结冰的方向标和风速仪结合温度测量、功率曲线检测等办法，抑或是在每个风场安装一种结冰传感器，等方式来探测结冰情况，在结冰周期内要么调整控制继续运行，要么停机或空转，这要取决于当地的位置情况，例如是否接近路边或可能受到潜在伤害的物体在附近。但需要清晰定义风机在哪种条件下会从结冰工况重新启动，根据自动检测结果或是人工目测判断均可。

但对于长期结冰，如结冰周期长达几周的地方，就推荐使用主动防结冰系统或被动除冰系统。叶片可能因为结冰周期过长而长期停机，从而大量损失发电量。

风机运行时，叶片在结冰工况旋转会在其前缘转捩点除聚积越来越多的冰层。随着旋转半径的增加线速度也随之增加，因此叶尖区域结冰要比其他部位相对严重，结冰量的多少与旋转半径近似成正比，如图5所示。

图5

结冰分成两类，一类是霜冰，一类是纯粹的结冰，但实际更多的情况是两者混合的冰。已有文献研究显示，混合冰对叶片气动性能的影响更大，不仅降低气动升力也增大气动阻力。与图6给出了一个运行风机的结冰叶片横截面图，其前缘有结冰。横截面会因为结冰导致弦长增大。如果结冰弦长增大到一定程度，会因为作用在上面的气动力而发生断裂。然后再形成新的冰层，最后就会形成一个看起来有小锯齿的粗糙叶片表面。图6右图，给出了风机在低风速下空转的结冰情况。由于风速低且转速接近于0，冰层所受的气动力较小，而且没有离心力的作用。由于冰层和叶片界面的剪切力较小，所以冰层就可以在前缘累积较多，如图7所示。图7的中间部分显示了同一个风机的三支叶片，叶尖大量堆积的雪，达到一定程度时就会在尖部区域被甩出，但甩出的程度各不相同，因此就出现了气动和质量的不对称问题。

图6

图7

4叶片除冰

在航空领域，有两种系统除去机翼的冰层。防冰系统和除冰系统，除冰系统是除去机翼上的冰层，而防冰系统则防止机翼结冰。这两种类型的系统在风机叶片上也已经试用和测试过。

防冰系统就是所谓主动除冰系统，例如将叶片涂成黑色；其优势在于白天叶片吸收太阳光而被加热后，冰层就会比白色叶片更早融化。然而，在夏季叶片上的温度会较高，从而会影响玻璃钢的材料性能，比如使叶片变柔，刚度下降进而影响净空等。

特定的防结冰涂料也是一种主动防冰系统，这种涂成可以减小叶片与冰层之间的剪切力，这些涂层经过风洞和挂机测试。其优势在于，整个叶片采用防结冰涂层，成本相对低，没有特殊的防雷要求，叶片易于维护，且整个表面都得到了保护。而且，这种类型的涂层可以减小温暖时期对尘土和昆虫的敏感性。其劣势在于运行过程中会有冰层脱落或甩出。在低风速或空转时，由于冰层受力较小，在叶尖区域仍然会大量结冰。同样存在气动和质量不对称的风险。目前也有几个大型叶片涂料厂家推出自己的防结冰涂料或防结冰薄膜，可惜均未根本解决叶片结冰问题。

图8给出了变桨控制风机，在空转和运行时不同的结冰情况。假设当结冰不多时，剪切力相对较小，因此只有当气动力和离心力增大到一定程度时冰层才会发生断裂。

图8

小飞机上常采用机械除冰系统，通过在前缘安装一种所谓的充气式橡胶罩来实现表面控制的。然而对于风机叶片而言，由于叶尖部位存在较大的离心力充气系统要么自动充气要么会从叶片表面上脱落。此外，还会影响气动，产生噪音。在20年生命周期内，极端气象条件下的风机，橡胶保护罩会发生老化而较多频次的更换，经济性较差。

加热除冰方案已经有局部应用，有两种途径，在前缘区域布置电热膜或在停机时从叶根吹热风加热叶片的方式。

采用热空气加热叶片的方法，需要特定的导通热气和抽取热气的管道。其优势在于不影响叶片气动外形。对叶片防雷系统也没有特殊要求。在停机时，整个叶片就都可以除冰。另一方面，玻璃钢材料具有较好的绝热性。在高风速或叶片旋转时，需要较大的加热能量。如果叶片结冰后停机加热除冰，需要在耗电加热的同时还无法实现发电。

实际上，对于变桨控制风机，只需要在通过计算在其转捩点附近布置加热膜即可，如图9给出了加热膜方案，这种方案被认作是一种较为有效的方法。

图9

加热膜可以通过灌注的方法加工到叶片的前缘区域，也可以通过粘贴的方法直接粘贴到已脱模的叶片上，因此实现方式较为灵活。然而，叶片前缘表面，如果直接粘贴，除非提前对模具做特定考虑，会影响敏感的前缘区域的气流风布，从而会影响叶片的气动性能。

然而，在运行期间，叶片发电量的2%需要用来维持前缘区域的加热除冰，如果在空转和停机时除冰，则需要额外支付加热费用。

而且，电动加热膜，大多由碳纤维材质或金属材质制成，可能会遭受雷击，因此，需要考虑避雷的问题；再者，必须确保布置加热系统后的叶片外形的光滑性，以免对前缘层流产生不必要的扰动。

在前缘区域布置加热膜可能引发次生问题。叶片在重力场中转动会产生一个典型周期性的载荷。同时，气动力和所谓的摆振方向的振动（由于摆振方向的低阶频率下的阻尼较小）与重力载荷叠加。最终，玻璃钢主梁的高应力区将会导致加热膜金属丝或碳纤维出现一个高应力区。特别是当加热膜是碳纤构成时，会因为碳纤的弹性模量比玻纤高很多而导致加热膜承受了较大的载荷。因此就会面临一个重要的问题，需解决加热系统的开裂问题和疲劳寿命问题。

至今人们仍没有找到低成本的防结冰或除冰系统，或者一个可靠的结冰探测手段，为风机检测系统提供信号。最终，人们不可避免的让低温环境的风机在结冰工况运行、空转或停机，因此在风机设计阶段需要考虑特有的结冰工况。对于风机结冰探测，目前较多采用的是在轮毂上安装与风机联网的摄像机，通过网络人工观察和判断风机在结冰工况时时何时应该停机何时应该重启。叶片结冰问题至今仍然是风电领域的一个棘手的问题；叶片结冰的终极解决方案是怎样的呢？化学与物理防结冰或除冰解决方案的跨界结合，还是仿生智能材料，人们虽在路上，但从未放弃。

投稿与新闻线索：陈女士微信/手机：13693626116 邮箱：chenchen#bjxmail.com（请将#改成@）

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