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以下为发言全文:
大家好,下面我就《叶片防除冰技术研究及解决方案》做简单的分享。
时代新材是中车旗下的子公司,以高分子改性材料为核心,目前的产业延伸到轨道交通、风电、汽车、新材料领域,目前规模达到150亿元,也在全球10多个国家有子公司和办事机构。
2006年成立风电产业事业部,2020年出货达到10GW,累计出货2万套,在海外也有一些筹办的工程,也是国内少数几家具有独立自主研发体系的企业,年产量超过3000套。就叶片的防除冰技术来讲,冬季结冰是非常难的问题,涉及到区域广,严重影响冬季发电效率和机组安全。国外数据统计显示,54%的机组停机是由于冰导致的。
同时,叶片的结冰危害非常高,将会极大的改变叶片的气动外型,也会导致机组加重。冬季往往是风资源最丰富的时候,如果机组不能正常运行,给业主带来的损失非常大,单台年损失电量高达百万度。另外结冰之后容易出现甩冰现象,会给当地的居民带来威胁。
叶片的防除冰技术存在难点,前沿区域结冰严重,随着转动速度会达到90-100米,这个时候冰层的生长非常迅速,与叶片之间的结合强度非常高。不同风电场的温湿环境差异巨大,会导致结冰形态不同。结冰虽然是非常常见的自然现象,但实际上结冰在自然界、化学和物理领域,理论模型是非常复杂的。不同的气候条件,导致结冰是完全不一样的,这个给防除冰带来非常大的难题。
当前,防除冰有很多的技术,叶片领域用最多的是疏水涂料,这个是市场上最广泛的方式。主动式的技术当中,包括加热、机械、电磁脉冲、微波,这些方式都不是特别的主流,简单对比一下技术
比如说涂层技术可以在出厂的时候做加装,但是寿命有限,尤其是风场环境恶劣寿命缩短。在加热技术方面,气加热是叶片出厂之前和风场运行之后进行改造,它的好处是不改变叶片的气动外形,在某一些区域防除冰效果也是不错的。电加热除冰在运维阶段技改很困难,主要是受天气的影响比较大。
无人机防除冰难度比较大,微波和脉冲在实验室阶段,尚不具备在风机上的方案。溶冰剂对环境有一定的污染性,效果一般。
时代新材的解决方案,围绕上述几个方向进行解决。2011年相继研发气热、电热等技术,并且进行中和。2011年-2022年完成综合方案,进行样机的安装和小批量的试制。10年期间,累计技改157套防除冰机组,海外也装54套。目前覆盖中部和南部的大部分省份,可以说典型结冰比较严重的区域我们都有案例。
同时,时代新材注重知识产权的布局和保护。另外有我们牵头的风力发电机组,能源行业的标准也进入到意见征求稿的阶段,这样对于防除冰系统的设计,会起到一定的促进作用。
气加热的防除冰解决方案,这个与热吹风机是同一个原理,将空气加热之后形成回路,通过加热的空气带动叶片本体加热,从而实现对外面的除冰。在设计时,会根据叶片的材质、结构、厚度、外部理论温度进行加热。气加热时间一般会在1小时左右,下面是对温度场进行仿真,同时也对叶片加装之后的测试。
气加热在风电场的效果受到环境和运行状态很大的影响,叶片本体是玻璃钢材质,我们在设置加热体时,要求温度不应该超过60摄氏度,这与叶片运营环境计算,理论极限的温度大概是-8度,我们有做过零下10度左右的案例,这是比较特殊的。
电加热原理非常的简单,在外面铺设碳纤维加热元件,从而实现外表面的除冰,加热的效果也很直接。
在设计时会根据叶片的气动外形,以及化冰的情况,来定制化加入组件的铺设区域,技改这是非常困难的方案,往往会在设计当中做许多的妥协,因为开始设计的时候不会考虑到很多部署的问题。但是我们现在也开发一些风电场技改的方案,可以解决一些问题,电加热是比较典型数据70-90%。
当前单一的防除冰技术存在局限性,气加热效率比较低,存在除冰不均匀的问题。叶片结冰之后会停机,这个时候如果仅仅对叶片的前院进行除冰很难。在涂层方面适用性很窄,单独的使用效果不佳,一般来讲如果单独使用某一种技术,它的应用范围非常窄,也是无法完全解决业主的需求,这个时候要采用综合解决方案。低成本、高效的定制化解决方案,这个是解决业主困难必备的选择。通过对不同防除冰技术研发出不同的组合形式,形成多种的技术方案,目前可以对过去几年的数据进行筛选,定制化开发组合方式,比如说在后端位置进行气加热,其他的位置进行涂料组合。用这样的方式,使得结冰的问题得到有效的解决。
下面是典型案例,这个叶型因为设计的除冰温度非常低,环境比较苛刻,除冰期也非常长,这个方案前源铺设碳纤维加热层,后院使用气热。项目批量出口瑞典通过考核,项目在2015年、2016年进行装机,目前已有8年的时间,所以比较好的解决当地叶片结冰的问题。
另外一个案例是在贵州毕节的风场,设计加热功率100千瓦,除冰温度是零下10度。这个方案的特点是使用多种涂料的组合,在不同的区域进行涂附观察除冰效果,前面使用电加热,后面使用气加热,可以实现70%损失电量的挽回,达到装机的目的。
叶片防除冰技术发展广阔,风机防除冰技术的应用可以给业主带来直观的效益,也可以解决电网在冬季用电安全的问题,所以在南方的几个省份,包括湖南湖北、贵州都是可以将这个技术进行推广,目前的高成本限制系统的推广,在技改方面成本尤为高地尤其是热的技改方案,需要非常长期的实施,对于业主来讲技改的损失比挽回电量的增发,还没有收回成本,现在现场实施工艺技术不是特别的成熟。
在新风场规划时要考虑到冬季的结冰问题,开始要提出要加装防除冰系统,从而减轻后续技改的成本。目前来看,风场在生产阶段加装防除冰系统只有技改的二分之一,对于业主来说越早规划,获得的收益也越大,我的分享到此结束。
(根据演讲速记整理,未经演讲人审核)
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