申曉東 時連斌 劉洪海 彭曉蘭

（保定天威風電科技有限公司，河北 保定 071051）

隨著石油、煤炭的瀕于枯竭，能源危機日益嚴重。風能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各地的重視。風能蘊量巨大，全球的風能約為 2.74×109MW，其中可利用的風能為 2×107MW，比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大10倍。2006年以來中國的風電發(fā)展迅猛，到2011年，中國風電新增裝機容量達到1800萬kW，裝機容量躍居世界第一。

在我國，風電機組大多安裝在長年冰雪環(huán)境極其惡劣的北方以及濕氣鹽霧較嚴重的沿海地帶。隨著風電機組裝機容量日益增多，冰凍對機組的影響已逐步體現(xiàn)。因此，研究機組防冰凍技術(shù)有較大的現(xiàn)實意義。

1 冰凍對風力發(fā)電機組的影響

冰凍會造成風速儀、風向標故障或采集的數(shù)據(jù)誤差增大，引起機組出力下降或停機。風速儀、風向標作為采集風速、風向的傳感器，為適應(yīng)低溫環(huán)境，一般在傳感器內(nèi)部設(shè)計有加熱裝置，在溫度低于設(shè)定值時自動加熱。但加熱電路一般僅對傳感器的旋轉(zhuǎn)部位加熱，當冰凍災(zāi)害嚴重時，風杯和尾舵等部位仍會結(jié)冰，使上述部件轉(zhuǎn)動慣量增大，測得的數(shù)據(jù)和實際值有較大偏差。由于風速風向數(shù)據(jù)和機組的控制相關(guān)，因此，該現(xiàn)象會對機組的出力和安全帶來很大影響。

葉片覆冰后引起載荷增加，影響葉片的壽命，而且加載在每個葉片上的冰載不盡相同，使得機組的不平衡載荷增大，在葉片結(jié)冰狀態(tài)下繼續(xù)運行會對機組產(chǎn)生非常大的危害，結(jié)冰嚴重時機組不得不脫網(wǎng)停機，使長年處于低溫地區(qū)的機組利用率大為降低[1]。

風機葉片覆冰后，由于葉片每個截面覆冰厚度不一，使得葉片原有的翼型改變，影響風電機組的載荷，機組壽命受到一定影響。

環(huán)境溫度較高時形成的明冰對翼型氣動性能的影響較大，結(jié)冰導(dǎo)致翼型升力下降，升阻比減小，最大減小幅度達到61%，同時結(jié)冰后的翼型會提前進入失速區(qū)，導(dǎo)致槳葉氣動性能惡化[2-4]。

葉片表面覆冰后，隨著溫度升高，冰塊就會脫落，會對機組和現(xiàn)場人員造成很大的安全隱患。

2 防覆冰系統(tǒng)構(gòu)成

機組防覆冰系統(tǒng)主要由結(jié)冰探測傳感器、控制PLC、除冰子系統(tǒng)等構(gòu)成，結(jié)構(gòu)框圖見圖1。

圖1 防覆冰系統(tǒng)構(gòu)成

結(jié)冰傳感器安裝在機艙頂部，將結(jié)冰厚度信息轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號，傳送給風機主控系統(tǒng)PLC。PLC根據(jù)預(yù)先設(shè)定的冰層厚度閥值控制除冰裝置的起停。利用機組主控系統(tǒng)PLC預(yù)留的IO接口即可實現(xiàn)結(jié)冰厚度的采集和除冰裝置的控制，降低系統(tǒng)成本。

3 結(jié)冰探測技術(shù)

風力發(fā)電機組的防覆冰技術(shù)可分為主動防冰和被動防冰兩大類，并以結(jié)冰探測技術(shù)為前提。結(jié)冰傳感器能給出風機運行過程中結(jié)冰的信息，高性能結(jié)冰傳感器還能定量給出結(jié)冰嚴重程度的信息，配合除冰裝置，可消除或減小結(jié)冰對風力發(fā)電機組的不良影響。西方發(fā)達國家對結(jié)冰傳感器的研究相當重視，給予了巨大的人力和財力支撐，在理論研究和科研成果方面處于國際領(lǐng)先地位。由于結(jié)冰傳感器在技術(shù)上的先進性及在軍事應(yīng)用方面的重要性，西方一些國家一直把它列為對中國的禁運產(chǎn)品。

結(jié)冰傳感器原理和檢測方法已發(fā)展到十幾種。查詢國內(nèi)外相關(guān)的資料可以看出，結(jié)冰傳感器的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，實際應(yīng)用了多種結(jié)冰測量方法，如光學測量法、熱學測量法、電學測量法、機械測量法等[3]?？紤]到風電機組用結(jié)冰傳感器應(yīng)具有體積小、集成化、低功耗、穩(wěn)定性好的特點，適應(yīng)的結(jié)冰傳感器有以下幾種。

3.1 壓電式結(jié)冰傳感器

壓電式結(jié)冰傳感器的結(jié)構(gòu)主要分為兩個部分，分別是聚偏氟乙烯（PVDF）應(yīng)變敏感原件和硅杯式壓力傳感器。結(jié)冰傳感器的由上下兩個部分組成，結(jié)冰傳感器的上半部分是 PVDF，在有工作電壓的情況下產(chǎn)生應(yīng)變；結(jié)冰傳感器的下半部分是硅杯式壓力傳感器，對PVDF產(chǎn)生應(yīng)變而施加的壓力進行測量。當PVDF表面沉積不同厚度冰層時，硅杯式壓力傳感器的輸出發(fā)生變化，從而得出結(jié)冰厚度與硅杯式壓力傳感器輸出電壓對應(yīng)關(guān)系，最終實現(xiàn)對冰層厚度的測量。

結(jié)冰傳感器主要依據(jù)逆壓電效應(yīng)研制。逆壓電效應(yīng)滿足下式：

式中，s應(yīng)變向量；S為柔度矩陣；d為壓電系數(shù)矩陣；T為外加應(yīng)力；E為電場。式（2）為PVDF材料的壓電系數(shù)矩陣[5]：

采用硅杯式壓力傳感器對受電場作用PVDF的應(yīng)變情況進行測量。硅杯式壓力傳感器主要結(jié)構(gòu)是在硅片上刻蝕出硅杯，在硅杯的方形薄膜上利用集成電路工藝制作4個MOSFET，將4個MOSFET組成惠斯通橋路。依據(jù)壓阻效應(yīng)，當硅杯方形薄膜受到壓力時MOSFET溝道電阻發(fā)生變化，MOSFET組成的惠斯通橋路失衡有電壓輸出，輸出電壓與壓力為線性關(guān)系，通過對輸出電壓的測量實現(xiàn)對壓力的測量。

3.2 紅外阻斷式結(jié)冰傳感器

紅外阻斷法是一種已經(jīng)投入使用的成熟方法，英國的一家航空航天公司PENNY&GILES生產(chǎn)了一款基于紅外阻斷原理的名為P&G結(jié)冰探測器n朝?；诩t外阻斷原理的結(jié)冰傳感器主要采用探針方式，固定監(jiān)測位置。紅外阻斷法基本原理是在沒有冰層出現(xiàn)在結(jié)冰傳感器的探頭處時，結(jié)冰傳感器的探頭可以接收到紅外發(fā)生器產(chǎn)生的紅外線；當冰層出現(xiàn)在結(jié)冰傳感器探頭處時，傳感器探頭因為冰層的阻擋接受到的紅外線變少，傳感器探頭接收到的紅外線數(shù)量與冰層厚度是反比的關(guān)系，冰層越厚透過的紅外線越少，探頭輸出的電壓越大。

3.3 光纖式結(jié)冰傳感器[6]

2003年世界首款光纖式結(jié)冰傳感器在英國問世，光纖式結(jié)冰傳感器主要由紅外光光源、光纖傳輸和具有玻璃表面的探測面組成。光纖式結(jié)冰傳感器主要依靠冰層對紅外線的折射反射等光學作用來實現(xiàn)對冰層的判斷。當傳感器的探測器外不存在冰時，光源產(chǎn)生紅外光會直接進入空氣中，接收端接受不到光源產(chǎn)生的紅外光；而在探測器表面存在冰時，因為冰層對紅外光的光學作用，使得玻璃表面接收到紅外光并傳入到接收光纖，通過后端的信號檢測電路對紅外光強弱和變化趨勢進行判斷，最終實現(xiàn)測量冰層的目的。

3.4 熱流型結(jié)冰探測器

近些年提出了一種以物體表面熱流變化為原理的結(jié)冰探測方法。這種傳感器由一些分布在傳感器表面的溫度探頭組成，這些溫度探頭測量出傳感器表面熱流梯度。當傳感器表面存在其他附著物時，傳感器表面的熱流梯度會發(fā)生改變。

可以對表面結(jié)有冰層時進行標定，通過比較和計算傳感器表面熱流變化情況達到測量冰層的目的，這種傳感器還可以測量其他附著物的情況。這種測量法還在不斷地研究中。

4 風力發(fā)電機組防冰除冰措施

4.1 風傳感器的防覆冰技術(shù)

目前風力發(fā)電機組上使用的主流的風速風向傳感器為機械式風速風向儀。機械式風速儀的測量部分一般由3個半球形或拋物錐形的空心杯殼組成，杯殼互成120°，杯的凹面順著同一時針方向排列，固定在能旋轉(zhuǎn)的垂直軸上。當有風作用時，凹面和凸面所受的風的壓力不相等形成扭力作用，便開始旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速與風速呈一定的關(guān)系。機械式風向標是靠尾翼工作的，在風的作用下不停擺動，尾翼的反方向就是風吹來的方向。

機械式測風儀和風向標成本較低、使用方便，轉(zhuǎn)速與風速基本上為線性關(guān)系。但機械結(jié)構(gòu)會受到惡劣天氣的影響，遇寒潮天氣容易結(jié)冰結(jié)霜。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展和生產(chǎn)成本的降低，超聲波測風儀得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

1）使用超聲波傳感器

超聲波測風儀集風速風向測量于一體，無旋轉(zhuǎn)部件，全封閉外殼，金屬外殼整體均勻加熱，避免冰凍產(chǎn)生的影響。

超聲波測風基本原理：

聲波在空氣中的傳播速度受空氣流動的影響，為此可利用測量聲波在已知距離的兩點之間傳播時間的變化來逆向推導(dǎo)兩點間風速的方法，如下圖所示，由發(fā)射探頭發(fā)射一組超聲波脈沖到達接收探頭，從向發(fā)射施加激勵脈沖起到接收收到第一個脈沖止的超聲波傳播時間：

式中，v0為靜風下的聲速，V為風速，L為傳播距離，當方向和超聲波傳播方向一致時為正，反之為負。若已知距離L、靜聲速V0以及測量到傳播時間t1，通過式（3）就可以計算出風速。

但是在實際應(yīng)用中，V0會受到溫度、濕度、大氣密度、大氣壓力等環(huán)境的影響，尤其是溫度的變化會引起V0較大變化，從而造成較大的風速測量誤差。

在式（4）中已經(jīng)抵消了 V0，相當于做了差分測量，消除靜聲速V0的影響。

為了能測得各方向上的風速和風向，需要采用多對探頭，常見的二維風速儀采用兩對探頭在水平面上互相垂直的方式同時測得水平兩個方向上的風速，然后進行正交合成計算得到水平平面上的風速和風向。

圖2 一種超聲波測風儀

由于超聲波式風傳感器不含旋轉(zhuǎn)部件，且本體能夠加熱，所以結(jié)冰的影響大為降低。

2）對機械式風傳感器進行特殊設(shè)計

抗冰凍風速傳感器在風杯的頂部設(shè)計有大功率加熱器，加熱功率可超過 100W。加熱器與傳感器轉(zhuǎn)動部件采用熱傳導(dǎo)系數(shù)高的材料，使傳感器轉(zhuǎn)動部件在?40℃情況下不結(jié)冰霜。加熱器與傳感器內(nèi)部采用特殊的隔熱材料，避免大功率加熱器對內(nèi)部電子元件和電路板的不良影響。加熱器由自動控溫電路進行控制，考慮特殊氣象條件下，啟動加熱器的溫度設(shè)計在零上 5℃左右，以防止傳感器上形成凍雨、結(jié)霜，可保證在?50℃環(huán)境下正常工作。

4.2 葉片防覆冰技術(shù)

1）電熱防冰

在風機葉片制作時預(yù)埋由加熱元件、轉(zhuǎn)換器、過熱保護裝置及電源組成的電熱防冰系統(tǒng)。可用碳纖維做加熱元件。碳纖維是一種碳含量超過95%的高強度輕質(zhì)量的纖維材料,用其制成的網(wǎng)狀布加熱元件具有任意剪裁、局部損害不影響整體加熱失效以及熱輻射均勻等優(yōu)點。將加熱元件鋪在玻璃布之間，加熱電源的通斷受機組PLC控制，根據(jù)氣象條件控制加熱電路的起停，避免不必要的能量消耗。

加熱元件產(chǎn)生的熱量通過玻纖和樹脂材料傳遞到葉片表面，加熱、融化表面冰。在氣動力和離心力作用下將冰移除。

關(guān)于葉片除冰理論國內(nèi)的文獻介紹較少。國外的研究多一些。冰脫落研究的發(fā)展通常和電熱除冰計算結(jié)合在一起。Wright等在結(jié)冰、除冰研究中對冰脫落的影響進行了研究，進一步發(fā)展了電熱除冰計算模型。Yaslik等提出保守的冰脫落準則。認為當冰層和葉片表面的所有冰層單元都融化后，冰層將在氣動力或離心力的幫助下吹走。該準則是目前最實用的冰脫落準則[7]。

電熱防冰效果較好，可靠性較高，在結(jié)冰嚴重地區(qū)效果也有很好的防冰除冰效果。缺點是在葉片鋪層時就要加入加熱元件，工藝要求較高，投資相對較大。

2）熱氣防冰

在低溫地區(qū)，為保證電子元器件正常工作。在風機輪毅內(nèi)一般都有加熱裝置，只要在風機葉片內(nèi)安裝暖風通氣管道，讓輪轂內(nèi)的暖氣在管道內(nèi)循環(huán)即可[8]。

熱氣防冰設(shè)施相對簡單，但通風管道布置受葉片強度限制，防冰效果在冰凍災(zāi)害嚴重地區(qū)稍差。

3）涂層防冰

涂層防冰就是利用特種涂料的物理或化學的作用。使冰融化或者減小冰與物件表面的親和力，從而把冰從表面除去。從原理上來說，涂層防冰應(yīng)該說是一種很理想的防冰方法，因為它屬于主動型防護。目前防冰涂料的類型有：丙烯酸類、聚四氟乙烯類、有機硅類。

防覆冰涂料的技術(shù)指標：①防覆冰效果顯著。在相同的氣象條件或試驗條件下，采用防覆冰涂層與未采用防覆冰涂層的物件相比，覆冰承量（覆冰厚度）減少 70%～80%以上；②多種防護功能——密封防水、防腐蝕、電絕緣、防覆冰；③可靠性高。耐候性好，主動型防護，有效使用壽命大于5年；④實施方法簡單易行、維修性好、安全、環(huán)保。

涂層防冰可以和熱能除冰系統(tǒng)配合使用，達到更優(yōu)的防冰除冰效果。

5 結(jié)論

本文就風傳感器和風輪葉片的結(jié)冰現(xiàn)象對風電機組產(chǎn)生的影響作了分析，通過對風電機組風傳感器進行特殊設(shè)計，并增加結(jié)冰探測器和防冰除冰系統(tǒng)，利用風電機組主控系統(tǒng)的預(yù)留IO點即可構(gòu)成一套結(jié)冰探測和自動除冰系統(tǒng)。系統(tǒng)簡單可靠，在冰凍災(zāi)害嚴重的地區(qū)具有較好的應(yīng)用前景。

[1] 譚海輝,李錄平,朱益軍,靳攀科.覆冰對風力機葉片動力特性影響的有限元分析[J].可再生能源, 2010(8).

[2] 王義進.風機葉片防覆冰技術(shù)研究[J].機電信息,2011(9).

[3] Lynch FT.khodadoust A. Effects of ice accretions on aircraft aerodynamics[J]. Progress in aerospace science,2001, 37(8): 669-767.

[4] Morecy F. Tezok F. Paraschivoiu I. Heat and mass transfer in the case of an anti-icing system modelisation[R]. AIAA-99-0623, 1999.

[5] 溫殿忠.力學量敏感元件原理與應(yīng)用[M].哈爾濱:黑龍江科學技術(shù)出版社, 1994: 28-70.

[6] 李薇,葉林,張杰,張洪.光纖式結(jié)冰傳感器的試驗研究研究[J].華中科技大學學報, 2009(8).

[7] Yaslik AD. Dewitt KJ, Keith TG. Further developments in three-dimensional numerial simulation of electrothermal deicing system [R]. AIAA-92-0526,1992.

[8] 沈東.復(fù)合材料熱氣防冰系統(tǒng)試驗研究[J].航空工程2012(5).