李程

摘? ?要：南方冬季氣候低溫高濕，經(jīng)常遇到低溫凍害天氣，風(fēng)力發(fā)電機葉片的覆冰對風(fēng)力機組的安全穩(wěn)定生產(chǎn)帶來了重大影響，風(fēng)力發(fā)電機組覆冰的不利影響體現(xiàn)在：計量錯誤、發(fā)電量降低、風(fēng)機的氣動特性改變，降低風(fēng)機設(shè)計壽命以及安全問題等。研究有關(guān)風(fēng)力機組防覆冰技術(shù)具有重要意義，防冰除冰技術(shù)也成為了風(fēng)力機組如何安全度過結(jié)冰期的重點與難點。

關(guān)鍵詞：風(fēng)機葉片覆冰? 不利影響? 解決方法

中圖分類號：TM315? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）05（c）-0093-02

面對日益嚴(yán)峻的環(huán)境問題和傳統(tǒng)能源消耗殆盡趨勢下，清潔可靠的風(fēng)力發(fā)電越來越受各國的青睞。我國地域遼闊，風(fēng)能資源蘊藏豐富，風(fēng)能資源好的地方主要集中在西北及沿海地區(qū)，南方地區(qū)電力需求量大，有利于風(fēng)電就地消納。但是，由于南方地區(qū)風(fēng)資源豐富地區(qū)都在高海拔的山區(qū)和湖泊附近，南方冬季氣候低溫高濕，經(jīng)常遇到低溫凍害天氣，風(fēng)力發(fā)電機葉片的覆冰對風(fēng)力機組的安全穩(wěn)定生產(chǎn)帶來了重大影響，所以研究有關(guān)風(fēng)力機組防覆冰技術(shù)是十分有意義的。

1? 風(fēng)力發(fā)電機組覆冰形成的成因

覆冰是一種由氣象條件產(chǎn)生的物理現(xiàn)象。冷暖氣流相遇時容易產(chǎn)生逆溫現(xiàn)象，并且暖空氣勢力較強，云層中的冰晶在下落時，遇到暖空氣轉(zhuǎn)換成液態(tài)水，下降到近地面時，由于時間較短，水滴來不及凍結(jié)成雪或冰，當(dāng)水滴碰到低于零度的風(fēng)機葉片時，熱量迅速喪失，凝結(jié)成冰，造成風(fēng)機葉片覆冰。因此，風(fēng)電機組覆冰形成的主要條件是要有水汽充足、存在逆溫層、近地面氣溫低。

2? 風(fēng)力發(fā)電機組覆冰產(chǎn)生的影響

風(fēng)力發(fā)電機組覆冰的不利影響體現(xiàn)在：計量錯誤、發(fā)電量降低、風(fēng)機的氣動特性改變，降低風(fēng)機設(shè)計壽命以及安全問題等。

2.1 計量錯誤

風(fēng)速計、風(fēng)機葉片轉(zhuǎn)速和溫度傳感器將會受到覆冰的影響。在覆冰環(huán)境中，覆冰可能會導(dǎo)致風(fēng)速計測量值被低估。

2.2 發(fā)電量降低

在特定的情況下，嚴(yán)重的葉片覆冰會導(dǎo)致機組非正常停機，影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行還會降低發(fā)電量。

2.3 風(fēng)機的氣動特性改變

葉片覆冰主要集中在前緣區(qū)域和尾緣部分，這會顯著的影響葉片的形狀和粗糙度，改變原有葉片的空氣動力性能，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機的功率損失。另外覆冰后葉片質(zhì)量分布不均勻也會導(dǎo)致氣動噪聲增加，嚴(yán)重的會影響附近居民的生活。

2.4 降低風(fēng)機設(shè)計壽命

風(fēng)力機組覆冰將會增加葉片和塔筒結(jié)構(gòu)的負荷，導(dǎo)致各葉片的質(zhì)量分布不均，導(dǎo)致振幅加劇甚至葉片之間的共振，超出設(shè)計疲勞載荷。低溫環(huán)境下運行會影響潤滑油的低溫流動性，導(dǎo)致機械磨損增大， 影響變速箱的壽命和風(fēng)電場發(fā)電量。

2.5 安全問題

隨著氣溫升高，覆冰的融化，運行時的風(fēng)機葉片上的大塊積冰被甩出可能會造成安全隱患。

3? 風(fēng)機防冰除冰的解決方法

葉片防冰除冰方法大多是從航空工業(yè)中借鑒而來，主要分為兩大類：主動除冰和被動防冰。

3.1 主動除冰

葉片主動除冰主要有人工手動除冰、電加熱除冰、微波除冰、熱氣除冰和機械震顫等。

3.1.1 人工手動除冰

人工除冰需要停機操作，除冰效率低下，操作危險系數(shù)高，在損失發(fā)電量的同時還存在破壞機組及葉片表面材料的風(fēng)險，一般只在覆冰極嚴(yán)重的情況下迫不得已才采用。

3.1.2 電加熱除冰

電加熱除冰主要是在風(fēng)機上的葉片上鋪設(shè)加熱元件，把電能轉(zhuǎn)換成熱能，將風(fēng)機葉片表面溫度提高到0℃以上，在葉片表面和冰層之間形成水膜，通過葉片轉(zhuǎn)動的離心力和振動，將覆冰甩離葉片表面。優(yōu)點是可以使葉片表面沒有積冰，低溫環(huán)境下風(fēng)機葉片的氣動效率不受影響。缺點是能耗高，需要持續(xù)消耗電能;葉片設(shè)計復(fù)雜化、成本高，要在風(fēng)機葉片上預(yù)埋加熱元件、轉(zhuǎn)換器和電源等裝置，遭受雷擊的風(fēng)險較大;葉片的維修維護更加困難，不過該技術(shù)還是受到很多企業(yè)的青睞。

3.1.3 微波除冰

微波除冰的原理與電加熱除冰類似，在葉片的表面要鋪設(shè)能夠反射微波的材料，利用安裝在風(fēng)機葉片內(nèi)部的微波裝置傳輸微波，葉片表面吸收微波，溫度升高，達到去除覆冰的目的。不過該方法輻射大，對人體有危害。

3.1.4 熱氣除冰

熱氣除冰就是在葉片的葉根內(nèi)部安裝加熱器、鼓風(fēng)機和熱氣管道，加熱的高壓熱空氣在葉片內(nèi)部并形成循環(huán)的暖流以達到防冰除冰目的。此方法結(jié)構(gòu)相對比較簡單，運行可靠，但是也存在一些不足，如葉片的導(dǎo)熱能力相對較差，加熱效率相對較低，不易維修，在冰災(zāi)最嚴(yán)重葉片前緣部分除冰效果不好。

3.1.5 機械震顫

機械震顫就是在風(fēng)機停機后利用葉片變槳電機使葉片形成加速變槳運動后再減速形成的震顫使得凝結(jié)在葉片表面上覆冰產(chǎn)生松弛，抖掉覆冰。但是反復(fù)啟動停機可能會對風(fēng)機造成損害，對風(fēng)機安全運行造成隱患。

葉片被動防冰方法主要有疏水涂料法、吸熱涂料法、化學(xué)藥劑法等。

3.1.6 疏水涂層法

是在葉片上涂上具有抗粘附性很強的疏水涂層，保持葉片表面光潔，使得雨水或冰層不容易粘附在葉片表面。采用這種方法的成本比較低，不需要做另外的防雷電措施。不過目前很少單獨使用該方法，一般都是通過結(jié)合其他葉片除冰系統(tǒng)一起使用，是目前應(yīng)用最多的防止葉片結(jié)冰的方法，

3.1.7 吸熱涂料法

是指在葉片的表面涂上黑色的吸熱涂料，白天吸收陽光提高溫度能緩解一定的結(jié)冰。這種方法一般適用于輕微結(jié)冰、結(jié)冰期非常短的低海拔地區(qū)，而且冬季要有很強的太陽輻射。該方法防冰效果差強人意，如果冬季出現(xiàn)持續(xù)低溫并且連陰雨的話基本沒有任何效果，而且夏季高溫，黑色的玻璃鋼葉片吸熱會對影響葉片的性能強度。

3.1.8 化學(xué)藥劑法

通過在葉片表面噴灑可以降低冰點的化學(xué)藥劑以達到臨時除冰的目的。該方法是借鑒于民航，用于防止機翼積冰?；瘜W(xué)藥劑具有時效性很短，無法長期的保持防冰效果，同時也會污染空氣，只能作為臨時除冰的一種選擇。

4? 結(jié)語

防冰除冰技術(shù)是風(fēng)力機組如何安全度過結(jié)冰期的重點與難點。目前疏水涂層、熱氣除冰和電加熱除冰是主要的解決方案。在覆冰嚴(yán)重地區(qū)，可以使用熱能除冰和疏水涂層法相結(jié)合的方式增加除冰效果。覆冰較薄地區(qū)可采用更為廉價的疏水涂層法防冰。

風(fēng)機葉片防冰除冰方法沒有絕對的好壞之分，具體采用哪種方法除冰防冰要根據(jù)風(fēng)電場所在的氣候環(huán)境和風(fēng)電場的投入資本的多少的情況定。同時風(fēng)電站的選址和設(shè)計規(guī)劃工作也非常重要。開展風(fēng)資源評估，氣候可行性論證，根據(jù)覆冰情況選擇合適機型，以提升機組的環(huán)境適應(yīng)性。與氣象部門深入合作，獲取該區(qū)域的關(guān)鍵氣象信息，加強風(fēng)場的氣象現(xiàn)場監(jiān)測，對覆冰情況進行評估，并以此為依據(jù)制定冬季風(fēng)機運行策略更好地保護風(fēng)電機組，提高利用小時數(shù)與可靠性，保證風(fēng)電場的安全穩(wěn)定運行。

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