風電場冬季葉片覆冰應(yīng)對方法的研究

劉學(xué)濤

中廣核新能源投資(深圳)有限公司新疆分公司中廣核瑪依塔斯風電場 新疆 塔城 834600

引言:隨著時代的發(fā)展,各種工廠的出現(xiàn),二氧化碳、酸雨等環(huán)境污染,能源短缺現(xiàn)象日益嚴重。風能是一種可再生能源,解決了其他能源無法避免的環(huán)境污染問題,逐漸受到了全世界的重視。我國風能資源豐富,但是大部分風力資源基本分布在氣候惡劣的北方地區(qū)以及濕度較大的沿海地區(qū),極易受到環(huán)境的影響。風力發(fā)電機在低溫下工作時,一旦遭遇雨夾雪、冰雪等惡劣天氣,風機葉片可能會發(fā)生凍冰現(xiàn)象,影響發(fā)電機的運行效率。

1 新疆塔城地區(qū)氣候情況

新疆塔城地區(qū)屬于溫帶干旱和半干旱氣候區(qū),春季升溫快,冷暖波動大。根據(jù)額敏氣象站資料統(tǒng)計,塔城地區(qū)年平均氣溫是5.3攝氏度,極端最高氣溫為41.3攝氏度,極端最低氣溫為零下37.8攝氏度,多年實測最大風速為20m/s。

2 風機葉片覆冰影響

每年冬季塔城地區(qū)風量較大,是搶發(fā)電量創(chuàng)造經(jīng)濟效益的最佳階段。但是這個時間段內(nèi)空氣濕度較大,容易出現(xiàn)極端天氣,嚴重影響風機發(fā)電量,損傷風機的葉片等,造成一定程度的經(jīng)濟損失,具體表現(xiàn)在以下幾個方面:一是覆冰初期階段,風機葉片會因薄冰的原因出現(xiàn)風機動力不足、風速減小的現(xiàn)象,風機的發(fā)電率大幅度下降；二是覆冰嚴重階段,葉片表面會形成不規(guī)則的厚冰層,葉片氣動外形會因此而發(fā)生改變,葉片轉(zhuǎn)動、變槳控制等皆會因此出現(xiàn)失誤,發(fā)電功率振幅較大,并隨葉片覆冰逐漸加厚而縮減至零功率。三是過多的冰載降低了葉片的使用時間,由于風機每個葉片上的冰層厚度不同,導(dǎo)致機組受力不均勻,載荷增加,如果在此狀態(tài)下長時間運行,會為機組帶來較大的傷害,如果停止使用則會降低機組的使用效率；四是機組出力的降低不僅影響了設(shè)備的正常運行,更為嚴重的會造成葉片折斷、風機倒塌在地；五是隨著氣溫升高,葉片上附著的冰層掉落到塔筒、箱變以及人群中都可能帶來較大的安全隱患。所以,對葉片覆冰原因進行分析和調(diào)研,并提出相應(yīng)的解決措施,提高風機的使用時間和效率,增加風場設(shè)備的可靠性和安全性。

3 冬季風場氣象特點

風力發(fā)電機在低溫環(huán)境下工作時,如果遇到潮濕空氣、雨夾雪等惡劣環(huán)境,尤其是雨水冷卻會在風機葉片上形成冰層,并且隨著溫度的降低冰層會越來越厚。所以風電場可以加強與當?shù)貧庀笳镜臏贤ê徒涣?獲取詳細的氣象信息,提前獲悉本地區(qū)一段時間內(nèi)的氣溫狀況,根據(jù)環(huán)境的變化選擇合適的運行情況,減緩風機葉片覆冰情況。另外風電場可以建立冬季運行管理小組,制定相應(yīng)的解決方案,解決冬季運行中的突發(fā)狀況。

4 風機葉片防覆冰方法

新疆塔城地區(qū)中廣核瑪依塔斯風電場使用的發(fā)電機主要是金風科技70/1500型風機,此型號風機額定功率較大,使用年限超過20年,設(shè)備可利用率超過95%,設(shè)備運行溫度范圍在零下30攝氏度至零上40攝氏度,較適合溫差較大的新疆地區(qū)使用。但是設(shè)備在使用過程中仍會受到葉片覆冰問題的影響,對風電場的運行產(chǎn)生一定程度的影響,因此針對此種情況,提出幾點解決措施。

4.1 溶液防冰 溶液防冰屬于被動型防冰,就是將防水溶液(如乙醇)與葉片上的水混合在一起,由于混合液的冰點比水的冰點低,所以水很難在葉片上凝結(jié)成冰。寒冷天氣風機運行前在葉片表面噴灑混合液,能夠有效降低葉片覆冰現(xiàn)象。

溶液防水的缺點:一是有效時間短,適用于短期防冰；二是溶液用量過大；三是覆冰情況嚴重時效果甚微。

4.2 機械除冰 機械除冰屬于被動型防冰,實質(zhì)上就是利用機械的方法敲碎葉片上的冰層,再利用氣流將細碎的冰渣吹除,或者是通過離心力震動的方式去除冰層。目前我國多數(shù)風電場采用的都是人工除冰的方法。

4.3 熱能防冰 熱能防冰屬于被動型防冰,通過熱能加熱物件讓葉片冰層表面溫度超過0攝氏度,融化葉片表面的冰層,達到防冰和除冰的目的。熱能防冰方法主要有三種:一是電熱防冰。在制作風機葉片時,在其中加入加熱元件、轉(zhuǎn)換器、過熱保護裝置以及電源燈組成的防冰系統(tǒng)；二是微波除冰。利用微波能加熱葉片上附著的冰層,降低冰層的結(jié)合力,再通過離心力去除細小的冰渣；三是熱氣防冰。通常情況下風機內(nèi)都設(shè)有加熱裝置,風電場可以在葉片上裝置暖風通氣管道,讓熱氣在管道內(nèi)流通,增加葉片溫度。

5 新材料技術(shù)的應(yīng)用

風機組葉片表面積較大,其制作使用的材料、形狀以及環(huán)境等較為特殊,因此對使用的防覆冰技術(shù)和工藝有著較為嚴格的要求,上述幾種防覆冰方法雖然也能起到一定的作用,但在實際操作中需要耗費較大的人力物力和時間。目前針對風機葉片制作材料的研究已經(jīng)取得較大的進展和突破,能夠有效解決風機葉片覆冰的問題。

5.1 LaFe10.78Co0.92Al1.3合金的應(yīng)用 目前我國所使用的風機葉片主要類型有木質(zhì)葉片、布蒙皮葉片、鋼梁玻璃纖維蒙皮葉片等。但是現(xiàn)在竹葉片成為風電行業(yè)的重點研究對象,山東世紀威能生產(chǎn)的竹葉片在實驗觀察中取得了良好的效果,能夠在很大程度上提高葉片對覆冰的承載力。

另外,北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)的王小強等人針對風機葉片覆冰問題展開了深入的研究與探討,同時將目前市場中已經(jīng)應(yīng)用的低居里溫度的FeNiCrSi合金加以改良和創(chuàng)新,研發(fā)出了一種防覆冰效果更強的合金LaFe10.78Co0.92Al1.3,FeNiCrSi合金的飽和磁感應(yīng)強度為4000 Gs,放熱量是26W/kg,而LaFe10.78Co0.92Al1.3合金飽和磁感應(yīng)強度則超過了9500 Gs,放熱量是55w/kg,在相同等條件下,LaFe10.78Co0.92Al1.3磁感應(yīng)飽和度以及放熱量均增長一倍以上,冰點熱量大幅度下降,因此使用此種材料制作風機葉片,防覆冰能力大大增強。

5.2 超級疏水表面涂料的應(yīng)用 隨著新材料科技的飛速發(fā)展,超級疏水表面涂層逐漸受到風電行業(yè)的廣泛關(guān)注。涂層防冰屬于主動型防冰,就是利用特殊涂料的物理或化學(xué)作用,增加葉片冰層的融化速度,或者降低冰層與葉片之間的附著力,從而增加除冰速度。從除冰原理上看,涂層除冰是最便利的除冰方法。舉例來說,利用噴砂以及熱處理的方法,在風機葉片表面涂層FAS-17,葉片表面接觸角可達到161o,摩擦角為3o。或者是將原子轉(zhuǎn)移自由基引發(fā)聚合效應(yīng),將含氟或者含硅材料制成超級疏水性材料,接觸角可達到170.3o,不僅能夠大幅度降低水的結(jié)晶點,結(jié)冰時間延長了50倍左右。目前我國防冰涂料的種類有丙烯酸類、聚四氟乙烯類以及有機硅類,已經(jīng)成為防覆冰領(lǐng)域內(nèi)認可的材料,不僅防覆冰效果明顯、而且耐腐蝕,操作簡單方便,使用壽命較長。

6 建立覆冰預(yù)警監(jiān)測程序

除了上述介紹的防覆冰方法外,還可以建立覆冰預(yù)警監(jiān)測程序,及時了解風機葉片的覆冰程度。原來判斷風機的覆冰情況主要來源于運行人員的工作經(jīng)驗,他們主要是根據(jù)室外溫度以及風機工作狀況兩方面進行判斷,所以,風電場要想做好冬季防冰工作,必須加強工作人員判斷的準確性。但是通常情況下風電場設(shè)備眾多,僅依靠運行人員監(jiān)測難免會出現(xiàn)紕漏,因此在有關(guān)人員開發(fā)下可以設(shè)計一款風機覆冰預(yù)警監(jiān)測程序,一旦發(fā)生覆冰現(xiàn)象可以語音提醒,設(shè)計此程序時加入各個型號風機的運行功率與風速的匹配關(guān)系,在監(jiān)測過程中,若風機的實發(fā)功率與風速有20%左右的偏差,能夠立即發(fā)出警報。

結(jié)束語

風力發(fā)電作為一種可再生能源,在全世界能源結(jié)構(gòu)中起到的作用越來越大,但是隨著全球氣候條件的變化,風電場在冬季覆冰期發(fā)電受到的阻礙也越來越多,降低了風力發(fā)電的效率,因此解決葉片覆冰問題非常重要。本文詳細闡述了風機葉片覆冰形成的主要原因,并從外力除冰方法以及葉片制做新工藝、建立覆冰預(yù)警監(jiān)測程序等三方面論述了目前我國風電行業(yè)所使用的防覆冰方法,有效解決風電場冬季覆冰期發(fā)電效率低的問題,提高風機的使用時間和效率,增加風場設(shè)備的可靠性和安全性。