淺談風電機組覆冰的影響及應對措施

李程

摘? ?要：南方冬季氣候低溫高濕，經常遇到低溫凍害天氣，風力發電機葉片的覆冰對風力機組的安全穩定生產帶來了重大影響，風力發電機組覆冰的不利影響體現在：計量錯誤、發電量降低、風機的氣動特性改變，降低風機設計壽命以及安全問題等。研究有關風力機組防覆冰技術具有重要意義，防冰除冰技術也成為了風力機組如何安全度過結冰期的重點與難點。

關鍵詞：風機葉片覆冰? 不利影響? 解決方法

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

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

1? 風力發電機組覆冰形成的成因

覆冰是一種由氣象條件產生的物理現象。冷暖氣流相遇時容易產生逆溫現象，并且暖空氣勢力較強，云層中的冰晶在下落時，遇到暖空氣轉換成液態水，下降到近地面時，由于時間較短，水滴來不及凍結成雪或冰，當水滴碰到低于零度的風機葉片時，熱量迅速喪失，凝結成冰，造成風機葉片覆冰。因此，風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? 風力發電機組覆冰產生的影響

風力發電機組覆冰的不利影響體現在：計量錯誤、發電量降低、風機的氣動特性改變，降低風機設計壽命以及安全問題等。

2.1 計量錯誤

風速計、風機葉片轉速和溫度傳感器將會受到覆冰的影響。在覆冰環境中，覆冰可能會導致風速計測量值被低估。

2.2 發電量降低

在特定的情況下，嚴重的葉片覆冰會導致機組非正常停機，影響電力系統的穩定運行還會降低發電量。

2.3 風機的氣動特性改變

葉片覆冰主要集中在前緣區域和尾緣部分，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，導致風力發電機的功率損失。另外覆冰后葉片質量分布不均勻也會導致氣動噪聲增加，嚴重的會影響附近居民的生活。

2.4 降低風機設計壽命

風力機組覆冰將會增加葉片和塔筒結構的負荷，導致各葉片的質量分布不均，導致振幅加劇甚至葉片之間的共振，超出設計疲勞載荷。低溫環境下運行會影響潤滑油的低溫流動性，導致機械磨損增大， 影響變速箱的壽命和風電場發電量。

2.5 安全問題

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

3? 風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，操作危險系數高，在損失發電量的同時還存在破壞機組及葉片表面材料的風險，一般只在覆冰極嚴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機上的葉片上鋪設加熱元件，把電能轉換成熱能，將風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，通過葉片轉動的離心力和振動，將覆冰甩離葉片表面。優點是可以使葉片表面沒有積冰，低溫環境下風機葉片的氣動效率不受影響。缺點是能耗高，需要持續消耗電能;葉片設計復雜化、成本高，要在風機葉片上預埋加熱元件、轉換器和電源等裝置，遭受雷擊的風險較大;葉片的維修維護更加困難，不過該技術還是受到很多企業的青睞。

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能夠反射微波的材料，利用安裝在風機葉片內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部安裝加熱器、鼓風機和熱氣管道，加熱的高壓熱空氣在葉片內部并形成循環的暖流以達到防冰除冰目的。此方法結構相對比較簡單，運行可靠，但是也存在一些不足，如葉片的導熱能力相對較差，加熱效率相對較低，不易維修，在冰災最嚴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在葉片表面上覆冰產生松弛，抖掉覆冰。但是反復啟動停機可能會對風機造成損害，對風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，一般都是通過結合其他葉片除冰系統一起使用，是目前應用最多的防止葉片結冰的方法，

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冰。這種方法一般適用于輕微結冰、結冰期非常短的低海拔地區，而且冬季要有很強的太陽輻射。該方法防冰效果差強人意，如果冬季出現持續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 化學藥劑法

通過在葉片表面噴灑可以降低冰點的化學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? 結語

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

風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風電場所在的氣候環境和風電場的投入資本的多少的情況定。同時風電站的選址和設計規劃工作也非常重要。開展風資源評估，氣候可行性論證，根據覆冰情況選擇合適機型，以提升機組的環境適應性。與氣象部門深入合作，獲取該區域的關鍵氣象信息，加強風場的氣象現場監測，對覆冰情況進行評估，并以此為依據制定冬季風機運行策略更好地保護風電機組，提高利用小時數與可靠性，保證風電場的安全穩定運行。

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