基于電加熱薄膜的風力發電機組葉片防除冰技術研究

李忠良　韓麗娟

摘 要 風力發電機組中的葉片覆冰問題對發電效能和氣動性能產生了不良影響，本文主要介紹了相關防除冰技術，包括風力發電機葉片覆冰影響、防除冰技術現狀和電加熱薄膜防除冰技術的實驗仿真，希望能給相關人士提供有效參考。

關鍵詞 電加熱薄膜;風力發電;機組葉片;防除冰技術

引言

隨著國內能源結構的持續優化，在風能方面的應用也得到了進一步發展，國內的風能資源通常在三北區域、云貴高海拔區域以及沿海地區，特別是云貴高原和三北地區，因為高緯度以及高海拔區域的地理自然條件相對較差，在冬春季低溫時節，風機葉片容易產生覆冰問題，從而降低風電機組的安全性和發電效能。

1風力發電機葉片的覆冰影響

風力發電機中的葉片作為風能資源采集的重要零件，葉片高速運轉過程中，容易在結冰氣候下出現覆冰現象。冰層質量分布為從葉根至葉尖漸漸增多的特征，葉片覆冰后，容易影響機組的正常運轉。覆冰是葉片氣動外形產生了直接改變，削弱了氣動性能，提升了葉片表層粗糙度，阻力提升、升力降低，風輪的風能吸收效率也進一步降低。相關研究證明，覆冰形成功率損失在風機年發電量中大概能夠占據0.005%到50%之間。葉片覆冰還容易使葉片出現質量分布異常現象，導致機組振動加劇，遠遠超出設計荷載。此外，在實際運行中還會出現冰塊甩落現象，威脅到周圍人身財產方面的安全。相關研究證明，冰塊衰落影響區域半徑為風輪直徑以及機組高度之和的1.5倍左右[1]。

2防除冰技術現狀

葉片加熱方式具體可以分成葉片表層電加熱薄膜以及葉片內部熱風循環兩種技術。其中熱風循環便是于葉片根部位置設置鼓風機、熱循環管道以及加熱管，把高壓熱氣傳輸至葉片內，構成一種熱循環，促進葉片表層溫度的有效提升，實現防除冰目標。該種方法主要優勢為不會對葉片氣動性能產生任何影響，均勻加熱，無須進行防雷處理，而應用缺陷是效率低，能耗高。電加熱薄膜相關技術主要是將某種電加熱單元鋪設在葉片中，通過直接加熱的方式能夠促進葉片表層溫度的有效提升，實現防除冰目標。國外相關資料顯示，和葉尖相距三分之一的部分負責葉片90%的風能資源采集功能，為此單純在葉尖的三分之一內設置電加熱薄膜，便能夠實現成本控制和防除冰效能雙重目標，提高風能資源的吸收效率。當下國外的各個生產廠家都開始針對電加熱薄膜進行了系統研發，開始在低溫防凍機型中進行大面積推廣應用。該種方法主要應用優勢是工作效率高，缺陷是需要專門處理雷擊相關內容。

3電加熱薄膜技術

電加熱薄膜相關技術主要是以多層導熱結構位置，按照由外到內的順序，分別是防腐樹脂及涂層、屏蔽網、電加熱薄膜。三層厚度總和不會超出2mm，能夠進一步削弱防冰系統在葉片翼形氣動功能的不良影響。電加熱薄膜主要是由碳纖維織物復合材料制作而成的，擁有良好的熱穩定性，同時還可以快速把熱量傳輸至葉片表層。電加熱薄膜相關厚度通常為0.5mm，同時擁有良好的抗疲勞性能和靜力應變性能。于電加熱薄膜外部設置增設數層屏蔽網，能夠有效降低雷電損傷內部的電加熱薄膜。多目屏蔽網連接到葉片防雷接地上，隨后順利把電流引導至機組接地系統內。多目屏蔽網外部的底漆面漆以及手糊防腐樹脂相關葉片的表層涂料，能夠有效提高葉片表面整潔度和光滑度，提升葉片氣動性能[2]。

4實驗仿真

（1）薄膜效能實驗。實驗將GB7406.1-1998作為基礎依據，防除冰系統企業要求規范，在測試過程中，選擇型號為1000mm×400mm的樣品，相關額定功率是1.5kW、額定電壓是230VAC。把增設電加熱薄膜后的葉片放置在噴淋低溫實驗箱中，在實驗箱內部問題調整為-15℃，隨后實施噴淋實驗，對葉片樣品進行檢測，電加熱薄膜和葉片外部防腐面溫度進行測試。葉片和冰層以及空氣和冰層接觸面之間熱平衡關系需要滿足下面公式：

其中T是葉片、冰層的接觸面溫度，臨界條件下是0°。

通過實驗，最終能夠得到以下結果：在-15℃的環境溫度下，整體濕度超出99%，啟動葉片加熱，能夠于三分鐘內，提升加熱區域葉片表層溫度，超出2°，而60分鐘內，葉片能夠將溫度穩定于17℃左右，表層不會出現覆冰現象。

（2）雷擊實驗。初期先倒附著檢測，該種實驗能夠有效評測防雷系統接閃實力。水平吊起或放置樣品，和地面之間維持在1米左右的距離，接閃相關裝置實施接地處理，將接地平板水平設置于地面，增加沖擊電壓，沖擊電壓相關試驗主要是以每組20次為主，在結束各組操作后，認真觀察，分析雷擊有沒有準確落于接閃器保護膜中，實驗沖擊電壓設置為100kV，進行高壓測試。實驗結果發現雷擊位置全部處于接閃器中，證明電加熱薄膜在接閃檢測中擁有良好安全性和可靠性。

（3）靜態應變和疲勞測試。在溫度為21～25℃，濕度為45%到55%的環境下，針對實驗樣品實施靜態應變測試以及疲勞循環測試，對電加熱薄膜、膠層以及銅網實際狀態進行合理檢驗。疲勞測試中的跨距為80mm，谷值為32N，正弦荷載峰值為320N，測試頻率是5Hz。結合葉素理論，相對風速的計算公式如下：

其中Urd是風機葉片中任意半徑相對風速，Um是水平風速，Ut是切向風速，基本單位是m/s。

試驗結束后，相關樣品表層并沒有產生裂痕，而電加熱薄膜以及防雷網表層因為維持正常操作狀態，功能薄膜和試驗樣品之間的黏結層沒有進行有效分層，測試發現通電性較為正常，實驗結果能夠滿足現實需求。

5結束語

綜上所述，風電葉片相關防除冰技術對于風機運行發展具有重要影響，尤其是國內云貴地區以及三北方地區的風機，防除冰是其實現高效運轉的重要內容，電加熱薄膜相關技術屬于防除冰方面的有效技術，同時也將會成為各個生產廠家的重要配置。

參考文獻

[1] 李程.淺談風電機組覆冰的影響及應對措施[J].科技創新導報， 2019，16（15）：93-94.

[2] 舒立春，蔣興良.風力發電機葉片加熱循環控制除冰數值仿真研究[J].中國電機工程學報，2018，38（24）：7149-7155，7441.

作者簡介

李忠良（1990-），男，江蘇連云港人;學歷：本科，職稱：助理工程師，現就職單位：中復連眾（玉溪）復合材料有限責任公司，研究方向：風機葉片制造方向