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摘要：我国北方地区风能丰富，但冬季寒冷，风机叶片容易覆冰，给设备运行造成负担。传统的停机除冰方式不止会对供电造成影响，敲打也会导致叶片变形、机组损坏，影响使用寿命。随着技术水平提升与国际交流增加，各种防覆冰技术在国内得以推广应用。本文就此分析风机叶片防覆冰技术。
关键词：风力发电机组；叶片；覆冰；除冰
引言：风力发电风机在零度以下气温中运行时可能发生冻冰现象。叶片覆冰后增加了重量，对风力机的机械性能造成影响，特别是加载在每个叶片上的冰载量可能不同，导致机组运行的不平衡载荷增大，为了防止机组损坏有时不得不停机，机组的利用率大大降低；风机叶片覆冰后叶片的每个截面覆冰厚度不一，导致叶片原设计的翼型变形，对风电机组的载荷和出力影响很大，风机的发电效率大幅下降；叶片表面的覆冰随时可能脱落并高速飞离，也会对机组和现场人员造成很大的安全隐患。因此，必须做好风机叶片防冰除冰工作，保证设备安全稳定运行。叶片、风传感器结冰的状态见图1、图2。
1.叶片覆冰对风力机组的影响
（1）安全：叶片覆冰致使叶片质量分布不均，可能会引起叶片和机组其它部件振动加剧或共振，超出设计疲劳载荷。在风轮旋转过程中，叶片表面的积冰可能会被甩出，威胁到附近居民的人身和财产安全。
a) 机组安全区域
机组运行状态下的安全区域，见公式⑴。
d=1.5(D+H) ••••⑴
机组停机状态下的安全区域，见公式⑵。
d=V（D/2+H）/15••••⑵
式中：
d---最小安全工作区域直径，单位为m。
D---风轮直径，单位为m。
H---轮毂高度，单位为m。
v---风速，单位为m/s。
为保证人身安全，机组结冰后人员应在以上计算区域以外，避免浮冰掉落伤人。特别是放牧地区，牧民有在就近风机处避风雪的习惯，风电场应对牧民常去的机组巡查，并对牧民进行安全宣传。
b) 冰雨道路滑，易引起车辆刹车失灵,对于在陡坡上的机位应采用步行方式。
c) 浮冰掉落对附近箱变、线路易造成损伤。
（2）功率损失：叶片表面覆冰会使叶片翼型升力降低、阻力增加，导致转矩减小，降低了风能转换效率, 具体见图3。
叶片表面结冰后，除产生很大的质量不平衡载荷外，还会产生很大的气动载荷。随着风速不断增加，叶片转速和扭矩增加很慢，叶片会进入失速状态，可能在高风速情况下会对应较低的风轮转速。随着风速增加，叶片的攻角也随之增大，翼型的阻力系数也不断增加，叶片和机组将会承受很大载荷。
此外，叶片结冰后翼型的升力系数下降，叶片挥舞和摆振方向的气动阻尼会较正常情况下降很多。而摆振方向的气动阻尼本身相对挥舞方向要小，所以机组往往会在Y方向产生较大振动和位移。这种振动位移慢慢变大时就会引起机组停机，如果这种振动位移迅速变大，就会引起机组破坏。因叶片的升力系数下降、阻力系数增加，叶片的功率系数Cp将会明显下降，进而造成机组在结冰状况下产生的功率明显下降，见图4、图5。
叶片结冰也会增大表面粗糙度，降低原有叶片的空气动力学性能。当覆冰沉积越来越多时，转矩可能由正跌落到零甚至负转矩，导致机组停机，严重影响机组的发电量。有关研究表明，覆冰所造成的功率损失占年发电量的0.005%～50%。
（3）风传感器结冰对机组载荷、性能的影响; 风向标结冰造成机组无法正确跟踪风向，侧风运行时机组承受很大载荷；风速仪结冰造成机组无法正确采集风速，暴风停机功能将无法实现。
（4）噪声：叶片结冰后质量分布不均及翼型空气动力学性能的改变使气动噪声增加，严重影响附近居民的生活。
2.造成叶片覆冰的原因及覆冰区域
叶片覆冰是由于空气中的过冷微液滴被机组表面捕获后在其表面发生冻结的物理现象。覆冰的厚度和形状取决于空气中的含水量、水滴体积直径、环境温度、风速、持续时间、叶片弦长和表面吸附力等。早期风电叶片覆冰区域研究主要采用现场实验的方法。现场实验结果表明：叶片前缘覆冰最严重，越往尖部越严重。通过计算流体力学的方法对水平轴风力机组桨叶翼型的霜状积冰进行数值模拟。模拟发现：在前缘附近由于撞击到叶片表面的水滴会立即冻结，产生的覆冰在该区域既有最大的厚度，且由于翼型前沿的绕流，水滴大部分凝结在翼型的下部。
3.风力机组叶片防覆冰措施
3.1溶液防冰
将乙烯乙二醇、异丙醇、乙醇等防冻液喷淋在叶片表面，与风机叶片表面附着的水混合，由于混合液的冰点大大降低，叶片表面的水就容易结冰。这种防冰方法简单易行，但是有效时间短、防冻液的用量大，而且在严重结冰状况下除冰的效果差，因此只能是一种临时的防冰方法。
3.2机械除冰
机械除冰又可以分为敲击等方式的直接除冰法和利用震动、超声等方式的间接除冰法。国内外很多专利和刊物报道体现了这一理念。震动主要是通过在叶片中形成加速状态并随后形成减速状态的方法将覆冰从叶片上抖掉。对于大型风力发电机组而言，叶片根部振幅较小，此方案很难实现。超声除冰主要是为风电叶片设置多个声波角，该声波角可在起动时使叶片振动，从而使覆冰脱落。
3.3加热防冰
利用各种加热办法加热叶片，提高叶片表面温度也可以达到防冰除冰的目的。加热可以采用电能、微波或者热气体。电热防冰系统由预埋风机叶片内的电热元件、电源，以及控制装置组成。
（1）表面间接加热
是指在叶片内部进行热空气或其他辐射源加热，然后通过壳体将热量传递到叶片外表面来实现叶片除冰。微波加热：微波除冰利用微波加热叶片表面，使叶片表面冰层结合力大幅降低，然后依靠风叶转动产生的离心力和气动力除冰。热空气加热：热气体防冰由位于叶根的鼓风机、加热器和管道组成，利用暖风防冰和除冰。高压热空气通过管道被送入叶片内部并形成热气流流道，提高叶片表面温度达到防冰除冰目的。安装在低温地区的风电机组，为了保证机组内电子元器件的正常工作，风机轮毅内一般都有加热装置，只要在风机叶片内安装暖风通气管道，让暖气在管道内循环，就可以达到加热叶片的效果。此方法结构简单，加热效果均一，运行温度可靠，加热系统位于叶腔内部，不影响叶片的气动性能、结构分布和叶片的防雷保护系统。
（2）加热电阻技术
在叶片上敷设一层电阻加热元件（如碳布等），通电后电阻元件将电能转换为热能，使叶片表面温度升高。距叶尖1/3部分保证了叶片90%风能捕获，而距叶根2/3区域对功率产出贡献很小。由于加热元件成本较高，所以选择在叶片前缘距叶尖1/3段开始敷设加热元件，这样既能对风能转换的关键部位快速除冰，又能兼顾成本。
3.4热力和机械结合除冰
除了单纯的机械除冰和热力除冰外，还有将热力除冰和机械除冰相结合的除冰方法。即通过检测设备控制空气加热系统，将热空气输送叶片内部，当探测器检测有液态水生成时，通过叶片先加速后减速产生颤振抖掉冰层。热力及机械除冰措施的主要问题都在于需要一定的能量和专用配套设施，这导致上述除冰措施有效范围有限，并且造成了发电输出与消耗间矛盾。
3.5涂层防冰
涂层除冰通过减弱覆冰与涂层表面间粘结力来实现叶片除冰。当前主要有2种形式：
（1）光热型涂料：是指在叶片表面涂上一种黑色涂料，能够在白天吸收太阳光的光能，从而提高叶片表面温度达到一定的防冰除冰效果。此种方法冬季叶片表面温度升温并不明显，不足以防止叶片结冰。综合看来，此种方法防冰除冰效果并不可靠，而且美观性差。
（2）疏水涂料：通过在叶片表面涂覆某些物质例如丙烯酸类、聚四氟乙烯类、有机硅类等，改变叶片表面化学组成或微观结构，降低表面能，使其与水的接触角超过90°，难以润湿叶片涂层表面，减弱覆冰与涂层之间的粘附力。当水滴接触到该涂料表面时，水滴会因为涂层的憎水作用而滑落，使涂层表面不存留水分，起到除冰作用。目前的研究越来越多的向纳米复合材料涂层方向发展，通过向聚合物涂料中添加纳米粒子，使纳米复合材料与水的接触角很大，有利于抑制结冰。此方法成本较低，不需要做特殊的雷电保护装置，叶片的日常维护也较简单。但除冰涂料并不能阻止涂层表面覆冰，只是减弱冰和涂层之间的粘结力，从而使冰在外力的作用下能够迅速的从涂层表面脱落。国外学者通过对叶片表面分别涂普通憎水剂、超级憎水剂和除冰涂料的叶片模型进行过冷液滴风洞实验。防冰涂层并不能防止涂层表面覆冰，在结冰气候条件下叶片表面覆冰现象依然存在，而且使用一段时间后涂层就会出现孔隙，水渗入其内，失去防冰能力。
结束语：
防覆冰技术的合理应用使风力发电设备得以在严寒气候下保持稳定工作，保证了供电稳定性，提高了供电质量。在实际应用中，应积极探索新技术、新方法，促进技术革新，推动风电技术进步。
参考文献：
[1] 马茜， 张宇昌， 张胜寒，等. 风机叶片防覆冰涂料的进展与研究[J]. 华北电力技术， 2013(8):47-50.
[2] 田鹏辉， 罗衡强， 汤亚男. 风力机组叶片防覆冰技术发展现状[J]. 电器工业， 2013(5):62-65.
论文作者:安克1,张文龙2,张德新3,杨海龙4
论文发表刊物:《电力设备》2017年第5期
论文发表时间:2017/5/27
标签：叶片论文; 机组论文; 表面论文; 除冰论文; 涂层论文; 风机论文; 载荷论文; 《电力设备》2017年第5期论文;