淺談風(fēng)電機(jī)組覆冰的影響及應(yīng)對(duì)措施

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(jī)葉片的覆冰對(duì)風(fēng)力機(jī)組的安全穩(wěn)定生產(chǎn)帶來了重大影響，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組覆冰的不利影響體現(xiàn)在：計(jì)量錯(cuò)誤、發(fā)電量降低、風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)特性改變，降低風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)壽命以及安全問題等。研究有關(guān)風(fēng)力機(jī)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(jī)組如何安全度過結(jié)冰期的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)機(jī)葉片覆冰? 不利影響? 解決方法

中圖分類號(hào)：TM315? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）05（c）-0093-02

面對(duì)日益嚴(yán)峻的環(huán)境問題和傳統(tǒng)能源消耗殆盡趨勢(shì)下，清潔可靠的風(fēng)力發(fā)電越來越受各國(guó)的青睞。我國(guó)地域遼闊，風(fēng)能資源蘊(yùn)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(jī)葉片的覆冰對(duì)風(fēng)力機(jī)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(jī)組防覆冰技術(shù)是十分有意義的。

1? 風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(shí)容易產(chǎn)生逆溫現(xiàn)象，并且暖空氣勢(shì)力較強(qiáng)，云層中的冰晶在下落時(shí)，遇到暖空氣轉(zhuǎn)換成液態(tài)水，下降到近地面時(shí)，由于時(shí)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(jī)葉片時(shí)，熱量迅速喪失，凝結(jié)成冰，造成風(fēng)機(jī)葉片覆冰。因此，風(fēng)電機(jī)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(jī)組覆冰產(chǎn)生的影響

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組覆冰的不利影響體現(xiàn)在：計(jì)量錯(cuò)誤、發(fā)電量降低、風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)特性改變，降低風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)壽命以及安全問題等。

2.1 計(jì)量錯(cuò)誤

風(fēng)速計(jì)、風(fēng)機(jī)葉片轉(zhuǎn)速和溫度傳感器將會(huì)受到覆冰的影響。在覆冰環(huán)境中，覆冰可能會(huì)導(dǎo)致風(fēng)速計(jì)測(cè)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(huì)導(dǎo)致機(jī)組非正常停機(jī)，影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行還會(huì)降低發(fā)電量。

2.3 風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)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(huì)顯著的影響葉片的形狀和粗糙度，改變?cè)腥~片的空氣動(dòng)力性能，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率損失。另外覆冰后葉片質(zhì)量分布不均勻也會(huì)導(dǎo)致氣動(dòng)噪聲增加，嚴(yán)重的會(huì)影響附近居民的生活。

2.4 降低風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)壽命

風(fēng)力機(jī)組覆冰將會(huì)增加葉片和塔筒結(jié)構(gòu)的負(fù)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(jì)疲勞載荷。低溫環(huán)境下運(yùn)行會(huì)影響潤(rùn)滑油的低溫流動(dòng)性，導(dǎo)致機(jī)械磨損增大， 影響變速箱的壽命和風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量。

2.5 安全問題

隨著氣溫升高，覆冰的融化，運(yùn)行時(shí)的風(fēng)機(jī)葉片上的大塊積冰被甩出可能會(huì)造成安全隱患。

3? 風(fēng)機(jī)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(dòng)除冰和被動(dòng)防冰。

3.1 主動(dòng)除冰

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

3.1.1 人工手動(dòng)除冰

人工除冰需要停機(jī)操作，除冰效率低下，操作危險(xiǎn)系數(shù)高，在損失發(fā)電量的同時(shí)還存在破壞機(jī)組及葉片表面材料的風(fēng)險(xiǎn)，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(jī)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(jī)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(dòng)的離心力和振動(dòng)，將覆冰甩離葉片表面。優(yōu)點(diǎn)是可以使葉片表面沒有積冰，低溫環(huán)境下風(fēng)機(jī)葉片的氣動(dòng)效率不受影響。缺點(diǎn)是能耗高，需要持續(xù)消耗電能;葉片設(shè)計(jì)復(fù)雜化、成本高，要在風(fēng)機(jī)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(xiǎn)較大;葉片的維修維護(hù)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(jī)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(dá)到去除覆冰的目的。不過該方法輻射大，對(duì)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(jī)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(dá)到防冰除冰目的。此方法結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，但是也存在一些不足，如葉片的導(dǎo)熱能力相對(duì)較差，加熱效率相對(duì)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(jī)械震顫

機(jī)械震顫就是在風(fēng)機(jī)停機(jī)后利用葉片變槳電機(jī)使葉片形成加速變槳運(yùn)動(dòng)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(dòng)停機(jī)可能會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)造成損害，對(duì)風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行造成隱患。

葉片被動(dòng)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(qiáng)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(dú)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(yáng)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(qiáng)的太陽(yáng)輻射。該方法防冰效果差強(qiáng)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(huì)對(duì)影響葉片的性能強(qiáng)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(diǎn)的化學(xué)藥劑以達(dá)到臨時(shí)除冰的目的。該方法是借鑒于民航，用于防止機(jī)翼積冰?；瘜W(xué)藥劑具有時(shí)效性很短，無法長(zhǎng)期的保持防冰效果，同時(shí)也會(huì)污染空氣，只能作為臨時(shí)除冰的一種選擇。

4? 結(jié)語(yǔ)

防冰除冰技術(shù)是風(fēng)力機(jī)組如何安全度過結(jié)冰期的重點(diǎn)與難點(diǎn)。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(jià)的疏水涂層法防冰。

風(fēng)機(jī)葉片防冰除冰方法沒有絕對(duì)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(chǎng)所在的氣候環(huán)境和風(fēng)電場(chǎng)的投入資本的多少的情況定。同時(shí)風(fēng)電站的選址和設(shè)計(jì)規(guī)劃工作也非常重要。開展風(fēng)資源評(píng)估，氣候可行性論證，根據(jù)覆冰情況選擇合適機(jī)型，以提升機(jī)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(qiáng)風(fēng)場(chǎng)的氣象現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，對(duì)覆冰情況進(jìn)行評(píng)估，并以此為依據(jù)制定冬季風(fēng)機(jī)運(yùn)行策略更好地保護(hù)風(fēng)電機(jī)組，提高利用小時(shí)數(shù)與可靠性，保證風(fēng)電場(chǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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