風(fēng)力發(fā)電機葉片的防覆冰技術(shù)

賈士一 岳粉慶

1.國電三門峽后地新能源有限公司 河南 三門峽 472000;2.三門峽黃河明珠集團(有限)公司 河南 三門峽 472000

1 風(fēng)力發(fā)電機葉片防覆冰技術(shù)

1.1 利用有機試劑進行防冰 在風(fēng)力發(fā)電機葉片的防覆冰技術(shù)中，常會使用到一些有機試劑作為防凍液，例如異丙醇、乙醇等，將其噴灑在發(fā)電機葉片表面，使之與表面的水分進行充分混合后，能有效降低冰點。這種方式雖然較為簡便，但是它的缺點也較多，比如一般需要利用大量有機試劑污染環(huán)境，防結(jié)冰時間也比較短，只能臨時使用不能大規(guī)模使用，在比較嚴(yán)重的凍冰情況下無法適用[1]。

1.2 機械法進行除冰 機械方式對發(fā)電機葉片進行除冰應(yīng)該是目前使用頻率較高的方式。一般會先進行人工碎冰，然后再由機器運轉(zhuǎn)時利用離心機力、振動將破碎的冰除去[1]。這種碎冰方式較為費時費力，目前還有一種，利用超聲波技術(shù)進行除冰[2]。超聲波在介質(zhì)中傳播時產(chǎn)生LAMB波，在諧波振動影響下產(chǎn)生SH波，利用兩種波長速度差異，可以使葉片與冰層間產(chǎn)生剪切應(yīng)力。如此當(dāng)超聲波高頻振動能量達到最佳除冰的頻率時，就可以將葉片上的覆冰進行擊碎去除。這項技術(shù)應(yīng)用效果極佳，但對工藝有較高要求，同時除冰的成本費用也較多。

1.3 加熱防冰、除冰法 通過對發(fā)電機葉片進行合理可行的加熱手段，提高葉片表面溫度，也可以除去凍冰。一般可以選擇熱氣、電能、微波等方式進行加熱。利用微波能對冰層表面進行加熱，降低其附著在葉片表面，然后再利用葉片運轉(zhuǎn)時的離心力將冰層去除。對于低溫地區(qū)一些發(fā)電機組設(shè)備而言，為保證儀器內(nèi)各電子組件可正常作業(yè)，除了可以在發(fā)電機葉片內(nèi)組裝相應(yīng)的電熱原件。還可以在將加熱裝置安裝在風(fēng)機輪毅內(nèi)，有效保證管道內(nèi)暖氣進行循環(huán)，葉片加熱從而起到防冰除冰的目的。這類除冰技術(shù)相對簡單，但卻需要耗費更多的電能。

目前還研發(fā)出兩種新的技術(shù)，新型磁熱材料防覆冰技術(shù)與碳纖維加熱除冰技術(shù)。前者主要利用“磁致熱效應(yīng)”的原理，由北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院對低居里溫度FeNiCrSi合金磁熱材料進行改造，研究出新型的LaFe10.78Co0.92Al1.3合金磁熱材料，大大提升了放熱效果，將其應(yīng)用于制備發(fā)電機葉片材料，可有效進行防覆冰。后者主要利用碳纖維具有耐高溫、腐蝕、抗性強的特點，將其制造成增強型的塑料復(fù)合材料。由此類材料制成覆冰控制系統(tǒng)，通過在發(fā)電機葉片下埋入整個系統(tǒng)，由電源所控制，利用碳纖維電加熱葉片能得到較好的除冰效果。此技術(shù)也對工藝有較高要求，實行投資成本大[2]。

1.4 利用防冰涂層 在發(fā)電機葉片防覆冰方法中，還可以在葉片表面涂防冰涂層，減小冰與葉片面的結(jié)合力，這些物質(zhì)類型有丙烯酸、有機硅等。在實際應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)此類方法防冰效率高，附著的冰量可以減少75%左右，較為理想。方法簡單可行，對葉片還具有抗腐蝕性保護。目前還有一項新的研究，超疏水納米材料涂層防覆冰的技術(shù)。該技術(shù)主要利用“荷葉效應(yīng)”(“疏水效應(yīng)”)的原理，在荷葉表面存在乳突，每個乳突上還附著許多蠟狀突起，由于這些蠟狀突起之間存在有排斥性，從而導(dǎo)致荷葉表面被有效保護，阻止外來液體的滲入。在航天航空、電力線路、高鐵等領(lǐng)域超輸水納米材料涂層都有相關(guān)的研究應(yīng)用。據(jù)此，可利用納米材料研發(fā)出可以疏水防冰的材質(zhì)應(yīng)用于發(fā)電機葉片上[2]。

2 風(fēng)機葉片防覆冰和除冰技術(shù)展望

發(fā)電機風(fēng)機葉片形狀有平板型、流線型和弧板型，一般在應(yīng)用中多選擇流線型設(shè)計，隨著風(fēng)機發(fā)電技術(shù)的普及，技術(shù)也越來越成熟，所以為了提高發(fā)電功率，葉片也變得長而大。制造發(fā)電機葉片的材料主要有鋁、鋼、玻璃鋼等，較純金屬材質(zhì)的葉片而言，玻璃鋼葉片的加工工藝簡單，工序周期短、性能穩(wěn)定耐腐蝕性強，所以常應(yīng)用于規(guī)?；娘L(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域。目前國內(nèi)外在對發(fā)電機葉片組進行設(shè)計的過程中，由于技術(shù)、成本的問題，很少將防凍技術(shù)進行考慮，這也就為葉片由于覆冰的影響從而導(dǎo)致設(shè)備損壞，降低發(fā)電量的效率。但據(jù)有關(guān)統(tǒng)計表明，在2020年度內(nèi)，中國安裝了7167萬千瓦的風(fēng)力發(fā)電機，風(fēng)力發(fā)電量為4665億千瓦，與去年相比增長了15%。風(fēng)力發(fā)電機的使用比重相對較大，所以為了維護設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)，有效減少葉片的覆冰影響，結(jié)合上文提到的關(guān)于發(fā)電機葉片防覆冰和除冰技術(shù)的實際研發(fā)應(yīng)用情況，總結(jié)了如下的解決策略:第一，需要繼續(xù)研究開發(fā)新的可以有效防防覆冰的設(shè)備材料，降低材料的應(yīng)用成本，提高可實用性價值；第二，加大力度對風(fēng)力發(fā)電機葉片進行改造，尤其在設(shè)計環(huán)節(jié)可以在內(nèi)部增加電熱系統(tǒng)，并且開發(fā)設(shè)計外部加熱源，從而實現(xiàn)通過內(nèi)外加熱的方式有效減少冰的產(chǎn)生。第三，節(jié)省人力，開發(fā)除冰機器人，利用人工智能技術(shù)，設(shè)計機器人進行線下除冰作業(yè)。

3 結(jié)束語

綜上所述，為了防止風(fēng)力發(fā)電機葉片覆冰，可以采用在葉片表面噴灑有機防凍液或涂抹防凍層，當(dāng)已經(jīng)附著有較厚的冰層時，可以采用機械破碎、外源加熱融化的方式去冰。每種方法都有相對的優(yōu)缺點，為了能夠?qū)崿F(xiàn)更好的去冰性能，因此要結(jié)合于葉片的材料性質(zhì)綜合考慮研究新的預(yù)防結(jié)冰的技術(shù)，例如研究疏水性能的納米材料應(yīng)用于葉片材質(zhì)中，或者將磁熱材料鋪設(shè)葉片內(nèi)部。要積極學(xué)習(xí)引進國外先進技術(shù)，改善我們所已有的技術(shù)，降低工藝成本。同時結(jié)合我國地域特點，在節(jié)約資源實現(xiàn)環(huán)境保護的前提下，早日開發(fā)出能夠適合我國風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)所需的性價比較高的設(shè)備技術(shù)，為我國電力行業(yè)做出一分貢獻。