風(fēng)力機(jī)防除冰系統(tǒng)研究綜述

夏凱陽 盧天樂 來平濤 孔祥逸 于東瑋 張大勇

摘? 要：風(fēng)能作為一種可再生的清潔能源，其應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大。然而豐富的風(fēng)力資源基本分布在高寒地帶與濕度較大的沿海地區(qū)，機(jī)組部件極易受到低溫高濕的覆冰影響，因此研究有關(guān)風(fēng)力機(jī)組防除冰系統(tǒng)具有重要意義。本文通過對(duì)現(xiàn)有的風(fēng)機(jī)葉片覆冰探測(cè)技術(shù)和除冰技術(shù)的研究和總結(jié)，可以為智能化探測(cè)除冰系統(tǒng)的發(fā)展方向提供諸多參考。通過大數(shù)據(jù)將風(fēng)場中的每臺(tái)風(fēng)機(jī)所收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，以節(jié)省除冰所需要的人力。對(duì)目前風(fēng)力機(jī)葉片防除冰與探測(cè)技術(shù)的主流方法進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)，重點(diǎn)介紹了基于冰自身電學(xué)特性的探測(cè)技術(shù)與熱能除冰系統(tǒng)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)未來風(fēng)機(jī)機(jī)組的智能防除冰綜合系統(tǒng)發(fā)展提出了相關(guān)研究重點(diǎn)與發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：風(fēng)能發(fā)電? 風(fēng)機(jī)葉片覆冰? 防除冰與探測(cè)技術(shù)? 智能防除冰綜合系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TK83? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X（2021）05（b）-0051-03

Review on anti-icing system of wind turbine

Xia Kaiyang1? Lu Tianle1? Lai Pingtao1? Kong Xiangyi1? Yu Dongwei1，2*? Zhang Dayong1

（1.Dalian University of Technology， College of Marine Science and technology， Panjin， Liaoning province， 124221? China? 2.Dalian University of Technology， Department of Transport Engineering and mechanics， Dalian， Liaoning province， 116023? China ）

Abstract： As a renewable clean energy， wind energy has been widely used. However， abundant wind resources are mainly distributed in the high-cold zone and the coastal area with high humidity， and the unit components are easily affected by low temperature and high humidity icing. Based on the existing fan blade icing detection technology and de-icing technology research and summary， can provide a lot of reference for intelligent detection de-icing system. The data collected from each fan in the wind field are analyzed comprehensively by big data to save the manpower needed for de-icing. The main methods of anti-icing and detection technology for wind turbine blades are analyzed and evaluated， and the research and development status of detection technology and thermal deicing system based on the electrical characteristics of ice are mainly introduced， the research emphases and Development Direction of the intelligent anti-deicing system of Fan Unit in the future are put forward.

Key words： Wind Power Generation; Fan Blade Icing; anti-icing and detection technology; intelligent anti-icing integrated system

相較于傳統(tǒng)的石油與重化工等不可再生能源，風(fēng)能作為一種蘊(yùn)藏豐富、再生能力強(qiáng)的新型清潔能源，受到各國的關(guān)注，因此，風(fēng)機(jī)葉片除冰技術(shù)對(duì)于風(fēng)力發(fā)電在全球范圍內(nèi)的普及起到了至關(guān)重要的作用。

由于風(fēng)能利用期較短，對(duì)于構(gòu)建風(fēng)機(jī)葉片防冰除冰的成套技術(shù)都還處于初期階段。目前，主流的防冰除冰技術(shù)手段主要由防冰涂料、熱空氣加熱技術(shù)和電加熱技術(shù)所構(gòu)成。然而，防冰涂層在受到外力和化學(xué)作用時(shí)易受損，并導(dǎo)致防除冰性能減弱。同時(shí)，由于研究成果較少，熱力除冰所需的能耗大從而降低風(fēng)力發(fā)電的生產(chǎn)效益。所以，風(fēng)力機(jī)覆冰探測(cè)技術(shù)與除冰系統(tǒng)結(jié)合應(yīng)用便成為了防除冰系統(tǒng)的關(guān)鍵，即通過精準(zhǔn)的覆冰探測(cè)，確定葉片的覆冰狀態(tài)，使防除冰系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)化的除冰效果。

為此，構(gòu)建風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的智能探測(cè)除冰系統(tǒng)便成為研究風(fēng)機(jī)除冰系統(tǒng)的首要任務(wù)。本文將介紹現(xiàn)有的覆冰探測(cè)技術(shù)與防除冰方法的發(fā)展現(xiàn)狀，并討論智能化探測(cè)除冰系統(tǒng)的發(fā)展前景，為今后的風(fēng)機(jī)探測(cè)、防冰和除冰技術(shù)的發(fā)展提供系統(tǒng)化的解決思路。

1? 探測(cè)技術(shù)分析

國內(nèi)的風(fēng)機(jī)覆冰探測(cè)技術(shù)相關(guān)研究較為落后，缺少成體系的技術(shù)。國外研究團(tuán)隊(duì)主要將探測(cè)技術(shù)分為間接探測(cè)和直接探測(cè)[1]。

1.1 間接探測(cè)

專家通過對(duì)云朵、水汽和風(fēng)速等自然環(huán)境條件的測(cè)量，來判斷風(fēng)機(jī)葉片的覆冰情況。2005年，專家在研究中發(fā)現(xiàn)，通過探測(cè)空氣的相對(duì)濕度和露點(diǎn)溫度可以預(yù)測(cè)風(fēng)機(jī)是否會(huì)覆冰。然而，專家在后續(xù)的研究中發(fā)現(xiàn)，這種方法準(zhǔn)確性與探測(cè)器存在30%左右誤差。

1.2 直接探測(cè)

風(fēng)機(jī)葉片覆冰的直接探測(cè)技術(shù)主要分為以下3類。

1.2.1 基于風(fēng)機(jī)葉片自身固有頻率的探測(cè)技術(shù)

在對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片的翼型結(jié)構(gòu)研究中發(fā)現(xiàn)，在工作時(shí)具有一定的振動(dòng)頻率，該頻率不會(huì)超過其固有頻率，而當(dāng)風(fēng)機(jī)葉片在不同位置覆有冰層時(shí)，會(huì)降低葉片的固有頻率，繼而增加葉片發(fā)生共振現(xiàn)象的可能性[2]。

1.2.2 基于反射原理的探測(cè)技術(shù)

經(jīng)研究，聲波探測(cè)技術(shù)是通過壓電裝置產(chǎn)生探測(cè)聲波，使其通過葉片表面進(jìn)行傳播，并由葉片表面安裝的加速度計(jì)進(jìn)行捕捉測(cè)量。葉片上不同的積冰狀態(tài)會(huì)改變聲波的傳播速度和振幅。因此，通過測(cè)量聲波的振幅衰減和相移，便可測(cè)量風(fēng)機(jī)葉片的覆冰狀態(tài)。由于融冰水所產(chǎn)生的壓縮波段會(huì)影響聲波的傳播特性，且該探測(cè)裝置較為脆弱，保養(yǎng)維護(hù)成本較高，因而還未得到較廣的應(yīng)用[3]。

1.2.3 基于冰自身電學(xué)特性的探測(cè)技術(shù)

此類探測(cè)器使用的是電容式冰感應(yīng)元件或電感式冰感應(yīng)元件。在工作時(shí)，元件被探測(cè)器產(chǎn)生的電場輻射所包圍，當(dāng)介電物質(zhì)（冰）接近并改變電場環(huán)境后，通過測(cè)量和計(jì)算元件的容抗產(chǎn)生的變化，即可得到葉片覆冰的狀態(tài)參數(shù)。電感式感應(yīng)元件則是利用電流來進(jìn)行測(cè)量，與電容式感應(yīng)元件的原理相類似[3]。此類探測(cè)技術(shù)具有探測(cè)精度高、探測(cè)范圍廣、探測(cè)能耗低等優(yōu)點(diǎn)，因此被學(xué)者寄予厚望。

通過討論直接探測(cè)和間接探測(cè)兩類技術(shù)，可以發(fā)現(xiàn)，雖然直接探測(cè)技術(shù)需要的探測(cè)設(shè)備更為復(fù)雜，但其更加有利于除冰技術(shù)的發(fā)展。

2? 防冰除冰分析

目前除冰方法可根據(jù)系統(tǒng)的介入時(shí)機(jī)分為被動(dòng)型除冰和主動(dòng)型除冰2類。其中，主動(dòng)型除冰主要是通過預(yù)先處理，防止冰層覆蓋在葉片的表面。被動(dòng)型除冰主要是指，當(dāng)葉片已經(jīng)覆有一定量的積冰層時(shí)，通過物理或化學(xué)方法對(duì)表面覆冰進(jìn)行除冰操作。

2.1 主動(dòng)除冰

2.1.1 熱能除冰

熱能除冰法主要由2種組成：電加熱除冰與熱風(fēng)除冰。電加熱除冰是在風(fēng)機(jī)外殼下架設(shè)加熱絲、導(dǎo)熱片等加熱元件。加熱系統(tǒng)利用風(fēng)機(jī)自身發(fā)電所產(chǎn)生的部分電能使得葉片的整體溫度高于臨界結(jié)冰溫度。此時(shí)當(dāng)?shù)讓痈脖鼰崛诨?，冰層便可利用風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的離心力自行脫落。熱風(fēng)除冰將熱量來源替換為機(jī)艙內(nèi)部機(jī)組運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的廢熱，通過管道與鼓風(fēng)裝置將熱風(fēng)輸送至葉片內(nèi)，以此降低風(fēng)機(jī)電產(chǎn)能的損失[4]。

為了減少電能損失，專家[5]對(duì)加熱裝置增設(shè)了報(bào)警及主動(dòng)除冰系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過分析實(shí)際功率與機(jī)組功率曲線的偏差來判斷機(jī)組是否結(jié)冰，確認(rèn)結(jié)冰后，加熱元件才開始工作。

通過熱能除冰系統(tǒng)，熱能除冰系統(tǒng)大幅減少人力物力財(cái)力資源的消耗。但隨之而來的能耗高、配套基礎(chǔ)設(shè)施成本高等問題仍有待解決。

2.1.2 涂料防冰

現(xiàn)階段的防結(jié)冰涂層可分為超疏水、超潤滑涂層和吸熱涂層，分別從減少風(fēng)機(jī)葉片表面水分停留和增加葉片表面熱量兩方面防止結(jié)冰。涂層方法針對(duì)所處環(huán)境和表面特性，利用涂料的物理、化學(xué)等性質(zhì)抑制風(fēng)機(jī)葉片表面結(jié)冰，操作簡便，不引入其他裝置，而且在役葉片無需改造和更換，可以直接使用涂料方法防冰[6]。

吸熱涂層是通過涂料自身的吸熱性質(zhì)，利用白天日照或其他熱源進(jìn)行儲(chǔ)存，在無光照的條件下再緩慢釋放熱量，從而達(dá)到自身循環(huán)除冰。

超疏水表面仿生自荷葉，利用微米納米級(jí)復(fù)合結(jié)構(gòu)。專家認(rèn)為，超疏水涂層的表面微結(jié)構(gòu)隨著結(jié)冰、除冰次數(shù)的增加，逐漸被破壞，防冰效果減弱。因此，如何在長期潤濕的低溫環(huán)境中，保持疏水涂層的疏水性能和冰粘附強(qiáng)度不變是目前急需解決的關(guān)鍵問題。

超潤滑涂層，通過在超疏水涂層的微納結(jié)構(gòu)表面填充潤滑物質(zhì)，增大邊界層空氣流速，顯著提升水滴的滾落速度，使過冷水滴不易停留在表面。

2.2 被動(dòng)除冰

2.2.1 人工手動(dòng)除冰

人工手動(dòng)除冰是當(dāng)風(fēng)機(jī)葉片的自身除冰系統(tǒng)發(fā)生故障，且位于極端惡劣環(huán)境下的風(fēng)機(jī)機(jī)組覆冰狀況極其嚴(yán)重時(shí)所采取的方式。該除冰方法效率低下，且操作危險(xiǎn)系數(shù)高，在機(jī)組停機(jī)致使生產(chǎn)效率降低的同時(shí)還存在除冰不徹底、損壞葉片表面涂層及外殼等影響。

2.2.2 溶液除冰

溶液除冰目前是以氯鹽融冰劑（氯化鈉、氯化鈣等）作為主要融冰材料，噴灑在覆冰的葉片表面，達(dá)到在低溫下除冰的效果。專家研制的一種顯色型環(huán)保融雪劑[5]通過實(shí)驗(yàn)證明融冰能力大于氯化鈣，且對(duì)基底腐蝕極小。

2.2.3 機(jī)械除冰

機(jī)械除冰的主要原理是在風(fēng)機(jī)葉片在停機(jī)與重新啟動(dòng)時(shí)，利用葉片變槳電機(jī)對(duì)葉片進(jìn)行不間斷的加減速運(yùn)動(dòng)，葉片所造成的震顫能使覆冰與葉片表面的接觸出現(xiàn)相對(duì)位錯(cuò)，進(jìn)而在葉片的運(yùn)動(dòng)中將大塊的積冰抖落。該方法能夠減少人力資源使用，降低環(huán)境影響。

目前衍生出一種較為先進(jìn)的除冰技術(shù)—— 超聲波除冰。其無需對(duì)運(yùn)行中的風(fēng)機(jī)機(jī)組進(jìn)行停機(jī)操作，且僅需極少量的人力物力，目前已被多家風(fēng)機(jī)維護(hù)公司采用。

3? 結(jié)語

目前由于以電容式探測(cè)技術(shù)為研究熱點(diǎn)，防冰探測(cè)技術(shù)種類豐富，應(yīng)用廣泛，但仍存在一些問題。故需要從直接與間接探測(cè)相結(jié)合的方向進(jìn)行研究，建立一套智能化的探測(cè)除冰系統(tǒng)，優(yōu)化探測(cè)體系。因此，將伴熱除冰與涂層防冰相結(jié)合，在涂層防冰作用的基礎(chǔ)上，研究更為精確的加熱量和加熱位置，能夠降低能耗，提高除冰效率，是未來該領(lǐng)域的發(fā)展方向。

目前的全套智能化探測(cè)除冰系統(tǒng)主要由以下3個(gè)部分構(gòu)成：中央控制器、探測(cè)器和電熱除冰系統(tǒng)。該系統(tǒng)可利用成熟的5G網(wǎng)絡(luò)體系，使人們能夠遠(yuǎn)程檢測(cè)風(fēng)場中風(fēng)機(jī)的覆冰狀況，通過大數(shù)據(jù)將風(fēng)場中的每臺(tái)風(fēng)機(jī)所收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，以節(jié)省除冰所需要的人力。

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