風力發(fā)電機組葉片防凍除冰技術(shù)進展分析

印厚飛，李 奎，包振江，王 瀚

（國電聯(lián)合動力技術(shù)（連云港）有限公司，江蘇 連云港 222200）

再生能源技術(shù)在環(huán)境保護、節(jié)約資源方面有著突出的貢獻，當前人們接觸比較多的就是太陽能技術(shù)和風力發(fā)電技術(shù)，其中風力發(fā)電技術(shù)比較成熟，并且適合大規(guī)模開發(fā)與應(yīng)用，有著商業(yè)化開發(fā)的前景，是一種發(fā)展前景非常好的發(fā)電方式。因為風能有著明顯的地域不平衡分布的特點，中國地域內(nèi)，大量風場在北方地區(qū)或者中南部山區(qū)，而這些地區(qū)卻又容易遭受冰雪侵襲。如果風機的機組葉片覆蓋上冰雪，那么將不能正常運行，影響到電力生成。當前的風力發(fā)電廠建立時，不管是在風場建立的時期，還是在建立運行的階段，冰雪對于風力發(fā)電機組葉片都是一個巨大的威脅。因此，技術(shù)人員要針對發(fā)電機組葉片上覆蓋冰雪的問題進行專業(yè)的研究，除冰技術(shù)則是非常重要的內(nèi)容。下面就除冰技術(shù)的發(fā)展做簡要闡述。

1 大氣覆冰物理學原理

在物理學角度，大氣覆冰可以分成三種類別，分別是凍雨覆冰、凍霧覆冰、升華覆冰。

1.1 凍霧覆冰

過冷卻的水滴同本身溫度低于零攝氏度的物體接觸，就會形成冰，這樣就是冰霧覆蓋，也就是俗稱的霧凇。由于過冷卻水滴的尺寸非常小，就會跟著氣流運動，即使其自身溫度已經(jīng)到達零下30℃的時候依舊不會結(jié)冰，只有在遇到固體時，會附著在固體表面形成覆冰，而覆冰的多少則是由當時空氣里面有多少過冷卻水滴以及水滴自身溫度和直徑值，還有持續(xù)時間、風速、葉片弦長、水霧采集效率的影響。

而凍霧覆冰可分成三種類型，分別是雨凇、硬霧凇、軟霧凇。軟霧凇一般出現(xiàn)在溫度剛剛低于0℃的時候，空氣中含水量以及液滴直徑也比較小的時候，粘附力小、密度小。硬霧凇也就是在空氣中的含水量非常高，且液滴直徑的值比較大的時候出現(xiàn)，密度比較高，粘附力也很強。過冷雨滴會粘附到固體的表面，進而立即形成冰，然后會流動，接著形成冰，其密度非常大，粘附比較強，也就是雨凇，有著比較強的危害。

1.2 凍雨覆冰

這種形式就是雨雪構(gòu)成覆冰，形成的速度非常快，超出凍霧覆冰，并且危害比較大。這種形式還可分成兩個種類，分別是凍雨覆冰和濕雪覆冰。當雨水低落在0℃之下的物體表面的時候，就會構(gòu)成凍雨覆冰，密度比較高，粘附力比較強，一般出現(xiàn)在逆溫的時候。當大氣的溫度處于0℃到3℃的時候，降雪里面會有非常少的水分，其會粘附到物體的表面，快速地構(gòu)成濕雪覆冰，這種覆冰形成之后，會有非常強的粘附力，不能很好地去除。

1.3 霜凍

水蒸汽直接粘附到物體的表面，一般出現(xiàn)這種現(xiàn)象的條件是風速很慢，霜凍的粘附力非常強。

2 關(guān)于風機發(fā)電機組葉片覆冰的研究

2.1 覆冰帶來的危害

當發(fā)電系統(tǒng)的風力發(fā)電中機組葉片發(fā)生覆冰的問題，就會影響到機組葉片的翼形，促使其發(fā)生不規(guī)則改變，葉片的表面高度也變得不均勻，大大增加了粗糙度，因此葉片的阻力將會大大提升，氣動性就會大大降低，造成葉片專屬性能降低，風能發(fā)電利用率大大降低。另外，覆冰情況發(fā)生后，不管是葉片，還是其他的零部件，負荷會增加，如果覆冰不夠均勻，風力發(fā)電機組的各個組成部分質(zhì)量也不會平衡，導致葉片發(fā)生更大的振動，更大程度上損傷到葉片，大大降低風力發(fā)電機組穩(wěn)定性。

2.2 葉片出現(xiàn)覆冰情況的影響因素

風力發(fā)電機組通常都會建設(shè)在風能資源豐富的地域，而這些地域的冬天比較寒冷，氣溫比較低、濕度比較大。因為發(fā)電機組生活在這樣的環(huán)境中，加之外在環(huán)境中的水霧的存在，非常容易構(gòu)成冰點，同時溶液滴的濃度大，溶液滴的冰點要比水冰點要低，這樣會在一些特定的條件下保持著液體的狀態(tài)，并且不會出現(xiàn)凍結(jié)的問題?？墒撬鼈兊臓顟B(tài)不是非常穩(wěn)定，隨時隨地會發(fā)生變化。假設(shè)機組葉片長期處在濕度高也容易結(jié)冰的生存環(huán)境中，就可能出現(xiàn)不平衡結(jié)冰的問題[1]。

2.3 葉片覆冰的種類

不同地域條件下，環(huán)境條件也各不相同，空氣里面所存在的過冷卻水滴自身粘結(jié)性也不是一樣的，因此葉片上覆冰形狀以及特性也是不同的。從地理條件、氣候特征、周邊環(huán)境的不同去看，覆冰一般分成不同類型，分別是凍雨覆冰、凍霧覆冰、升華覆冰。

2.4 影響風力發(fā)電機組葉片覆冰的因素

影響因素分成兩個方向，分別是環(huán)境因素以及自身因素。周邊環(huán)境因素包含了溫度和風速。其一，如果周邊環(huán)境溫度已經(jīng)降低到零攝氏度之下，這就滿足了凍結(jié)溫度的標準，葉片表面將會有覆冰出現(xiàn)。其二，空氣里面的水汽含量比較大，濕度比較高，照比一般濕度高出了85%，這時也會有覆冰出現(xiàn)。其三，當風力處于1cm/s到10cm/s的時候，葉片就會遇到非常多的水滴，進而造成葉片覆冰。另外，葉片出現(xiàn)覆冰的自因素就是風力發(fā)電機組上扇葉進行旋轉(zhuǎn)的時候，迎風面以及背風面進行氣體運動有著非常明顯的差異，迎風面是面對氣流，這時氣流與風接觸的比較多，就會捕獲到大量水滴，覆冰量也更大；當背著面時候，所遇到水滴比較少，因此覆冰的厚度也不是很厚[2]。

3 風力發(fā)電機組的葉片覆冰的預(yù)防技術(shù)

3.1 溶液防冰技術(shù)

如果想要讓覆冰不出現(xiàn)，就可以在葉片的表面上涂防凍液，這樣就會發(fā)揮降低溶液冰點的作用，此種方式就是溶液冰。把防冰液，像乙醇等等，涂抹到葉片之上，在葉片上轉(zhuǎn)圈的時候，防凍液就會遇到水滴，其二者融合在一起，落到葉片上，這時落到上葉片上的溶液的冰點比較低。但是也不得不說此種方式的不足，那就是持續(xù)的時間不是很長，這就需要在應(yīng)用的時候，需要使用大量的防凍液進行補充。另外，周邊環(huán)境溫度非常低，這種效果就會變低，所以應(yīng)當運用合理合法的方式進行除冰。并且這種方式的操作性以及經(jīng)濟性均不是很好[3]。

3.2 熱能防冰技術(shù)

此種方式運用熱能處理葉片上覆蓋的冰，借助熱能保護風機中非常重要零部件，對于這些部件進行加熱，讓其表面的溫度上升，高出冰點的溫度，從而可以預(yù)防覆冰的問題。從當前覆冰預(yù)防技術(shù)發(fā)展去看，經(jīng)常使用的熱能防冰技術(shù)有電熱、氣熱兩種。電熱能防冰技術(shù)就是在制作葉片的時候，在其中安裝一些防冰的裝置，可以讓葉片上的電能轉(zhuǎn)化為熱能，進而對重點保護的地方進行加熱，破壞了覆冰的環(huán)境，進而不會出現(xiàn)覆冰的問題，這種方式也是國際風電行業(yè)中使用最為廣泛的方法。另外一種就是氣能，這種技術(shù)就是在葉片空腔之內(nèi)加設(shè)了通風管道，使用加熱器加熱，用鼓風機將熱風傳輸?shù)礁鱾€零件，以達到加熱的目的，同樣對覆冰形成環(huán)境進行了破壞，進而不會出現(xiàn)覆冰的問題[4]。

3.3 涂層防冰技術(shù)

此種技術(shù)就是把一些有著特殊性能的涂料涂抹在葉片之上，使用涂料特殊性能降低冰層同葉片間的粘結(jié)力，或者讓覆冰可以融化掉，從而實現(xiàn)除冰的目的?，F(xiàn)在使用比較廣泛的除冰涂料分別是內(nèi)烯酸、聚四氟乙烯、有機硅等。這些涂料可以發(fā)揮防凍的效果，還有著防腐蝕的作用，多方面地保護著葉片。另外，這些涂料對于環(huán)境的破壞比較小，有著明顯的環(huán)保性，不會對于周圍環(huán)境造成污染。但是，涂料自身也有一定不足，當葉片大幅度地轉(zhuǎn)動，涂料就不能很好地粘附到葉片上，失去作用，必須進行經(jīng)常性的補充，進而也就耗費了大量的時間，也不容易保證防冰和除冰的效果。

還有一種是深色涂層技術(shù)，深色的表面可以更好地吸收到太陽的輻射，進而防治葉片表面覆冰。最為典型的實驗就是加拿大的Yukon地區(qū)進行的現(xiàn)場測試，該實驗表明，此種方式可以適當改善覆冰的情況。深色的土層主要用在輕覆冰部位或者覆冰時溫度低于0℃之上的地區(qū)，還可用在海拔較低且冬季太陽輻射非常強的區(qū)域。由于深色土層技術(shù)不能很好地除冰，因此不合適使用在重度的覆冰區(qū)域。另外，因為玻璃纖維和增強塑料等材料的葉片，其對高溫非常敏感，其表面溫度過高，可能會對葉片自身性能產(chǎn)生影響[5]。

4 風力發(fā)電機組葉片覆冰的除冰技術(shù)

4.1 機械除冰技術(shù)

這種方法從字面上就能看出來，也就是使用一些機械設(shè)備或者人工方式，將葉片上已經(jīng)存在的冰層除去掉，先要擊碎冰層，然后使用震動、離心力的方式，將碎冰脫離了葉片，從而將葉片上的冰層除去掉。當前條件下，大多數(shù)會選擇人工除冰的方式，將葉片表面上覆蓋的冰層擊碎，然后使用一些物理技術(shù)，全部去除葉片的冰層。此種方式的優(yōu)點是操作簡單、實用性強，可是需要將葉片關(guān)閉才能進行除冰。

4.2 氣動帶除冰技術(shù)

此技術(shù)也被稱之為膨脹管除冰技術(shù)，將一些膨脹管或者膨脹袋子安裝到葉片前端邊緣位置，如果有覆冰問題出現(xiàn)，可以讓膨脹管或者膨脹袋子進行膨脹，進而震碎機組葉片上的冰層，并促使碎冰脫落。外加的裝置中包含多個部分，分別是膨脹管、輸氣管、充氣泵和泄壓閥。充氣泵向膨脹管或者袋子中充氣，使得膨脹管或者袋子膨脹，然后使用泄壓閥將氣體排出，這就會有振動出現(xiàn)，重復不斷地充氣和排氣，就會不斷地振動，進而將葉片上冰層震碎。氣動帶除冰技術(shù)剛開始在飛機上應(yīng)用，然后被應(yīng)用到風力機組葉片的除冰上。在飛機上運用時，同樣運用膨脹的作用，去除掉飛機上的冰層。飛機和機翼部位和尾翼的部位，都會設(shè)置的膨脹管，有周期地向其中充氣，然后排氣，利用膨脹、收縮的振動，促使冰層破裂，然后冰層會脫離飛機，直接被氣流吹走[6]。

4.3 熱能除冰技術(shù)

熱能除冰技術(shù)與熱能防冰技術(shù)的原理基本相似，借助來源形式不同的熱能對相應(yīng)的零件表面加熱，提高其表面溫度，然后將葉片上的覆冰慢慢地融化掉，從而清除葉片表面上的冰。一般熱能除冰技術(shù)分成三種。

第一種就是自身散熱除冰技術(shù)。葉片上安裝了除冰抗凍系統(tǒng)，該系統(tǒng)會收集到發(fā)電機部分所產(chǎn)生的熱量，再通過循環(huán)系統(tǒng)，將熱量運送到葉片的內(nèi)部的各個部位，然后進行除冰。自身散熱方式有一定不足，那就是風力電機組的葉片體積比較大，也非常厚，因此周邊的溫度非常低的時候，發(fā)電機自身所提供的熱量很難將覆冰融化掉，最終除冰的效果也就不是非常理想。

第二種就是葉片微波除冰技術(shù)。此技術(shù)利用了微波加熱的功能，使用微波去加熱葉片，這時葉片上的冰層就會降低粘附力，覆冰自身有重力以及離心力，受到此兩種力的影響，直接在葉片上脫落掉，可很好地清除冰層。但是，這種除冰技術(shù)也不是非常完美，有一定不足的地方，為提高除冰的效果，需要在葉片上設(shè)置很多微波裝置，數(shù)量非常大，安裝難度也大，后期維修也是一個問題，可是不能均勻地安裝微波裝置，也就不能均勻地清除冰層，讓葉片受到損傷，進而影響到電機的運行。

第三種就是金屬網(wǎng)電加熱除冰技術(shù)。葉片上面增加一些電熱裝置和防雷的金屬網(wǎng)，使電能轉(zhuǎn)化為熱能，進而發(fā)揮除冰的作用。葉片有覆冰的情況時，讓電熱加熱裝置運轉(zhuǎn)起來，清除葉片上面的冰層，可以更好地避免風力發(fā)電機組受到冰凍的傷害。此種技術(shù)也有一定缺點，那就是葉片上增設(shè)加熱裝置，可能會影響到葉片正常運行，葉片損壞的可能性大大增加，進而出現(xiàn)運行故障，并且維修起來非常困難。

4.4 超聲波除冰技術(shù)

利用超聲波技術(shù)進行除冰，超聲波會產(chǎn)生能量，從而清除掉葉片或者其他零部件上的冰層。超聲波的傳播方向有兩種，導波也有兩種，空氣介質(zhì)也傳播超聲波，使得葉片上覆冰振動，進而從葉片上脫離，進而發(fā)揮除冰的作用。

4.5 電磁脈沖沖擊技術(shù)

此種除冰技術(shù)需要提前在葉片上增設(shè)一些電磁線圈，當葉片有覆冰出現(xiàn)，可以對電磁線圈進行反復的通電和斷電，運用電磁感應(yīng)方式，快速地振動葉片上的冰層，此方式的優(yōu)點是能量消耗的比較低，一般用在航空領(lǐng)域，已在魁北克水電局輸電線路中試用。但是，此種技術(shù)可能會影響到葉片可靠性和氣動性，因此一般不會在風機上應(yīng)用。

5 結(jié)束語

綜上所述，當前，為避免風力發(fā)電機組的葉片覆冰，所采取的預(yù)防技術(shù)包括溶液防冰技術(shù)、熱能防冰技術(shù)、涂層防冰技術(shù)；風力發(fā)電機組葉片覆冰的除冰技術(shù)包含機械除冰技術(shù)、氣動帶除冰技術(shù)、熱能除冰技術(shù)、超聲波除冰技術(shù)、電磁脈沖沖擊技術(shù)，這些就是風力發(fā)電機組葉片的防凍除冰技術(shù)，可以讓風機葉片更好地、更安全地運行，降低冰層對于葉片性能產(chǎn)生的影響，保證風力發(fā)電正常進行。