技术干货！深入研究风机叶片防除冰策略

为助力实现“碳达峰”与“碳中和”目标，《“十四五”可再生能源发展规划》提出，2030年风电、太阳能发电总装机容量达到12亿千瓦以上。到2021年，累计风电装机超过17万台，容量超3.4亿千瓦，同比增长19.2%，装机容量稳步上升。到2030年，南方电网基本建成新型电力系统，支撑新能源装机再新增1亿千瓦以上，推动可再生能源产业高质量发展，新型电力系统取得实质性成效，基本建成清洁低碳、安全高效的能源体系。

来源：风力发电网

作者： 牛唯（贵州电网电科院高压中心三级拔尖技术专家 ）

近年来，极端天气气候事件呈现出频发、广发、强发和并发的趋势。风力发电机覆冰问题频频出现，1996-2002年间，芬兰风电场风力发电机组出现问题71%与叶片覆冰有关。根据美国联邦能源管理委员会(FERC)和北美电力可靠性公司(NERC)联合发布的报告，2021年2月，极端寒冷天气和严重降雪导致得克萨斯州和美国中南部总共有1045台发电机组（铭牌总容量为192818 MW）经历了总计4124次停机、甩负荷或无法启动的故障，其中包括27%的风电机组，75%是由冻结问题（44.2%）或燃料问题（31.4%）引起的。随着极端天气气候的频繁发生，加之风力发电机组数量和装机容量稳步上升，极端天气下风力发电机覆冰极有可能引发大面积停电事故，将严重影响本质安全型新型电力系统建设，因此有必要系统研究叶片覆冰形成机制和防除冰策略等内容，对新型电力系统安全稳定运行具有重要意义。

风机叶片覆冰形成机制

叶片表面覆冰是水在特定环境下产生的物相变化，空气中过冷却水滴与风机叶片碰撞形成覆冰，大气层中的过冷却水滴稳定性很差，过冷却水滴遇到凝结核会快速凝结成冰。风机叶片表面覆冰是耦合相变复杂传热过程，由于叶片表面温度低于冷水滴温度，过冷却水滴与叶片发生碰撞时，叶片表面会快速吸收水滴在凝固过程中释放的热量，过冷却水滴在叶片表面迅速覆冰。因风机叶片处于旋转状态，空气中过冷却水滴将与叶片前缘迎风面发生碰撞，过冷却水滴内部平衡被破坏，风机叶片表面更易覆冰。

风电场所处典型地形及其对风机覆冰的影响

南方山区风能资源丰富、地形条件复杂，风电场地形具有山脉分布零散、相对高差较大、山体陡峭、水体分布广泛等特点。风力发电对微地形微气候条件非常敏感，因缺乏充分的分类识别的地理信息和气象资料，对风电场微地形微气候覆冰的认识仍存在不足。

微地形微气候受山脉走向、坡向和分水岭等地形因素的影响，风电场微地形微气候覆冰的典型类型包括垭口、高山分水岭、水汽凝结、地形抬升等。绵延的山脉形成垭口，垭口处气流集中，两侧风速增大，垭口两侧风机易形成覆冰；位于高山分水岭处的风机，含有过冷却水滴的气团在风力作用下沿迎风坡侧上升而发生绝热膨胀，因过冷却水滴含量增加导致风机覆冰量增加；当风机位于较大的江湖水体附近时，空气中水汽增大，寒潮入侵时更易出现严重覆冰现象；丘陵地区突峰、盆地、台地等地貌易形成沿坡上升的冷空气，位于地形抬升处的风电场则更易在低温凝冻天气形成严重覆冰。

2008年南方冰灾刷新了全国人民对南方冻雨严重程度的认知，受不同地形条件、气候环境的影响，风机叶片会形成质地不同、形状各异的覆冰，相应防除冰技术措施也存在差异，因此，典型微地形对风机覆冰类型的影响是需要重点研究的课题。

覆冰对风力发电机组的影响

叶片覆冰以后，叶片的空气动力特性发生变化，对机组载荷的影响主要表现在发电量降低、叶片固有频率降低、疲劳载荷增加和机械磨损增加，对风电场的安全运行和经济效益产生不利影响。具体表现为：

1）发电量降低，覆冰重量、分布、不规则脱落等均会影响风机输出功率，叶片阻力沿轴向呈指数增长，叶尖升力也会因覆冰至少降低40%。轻微覆冰时叶片输出功率下降5～15%，严重覆冰时叶片转矩降为零，导致风力发电机组停机，均会降低发电量；2）叶片固有频率降低，覆冰会影响叶片整体结构，叶轮质量分布不均，导致叶片固有频率降低，更接近机组系统共振频率而可能发生共振；3）疲劳载荷增加，叶片旋转平面内形成的不平衡弯矩传递至塔底，导致塔底左右方向的载荷幅值比无覆冰状态下大，相同寿命时间及循环次数下的等效疲劳载荷增加；4）机械磨损增加，低温环境会影响润滑油流动性，机械磨损进而影响变速器寿命。

风机叶片应对低温凝冻天气的防除冰策略

风机叶片除冰方法主要包括电加热除冰、气热除冰、机械除冰、气动带除冰、喷洒化学药品、涂层防冰等。

1）电加热除冰，加热元件置于叶片表面，将叶片表面温度加热到0°C以上，叶片表面出现水膜，通过离心力和叶片振动实现脱冰；

2）气热除冰，通过加热叶片内腔空气，再将热量传导至叶片外表面实现除冰；

3）机械除冰，通过机械方法将冰击碎，依靠叶片转动和气流实现脱冰；

4）气动带除冰，通过叶片前缘的膨胀管或膨胀带膨胀震碎冰层实现除冰；

5）喷洒化学药品，表面喷洒化学药品降低冰点实现防除冰；

6）涂层防冰，在叶片表面涂覆防冰涂料降低冰与叶片表面的附着力实现防冰。

防冰有限，除冰很难，目前还未有成熟有效的风机防除冰系统，单一的防除冰技术均存在一定的不足，电加热和气热除冰产生的水膜可能在叶片后缘再次冻结，且气热除冰过程需耗费大量自用电，且气热除冰在超过60 m的叶片中存在功率瓶颈；机械除冰效率低、工作强度大，还可能导致叶片损坏；气动带除冰会改变叶片表面气动性能；喷洒化学药品具有短暂时效性，但可能污染空气和土壤；涂层防冰可作为辅助手段。因此单一的防除冰技术目前尚不能从根本上解决叶片覆冰问题，也难以满足多样化的应用需求，未来的风机防除冰系统需结合各种防除冰技术的特点，如“电加热除冰+涂层防冰”、“电加热除冰+机械除冰”、“机械除冰+涂层防冰”、“气热除冰+涂层防冰”等等，根据不同地区覆冰类型及特点，制定对环境无害且经济高效的防除冰策略。