浅谈风电机组覆冰的影响及应对措施
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作者:李程
摘 要：南方冬季气候低温高湿，经常遇到低温冻害天气，风力发电机叶片的覆冰对风力机组的安全稳定生产带来了重大影响，风力发电机组覆冰的不利影响体现在：计量错误、发电量降低、风机的气动特性改变，降低风机设计寿命以及安全问题等。研究有关风力机组防覆冰技术具有重要意义，防冰除冰技术也成为了风力机组如何安全度过结冰期的重点与难点。
关键词：风机叶片覆冰 不利影响 解决方法
中图分类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）05（c）-0093-02
面对日益严峻的环境问题和传统能源消耗殆尽趋势下，清洁可靠的风力发电越来越受各国的青睐。我国地域辽阔，风能资源蕴藏丰富，风能资源好的地方主要集中在西北及沿海地区，南方地区电力需求量大，有利于风电就地消纳。但是，由于南方地区风资源丰富地区都在高海拔的山区和湖泊附近，南方冬季气候低温高湿，经常遇到低温冻害天气，风力发电机叶片的覆冰对风力机组的安全稳定生产带来了重大影响，所以研究有关风力机组防覆冰技术是十分有意义的。
1 风力发电机组覆冰形成的成因
覆冰是一种由气象条件产生的物理现象。冷暖气流相遇时容易产生逆温现象，并且暖空气势力较强，云层中的冰晶在下落时，遇到暖空气转换成液态水，下降到近地面时，由于时间较短，水滴来不及冻结成雪或冰，当水滴碰到低于零度的风机叶片时，热量迅速丧失，凝结成冰，造成风机叶片覆冰。因此，风电机组覆冰形成的主要条件是要有水汽充足、存在逆温层、近地面气温低。
2 风力发电机组覆冰产生的影响
风力发电机组覆冰的不利影响体现在：计量错误、发电量降低、风机的气动特性改变，降低风机设计寿命以及安全问题等。
2.1 计量错误
风速计、风机叶片转速和温度传感器将会受到覆冰的影响。在覆冰环境中，覆冰可能会导致风速计测量值被低估。
2.2 发电量降低
在特定的情况下，严重的叶片覆冰会导致机组非正常停机，影响电力系统的稳定运行还会降低发电量。
2.3 风机的气动特性改变
叶片覆冰主要集中在前缘区域和尾缘部分，这会显著的影响叶片的形状和粗糙度，改变原有叶片的空气动力性能，导致风力发电机的功率损失。另外覆冰后叶片质量分布不均匀也会导致气动噪声增加，严重的会影响附近居民的生活。
2.4 降低风机设计寿命
风力机组覆冰将会增加叶片和塔筒结构的负荷，导致各叶片的质量分布不均，导致振幅加剧甚至叶片之间的共振，超出设计疲劳载荷。低温环境下运行会影响润滑油的低温流动性，导致机械磨损增大， 影响变速箱的寿命和风电场发电量。
2.5 安全问题
随着气温升高，覆冰的融化，运行时的风机叶片上的大块积冰被甩出可能会造成安全隐患。
3 风机防冰除冰的解决方法
叶片防冰除冰方法大多是从航空工业中借鉴而来，主要分为两大类：主动除冰和被动防冰。
3.1 主动除冰
叶片主动除冰主要有人工手动除冰、电加热除冰、微波除冰、热气除冰和机械震颤等。
3.1.1 人工手动除冰
人工除冰需要停机操作，除冰效率低下，操作危险系数高，在损失发电量的同时还存在破坏机组及叶片表面材料的风险，一般只在覆冰极严重的情况下迫不得已才采用。
3.1.2 电加热除冰
电加热除冰主要是在风机上的叶片上铺设加热元件，把电能转换成热能，将风机叶片表面温度提高到0℃以上，在叶片表面和冰层之间形成水膜，通过叶片转动的离心力和振动，将覆冰甩离叶片表面。优点是可以使叶片表面没有积冰，低温环境下风机叶片的气动效率不受影响。缺点是能耗高，需要持续消耗电能;叶片设计复杂化、成本高，要在风机叶片上预埋加热元件、转换器和电源等装置，遭受雷击的风险较大;叶片的维修维护更加困难，不过该技术还是受到很多企业的青睐。
3.1.3 微波除冰
微波除冰的原理与电加热除冰类似，在叶片的表面要铺设能够反射微波的材料，利用安装在风机叶片内部的微波装置传输微波，叶片表面吸收微波，温度升高，达到去除覆冰的目的。不过该方法辐射大，对人体有危害。
3.1.4 热气除冰
热气除冰就是在叶片的叶根内部安装加热器、鼓风机和热气管道，加热的高压热空气在叶片内部并形成循环的暖流以达到防冰除冰目的。此方法结构相对比较简单，运行可靠，但是也存在一些不足，如叶片的导热能力相对较差，加热效率相对较低，不易维修，在冰灾最严重叶片前缘部分除冰效果不好。
3.1.5 机械震颤
机械震颤就是在风机停机后利用叶片变桨电机使叶片形成加速变桨运动后再减速形成的震颤使得凝结在叶片表面上覆冰产生松弛，抖掉覆冰。但是反复启动停机可能会对风机造成损害，对风机安全运行造成隐患。
葉片被动防冰方法主要有疏水涂料法、吸热涂料法、化学药剂法等。
3.1.6 疏水涂层法
是在叶片上涂上具有抗粘附性很强的疏水涂层，保持叶片表面光洁，使得雨水或冰层不容易粘附在叶片表面。采用这种方法的成本比较低，不需要做另外的防雷电措施。不过目前很少单独使用该方法，一般都是通过结合其他叶片除冰系统一起使用，是目前应用最多的防止叶片结冰的方法， 3.1.7 吸热涂料法
是指在叶片的表面涂上黑色的吸热涂料，白天吸收阳光提高温度能缓解一定的结冰。这种方法一般适用于轻微结冰、结冰期非常短的低海拔地区，而且冬季要有很强的太阳辐射。该方法防冰效果差强人意，如果冬季出现持续低温并且连阴雨的话基本没有任何效果，而且夏季高温，黑色的玻璃钢叶片吸热会对影响叶片的性能强度。
3.1.8 化学药剂法
通过在叶片表面喷洒可以降低冰点的化学药剂以达到临时除冰的目的。该方法是借鉴于民航，用于防止机翼积冰。化学药剂具有时效性很短，无法长期的保持防冰效果，同时也会污染空气，只能作为临时除冰的一種选择。
4 结语
防冰除冰技术是风力机组如何安全度过结冰期的重点与难点。目前疏水涂层、热气除冰和电加热除冰是主要的解决方案。在覆冰严重地区，可以使用热能除冰和疏水涂层法相结合的方式增加除冰效果。覆冰较薄地区可采用更为廉价的疏水涂层法防冰。
风机叶片防冰除冰方法没有绝对的好坏之分，具体采用哪种方法除冰防冰要根据风电场所在的气候环境和风电场的投入资本的多少的情况定。同时风电站的选址和设计规划工作也非常重要。开展风资源评估，气候可行性论证，根据覆冰情况选择合适机型，以提升机组的环境适应性。与气象部门深入合作，获取该区域的关键气象信息，加强风场的气象现场监测，对覆冰情况进行评估，并以此为依据制定冬季风机运行策略更好地保护风电机组，提高利用小时数与可靠性，保证风电场的安全稳定运行。
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