科普丨風電機組葉片如何防除冰？有哪些防治措施？

風電葉片作為風力發(fā)電機組中最基礎和最關鍵的部件，伴隨秋冬氣溫下降，或一些地方海拔高、濕度大、溫度低，以及受早晚溫差、空氣中水汽含量變化和氣溫持續(xù)偏低等環(huán)境因素影響，風電機組葉片表面可能出現(xiàn)結冰問題。

葉片覆冰后，葉片氣動特性改變、機組動態(tài)荷載增加，會對風電場安全運行和經(jīng)濟效益產(chǎn)生負面影響。由于氣候環(huán)境和地形條件的不同，風機葉片會形成類型不同、形狀各異的覆冰，不同區(qū)域的覆冰過程和特征也會存在很大差異，由此對應的預防結冰和除冰措施也不同。

風電機組葉片覆冰機理

一、覆冰形成原因

1、氣象條件

風電機組葉片覆冰的氣象條件主要包括環(huán)境溫度、空氣濕度、風速、過冷卻水滴、凝結高度。當氣溫低于冰點時，過冷卻水滴會在葉片表面結冰，形成覆冰。此外，風速、風向和空氣濕度等氣象因素也會對覆冰的形成產(chǎn)生影響。

2. 葉片設計

葉片的設計也會影響覆冰的形成。例如，葉片的形狀、材料和表面涂層等因素都會影響水滴在葉片表面的附著和結冰過程。如果葉片表面存在粗糙或不平整的地方，容易使水滴附著并形成覆冰。

3. 運行環(huán)境

運行環(huán)境也會對覆冰的形成產(chǎn)生影響。例如，風電機組所處的地理位置、海拔和周圍環(huán)境等因素都會影響機組葉片的氣象暴露條件。在某些地區(qū)，由于地形和氣候等因素的影響，機組葉片更容易受到覆冰的影響。

（資料圖：大梁子風電場雪景）

二、葉片表面結冰機制

葉片表面出現(xiàn)結冰的現(xiàn)象，是水在特定環(huán)境之下產(chǎn)生的物相變化，只要是溫度不足0℃水就會發(fā)生結冰的現(xiàn)象，這是自然規(guī)律、是無法改變的。在規(guī)定條件之下，空氣過冷造成的水滴和風機葉片出現(xiàn)碰撞而導致凝結成冰，葉片表面的結冰形式中一般是過冷水滴成冰。

過冷水滴主要指在環(huán)境處于0℃以下時依然以液態(tài)存在的水滴。環(huán)境中的氣壓不同，水的汽、液、固的狀態(tài)也會有明顯的變化，標準大氣壓水的結冰溫度為0℃，環(huán)境氣壓增大結冰的溫度會逐步降低，所以在低于0℃的情況下也會存在液態(tài)水。大氣層中的過冷水滴穩(wěn)定性很差，如果環(huán)境出現(xiàn)變化，過冷水滴會快速凝結而轉化為冰。

風電機組葉片表面撞擊到存在過冷水滴的空氣時，水滴因撞擊會直接在葉片的前緣迎風面的位置上，過冷水滴的內部平衡被破壞，使得過冷水滴的結冰溫度變高，更易在風電機組葉片的表面結冰。風電機組葉片表面結冰的發(fā)生是耦合相變復雜傳熱的階段，因為葉片表面溫度要低于冷水滴的溫度，所以在過冷水滴撞擊葉片時，會快速的吸收水分而經(jīng)過凝固之后釋放熱量，然后過冷水滴在葉片表面迅速成冰。

風電葉片覆冰類型

葉片表面結冰主要有雨凇、霧凇和混合凇三種類型。

雨?。?/strong>如過冷水滴直徑相對較大，在和葉片出現(xiàn)碰撞后，水滴先散開成水膜后迅速凝結成冰凌。此類覆冰一般環(huán)境溫度在0～5℃時出現(xiàn)，空氣濕度較大的條件之下，葉片表面會出現(xiàn)透明的硬度較高的冰層。此類冰層密度較大，附著力強。

霧?。?/strong>過冷水滴的直徑較小，在空氣中漂浮運動，撞擊葉片后快速形成冰凌，以干增長方式存在。一般在環(huán)境溫度低于-5℃時，空氣內水含量很少，晶體的形狀是不規(guī)則的，極易在不光滑的葉片表面形成冰面，其質地疏松、密度小、粘附力不足。

混合凇：過冷水滴的直徑不同，空氣內漂浮運動，在與葉片接觸后快速成冰，有些為干增長、有些則為濕增長。冰內部以半透明的形式存在，密度中等，一般是出現(xiàn)在葉片迎水面，附著力較大。山區(qū)地帶中風速較高的條件下，從云中來的冰晶會有一些大小中等的地面霧存在，通常環(huán)境溫度在-10～-3℃之間時出現(xiàn)。

因此，葉片表面極易出現(xiàn)霧凇、混合淞的形式。此外，葉片的長期運行之下，表面會存在較多的污漬、前緣腐蝕、葉片粗糙度過大等問題，也會導致葉片出現(xiàn)覆冰的問題。

（資料圖：龍源電力）

葉片覆冰對風電機組的影響

結冰對風力發(fā)電機可能產(chǎn)生多方面的影響。常見的影響如下：

1. 降低發(fā)電效率

葉片覆冰會增加葉片的重量和阻力，導致風電機組的發(fā)電效率降低。同時，覆冰還會改變葉片的氣動性能，使風電機組的輸出功率不穩(wěn)定，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

2. 加劇機械磨損

葉片覆冰會導致風電機組的機械部件承受更大的負荷，加劇機械磨損和損壞。這不僅會影響風電機組的正常運行，還會增加維護成本。

3. 停機

如果結冰情況嚴重，風力機可能會被迫停機以避免進一步損壞。結冰的葉片可能不再平衡，造成旋轉不穩(wěn)定，從而對風力發(fā)電機的安全性造成威脅。

4. 增加安全隱患

葉片覆冰會增加風電機組的安全隱患。在極端天氣條件下，覆冰可能導致葉片斷裂、機組倒塌等嚴重后果，對人們的生命財產(chǎn)安全構成威脅。

（資料圖：中國三峽能源）

風機葉片防除冰方法與技術

一、防冰技術

（1）超疏水涂層法

超疏水涂層法就是讓風機葉片表面不沾水從而實現(xiàn)不結冰超疏水的現(xiàn)象其實很常見，比如大家都知道的“荷葉效應”水滴落在荷葉表面后不能將荷葉潤濕而是會形成水球滾落。

（2）光熱涂料法

在風力機葉片表面噴涂光熱涂料，在可見光下 充分發(fā)揮光熱轉換特性，充分吸收太陽輻射，提高葉片表面溫度，延緩表面冰層的形成時間，起到一定程度的防冰作用。同時，操作簡單，不用引入其他復雜體系，且可以適用于在役葉片，成本相對較低． 光熱涂料的應用具有顯著的地域局限性，只能應用 在低覆冰頻率、短覆冰期、環(huán)境溫度在０°Ｃ以上或強太陽輻射地區(qū)，一定的時間年限需要進行維護，且冬季無法有效防冰，夏季卻有葉片過熱的危險。

（3）化學溶劑法

在風力機葉片表面通過噴涂化學溶劑降低冰的凝固點，能夠緩解表面覆冰以及加速表面融冰， 除冰效率相對較高，但無法長時間停留在葉片表 面，不能完全抑制覆冰或主動除冰．常見的化學溶劑 有甲醇、乙醇、乙烯乙二醇，其有效防冰時間短，需要定期維護，現(xiàn)階段防冰成本過高，且由于脫冰會造成環(huán)境污染，該技術目前主要用于飛機覆冰，無法廣泛應用在風力機防冰。

（資料圖：十局機電）

二、除冰技術

（1）氣熱法

氣熱是在葉片中安裝加熱和鼓風裝置，利用熱氣在風機葉片空腔中的流動來傳遞熱量、融化冰層，相當于給葉片內配上了“空調”。

（2）電加熱法

電熱是在葉片上安裝導電材料，將電能轉化為熱能，讓風機葉片自帶“電熱毯”，加熱葉片實現(xiàn)除冰。

（3）電磁波束法

電磁波束法除冰分為微波法除冰、電磁脈沖法除冰、激光除冰。微波除冰技術主要通過加快翼型表面分子熱運動，提高風力機葉片表面溫度，達到融冰效果；電磁脈沖技術對電磁圈進行持續(xù)通電、斷電操作，利用電磁感應原理振動除冰。激光除冰具有遠距離、定向、非接觸除冰、高除冰效率、大面積除冰的特點，高功率激光光束照射在覆冰層，厚冰層吸收輻射能量快速融化或升華，并經(jīng)激光切割成冰小塊，在自然風力、重力作用下實現(xiàn)自然除冰。因此，激光除冰方法能夠作為一種重要的除冰技術廣泛應用于風力機葉片除冰領域。

（4）超聲波法

超聲波是大于20kHZ的空氣振動，利用超聲波造成液體內部的應力負壓或者熱毛細現(xiàn)象可以改變液滴的潤濕狀態(tài)，避免潤濕態(tài)粗糙表面導致超疏水疏水性降低、滾動角變大甚至結冰出現(xiàn)錨固現(xiàn)象。有實驗表明，當對表面外加超聲振動后，表面能克服能壘由潤濕狀態(tài)回到疏水狀態(tài)，同時超聲振動可以促進液滴的自遷移并盡可能多的發(fā)生合并跳走。在4℃露點液化時，通過空氣振動填充固體粗糙縫隙使得固體表面能變低，回到超疏水特性，使得液滴由潤濕狀態(tài)回到疏水狀態(tài)，液滴滾落憎水防冰，這種方法需要的能量很低而且便于實現(xiàn)。所以在葉片界面的施加超聲能量使得超疏水涂層恢復超疏水性能，是涂層法防覆冰的有效措施。

（5）氣動脈沖除冰方法

在葉片表面結冰后，通過向扁平管道沖入高壓氣體使其膨脹。膨脹后的管道通過彈性層使葉片鋁合金蒙皮表面產(chǎn)生微小撓度。

當表面撓度達到一定程度時，冰層會在彎曲力和剪切應力的作用下破碎和脫落。在停止充氣后，過剩的高壓氣體會從充氣管道兩端逸出到大氣中，葉片表面會在彈性層的作用下恢復平整狀態(tài)，整個過程持續(xù)時間不超過1s。

（6）機械法

機械法除冰是一項效率高、能耗低的除冰技術，因而得到了廣泛應用。與能耗高的電加熱法、氣熱法除冰相比，即使只有3%的除冰效率，也能達到30~100倍的除冰效果。

機械法除冰主要分為人工除冰與機械設備除冰２種，其中人工除冰只能在停機狀態(tài)下實現(xiàn)，存在甩冰的安全隱患，不建議采取。機械設備除冰工作原理是，在直升飛機或無人機上安裝氣體壓縮設備，利用壓縮氣體沖擊葉片結冰表面，促使表面冰層破裂，實現(xiàn)物理除冰。

風電機組葉片防治措施

1. 氣象監(jiān)測與預警

為了及時發(fā)現(xiàn)和應對覆冰現(xiàn)象，應加強氣象監(jiān)測和預警工作。通過安裝氣象監(jiān)測設備，實時監(jiān)測機組運行環(huán)境的氣象條件，及時發(fā)布預警信息，為風電機組的運維人員提供決策支持。

2. 葉片設計與優(yōu)化

針對葉片設計對覆冰的影響，可以通過優(yōu)化葉片形狀、材料和表面涂層等方式，降低水滴在葉片表面的附著和結冰概率。例如，采用具有疏水性能的涂層材料，可以減少水滴在葉片表面的停留時間，降低覆冰的風險。

3. 運行控制與調度

在機組運行過程中，可以通過調整機組的運行參數(shù)和調度策略，降低葉片覆冰的風險。例如，在低溫高濕的氣候條件下，可以適當降低機組的運行功率，減少葉片的氣動負荷，從而降低覆冰的概率。

4. 除冰技術

對于已經(jīng)形成的覆冰，可以采用除冰技術進行處理。目前常用的除冰方法包括熱力除冰、機械除冰和化學除冰等。熱力除冰通過加熱葉片表面，使覆冰融化脫落；機械除冰則利用機械裝置對葉片表面進行刮除；化學除冰則是利用化學試劑降低冰點，使覆冰自行脫落。在實際應用中，需要根據(jù)機組的具體情況和運行環(huán)境選擇合適的除冰方法。

總之，風電機組葉片覆冰是一個復雜的氣象現(xiàn)象，需要綜合考慮多個因素進行防治。通過加強氣象監(jiān)測與預警、優(yōu)化葉片設計、調整運行控制與調度以及采用除冰技術等措施，可以有效降低葉片覆冰的風險，保障風電機組的穩(wěn)定運行和電網(wǎng)的安全供電。