风机叶片防覆冰技术研究

王国江

摘要：虽然我国北方平原地区风能丰富，但是在寒冷的冬季，风力发电的风扇叶片容易结冰，这给设备的操作带来了负担。传统的除冰方法不仅会影响电能的传输，还会影响叶片变形，设备损坏和使用寿命。各种防覆冰技术随着技术水平的提高和国际交流的增加在中国得到推广和应用。

关键词：风机叶片；防覆冰

当风力涡轮机在低于零的温度下运行时，可能会发生冻结。在叶片被冰覆盖之后，重量增加，这影响了风力涡轮机的机械性能，尤其是每个叶片上的冰负荷可能不同，这可能会增加设备运行中的不平衡负荷，大大降低了设备的利用率。冷冻叶片后，叶片各部分的厚度不同，叶片的原始设计变形，极大地影响了风力发电机的负荷和输出，遏制了风力发电机的发电效率。叶片表面的冰层可能会随时脱落并以高速飞行，这也可能给机组人员和现场人员带来重大安全风险。因此，必须对风扇叶片进行除冰和前期预防工作，以确保设备安全稳定地运行。

1风力机组受叶片覆冰的影响

1.1安全方面的影响

由于风机叶片的冻结，质量分布变得不均匀，这会增加叶片和设备其他部分的振动或共振，从而超过设计疲劳负荷。在风轮旋转过程中，叶片表面的冰会溅出，威胁附近居民的人身和财产安全。为确保人身安全，设备冷冻后，人员必须在上述计数区域之外，以防止冰坠落和人身伤害。特别是在草场中，放牧人员有避开风力发电机附近风雪的习惯，容易受到飞溅冰雪的伤害。结冰的湿滑路面很容易导致车辆制动故障，在陡峭的斜坡上的机器必须手动步行操作，掉落的浮冰很容易损坏上面的操纵站和线路。

1.2功率损失方面的影响

叶片表面上的冰会降低叶片翼型的升力，增加阻力，减小扭矩并降低风能转换效率。除了较大的不平衡质量载荷外，在叶片表面冻结后还会产生较大的空气动力学载荷。随着风速继续增加，叶片速度和转矩会非常缓慢地增加，叶片将失速，这可能导致较高风速时转子速度降低。随着风速的增加，叶片的迎角增加，翼型的阻力系数继续增加，叶片和单元可以承受较大的载荷，而且当叶片冻结时，翼型的升力系数减小，并且沿叶片的拍打和摇动方向的空气动力阻尼比正常情况低得多。如果这种振动位移缓慢增加，则设备会停止运行；如果这种振动位移迅速增大，则设备会损坏。当叶片的升力系数减小而阻力系数增大时，叶片的功率系数会显着降低，这会大大降低设备在冻结条件下产生的功率。叶片的冻结增加了表面粗糙度并降低了原始叶片的空气动力学性能。如果结冰增加，扭矩可能会从正扭矩下降到零或负扭矩，从而导致设备停机并严重影响设备的发电量。根据相关研究，由于冻结而造成的功率损耗占年发电量的百分之五至四十。

2.产生覆冰叶片的原因及覆冰区域

叶片上的冻结是一种物理现象，其中空气中过冷的微滴被捕集在设备表面，然后在表面冻结。冰涂层的厚度和形状取决于空气中的水分含量，液滴的体积直径，环境温度，风速持续时间及叶片帘线长度。早期的风力涡轮机叶片冻结区域研究主要用于现场实验，叶片的前缘最易结冰，并且最粗糙。通过计算流体力学进行了水平轴风力发电机叶片翼型霜状冰积聚的数值模拟发现撞击叶片表面的水滴立即在尖端附近冻结，冰涂层在该区域的厚度最大，并且由于翼型前端周围的流动，大多数水滴在翼型的下部冷凝。

3.风力机组叶片防覆冰可取措施

3.1溶剂防冰措施

在叶片表面上喷涂乙二醇，异丙醇，乙醇和其他防冻剂，并与附着在风扇叶片表面的水混合。由于混合溶液的凝固点大大降低，叶片表面的水容易冻结。该防结冰方法简单且易于实施，但是由于有效时间短，防冻剂的量大并且在严酷的冷冻条件下除冰效果差，因此仅是一种临时防冰方法。

3.2机械除冰

机械除冰可分为使用振动和超声波方法的间接制冰方法，以及敲击法等直接制冰方法。国内外许多专利和出版物都反映了这一方式。振动主要用于通过在叶片上形成加速和减速状态来摇动叶片上的冰。对于大型风力涡轮机，叶片根部的振幅很小，这很难实现。超声波除冰主要是通过在风力涡轮机叶片上设置多个声波角来完成的，这可能导致叶片在启动时振动，从而导致冰块掉落。

3.3冰加热

加热叶片使用各种方法加热并提高叶片的表面温度，防冰和除冰的目的就能实现。加热可以使用电能，微波或热气体。电加热除冰系统由电加热元件，电源和内置在风扇叶片中的控制单元组成。

3.3.1表面加热技术

这意味着叶片内部的热空气或其他辐射源被加热，然后热量通过壳体传递到叶片的外表面，以实现叶片的融冰。微波制冰使用微波加热叶片表面，大大降低了冰层在叶片表面上的结合力，然后依靠叶片旋转产生的离心力和空气动力来制冰。热风除冰由鼓风机，加热器和位于叶片根部的管道组成，并使用暖风防止冰和除冰。高压热风通过管道送至叶片，形成热风通道，提高叶片表面温度，达到防冻除冰的目的。

3.3.2加热电阻技术

当在刀片上放置电阻加热元件并将其打开时，电阻元件会将电能转换为热能，从而增加了刀片的表面温度。叶片尖端的三分之一部分可确保捕获九成的风能，而其余部分对功率输出的贡献很小。因为加热元件的成本高，所以加热元件开始被放置在从叶片的尖端到叶片的尖端的三分之一部分中。

3.4热能与机械除冰结合方式

除了纯机械除冰和热除冰外，还有一种结合了热能除冰和机械除冰的除冰方法。即空气加热系统由感测设备控制，并且热空气被输送到叶片内部。当检测器检测到产生液态水时，叶片首先加速，然后减速以产生振动并摇动冰层。热和机械除冰措施的主要问题是需要一定数量的能量和特殊的支持设施。

3.5特殊涂层防冰

特殊的涂层除冰功能可减少冷冻物和涂层表面之间的附着力。当前，主要有两种类型的涂料：光热涂料和疏水涂料。

光热涂层在叶片表面上涂黑色涂料，以吸收白天的阳光光能，从而提高叶片表面温度以达到特定的除冰效果。这种方法在冬天由于吸收日光不足不会显着提高叶片表面的温度，因此不足以防止叶片冻结。总体而言，该方法具有不可靠的除冰效果。

疏水涂层通过在叶片表面上涂覆丙烯酸，聚四氟乙烯等特定材料来改变叶片表面的化学成分或微观结构，从而降低表面吸附性能，并且削弱了冰层和涂层之间的粘附力。当水滴撞击涂层表面时，水滴由于涂层的疏水作用而滑动，在涂层表面上不留水并发挥除冰作用。当前，对纳米复合材料涂层的研究越来越多，当将纳米颗粒添加到聚合物涂层中时，纳米复合材料与水之间的接触角增加，这有利于抑制冻结。这种方法的成本便宜，并且叶片的日常维护相对简单。但防冰涂层不能防止涂层表面冻结，即使在寒冷的天气条件下，在使用一段时间后，涂层中会形成孔，水会渗入导致防冰功能丧失。

4结论

合理使用防冰技术可使风电设备在极端寒冷的气候中也能保持稳定的运行，从而确保电源的稳定性。在实际应用中，有必要积极寻求新技术和方法来促进风能技术创新和发展。

参考文献：

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[2]田鹏辉.风力机组叶片防覆冰技术发展现状[J].电器工业，2013,15(05):62-65.

[3]周鹏展.大型风力机叶片气动分析[J].中南大学学报（自然科学版），2010，41（05）：202-207.

作者简介：王国江、出生年月：1983年12月5日、性别：男、籍贯：四川、 民族：汉、职称：高级工程师、学位：学士学位、研究方向（与工作相关）：输变电勘察设计.