風(fēng)電葉片除冰方法理論研究

陳 陽(yáng)，薛浩鵬，郝志勇

(天津東汽風(fēng)電葉片工程有限公司 天津 300480)

人類的生存和發(fā)展離不開能源，而常規(guī)的化石能源儲(chǔ)量有限，再加上日益嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題，加快發(fā)展綠色可再生能源就顯得十分重要。風(fēng)能作為一種清潔安全的可再生能源，近幾年來發(fā)展非常迅速。

1 葉片結(jié)冰的原因及影響

我國(guó)雖然風(fēng)能儲(chǔ)備豐富，但風(fēng)資源基本分布在寒冷的北方及濕度非常大的西南和沿海地區(qū)。運(yùn)行在高濕地區(qū)的風(fēng)機(jī)，當(dāng)環(huán)境溫度降到 0,℃左右，濕空氣中的水滴撞擊到葉片外殼體表面(葉片殼體表面溫度不大于環(huán)境溫度)時(shí)，就會(huì)釋放潛熱，發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象(即凍雨結(jié)冰)，此種環(huán)境下葉片結(jié)冰，冰種多為明冰。而運(yùn)行在寒冷區(qū)域，因降雪而在葉片上發(fā)生積冰，此種冰種多為松冰(霜冰)。

葉片表面一旦結(jié)冰，一方面會(huì)影響葉片的氣動(dòng)性能進(jìn)而降低機(jī)組發(fā)電效率，甚至還會(huì)縮短葉片的使用壽命；另一方面葉片運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，當(dāng)冰層粘附力下降時(shí)極易出現(xiàn)冰塊脫落，在重力和離心力的作用下，碎冰會(huì)被拋出很遠(yuǎn)，對(duì)機(jī)組四周的人員設(shè)備等造成傷害。因此，研究葉片除冰方法是非常有必要的。[1]

2 葉片除冰技術(shù)

目前，國(guó)內(nèi)各大風(fēng)機(jī)設(shè)備制造廠商，結(jié)合各自風(fēng)場(chǎng)實(shí)際情況，并參照國(guó)外同行的除冰方法和其他行業(yè)對(duì)戶外設(shè)備結(jié)冰后的處理方式，積極探索出了一些適合自身的葉片除冰方法。

2.1 防結(jié)冰涂料

每當(dāng)下雨后，可以發(fā)現(xiàn)雨水落在荷葉上時(shí)會(huì)自動(dòng)聚集成水珠，水珠滾動(dòng)過程中會(huì)將荷葉表面的灰塵雜物粘吸滾出葉面，使葉面始終保持干凈，這就是著名的“荷葉自潔效應(yīng)”。

固體界面的潤(rùn)濕性可以用界面上水的接觸角來衡量，通常將接觸角小于 90,°的固體表面稱親水表面(hydrophilic surface)，大于90,°稱疏水表面(hydrophobic surface)，而荷葉表面就是典型的疏水表面。我們可以通過改性油漆，提高油漆涂層表面水的接觸角，讓雨水無法在葉片表面富集，這樣就可以大大降低葉片表面結(jié)冰的可能性。

研究表明，超疏水表面一般可以通過兩類技術(shù)路線來制備：一類是在低表面能的疏水材料表面上構(gòu)建微米-納米級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)；另外一類是用低表面能物質(zhì)在微米-納米級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)上進(jìn)行修飾處理。也就是說，如果能將葉片油漆在不改變自身耐沖擊、耐腐蝕、抗紫外等正常性能下，再使其擁有低表面能和粗糙的微觀結(jié)構(gòu)，就可以起到葉片防結(jié)冰的效果。這也是目前國(guó)內(nèi)一些廠家的研究方向之一，但這種防結(jié)冰涂料有較大的局限性，它并不能真正阻止葉片表面結(jié)冰，而是減少水與涂層之間的附著力，使水在外力的作用下迅速?gòu)娜~片上脫離，因此這種涂料并不適用于那些存在連續(xù)低溫雨水天氣的風(fēng)場(chǎng)葉片。

2.2 熱力除冰

熱力除冰就是利用熱能間接或直接加熱葉片殼體，使物體表面溫度超過 0,℃，以達(dá)到防冰或除冰的目的，較為常見的方式有葉片表面電阻直接加熱和葉片腔體內(nèi)間接加熱兩種。[2]

2.2.1 葉片表面直接加熱除冰

經(jīng)研究，風(fēng)電葉片殼體表面結(jié)冰主要發(fā)生在葉片前緣區(qū)域，結(jié)冰程度從葉尖到葉跟逐漸減弱。因此我們可以在葉片前緣側(cè)鋪設(shè)加熱電阻，然后在葉片內(nèi)部鋪設(shè)動(dòng)力電纜和通訊電纜，并與葉片表面的加熱元件連接成回路。葉片在運(yùn)行過程中，葉片表面加熱元件上的傳感器會(huì)收集葉片表面及四周的溫濕度等參數(shù)，通過通訊電纜將參數(shù)信號(hào)傳到葉根的控制柜，收到信號(hào)后根據(jù)情況，控制柜向加熱元件輸入電流，對(duì)葉片前緣進(jìn)行加熱，以此來達(dá)到葉片除冰效果。

這種除冰方式，需要在玻璃鋼表面額外鋪一層加熱元件。加熱材料與玻璃鋼本身的延展性不一致，在葉片運(yùn)行時(shí)，葉片發(fā)生形變，容易使加熱元件與玻璃鋼分離，使這種直接加熱除冰系統(tǒng)使用壽命降低，因此需要定期維護(hù)。此外，葉片表面安裝的傳感器等電子元器件存在被雷電擊毀的風(fēng)險(xiǎn)，一旦這些電子元件損壞，整個(gè)除冰系統(tǒng)也就失去作用，如何避免這些缺點(diǎn)，還需要更加深入的研究。

2.2.2 葉片腔體內(nèi)間接加熱除冰

間接加熱除冰系統(tǒng)是利用傳熱學(xué)原理，在葉片內(nèi)腔通熱風(fēng)，依靠熱空氣和葉片內(nèi)腔殼體表面的對(duì)流換熱和殼體的熱傳導(dǎo)方式，提升葉片外表面溫度，達(dá)到防結(jié)冰與除冰的目的。

利用鼓風(fēng)機(jī)和空氣加熱器將熱空氣通過輸送管輸送到前緣加熱區(qū)域，熱空氣由葉根流向葉尖逐漸與葉片殼體發(fā)生熱交換，熱交換后的空氣再通過葉片后緣與主梁間的空腔回流到葉根，繼續(xù)被加熱利用。

考慮到葉片運(yùn)行時(shí)，它是具有一定的轉(zhuǎn)速，且葉片內(nèi)腔的空間是有限的，所以鼓風(fēng)機(jī)和空氣加熱器的幾何尺寸不能過大，重量不能過重。因此根據(jù)葉片型號(hào)的不同，選擇一種尺寸合適并且工作功率、加熱設(shè)備出口風(fēng)壓和出口溫度、加熱時(shí)間既能滿足葉片除冰需要，又不影響葉片正常運(yùn)行的空氣加熱器，就顯得非常重要。

2.3 其他除冰方式

據(jù)報(bào)道，國(guó)內(nèi)有人根據(jù)超聲波在玻璃鋼中的傳播形式，及其對(duì)葉片表面冰層的作用機(jī)理，建立葉片除冰的物理模型與有限元模型，通過數(shù)值計(jì)算確定出了超聲波除冰的最佳頻率。[3]

3 總 結(jié)

葉片表面結(jié)冰嚴(yán)重影響了葉片機(jī)組的發(fā)電效率，長(zhǎng)期困擾北方和高濕地區(qū)風(fēng)場(chǎng)冬季風(fēng)電機(jī)組的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用的這些除冰技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，需要業(yè)主和風(fēng)電設(shè)備制造商依據(jù)不同風(fēng)場(chǎng)各自的氣候條件來選擇合適的除冰方法，在葉片運(yùn)行過程中逐漸摸索完善這些除冰技術(shù)?！?/p>

［1］王偉，侯學(xué)杰，管曉穎，等.風(fēng)電葉片除冰技術(shù)的研究進(jìn)展[J].玻璃鋼復(fù)合材料，2014(1)：90-93.

［2］何玉林，侯海波，王磊，等.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組熱交換除冰系統(tǒng)[P].中國(guó)專利：CN 102003354A，2011.

［3］譚海輝，李錄平，靳攀科，等.風(fēng)力機(jī)葉片超聲波除冰理論與方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010(35)：112-117.