張家川風(fēng)電場(chǎng)覆冰環(huán)境制約機(jī)理研究

文 | 董海萍，陳宇升，董建兵，丁瀅

隨著風(fēng)能產(chǎn)業(yè)在世界范圍內(nèi)的迅速發(fā)展，風(fēng)電場(chǎng)因機(jī)組覆冰停機(jī)所造成的發(fā)電量損失也日益凸顯。低溫冰凍對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的影響主要表現(xiàn)在風(fēng)電機(jī)組、集電線(xiàn)路、設(shè)備和道路上。比如，覆冰使得葉片質(zhì)量分布不均，葉片結(jié)構(gòu)和形狀發(fā)生改變、負(fù)載增大，風(fēng)電機(jī)組機(jī)翼的空氣動(dòng)力損失增大；覆冰使得導(dǎo)線(xiàn)產(chǎn)生張力差，導(dǎo)線(xiàn)電氣間隙減小，導(dǎo)致閃絡(luò)發(fā)生；低溫條件會(huì)使風(fēng)電機(jī)組中潤(rùn)滑油的流動(dòng)性降低，液壓系統(tǒng)無(wú)法正常工作，齒輪箱系統(tǒng)和偏航系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行阻力增大等。國(guó)外非常重視葉片覆冰問(wèn)題的試驗(yàn)研究，在風(fēng)洞中進(jìn)行了大量針對(duì)葉片或者翼型的覆冰試驗(yàn)，研究了不同氣象條件下的覆冰類(lèi)型、覆冰強(qiáng)度、覆冰對(duì)翼型氣動(dòng)特性的影響和防覆冰方法。由于我國(guó)風(fēng)電發(fā)展時(shí)間較短，試驗(yàn)設(shè)備尚不完善，尤其缺乏對(duì)葉片覆冰進(jìn)行物理模擬的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室，因而國(guó)內(nèi)有關(guān)風(fēng)電機(jī)組葉片覆冰的試驗(yàn)研究成果較少。

眾所周知，風(fēng)電場(chǎng)大多坐落于高原、山脊、山頂?shù)雀吆０魏涞貐^(qū)和風(fēng)能資源豐富的高緯度地區(qū)。如中國(guó)的“三北”（東北、西北、華北）地區(qū)是風(fēng)能儲(chǔ)量最多，但同時(shí)也是冷空氣入侵最多的區(qū)域。其中，西北地區(qū)由于遠(yuǎn)離海洋，屬于大陸溫帶氣候，干旱少雨。一般認(rèn)為該地區(qū)冬季雖寒冷，但由于水汽不足不會(huì)發(fā)生覆冰現(xiàn)象。但從近年來(lái)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行狀況可知，某些地區(qū)受局地小氣候影響，濕度較大，往往是覆冰高發(fā)區(qū)。

甘肅張家川風(fēng)電場(chǎng)自投運(yùn)以來(lái)，冬半年覆冰較為嚴(yán)重，已是造成發(fā)電量損失最大的因素。本文主要從地理和氣象環(huán)境分析成因，揭示該風(fēng)電場(chǎng)冬半年冰凍的環(huán)境機(jī)制，并通過(guò)覆冰發(fā)生時(shí)溫度和濕度的相關(guān)關(guān)系建立覆冰模型，為評(píng)估覆冰環(huán)境和避免類(lèi)似現(xiàn)象的發(fā)生提供可循經(jīng)驗(yàn)。

風(fēng)電場(chǎng)地理環(huán)境特征

張家川風(fēng)電場(chǎng)位于甘肅省張家川回族自治縣東北方向的山脊上，海拔高度約2500m。風(fēng)電場(chǎng)自2016年6月投運(yùn)以來(lái)，每年約10月初開(kāi)始發(fā)生覆冰，一直持續(xù)至第二年3月才基本結(jié)束，覆冰周期長(zhǎng)且嚴(yán)重（圖1），由此給風(fēng)電場(chǎng)造成較嚴(yán)重的發(fā)電量損失。

風(fēng)電場(chǎng)覆冰的發(fā)生與其所處的地理位置和地形、地貌是密不可分的。張家川回族自治縣雖然位于我國(guó)西北，遠(yuǎn)離海洋，但卻是東南、西南季風(fēng)交互影響的邊緣地帶，獨(dú)特的地理環(huán)境形成了冬季濕潤(rùn)的氣候特點(diǎn)。

由項(xiàng)目所在地及其周邊地形高度（圖2）可知，張家川風(fēng)電場(chǎng)位于六盤(pán)山向南延伸的山脊上。風(fēng)電場(chǎng)北部為地勢(shì)較高的黃土高原，西側(cè)為青藏高原的西北延伸區(qū)域，只有南側(cè)為地勢(shì)較低的區(qū)域，且有東-西向的渭河流域，沿著渭河河谷向東延伸，故張家川為西、北、東三面地勢(shì)較高，南部地勢(shì)略低且有峽谷的地形地貌。

冬半年，從西北向東南移動(dòng)的北部干冷空氣，由于受到六盤(pán)山和北部地勢(shì)較高黃土高原的阻擋，其一般沿著六盤(pán)山的東側(cè)地勢(shì)較低處向南或向東移動(dòng)；北上的東南部暖濕氣流，會(huì)受到北部隴山阻擋而蓄積在地勢(shì)相對(duì)較低處，且部分暖濕氣流沿著渭河河谷向西侵入，使張家川局部地區(qū)的濕度增加；西南暖濕氣流也可沿著嘉陵江北上，進(jìn)入渭河以北地區(qū)。此外，渭河本身也使張家川局部地區(qū)的濕度增加，由此形成該地冬半年濕潤(rùn)的環(huán)境特征。

張家川冬半年霧的形成和持續(xù)是冰凍嚴(yán)重的最顯著表現(xiàn)。當(dāng)白天溫度上升時(shí)，空氣中可容納較多的水汽。隨著夜間溫度下降，空氣容納水汽的能力隨之降低，部分水汽凝結(jié)成霧。特別是在秋、冬、春季節(jié)，由于夜間時(shí)間長(zhǎng)，地面散熱較夏季更迅速，使得近地面空氣中的水汽達(dá)到飽和而凝結(jié)成小水珠，形成霧。張家川風(fēng)電場(chǎng)的冬半年濕度較大，隨著氣溫逐漸降低，空氣中的水汽凝結(jié)，使得該風(fēng)電場(chǎng)冬半年（特別是在晚間）大多處于云霧籠罩中，致使覆冰持續(xù)發(fā)生，造成嚴(yán)重的發(fā)電量損失。

風(fēng)電場(chǎng)氣象環(huán)境特征

眾所周知，冰凍現(xiàn)象發(fā)生在一定的環(huán)境條件下，特別是與濕度、溫度、風(fēng)速和天氣狀況密切相關(guān)。由于沒(méi)有針對(duì)張家川風(fēng)電場(chǎng)環(huán)境濕度的觀(guān)測(cè)資料，故本文通過(guò)對(duì)其周邊—位于項(xiàng)目西南的張家川縣城氣象站的長(zhǎng)年觀(guān)測(cè)資料進(jìn)行分析，進(jìn)而探尋冬半年發(fā)生嚴(yán)重冰凍現(xiàn)象的成因機(jī)制。該氣象站與風(fēng)電場(chǎng)相距約15km，海拔高度差約450～650m，基本能反映風(fēng)電場(chǎng)的環(huán)境特征變化。

一、溫度和濕度變化特征

從張家川近5年溫度和濕度的關(guān)聯(lián)度，以及高濕和低溫天數(shù)的逐月統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（圖3-圖5）可看到，冬半年非常有利于冰凍發(fā)生。

由圖3可知，張家川全年平均濕度都保持在較高的數(shù)值（除春季約為56%外，其余月平均濕度都在60%以上）：進(jìn)入春季后，濕度降低幅度較大，其中，4月最小，平均為55.3%；進(jìn)入秋季后，濕度逐漸增加，9-11月的平均濕度可達(dá)70%以上，其中，10月的濕度最大，平均為75%。與此同時(shí)，逐月平均溫度呈正常的季節(jié)波動(dòng)，7月的平均溫度最高，為21.7°C；1月的平均溫度最低，為-3.1°C；10月至次年2月，濕度較大而溫度較低，有利于冰凍發(fā)生。

由圖4可知，該地區(qū)的溫度和濕度在一天中隨時(shí)間的演變呈反向關(guān)系，即隨著溫度降低，濕度呈增加趨勢(shì)。濕度和溫度約在8-9時(shí)分別達(dá)到一天中的最大值及最小值，而約在16時(shí)分別達(dá)到一天中的最小值及最大值。隨著傍晚臨近，濕度增加而溫度降低，約在20時(shí)濕度增大至60%以上，溫度下降至-1°C以下；約在24時(shí)后，濕度增大至70%以上，溫度下降至-4°C以下，非常利于冰凍產(chǎn)生。這與張家川風(fēng)電場(chǎng)在冬半年期間，隨著夜晚臨近，云霧逐漸加重的天氣狀況相一致。

由圖5可知，在每年的10月，高濕度天數(shù)達(dá)到最大值，環(huán)境平均濕度大于70%、80%和90%的天數(shù)分別為30天、28天和21天。與此同時(shí)，溫度低于2°C和0°C的天數(shù)分別為6天和3天。由此可知，張家川自10月開(kāi)始，就有冰凍現(xiàn)象發(fā)生，即年冰凍發(fā)生時(shí)間較早。進(jìn)入冬季（11月、12月和1月）后，高濕和低溫天數(shù)都保持較高數(shù)值。11月濕度大于70%、80%和90%的天數(shù)分別為28天、25天和17天，溫度低于2°C、0°C的天數(shù)分別為20天和16天；12月濕度大于70%、80%和90%的天數(shù)分別為29天、22天和10天，溫度低于2°C、0°C的天數(shù)分別為30天和29天；1月濕度大于70%、80%和90%的天數(shù)分別為26天、19天和5天，溫度低于2°C、0°C的天數(shù)分別為31天和30天。2月和3月也有一定天數(shù)的高濕和低溫天氣。由此可見(jiàn)，自10月至次年3月，特別是12月至次年1月是冰凍的高發(fā)期，隨著溫度上升，至4月冰凍基本結(jié)束。

表1 2016-2019年冬半年出霧天數(shù)和風(fēng)電場(chǎng)因冰凍損失的發(fā)電量

表2 覆冰較大概率發(fā)生時(shí)溫度和濕度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

二、風(fēng)速與出霧天數(shù)變化特征

從張家川氣象站近5年大于3m/s以上的風(fēng)速（10m高度）占比逐月演變趨勢(shì)（圖6）可看到，大于3m/s以上的風(fēng)速在春季占比較高。其中，5月出現(xiàn)該風(fēng)速的概率最大，約占整月風(fēng)速段的22%，其次是4月和3月；12月出現(xiàn)大于3m/s以上風(fēng)速的概率最小，約為8%，其次是11月，即總體上冬季風(fēng)速較小，春季風(fēng)速較大。風(fēng)速較小有利于霧氣產(chǎn)生并持續(xù)下去，這也是張家川冬季濕度較大、云霧天氣多發(fā)的原因之一。

從張家川氣象站近5年逐月平均出霧天數(shù)（圖7）可看到，冬半年出霧天數(shù)明顯大于夏半年，特別是11月、12月和1月，霧天概率較大；每年自9月開(kāi)始，霧天逐漸增多，12月達(dá)到最大值—半月以上都為霧天。從風(fēng)電場(chǎng)2016-2019年冬半年（1月、2月、11月、12月）出霧天數(shù)和風(fēng)電場(chǎng)因冰凍損失發(fā)電量的對(duì)比關(guān)系（表1）可看到，每年風(fēng)電場(chǎng)因冰凍損失的發(fā)電量與冬半年出霧天數(shù)有較好的一致性，說(shuō)明霧天多、濕度大是導(dǎo)致張家川風(fēng)電場(chǎng)冬季冰凍的直接原因。

覆冰評(píng)估及措施

一、覆冰模型建立

產(chǎn)生覆冰的環(huán)境條件是比較復(fù)雜的，除與溫度和濕度密切相關(guān)外，還與風(fēng)速和當(dāng)時(shí)的天氣現(xiàn)象有關(guān)。我國(guó)覆冰類(lèi)型主要分為云霧型和降水型，云霧型覆冰一般發(fā)生在低溫且濕度較高的情況下，風(fēng)速較?。唤邓透脖话惆l(fā)生在凍雨或濕雪等較強(qiáng)烈的天氣過(guò)程中，風(fēng)速變化范圍較大。從上述風(fēng)速與霧天變化特征可知，張家川屬于云霧型覆冰。

通過(guò)分析機(jī)組因覆冰停機(jī)的數(shù)據(jù)可知，當(dāng)覆冰發(fā)生時(shí)，溫度和濕度一般滿(mǎn)足一定的相關(guān)關(guān)系。表2為張家川風(fēng)電場(chǎng)較大概率發(fā)生覆冰時(shí)溫度和濕度的對(duì)應(yīng)值，建立合適的回歸方程對(duì)二者的關(guān)系進(jìn)行描述：Y=95.069×exp(0.0198X)，其中Y為濕度，X為溫度?？筛鶕?jù)該關(guān)系式預(yù)判風(fēng)電場(chǎng)覆冰發(fā)生的時(shí)間節(jié)點(diǎn)和概率。

二、應(yīng)對(duì)措施探討

對(duì)于覆冰較為嚴(yán)重的風(fēng)電場(chǎng)，采用為葉片加裝電阻絲的加熱除冰模式是解決冬季覆冰的方案之一，但這也會(huì)增加雷擊事故的發(fā)生概率。在張家川地區(qū)，夏季由于西南和東南暖濕氣流的影響，北部800～2000m的隴山阻擋了東來(lái)的水汽，使張家川獲得相對(duì)較多的降水，不穩(wěn)定天氣也時(shí)有發(fā)生。近5年張家川每年都有雷電發(fā)生（一般集中在6、7、8三個(gè)月，且最早在4月底、最晚在10月初也有雷電現(xiàn)象的發(fā)生），故采用在葉片上加裝電阻絲的加熱除冰方式在此地不適用。

由圖6可知，風(fēng)速最大的是春季，其次為夏季，冬季風(fēng)速最小，故可多利用風(fēng)速較大的春季和夏季發(fā)電，以減少冬季冰凍所造成的全年發(fā)電量損失。

結(jié)論

通過(guò)對(duì)覆冰較為嚴(yán)重的張家川風(fēng)電場(chǎng)的地理環(huán)境和氣象環(huán)境進(jìn)行分析，并建立覆冰模型以及探討覆冰的解決措施可知：

（1） 張家川地區(qū)為西、北、東三面地勢(shì)較高，南部地勢(shì)略低且有峽谷的地形地貌，東南和西南暖濕氣流北上，以及渭河流域的存在，都為該地區(qū)冬半年濕潤(rùn)的環(huán)境特征提供有利條件。

（2） 張家川地區(qū)全年濕度呈現(xiàn)冬半年大于夏半年，且在一天中溫度和濕度隨時(shí)間演變呈反向關(guān)系特征，冬季夜晚是覆冰的高發(fā)期。

（3） 張家川風(fēng)電場(chǎng)因覆冰損失的發(fā)電量與冬半年出霧天數(shù)有較好的一致性，說(shuō)明霧天多、濕度大是導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)冬季覆冰的直接原因。

（4） 風(fēng)電場(chǎng)覆冰發(fā)生時(shí)溫度和濕度有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可通過(guò)溫度和濕度的關(guān)系式預(yù)判覆冰發(fā)生的時(shí)間節(jié)點(diǎn)和概率。

（5） 由于每年4-10月都有雷電發(fā)生，故不宜采用葉片加熱的除冰方式，但可盡量多地利用風(fēng)速較大的春季和夏季發(fā)電，以減少冬季冰凍所造成的全年發(fā)電量損失。