基于電加熱薄膜的風(fēng)力發(fā)電機組葉片防除冰技術(shù)研究

李忠良　韓麗娟

摘 要 風(fēng)力發(fā)電機組中的葉片覆冰問題對發(fā)電效能和氣動性能產(chǎn)生了不良影響，本文主要介紹了相關(guān)防除冰技術(shù)，包括風(fēng)力發(fā)電機葉片覆冰影響、防除冰技術(shù)現(xiàn)狀和電加熱薄膜防除冰技術(shù)的實驗仿真，希望能給相關(guān)人士提供有效參考。

關(guān)鍵詞 電加熱薄膜;風(fēng)力發(fā)電;機組葉片;防除冰技術(shù)

引言

隨著國內(nèi)能源結(jié)構(gòu)的持續(xù)優(yōu)化，在風(fēng)能方面的應(yīng)用也得到了進(jìn)一步發(fā)展，國內(nèi)的風(fēng)能資源通常在三北區(qū)域、云貴高海拔區(qū)域以及沿海地區(qū)，特別是云貴高原和三北地區(qū)，因為高緯度以及高海拔區(qū)域的地理自然條件相對較差，在冬春季低溫時節(jié)，風(fēng)機葉片容易產(chǎn)生覆冰問題，從而降低風(fēng)電機組的安全性和發(fā)電效能。

1風(fēng)力發(fā)電機葉片的覆冰影響

風(fēng)力發(fā)電機中的葉片作為風(fēng)能資源采集的重要零件，葉片高速運轉(zhuǎn)過程中，容易在結(jié)冰氣候下出現(xiàn)覆冰現(xiàn)象。冰層質(zhì)量分布為從葉根至葉尖漸漸增多的特征，葉片覆冰后，容易影響機組的正常運轉(zhuǎn)。覆冰是葉片氣動外形產(chǎn)生了直接改變，削弱了氣動性能，提升了葉片表層粗糙度，阻力提升、升力降低，風(fēng)輪的風(fēng)能吸收效率也進(jìn)一步降低。相關(guān)研究證明，覆冰形成功率損失在風(fēng)機年發(fā)電量中大概能夠占據(jù)0.005%到50%之間。葉片覆冰還容易使葉片出現(xiàn)質(zhì)量分布異?，F(xiàn)象，導(dǎo)致機組振動加劇，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)計荷載。此外，在實際運行中還會出現(xiàn)冰塊甩落現(xiàn)象，威脅到周圍人身財產(chǎn)方面的安全。相關(guān)研究證明，冰塊衰落影響區(qū)域半徑為風(fēng)輪直徑以及機組高度之和的1.5倍左右[1]。

2防除冰技術(shù)現(xiàn)狀

葉片加熱方式具體可以分成葉片表層電加熱薄膜以及葉片內(nèi)部熱風(fēng)循環(huán)兩種技術(shù)。其中熱風(fēng)循環(huán)便是于葉片根部位置設(shè)置鼓風(fēng)機、熱循環(huán)管道以及加熱管，把高壓熱氣傳輸至葉片內(nèi)，構(gòu)成一種熱循環(huán)，促進(jìn)葉片表層溫度的有效提升，實現(xiàn)防除冰目標(biāo)。該種方法主要優(yōu)勢為不會對葉片氣動性能產(chǎn)生任何影響，均勻加熱，無須進(jìn)行防雷處理，而應(yīng)用缺陷是效率低，能耗高。電加熱薄膜相關(guān)技術(shù)主要是將某種電加熱單元鋪設(shè)在葉片中，通過直接加熱的方式能夠促進(jìn)葉片表層溫度的有效提升，實現(xiàn)防除冰目標(biāo)。國外相關(guān)資料顯示，和葉尖相距三分之一的部分負(fù)責(zé)葉片90%的風(fēng)能資源采集功能，為此單純在葉尖的三分之一內(nèi)設(shè)置電加熱薄膜，便能夠?qū)崿F(xiàn)成本控制和防除冰效能雙重目標(biāo)，提高風(fēng)能資源的吸收效率。當(dāng)下國外的各個生產(chǎn)廠家都開始針對電加熱薄膜進(jìn)行了系統(tǒng)研發(fā)，開始在低溫防凍機型中進(jìn)行大面積推廣應(yīng)用。該種方法主要應(yīng)用優(yōu)勢是工作效率高，缺陷是需要專門處理雷擊相關(guān)內(nèi)容。

3電加熱薄膜技術(shù)

電加熱薄膜相關(guān)技術(shù)主要是以多層導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)位置，按照由外到內(nèi)的順序，分別是防腐樹脂及涂層、屏蔽網(wǎng)、電加熱薄膜。三層厚度總和不會超出2mm，能夠進(jìn)一步削弱防冰系統(tǒng)在葉片翼形氣動功能的不良影響。電加熱薄膜主要是由碳纖維織物復(fù)合材料制作而成的，擁有良好的熱穩(wěn)定性，同時還可以快速把熱量傳輸至葉片表層。電加熱薄膜相關(guān)厚度通常為0.5mm，同時擁有良好的抗疲勞性能和靜力應(yīng)變性能。于電加熱薄膜外部設(shè)置增設(shè)數(shù)層屏蔽網(wǎng)，能夠有效降低雷電損傷內(nèi)部的電加熱薄膜。多目屏蔽網(wǎng)連接到葉片防雷接地上，隨后順利把電流引導(dǎo)至機組接地系統(tǒng)內(nèi)。多目屏蔽網(wǎng)外部的底漆面漆以及手糊防腐樹脂相關(guān)葉片的表層涂料，能夠有效提高葉片表面整潔度和光滑度，提升葉片氣動性能[2]。

4實驗仿真

（1）薄膜效能實驗。實驗將GB7406.1-1998作為基礎(chǔ)依據(jù)，防除冰系統(tǒng)企業(yè)要求規(guī)范，在測試過程中，選擇型號為1000mm×400mm的樣品，相關(guān)額定功率是1.5kW、額定電壓是230VAC。把增設(shè)電加熱薄膜后的葉片放置在噴淋低溫實驗箱中，在實驗箱內(nèi)部問題調(diào)整為-15℃，隨后實施噴淋實驗，對葉片樣品進(jìn)行檢測，電加熱薄膜和葉片外部防腐面溫度進(jìn)行測試。葉片和冰層以及空氣和冰層接觸面之間熱平衡關(guān)系需要滿足下面公式：

其中T是葉片、冰層的接觸面溫度，臨界條件下是0°。

通過實驗，最終能夠得到以下結(jié)果：在-15℃的環(huán)境溫度下，整體濕度超出99%，啟動葉片加熱，能夠于三分鐘內(nèi)，提升加熱區(qū)域葉片表層溫度，超出2°，而60分鐘內(nèi)，葉片能夠?qū)囟确€(wěn)定于17℃左右，表層不會出現(xiàn)覆冰現(xiàn)象。

（2）雷擊實驗。初期先倒附著檢測，該種實驗?zāi)軌蛴行гu測防雷系統(tǒng)接閃實力。水平吊起或放置樣品，和地面之間維持在1米左右的距離，接閃相關(guān)裝置實施接地處理，將接地平板水平設(shè)置于地面，增加沖擊電壓，沖擊電壓相關(guān)試驗主要是以每組20次為主，在結(jié)束各組操作后，認(rèn)真觀察，分析雷擊有沒有準(zhǔn)確落于接閃器保護膜中，實驗沖擊電壓設(shè)置為100kV，進(jìn)行高壓測試。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)雷擊位置全部處于接閃器中，證明電加熱薄膜在接閃檢測中擁有良好安全性和可靠性。

（3）靜態(tài)應(yīng)變和疲勞測試。在溫度為21～25℃，濕度為45%到55%的環(huán)境下，針對實驗樣品實施靜態(tài)應(yīng)變測試以及疲勞循環(huán)測試，對電加熱薄膜、膠層以及銅網(wǎng)實際狀態(tài)進(jìn)行合理檢驗。疲勞測試中的跨距為80mm，谷值為32N，正弦荷載峰值為320N，測試頻率是5Hz。結(jié)合葉素理論，相對風(fēng)速的計算公式如下：

其中Urd是風(fēng)機葉片中任意半徑相對風(fēng)速，Um是水平風(fēng)速，Ut是切向風(fēng)速，基本單位是m/s。

試驗結(jié)束后，相關(guān)樣品表層并沒有產(chǎn)生裂痕，而電加熱薄膜以及防雷網(wǎng)表層因為維持正常操作狀態(tài)，功能薄膜和試驗樣品之間的黏結(jié)層沒有進(jìn)行有效分層，測試發(fā)現(xiàn)通電性較為正常，實驗結(jié)果能夠滿足現(xiàn)實需求。

5結(jié)束語

綜上所述，風(fēng)電葉片相關(guān)防除冰技術(shù)對于風(fēng)機運行發(fā)展具有重要影響，尤其是國內(nèi)云貴地區(qū)以及三北方地區(qū)的風(fēng)機，防除冰是其實現(xiàn)高效運轉(zhuǎn)的重要內(nèi)容，電加熱薄膜相關(guān)技術(shù)屬于防除冰方面的有效技術(shù)，同時也將會成為各個生產(chǎn)廠家的重要配置。

參考文獻(xiàn)

[1] 李程.淺談風(fēng)電機組覆冰的影響及應(yīng)對措施[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報， 2019，16（15）：93-94.

[2] 舒立春，蔣興良.風(fēng)力發(fā)電機葉片加熱循環(huán)控制除冰數(shù)值仿真研究[J].中國電機工程學(xué)報，2018，38（24）：7149-7155，7441.

作者簡介

李忠良（1990-），男，江蘇連云港人;學(xué)歷：本科，職稱：助理工程師，現(xiàn)就職單位：中復(fù)連眾（玉溪）復(fù)合材料有限責(zé)任公司，研究方向：風(fēng)機葉片制造方向