風(fēng)力發(fā)電機葉片結(jié)冰檢測及防除冰技術(shù)綜述

孫永朋 關(guān) 新 劉傳寶 王 哲

1.沈陽工程學(xué)院能源與動力學(xué)院

2.沈陽工程學(xué)院新能源學(xué)院

0 引言

風(fēng)能是全球開發(fā)最廣泛的可再生能源之一，由于具有清潔無污染、分布廣泛的特點，受到世界各國的關(guān)注。風(fēng)電機組在運行過程中也出現(xiàn)了諸多問題，其中寒冷地區(qū)的風(fēng)力發(fā)電機葉片結(jié)冰便是其中之一。我國風(fēng)能資源豐富，但由于地域遼闊及地理位置的不同，風(fēng)能分布不均勻，多數(shù)優(yōu)質(zhì)風(fēng)能資源集中在東北、華北、西北等氣候寒冷的地區(qū)，所以風(fēng)力發(fā)電機葉片面臨著一定程度的覆冰現(xiàn)象。葉片結(jié)冰不僅改變空氣動力學(xué)特性，使其表面粗糙度增加，降低翼型升力、增加阻力，還進而影響風(fēng)力機風(fēng)輪捕獲風(fēng)能的能力，減少其出力效果。此外，葉片表面覆冰，將引起風(fēng)輪葉片質(zhì)量不平衡，進而對風(fēng)輪主軸產(chǎn)生附加扭矩，這將改變?nèi)~片的固有頻率和運行可靠性，甚至將促使塔筒與風(fēng)輪之間產(chǎn)生共振現(xiàn)象，造成風(fēng)電機組安全鏈觸發(fā)，產(chǎn)生風(fēng)力機運行安全事故。因此，有針對性地對風(fēng)力發(fā)電機葉片結(jié)冰過程、結(jié)冰類型、結(jié)冰檢測方法及防除冰技術(shù)進行研究，對風(fēng)電機組的穩(wěn)定運行具有重要意義。

1 風(fēng)力機葉片結(jié)冰過程、等級、類型及影響

1.1 結(jié)冰過程

結(jié)冰過程可分為氣象結(jié)冰階段、儀器結(jié)冰階段、培養(yǎng)階段、恢復(fù)階段。從氣象學(xué)的角度來看，結(jié)冰過程包括兩個階段：氣象結(jié)冰階段是指當(dāng)天氣條件（溫度、濕度、風(fēng)速等）達到結(jié)冰條件時，物體表面會形成冰。之后是恢復(fù)階段，即從葉片上去除冰所需的時間。從設(shè)備的角度來看，也包括兩個階段：培養(yǎng)階段，這是設(shè)備（如風(fēng)速計）能夠檢測到結(jié)冰之前的時間，其次是儀器結(jié)冰，這是結(jié)冰影響設(shè)備（生產(chǎn)損失）的時間。因此，培育階段是氣象結(jié)冰開始和儀器結(jié)冰開始之間的時間，而恢復(fù)時間是氣象結(jié)冰結(jié)束和儀器結(jié)冰結(jié)束之間的時間。

1.2 結(jié)冰強度

根據(jù)結(jié)冰過程、結(jié)冰持續(xù)時間及發(fā)電量損失，可將結(jié)冰強度劃分為5級（見表1）。

表1 結(jié)冰強度等級[1]

1.3 結(jié)冰類型

風(fēng)力發(fā)電機葉片結(jié)冰類型主要分為三種，分別為積霜、沉降冰和云霧冰[2］。

1）積霜。通常是指在溫度低于冰點（0 ℃）的條件下形成，當(dāng)空氣中的水蒸氣接觸到低于冰點的物體表面時，就會凝結(jié)成冰晶，并附著在物體表面形成一層薄薄的冰層的現(xiàn)象[3］。多形成于寒冷季節(jié)晴朗、無風(fēng)的夜晚。表層結(jié)霜后葉片表面粗糙度會增加，甚至改變?nèi)~片的形狀，影響葉片空氣動力特性。

2）沉降冰。主要指由于降水導(dǎo)致形成的冰，可分為濕雪和凍雨[2］。

（1）濕雪通常是指雪花在降落過程中會經(jīng)過一段溫暖層，之后以半融化狀態(tài)落到地面的一種天氣現(xiàn)象。濕雪落到葉片上會在葉片表面重新凍結(jié)，冰體形狀為白色堆體狀。

（2）凍雨是一種氣象現(xiàn)象，指降水中的水滴在接觸到地面或物體時迅速冷卻并結(jié)冰形成的降水形式。凍雨通常發(fā)生在空中溫度接近或低于冰點（0 ℃）的情況下，但地面或物體的溫度仍然低于冰點。

3）云霧冰。云霧冰也稱為大氣結(jié)冰，指當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機運行環(huán)境低于冰點（0 ℃）時，空氣中的過冷水滴與葉片表面接觸，在葉片表面所形成的冰。云霧冰可分為霜冰、明冰和混合冰。

（1）霜冰形成于溫度較低的環(huán)境，空氣中液態(tài)水含量較多，過冷水滴與葉片接觸后會立刻結(jié)冰。其結(jié)冰形狀較規(guī)則，由于在結(jié)冰過程中有空氣嵌入冰層內(nèi)部，進而導(dǎo)致冰體表面粗糙，呈現(xiàn)不透明的白色。

（2）明冰形成于溫度較高的環(huán)境（-8～0 ℃），空氣中液態(tài)水含量較少，過冷水滴與葉片接觸后不會立刻結(jié)冰，部分水滴會以液態(tài)的形式附著于葉片表面，形成一層水膜。明冰的形狀不規(guī)則，但明冰表面光滑且均勻，黏附性較強，不易清除。

（3）混合冰具有霜冰和明冰兩種冰的形態(tài)和特點，對葉片氣動特性影響最大。

1.4 結(jié)冰影響

結(jié)冰對風(fēng)力發(fā)電機可能產(chǎn)生多方面的影響。常見的影響如下：

1）減少風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率

結(jié)冰會增加風(fēng)力機葉片的重量和阻力，導(dǎo)致葉片無法高效地捕獲風(fēng)能，使風(fēng)力機的性能下降，減少發(fā)電能力。

2）增加機械負(fù)載

葉片覆冰會增加旋轉(zhuǎn)部件的負(fù)載，如軸承和齒輪。這可能導(dǎo)致機械磨損加劇，縮短風(fēng)力機的壽命，并增加維護成本。

3）停機

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

4）安全風(fēng)險

結(jié)冰的葉片可能會在風(fēng)力機旋轉(zhuǎn)時脫落，成為飛行物，可能會對附近的人員和財產(chǎn)造成傷害。

2 葉片結(jié)冰檢測方法

結(jié)冰檢測有助于工作人員及早發(fā)現(xiàn)設(shè)備結(jié)冰并及早進行防護，可以提高風(fēng)力發(fā)電機的安全性和降低維護成本。風(fēng)力機葉片結(jié)冰檢測技術(shù)分為直接檢測和間接檢測兩種[4］。

2.1 直接檢測

直接檢測是在風(fēng)力機外部安裝相應(yīng)的傳感器裝置，通過使用傳感器對冰的物理特性來進行檢測。通過傳感器檢測由冰引起的質(zhì)量、電導(dǎo)率、電感、介電常數(shù)等特性的變化，來檢測是否有冰。

1）超聲阻尼。該方法的原理是利用冰影響聲音的傳播并加以檢測。將聲學(xué)器件安裝在需要檢測區(qū)域的兩端，檢測并接收信號。一旦信號發(fā)生變化，表明在區(qū)域內(nèi)存在冰[4］。該檢測方法非常靈敏且消耗較少能量。王鵬等[5］采用基于主成分分析（PCA）的方法進行結(jié)冰檢測，驗證了超聲波結(jié)冰檢測方法的可行性。該方法不僅避免了溫度對檢測結(jié)果的影響，而且結(jié)冰檢測范圍也不局限于葉片的葉尖，PCA 方法可以有效地檢測葉片尖端和中端處的冰。在葉片尖端，可以檢測厚度大于1 mm 的冰，而在葉片中部，可以檢測厚度大于4 mm 的冰，充分滿足實際檢測需求。缺點：實際應(yīng)用較少，缺乏實際應(yīng)用經(jīng)驗。

2）壓電傳感器。該方法是將壓電傳感器安裝在需要監(jiān)測結(jié)冰的表面上，當(dāng)表面結(jié)冰時，冰層的存在會對傳感器施加壓力或應(yīng)力。傳感器在受到壓力時會產(chǎn)生電荷或電壓信號。傳感器將產(chǎn)生的電荷或電壓信號傳遞給相關(guān)的電路或測量設(shè)備進行檢測和分析。根據(jù)信號的大小和變化可以用來判斷是否結(jié)冰。徐斌等人[6］使用壓電傳感器，通過向驅(qū)動器輸入正弦波掃描電壓采集響應(yīng)信號，通過分析信號的小波包能量（WPE）來判斷葉片覆冰情況。如果小波包的能量值有顯著減少，說明冰層的厚度在增加。此外，還發(fā)現(xiàn)隨著輸入電壓頻率范圍的增大，小波包的能量變化更加明顯。缺點：該方法存在一定的誤差，并且對葉片的空氣動力學(xué)性能產(chǎn)生一定的影響。

3）振動膜片。該方法是將測量裝置安裝在葉片表面，通過比較測量線圈和膜片之間的電容變化判斷葉片的結(jié)冰情況[7］。如果膜片結(jié)冰，冰層的質(zhì)量和剛性將改變膜片的振動特性，導(dǎo)致與基準(zhǔn)狀態(tài)不同的振動信號。該方法所使用的儀器體積較小，所以不會影響風(fēng)力機葉片的空氣動力學(xué)性能。缺點：實踐中應(yīng)用較少。

4）溫度變化。該方法是利用兩組溫度傳感器進行比較測量。將一個傳感器安裝在與葉片相同的環(huán)境中，另一個放置在室溫下。對兩個傳感器同時進行加熱處理，如果外部傳感器沒有檢測到有冰，其溫度將立即發(fā)生變化。如果檢測到有冰，則冰會使溫度變化延遲一段時間。通過比較可以判斷是否存在積冰[8］。缺點：該方法不能及時地將覆冰反饋到風(fēng)力機葉片上。

2.2 間接檢測

根據(jù)風(fēng)力機的外部環(huán)境及機組內(nèi)部運行狀況變化來判斷葉片是否覆冰。

1）輸出功率差。該方法是通過對比風(fēng)力發(fā)電機理論輸出功率與風(fēng)力發(fā)電機正常運行時的輸出功率的偏差進而判斷是否結(jié)冰。當(dāng)葉片覆冰時，風(fēng)力機的實際輸出功率會低于預(yù)期功率，通過對比可以判斷出葉片是否出現(xiàn)結(jié)冰。缺點：其他因素也會導(dǎo)致葉片功率降低。

2）雙風(fēng)速計。該方法是將兩個風(fēng)速計與葉片放置在相同的環(huán)境中。一個風(fēng)速計加熱處理，另一個不作處理，比較兩個風(fēng)速計的速度。如果沒有處理的風(fēng)速計的速度趨于零或低于加熱風(fēng)速計的速度，則可以假定有冰[9-10］。缺點：當(dāng)有少量的冰存在時，則不會導(dǎo)致速度產(chǎn)生顯著差異，容易產(chǎn)生誤差，而且無法在沒有風(fēng)的情況下進行測量。

3）噪聲檢測。該方法通過比較有無結(jié)冰時風(fēng)力機運行產(chǎn)生的噪聲頻率，來判斷葉片是否結(jié)冰[11］。葉片結(jié)冰后，負(fù)載增大，空氣動力學(xué)特性改變，導(dǎo)致產(chǎn)生的噪聲頻率明顯高于正常運行條件下[12］。

4）葉片共振頻率。葉片結(jié)冰后，會導(dǎo)致其負(fù)載分布不均，進而會改變?nèi)~片共振頻率。該方法是將葉片未結(jié)冰正常運轉(zhuǎn)時的歷史共振頻率與結(jié)冰后葉片結(jié)冰的共振頻率對比，來判斷葉片是否結(jié)冰。

5）能見度和云層高度。該方法是通過能見度和云的高度可以用來檢測云中的結(jié)冰。當(dāng)溫度低于0 ℃時，云中開始結(jié)冰。缺點：云高和能見度的數(shù)據(jù)不容易獲得[13］。

6）機艙機械振動與功率曲線。該方法是通過采集風(fēng)力機機艙的振動和功率曲線來確定風(fēng)力機葉片的結(jié)冰情況。缺點：該方法具有較強的不穩(wěn)定性，應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)靥鞖忸A(yù)報，才能取得較好的冰情預(yù)報效果[14］。

3 葉片防除冰技術(shù)

風(fēng)力機葉片防/除冰技術(shù)主要分為被動防/除冰和主動防/除冰兩種[15］。

3.1 被動防冰

1）特殊涂料。該方法是在葉片表面涂抹防護溶液，使其與葉片表面相附著的水相混合，防止水吸附在葉片上，不會在葉片上結(jié)冰。該方法操作簡單，使用方便。缺點：有效防護時間短，但除冰效果差，只能用于臨時防冰，不適合大范圍的葉片結(jié)冰。

2）黑色涂料。該方法是在葉片表面涂抹黑色涂料，利用黑色的吸熱特性，使葉片表面溫度升高，進而達到防冰。當(dāng)葉片稍微結(jié)冰時，黑色涂料的防水效果非常好，但單獨使用黑色涂料來防止結(jié)冰是完全不夠的，它具有與疏水涂料相同的缺點。缺點：黑色涂料不容易控制，容易造成過熱，葉片材料可能會受高溫影響，導(dǎo)致其發(fā)電性能降低[16］。

3）化學(xué)用品。該方法尚未用于風(fēng)力機葉片除冰，通常應(yīng)用于飛機機翼?；瘜W(xué)用品可以防止水凍結(jié)成冰，但它也會污染環(huán)境[17］。缺點：如果在葉片中使用化學(xué)品，還需要考慮如何防止腐蝕以及如何防止腐蝕從葉片上脫落。它可以增加葉片的粗糙度，影響其氣動性能。這種方法目前不用于風(fēng)力機葉片。

3.2 主動防冰

1）電加熱防冰。該方法是在葉片內(nèi)部安裝加熱元件，使葉片表面溫度高于0 ℃，進而達到防冰目的，當(dāng)葉片表面溫度保持在-5 ℃，不是0 ℃時，有利于節(jié)省33%的能量。

2）空氣層防冰。該方法是在葉片前緣布置小孔，從葉片內(nèi)部噴出空氣，在前緣形成空氣層，空氣阻止大部分過冷水滴撞擊在葉片前緣，降低結(jié)冰的可能性[18］。

3）微波加熱防冰。該方法是通過加熱葉片，使葉片溫度升高，進而阻止冰的形成。

3.3 被動除冰

1）柔性葉片。該方法是利用葉片的物理特性去除冰，葉片本身彎曲后有足夠的柔韌性去破冰[19］。缺點：彎曲破裂的冰的動能很大，可能存在安全問題。

2）主動變槳控制。該方法適用于短期結(jié)冰事件，對于失速型風(fēng)力發(fā)電機來說，結(jié)冰會使其產(chǎn)生生產(chǎn)損失。對于變槳距控制風(fēng)力發(fā)電機的影響較小。該方法實際上并不是除冰技術(shù)，但其有助于減少結(jié)冰對風(fēng)力發(fā)電機造成的損失，通過變槳距控制可以使能量產(chǎn)生最大化。盡管該方法忽略了結(jié)構(gòu)上的附加載荷及其控制的復(fù)雜性，但根據(jù)結(jié)冰事件的嚴(yán)重程度和對結(jié)構(gòu)的長期影響，該方法有可能成為一種最有效的方法。

3.4 主動除冰

1）機械除冰。該方法適用于葉片結(jié)冰嚴(yán)重情況，當(dāng)葉片結(jié)冰嚴(yán)重時風(fēng)力機停機。借助外力對葉片的結(jié)冰點進行除冰。通常采用人工敲打方式擊碎葉片覆冰，之后在風(fēng)力機旋轉(zhuǎn)離心力和重力的作用下使得覆冰脫離葉片。缺點：該方法除冰效率低且危險性高，停機會影響風(fēng)場的功率輸出，減少收益。

2）電加熱除冰。該方法原理是在風(fēng)力機葉片的內(nèi)部安裝加熱元件，通過加熱元件加熱的方式，使葉片與冰層之間產(chǎn)生空隙，之后在葉片轉(zhuǎn)動離心力的作用下將冰去除，該方法是當(dāng)時應(yīng)用最廣的一種除冰方法。缺點：葉片設(shè)計復(fù)雜，成本較高，容易引雷。

3）熱空氣除冰。該方法是一種表面間接加熱方法，通過在葉根處安裝加熱器或鼓風(fēng)機，將加熱的空氣輸送到葉片腔體中，形成循環(huán)暖流，在熱空氣作用下，葉片和冰層之間形成一層水膜，在葉片旋轉(zhuǎn)離心力作用下使冰脫離葉片。該方法結(jié)構(gòu)相對簡單，也不會對葉片的空氣動力學(xué)性能產(chǎn)生影響，不會有雷擊的危險。缺點：加熱效率較低，葉片前緣除冰效果不佳。

4）超聲波除冰。該方法是一種利用超聲波的能量和振動特性來清除表面結(jié)冰的方法。它基于超聲波的機械振動作用和聲波傳播特性，通過將超聲波傳遞到結(jié)冰表面，產(chǎn)生振動和能量來破壞冰層，使其脫落。王紹龍[20］通過實驗證明了超聲波除冰優(yōu)于電加熱除冰，且該方法對葉片氣動性能產(chǎn)生影響較小。缺點：該技術(shù)尚不成熟，應(yīng)用較晚。

5）柔性充氣罩法。該方法使用充氣罩或充氣袋覆蓋在結(jié)冰的表面，并通過向充氣罩注入熱空氣或溫暖的氣體來加熱結(jié)冰表面，以使冰層融化或變軟，并最終脫落。

4 結(jié)語

綜上所述，可以根據(jù)不同區(qū)域及氣候條件，風(fēng)電場選取相應(yīng)的結(jié)冰檢測技術(shù)和防除冰技術(shù)，提高檢測效率和防除冰效果。當(dāng)前結(jié)冰檢測方法中超聲阻尼檢測結(jié)冰效率最高，不僅可以檢測到覆冰的存在，而且還可以檢測到覆冰的厚度。雖然超聲波除冰效率較高，但該技術(shù)尚不成熟。電加熱除冰是目前應(yīng)用較為廣泛的除冰方法，該方法可以與葉片涂層方法相結(jié)合，提高防除冰效率。目前還沒有一種較為理想的防除冰方法，因此未來研發(fā)一種簡單、高效的防除冰技術(shù)對風(fēng)電機組的穩(wěn)定運行具有重大意義。