基于电加热薄膜的风力发电机组叶片防除冰技术研究

李忠良　韩丽娟

摘 要 风力发电机组中的叶片覆冰问题对发电效能和气动性能产生了不良影响，本文主要介绍了相关防除冰技术，包括风力发电机叶片覆冰影响、防除冰技术现状和电加热薄膜防除冰技术的实验仿真，希望能给相关人士提供有效参考。

关键词 电加热薄膜;风力发电;机组叶片;防除冰技术

引言

随着国内能源结构的持续优化，在风能方面的应用也得到了进一步发展，国内的风能资源通常在三北区域、云贵高海拔区域以及沿海地区，特别是云贵高原和三北地区，因为高纬度以及高海拔区域的地理自然条件相对较差，在冬春季低温时节，风机叶片容易产生覆冰问题，从而降低风电机组的安全性和发电效能。

1风力发电机叶片的覆冰影响

风力发电机中的叶片作为风能资源采集的重要零件，叶片高速运转过程中，容易在结冰气候下出现覆冰现象。冰层质量分布为从叶根至叶尖渐渐增多的特征，叶片覆冰后，容易影响机组的正常运转。覆冰是叶片气动外形产生了直接改变，削弱了气动性能，提升了叶片表层粗糙度，阻力提升、升力降低，风轮的风能吸收效率也进一步降低。相关研究证明，覆冰形成功率损失在风机年发电量中大概能够占据0.005%到50%之间。叶片覆冰还容易使叶片出现质量分布异常现象，导致机组振动加剧，远远超出设计荷载。此外，在实际运行中还会出现冰块甩落现象，威胁到周围人身财产方面的安全。相关研究证明，冰块衰落影响区域半径为风轮直径以及机组高度之和的1.5倍左右[1]。

2防除冰技术现状

叶片加热方式具体可以分成叶片表层电加热薄膜以及叶片内部热风循环两种技术。其中热风循环便是于叶片根部位置设置鼓风机、热循环管道以及加热管，把高压热气传输至叶片内，构成一种热循环，促进叶片表层温度的有效提升，实现防除冰目标。该种方法主要优势为不会对叶片气动性能产生任何影响，均匀加热，无须进行防雷处理，而应用缺陷是效率低，能耗高。电加热薄膜相关技术主要是将某种电加热单元铺设在叶片中，通过直接加热的方式能够促进叶片表层温度的有效提升，实现防除冰目标。國外相关资料显示，和叶尖相距三分之一的部分负责叶片90%的风能资源采集功能，为此单纯在叶尖的三分之一内设置电加热薄膜，便能够实现成本控制和防除冰效能双重目标，提高风能资源的吸收效率。当下国外的各个生产厂家都开始针对电加热薄膜进行了系统研发，开始在低温防冻机型中进行大面积推广应用。该种方法主要应用优势是工作效率高，缺陷是需要专门处理雷击相关内容。

3电加热薄膜技术

电加热薄膜相关技术主要是以多层导热结构位置，按照由外到内的顺序，分别是防腐树脂及涂层、屏蔽网、电加热薄膜。三层厚度总和不会超出2mm，能够进一步削弱防冰系统在叶片翼形气动功能的不良影响。电加热薄膜主要是由碳纤维织物复合材料制作而成的，拥有良好的热稳定性，同时还可以快速把热量传输至叶片表层。电加热薄膜相关厚度通常为0.5mm，同时拥有良好的抗疲劳性能和静力应变性能。于电加热薄膜外部设置增设数层屏蔽网，能够有效降低雷电损伤内部的电加热薄膜。多目屏蔽网连接到叶片防雷接地上，随后顺利把电流引导至机组接地系统内。多目屏蔽网外部的底漆面漆以及手糊防腐树脂相关叶片的表层涂料，能够有效提高叶片表面整洁度和光滑度，提升叶片气动性能[2]。

4实验仿真

（1）薄膜效能实验。实验将GB7406.1-1998作为基础依据，防除冰系统企业要求规范，在测试过程中，选择型号为1000mm×400mm的样品，相关额定功率是1.5kW、额定电压是230VAC。把增设电加热薄膜后的叶片放置在喷淋低温实验箱中，在实验箱内部问题调整为-15℃，随后实施喷淋实验，对叶片样品进行检测，电加热薄膜和叶片外部防腐面温度进行测试。叶片和冰层以及空气和冰层接触面之间热平衡关系需要满足下面公式：

其中T是叶片、冰层的接触面温度，临界条件下是0°。

通过实验，最终能够得到以下结果：在-15℃的环境温度下，整体湿度超出99%，启动叶片加热，能够于三分钟内，提升加热区域叶片表层温度，超出2°，而60分钟内，叶片能够将温度稳定于17℃左右，表层不会出现覆冰现象。

（2）雷击实验。初期先倒附着检测，该种实验能够有效评测防雷系统接闪实力。水平吊起或放置样品，和地面之间维持在1米左右的距离，接闪相关装置实施接地处理，将接地平板水平设置于地面，增加冲击电压，冲击电压相关试验主要是以每组20次为主，在结束各组操作后，认真观察，分析雷击有没有准确落于接闪器保护膜中，实验冲击电压设置为100kV，进行高压测试。实验结果发现雷击位置全部处于接闪器中，证明电加热薄膜在接闪检测中拥有良好安全性和可靠性。

（3）静态应变和疲劳测试。在温度为21～25℃，湿度为45%到55%的环境下，针对实验样品实施静态应变测试以及疲劳循环测试，对电加热薄膜、胶层以及铜网实际状态进行合理检验。疲劳测试中的跨距为80mm，谷值为32N，正弦荷载峰值为320N，测试频率是5Hz。结合叶素理论，相对风速的计算公式如下：

其中Urd是风机叶片中任意半径相对风速，Um是水平风速，Ut是切向风速，基本单位是m/s。

试验结束后，相关样品表层并没有产生裂痕，而电加热薄膜以及防雷网表层因为维持正常操作状态，功能薄膜和试验样品之间的黏结层没有进行有效分层，测试发现通电性较为正常，实验结果能够满足现实需求。

5结束语

综上所述，风电叶片相关防除冰技术对于风机运行发展具有重要影响，尤其是国内云贵地区以及三北方地区的风机，防除冰是其实现高效运转的重要内容，电加热薄膜相关技术属于防除冰方面的有效技术，同时也将会成为各个生产厂家的重要配置。

参考文献

[1] 李程.浅谈风电机组覆冰的影响及应对措施[J].科技创新导报， 2019，16（15）：93-94.

[2] 舒立春，蒋兴良.风力发电机叶片加热循环控制除冰数值仿真研究[J].中国电机工程学报，2018，38（24）：7149-7155，7441.

作者简介

李忠良（1990-），男，江苏连云港人;学历：本科，职称：助理工程师，现就职单位：中复连众（玉溪）复合材料有限责任公司，研究方向：风机叶片制造方向