风力发电机组叶片防冻除冰技术进展分析

印厚飞，李 奎，包振江，王 瀚

（国电联合动力技术（连云港）有限公司，江苏 连云港 222200）

再生能源技术在环境保护、节约资源方面有着突出的贡献，当前人们接触比较多的就是太阳能技术和风力发电技术，其中风力发电技术比较成熟，并且适合大规模开发与应用，有着商业化开发的前景，是一种发展前景非常好的发电方式。因为风能有着明显的地域不平衡分布的特点，中国地域内，大量风场在北方地区或者中南部山区，而这些地区却又容易遭受冰雪侵袭。如果风机的机组叶片覆盖上冰雪，那么将不能正常运行，影响到电力生成。当前的风力发电厂建立时，不管是在风场建立的时期，还是在建立运行的阶段，冰雪对于风力发电机组叶片都是一个巨大的威胁。因此，技术人员要针对发电机组叶片上覆盖冰雪的问题进行专业的研究，除冰技术则是非常重要的内容。下面就除冰技术的发展做简要阐述。

1 大气覆冰物理学原理

在物理学角度，大气覆冰可以分成三种类别，分别是冻雨覆冰、冻雾覆冰、升华覆冰。

1.1 冻雾覆冰

过冷却的水滴同本身温度低于零摄氏度的物体接触，就会形成冰，这样就是冰雾覆盖，也就是俗称的雾凇。由于过冷却水滴的尺寸非常小，就会跟着气流运动，即使其自身温度已经到达零下30℃的时候依旧不会结冰，只有在遇到固体时，会附着在固体表面形成覆冰，而覆冰的多少则是由当时空气里面有多少过冷却水滴以及水滴自身温度和直径值，还有持续时间、风速、叶片弦长、水雾采集效率的影响。

而冻雾覆冰可分成三种类型，分别是雨凇、硬雾凇、软雾凇。软雾凇一般出现在温度刚刚低于0℃的时候，空气中含水量以及液滴直径也比较小的时候，粘附力小、密度小。硬雾凇也就是在空气中的含水量非常高，且液滴直径的值比较大的时候出现，密度比较高，粘附力也很强。过冷雨滴会粘附到固体的表面，进而立即形成冰，然后会流动，接着形成冰，其密度非常大，粘附比较强，也就是雨凇，有着比较强的危害。

1.2 冻雨覆冰

这种形式就是雨雪构成覆冰，形成的速度非常快，超出冻雾覆冰，并且危害比较大。这种形式还可分成两个种类，分别是冻雨覆冰和湿雪覆冰。当雨水低落在0℃之下的物体表面的时候，就会构成冻雨覆冰，密度比较高，粘附力比较强，一般出现在逆温的时候。当大气的温度处于0℃到3℃的时候，降雪里面会有非常少的水分，其会粘附到物体的表面，快速地构成湿雪覆冰，这种覆冰形成之后，会有非常强的粘附力，不能很好地去除。

1.3 霜冻

水蒸汽直接粘附到物体的表面，一般出现这种现象的条件是风速很慢，霜冻的粘附力非常强。

2 关于风机发电机组叶片覆冰的研究

2.1 覆冰带来的危害

当发电系统的风力发电中机组叶片发生覆冰的问题，就会影响到机组叶片的翼形，促使其发生不规则改变，叶片的表面高度也变得不均匀，大大增加了粗糙度，因此叶片的阻力将会大大提升，气动性就会大大降低，造成叶片专属性能降低，风能发电利用率大大降低。另外，覆冰情况发生后，不管是叶片，还是其他的零部件，负荷会增加，如果覆冰不够均匀，风力发电机组的各个组成部分质量也不会平衡，导致叶片发生更大的振动，更大程度上损伤到叶片，大大降低风力发电机组稳定性。

2.2 叶片出现覆冰情况的影响因素

风力发电机组通常都会建设在风能资源丰富的地域，而这些地域的冬天比较寒冷，气温比较低、湿度比较大。因为发电机组生活在这样的环境中，加之外在环境中的水雾的存在，非常容易构成冰点，同时溶液滴的浓度大，溶液滴的冰点要比水冰点要低，这样会在一些特定的条件下保持着液体的状态，并且不会出现冻结的问题。可是它们的状态不是非常稳定，随时随地会发生变化。假设机组叶片长期处在湿度高也容易结冰的生存环境中，就可能出现不平衡结冰的问题[1]。

2.3 叶片覆冰的种类

不同地域条件下，环境条件也各不相同，空气里面所存在的过冷却水滴自身粘结性也不是一样的，因此叶片上覆冰形状以及特性也是不同的。从地理条件、气候特征、周边环境的不同去看，覆冰一般分成不同类型，分别是冻雨覆冰、冻雾覆冰、升华覆冰。

2.4 影响风力发电机组叶片覆冰的因素

影响因素分成两个方向，分别是环境因素以及自身因素。周边环境因素包含了温度和风速。其一，如果周边环境温度已经降低到零摄氏度之下，这就满足了冻结温度的标准，叶片表面将会有覆冰出现。其二，空气里面的水汽含量比较大，湿度比较高，照比一般湿度高出了85%，这时也会有覆冰出现。其三，当风力处于1cm/s到10cm/s的时候，叶片就会遇到非常多的水滴，进而造成叶片覆冰。另外，叶片出现覆冰的自因素就是风力发电机组上扇叶进行旋转的时候，迎风面以及背风面进行气体运动有着非常明显的差异，迎风面是面对气流，这时气流与风接触的比较多，就会捕获到大量水滴，覆冰量也更大；当背着面时候，所遇到水滴比较少，因此覆冰的厚度也不是很厚[2]。

3 风力发电机组的叶片覆冰的预防技术

3.1 溶液防冰技术

如果想要让覆冰不出现，就可以在叶片的表面上涂防冻液，这样就会发挥降低溶液冰点的作用，此种方式就是溶液冰。把防冰液，像乙醇等等，涂抹到叶片之上，在叶片上转圈的时候，防冻液就会遇到水滴，其二者融合在一起，落到叶片上，这时落到上叶片上的溶液的冰点比较低。但是也不得不说此种方式的不足，那就是持续的时间不是很长，这就需要在应用的时候，需要使用大量的防冻液进行补充。另外，周边环境温度非常低，这种效果就会变低，所以应当运用合理合法的方式进行除冰。并且这种方式的操作性以及经济性均不是很好[3]。

3.2 热能防冰技术

此种方式运用热能处理叶片上覆盖的冰，借助热能保护风机中非常重要零部件，对于这些部件进行加热，让其表面的温度上升，高出冰点的温度，从而可以预防覆冰的问题。从当前覆冰预防技术发展去看，经常使用的热能防冰技术有电热、气热两种。电热能防冰技术就是在制作叶片的时候，在其中安装一些防冰的装置，可以让叶片上的电能转化为热能，进而对重点保护的地方进行加热，破坏了覆冰的环境，进而不会出现覆冰的问题，这种方式也是国际风电行业中使用最为广泛的方法。另外一种就是气能，这种技术就是在叶片空腔之内加设了通风管道，使用加热器加热，用鼓风机将热风传输到各个零件，以达到加热的目的，同样对覆冰形成环境进行了破坏，进而不会出现覆冰的问题[4]。

3.3 涂层防冰技术

此种技术就是把一些有着特殊性能的涂料涂抹在叶片之上，使用涂料特殊性能降低冰层同叶片间的粘结力，或者让覆冰可以融化掉，从而实现除冰的目的。现在使用比较广泛的除冰涂料分别是内烯酸、聚四氟乙烯、有机硅等。这些涂料可以发挥防冻的效果，还有着防腐蚀的作用，多方面地保护着叶片。另外，这些涂料对于环境的破坏比较小，有着明显的环保性，不会对于周围环境造成污染。但是，涂料自身也有一定不足，当叶片大幅度地转动，涂料就不能很好地粘附到叶片上，失去作用，必须进行经常性的补充，进而也就耗费了大量的时间，也不容易保证防冰和除冰的效果。

还有一种是深色涂层技术，深色的表面可以更好地吸收到太阳的辐射，进而防治叶片表面覆冰。最为典型的实验就是加拿大的Yukon地区进行的现场测试，该实验表明，此种方式可以适当改善覆冰的情况。深色的土层主要用在轻覆冰部位或者覆冰时温度低于0℃之上的地区，还可用在海拔较低且冬季太阳辐射非常强的区域。由于深色土层技术不能很好地除冰，因此不合适使用在重度的覆冰区域。另外，因为玻璃纤维和增强塑料等材料的叶片，其对高温非常敏感，其表面温度过高，可能会对叶片自身性能产生影响[5]。

4 风力发电机组叶片覆冰的除冰技术

4.1 机械除冰技术

这种方法从字面上就能看出来，也就是使用一些机械设备或者人工方式，将叶片上已经存在的冰层除去掉，先要击碎冰层，然后使用震动、离心力的方式，将碎冰脱离了叶片，从而将叶片上的冰层除去掉。当前条件下，大多数会选择人工除冰的方式，将叶片表面上覆盖的冰层击碎，然后使用一些物理技术，全部去除叶片的冰层。此种方式的优点是操作简单、实用性强，可是需要将叶片关闭才能进行除冰。

4.2 气动带除冰技术

此技术也被称之为膨胀管除冰技术，将一些膨胀管或者膨胀袋子安装到叶片前端边缘位置，如果有覆冰问题出现，可以让膨胀管或者膨胀袋子进行膨胀，进而震碎机组叶片上的冰层，并促使碎冰脱落。外加的装置中包含多个部分，分别是膨胀管、输气管、充气泵和泄压阀。充气泵向膨胀管或者袋子中充气，使得膨胀管或者袋子膨胀，然后使用泄压阀将气体排出，这就会有振动出现，重复不断地充气和排气，就会不断地振动，进而将叶片上冰层震碎。气动带除冰技术刚开始在飞机上应用，然后被应用到风力机组叶片的除冰上。在飞机上运用时，同样运用膨胀的作用，去除掉飞机上的冰层。飞机和机翼部位和尾翼的部位，都会设置的膨胀管，有周期地向其中充气，然后排气，利用膨胀、收缩的振动，促使冰层破裂，然后冰层会脱离飞机，直接被气流吹走[6]。

4.3 热能除冰技术

热能除冰技术与热能防冰技术的原理基本相似，借助来源形式不同的热能对相应的零件表面加热，提高其表面温度，然后将叶片上的覆冰慢慢地融化掉，从而清除叶片表面上的冰。一般热能除冰技术分成三种。

第一种就是自身散热除冰技术。叶片上安装了除冰抗冻系统，该系统会收集到发电机部分所产生的热量，再通过循环系统，将热量运送到叶片的内部的各个部位，然后进行除冰。自身散热方式有一定不足，那就是风力电机组的叶片体积比较大，也非常厚，因此周边的温度非常低的时候，发电机自身所提供的热量很难将覆冰融化掉，最终除冰的效果也就不是非常理想。

第二种就是叶片微波除冰技术。此技术利用了微波加热的功能，使用微波去加热叶片，这时叶片上的冰层就会降低粘附力，覆冰自身有重力以及离心力，受到此两种力的影响，直接在叶片上脱落掉，可很好地清除冰层。但是，这种除冰技术也不是非常完美，有一定不足的地方，为提高除冰的效果，需要在叶片上设置很多微波装置，数量非常大，安装难度也大，后期维修也是一个问题，可是不能均匀地安装微波装置，也就不能均匀地清除冰层，让叶片受到损伤，进而影响到电机的运行。

第三种就是金属网电加热除冰技术。叶片上面增加一些电热装置和防雷的金属网，使电能转化为热能，进而发挥除冰的作用。叶片有覆冰的情况时，让电热加热装置运转起来，清除叶片上面的冰层，可以更好地避免风力发电机组受到冰冻的伤害。此种技术也有一定缺点，那就是叶片上增设加热装置，可能会影响到叶片正常运行，叶片损坏的可能性大大增加，进而出现运行故障，并且维修起来非常困难。

4.4 超声波除冰技术

利用超声波技术进行除冰，超声波会产生能量，从而清除掉叶片或者其他零部件上的冰层。超声波的传播方向有两种，导波也有两种，空气介质也传播超声波，使得叶片上覆冰振动，进而从叶片上脱离，进而发挥除冰的作用。

4.5 电磁脉冲冲击技术

此种除冰技术需要提前在叶片上增设一些电磁线圈，当叶片有覆冰出现，可以对电磁线圈进行反复的通电和断电，运用电磁感应方式，快速地振动叶片上的冰层，此方式的优点是能量消耗的比较低，一般用在航空领域，已在魁北克水电局输电线路中试用。但是，此种技术可能会影响到叶片可靠性和气动性，因此一般不会在风机上应用。

5 结束语

综上所述，当前，为避免风力发电机组的叶片覆冰，所采取的预防技术包括溶液防冰技术、热能防冰技术、涂层防冰技术；风力发电机组叶片覆冰的除冰技术包含机械除冰技术、气动带除冰技术、热能除冰技术、超声波除冰技术、电磁脉冲冲击技术，这些就是风力发电机组叶片的防冻除冰技术，可以让风机叶片更好地、更安全地运行，降低冰层对于叶片性能产生的影响，保证风力发电正常进行。