风电叶片除冰方法理论研究

陈 阳，薛浩鹏，郝志勇

(天津东汽风电叶片工程有限公司 天津 300480)

人类的生存和发展离不开能源，而常规的化石能源储量有限，再加上日益严重的生态环境问题，加快发展绿色可再生能源就显得十分重要。风能作为一种清洁安全的可再生能源，近几年来发展非常迅速。

1 叶片结冰的原因及影响

我国虽然风能储备丰富，但风资源基本分布在寒冷的北方及湿度非常大的西南和沿海地区。运行在高湿地区的风机，当环境温度降到 0,℃左右，湿空气中的水滴撞击到叶片外壳体表面(叶片壳体表面温度不大于环境温度)时，就会释放潜热，发生结冰现象(即冻雨结冰)，此种环境下叶片结冰，冰种多为明冰。而运行在寒冷区域，因降雪而在叶片上发生积冰，此种冰种多为松冰(霜冰)。

叶片表面一旦结冰，一方面会影响叶片的气动性能进而降低机组发电效率，甚至还会缩短叶片的使用寿命；另一方面叶片运转过程中，当冰层粘附力下降时极易出现冰块脱落，在重力和离心力的作用下，碎冰会被抛出很远，对机组四周的人员设备等造成伤害。因此，研究叶片除冰方法是非常有必要的。[1]

2 叶片除冰技术

目前，国内各大风机设备制造厂商，结合各自风场实际情况，并参照国外同行的除冰方法和其他行业对户外设备结冰后的处理方式，积极探索出了一些适合自身的叶片除冰方法。

2.1 防结冰涂料

每当下雨后，可以发现雨水落在荷叶上时会自动聚集成水珠，水珠滚动过程中会将荷叶表面的灰尘杂物粘吸滚出叶面，使叶面始终保持干净，这就是著名的“荷叶自洁效应”。

固体界面的润湿性可以用界面上水的接触角来衡量，通常将接触角小于 90,°的固体表面称亲水表面(hydrophilic surface)，大于90,°称疏水表面(hydrophobic surface)，而荷叶表面就是典型的疏水表面。我们可以通过改性油漆，提高油漆涂层表面水的接触角，让雨水无法在叶片表面富集，这样就可以大大降低叶片表面结冰的可能性。

研究表明，超疏水表面一般可以通过两类技术路线来制备：一类是在低表面能的疏水材料表面上构建微米-纳米级粗糙结构；另外一类是用低表面能物质在微米-纳米级粗糙结构上进行修饰处理。也就是说，如果能将叶片油漆在不改变自身耐冲击、耐腐蚀、抗紫外等正常性能下，再使其拥有低表面能和粗糙的微观结构，就可以起到叶片防结冰的效果。这也是目前国内一些厂家的研究方向之一，但这种防结冰涂料有较大的局限性，它并不能真正阻止叶片表面结冰，而是减少水与涂层之间的附着力，使水在外力的作用下迅速从叶片上脱离，因此这种涂料并不适用于那些存在连续低温雨水天气的风场叶片。

2.2 热力除冰

热力除冰就是利用热能间接或直接加热叶片壳体，使物体表面温度超过 0,℃，以达到防冰或除冰的目的，较为常见的方式有叶片表面电阻直接加热和叶片腔体内间接加热两种。[2]

2.2.1 叶片表面直接加热除冰

经研究，风电叶片壳体表面结冰主要发生在叶片前缘区域，结冰程度从叶尖到叶跟逐渐减弱。因此我们可以在叶片前缘侧铺设加热电阻，然后在叶片内部铺设动力电缆和通讯电缆，并与叶片表面的加热元件连接成回路。叶片在运行过程中，叶片表面加热元件上的传感器会收集叶片表面及四周的温湿度等参数，通过通讯电缆将参数信号传到叶根的控制柜，收到信号后根据情况，控制柜向加热元件输入电流，对叶片前缘进行加热，以此来达到叶片除冰效果。

这种除冰方式，需要在玻璃钢表面额外铺一层加热元件。加热材料与玻璃钢本身的延展性不一致，在叶片运行时，叶片发生形变，容易使加热元件与玻璃钢分离，使这种直接加热除冰系统使用寿命降低，因此需要定期维护。此外，叶片表面安装的传感器等电子元器件存在被雷电击毁的风险，一旦这些电子元件损坏，整个除冰系统也就失去作用，如何避免这些缺点，还需要更加深入的研究。

2.2.2 叶片腔体内间接加热除冰

间接加热除冰系统是利用传热学原理，在叶片内腔通热风，依靠热空气和叶片内腔壳体表面的对流换热和壳体的热传导方式，提升叶片外表面温度，达到防结冰与除冰的目的。

利用鼓风机和空气加热器将热空气通过输送管输送到前缘加热区域，热空气由叶根流向叶尖逐渐与叶片壳体发生热交换，热交换后的空气再通过叶片后缘与主梁间的空腔回流到叶根，继续被加热利用。

考虑到叶片运行时，它是具有一定的转速，且叶片内腔的空间是有限的，所以鼓风机和空气加热器的几何尺寸不能过大，重量不能过重。因此根据叶片型号的不同，选择一种尺寸合适并且工作功率、加热设备出口风压和出口温度、加热时间既能满足叶片除冰需要，又不影响叶片正常运行的空气加热器，就显得非常重要。

2.3 其他除冰方式

据报道，国内有人根据超声波在玻璃钢中的传播形式，及其对叶片表面冰层的作用机理，建立叶片除冰的物理模型与有限元模型，通过数值计算确定出了超声波除冰的最佳频率。[3]

3 总 结

叶片表面结冰严重影响了叶片机组的发电效率，长期困扰北方和高湿地区风场冬季风电机组的正常运转。目前国内外应用的这些除冰技术各有优缺点，需要业主和风电设备制造商依据不同风场各自的气候条件来选择合适的除冰方法，在叶片运行过程中逐渐摸索完善这些除冰技术。■

［1］王伟，侯学杰，管晓颖，等.风电叶片除冰技术的研究进展[J].玻璃钢复合材料，2014(1)：90-93.

［2］何玉林，侯海波，王磊，等.风力发电机组热交换除冰系统[P].中国专利：CN 102003354A，2011.

［3］谭海辉，李录平，靳攀科，等.风力机叶片超声波除冰理论与方法[J].中国电机工程学报，2010(35)：112-117.