风力发电机叶片结冰检测及防除冰技术综述

孙永朋 关 新 刘传宝 王 哲

1.沈阳工程学院能源与动力学院

2.沈阳工程学院新能源学院

0 引言

风能是全球开发最广泛的可再生能源之一，由于具有清洁无污染、分布广泛的特点，受到世界各国的关注。风电机组在运行过程中也出现了诸多问题，其中寒冷地区的风力发电机叶片结冰便是其中之一。我国风能资源丰富，但由于地域辽阔及地理位置的不同，风能分布不均匀，多数优质风能资源集中在东北、华北、西北等气候寒冷的地区，所以风力发电机叶片面临着一定程度的覆冰现象。叶片结冰不仅改变空气动力学特性，使其表面粗糙度增加，降低翼型升力、增加阻力，还进而影响风力机风轮捕获风能的能力，减少其出力效果。此外，叶片表面覆冰，将引起风轮叶片质量不平衡，进而对风轮主轴产生附加扭矩，这将改变叶片的固有频率和运行可靠性，甚至将促使塔筒与风轮之间产生共振现象，造成风电机组安全链触发，产生风力机运行安全事故。因此，有针对性地对风力发电机叶片结冰过程、结冰类型、结冰检测方法及防除冰技术进行研究，对风电机组的稳定运行具有重要意义。

1 风力机叶片结冰过程、等级、类型及影响

1.1 结冰过程

结冰过程可分为气象结冰阶段、仪器结冰阶段、培养阶段、恢复阶段。从气象学的角度来看，结冰过程包括两个阶段：气象结冰阶段是指当天气条件（温度、湿度、风速等）达到结冰条件时，物体表面会形成冰。之后是恢复阶段，即从叶片上去除冰所需的时间。从设备的角度来看，也包括两个阶段：培养阶段，这是设备（如风速计）能够检测到结冰之前的时间，其次是仪器结冰，这是结冰影响设备（生产损失）的时间。因此，培育阶段是气象结冰开始和仪器结冰开始之间的时间，而恢复时间是气象结冰结束和仪器结冰结束之间的时间。

1.2 结冰强度

根据结冰过程、结冰持续时间及发电量损失，可将结冰强度划分为5级（见表1）。

表1 结冰强度等级[1]

1.3 结冰类型

风力发电机叶片结冰类型主要分为三种，分别为积霜、沉降冰和云雾冰[2］。

1）积霜。通常是指在温度低于冰点（0 ℃）的条件下形成，当空气中的水蒸气接触到低于冰点的物体表面时，就会凝结成冰晶，并附着在物体表面形成一层薄薄的冰层的现象[3］。多形成于寒冷季节晴朗、无风的夜晚。表层结霜后叶片表面粗糙度会增加，甚至改变叶片的形状，影响叶片空气动力特性。

2）沉降冰。主要指由于降水导致形成的冰，可分为湿雪和冻雨[2］。

（1）湿雪通常是指雪花在降落过程中会经过一段温暖层，之后以半融化状态落到地面的一种天气现象。湿雪落到叶片上会在叶片表面重新冻结，冰体形状为白色堆体状。

（2）冻雨是一种气象现象，指降水中的水滴在接触到地面或物体时迅速冷却并结冰形成的降水形式。冻雨通常发生在空中温度接近或低于冰点（0 ℃）的情况下，但地面或物体的温度仍然低于冰点。

3）云雾冰。云雾冰也称为大气结冰，指当风力发电机运行环境低于冰点（0 ℃）时，空气中的过冷水滴与叶片表面接触，在叶片表面所形成的冰。云雾冰可分为霜冰、明冰和混合冰。

（1）霜冰形成于温度较低的环境，空气中液态水含量较多，过冷水滴与叶片接触后会立刻结冰。其结冰形状较规则，由于在结冰过程中有空气嵌入冰层内部，进而导致冰体表面粗糙，呈现不透明的白色。

（2）明冰形成于温度较高的环境（-8～0 ℃），空气中液态水含量较少，过冷水滴与叶片接触后不会立刻结冰，部分水滴会以液态的形式附着于叶片表面，形成一层水膜。明冰的形状不规则，但明冰表面光滑且均匀，黏附性较强，不易清除。

（3）混合冰具有霜冰和明冰两种冰的形态和特点，对叶片气动特性影响最大。

1.4 结冰影响

结冰对风力发电机可能产生多方面的影响。常见的影响如下：

1）减少风能转换效率

结冰会增加风力机叶片的重量和阻力，导致叶片无法高效地捕获风能，使风力机的性能下降，减少发电能力。

2）增加机械负载

叶片覆冰会增加旋转部件的负载，如轴承和齿轮。这可能导致机械磨损加剧，缩短风力机的寿命，并增加维护成本。

3）停机

如果结冰情况严重，风力机可能会被迫停机以避免进一步损坏。结冰的叶片可能不再平衡，造成旋转不稳定，从而对风力发电机的安全性造成威胁。

4）安全风险

结冰的叶片可能会在风力机旋转时脱落，成为飞行物，可能会对附近的人员和财产造成伤害。

2 叶片结冰检测方法

结冰检测有助于工作人员及早发现设备结冰并及早进行防护，可以提高风力发电机的安全性和降低维护成本。风力机叶片结冰检测技术分为直接检测和间接检测两种[4］。

2.1 直接检测

直接检测是在风力机外部安装相应的传感器装置，通过使用传感器对冰的物理特性来进行检测。通过传感器检测由冰引起的质量、电导率、电感、介电常数等特性的变化，来检测是否有冰。

1）超声阻尼。该方法的原理是利用冰影响声音的传播并加以检测。将声学器件安装在需要检测区域的两端，检测并接收信号。一旦信号发生变化，表明在区域内存在冰[4］。该检测方法非常灵敏且消耗较少能量。王鹏等[5］采用基于主成分分析（PCA）的方法进行结冰检测，验证了超声波结冰检测方法的可行性。该方法不仅避免了温度对检测结果的影响，而且结冰检测范围也不局限于叶片的叶尖，PCA 方法可以有效地检测叶片尖端和中端处的冰。在叶片尖端，可以检测厚度大于1 mm 的冰，而在叶片中部，可以检测厚度大于4 mm 的冰，充分满足实际检测需求。缺点：实际应用较少，缺乏实际应用经验。

2）压电传感器。该方法是将压电传感器安装在需要监测结冰的表面上，当表面结冰时，冰层的存在会对传感器施加压力或应力。传感器在受到压力时会产生电荷或电压信号。传感器将产生的电荷或电压信号传递给相关的电路或测量设备进行检测和分析。根据信号的大小和变化可以用来判断是否结冰。徐斌等人[6］使用压电传感器，通过向驱动器输入正弦波扫描电压采集响应信号，通过分析信号的小波包能量（WPE）来判断叶片覆冰情况。如果小波包的能量值有显著减少，说明冰层的厚度在增加。此外，还发现随着输入电压频率范围的增大，小波包的能量变化更加明显。缺点：该方法存在一定的误差，并且对叶片的空气动力学性能产生一定的影响。

3）振动膜片。该方法是将测量装置安装在叶片表面，通过比较测量线圈和膜片之间的电容变化判断叶片的结冰情况[7］。如果膜片结冰，冰层的质量和刚性将改变膜片的振动特性，导致与基准状态不同的振动信号。该方法所使用的仪器体积较小，所以不会影响风力机叶片的空气动力学性能。缺点：实践中应用较少。

4）温度变化。该方法是利用两组温度传感器进行比较测量。将一个传感器安装在与叶片相同的环境中，另一个放置在室温下。对两个传感器同时进行加热处理，如果外部传感器没有检测到有冰，其温度将立即发生变化。如果检测到有冰，则冰会使温度变化延迟一段时间。通过比较可以判断是否存在积冰[8］。缺点：该方法不能及时地将覆冰反馈到风力机叶片上。

2.2 间接检测

根据风力机的外部环境及机组内部运行状况变化来判断叶片是否覆冰。

1）输出功率差。该方法是通过对比风力发电机理论输出功率与风力发电机正常运行时的输出功率的偏差进而判断是否结冰。当叶片覆冰时，风力机的实际输出功率会低于预期功率，通过对比可以判断出叶片是否出现结冰。缺点：其他因素也会导致叶片功率降低。

2）双风速计。该方法是将两个风速计与叶片放置在相同的环境中。一个风速计加热处理，另一个不作处理，比较两个风速计的速度。如果没有处理的风速计的速度趋于零或低于加热风速计的速度，则可以假定有冰[9-10］。缺点：当有少量的冰存在时，则不会导致速度产生显著差异，容易产生误差，而且无法在没有风的情况下进行测量。

3）噪声检测。该方法通过比较有无结冰时风力机运行产生的噪声频率，来判断叶片是否结冰[11］。叶片结冰后，负载增大，空气动力学特性改变，导致产生的噪声频率明显高于正常运行条件下[12］。

4）叶片共振频率。叶片结冰后，会导致其负载分布不均，进而会改变叶片共振频率。该方法是将叶片未结冰正常运转时的历史共振频率与结冰后叶片结冰的共振频率对比，来判断叶片是否结冰。

5）能见度和云层高度。该方法是通过能见度和云的高度可以用来检测云中的结冰。当温度低于0 ℃时，云中开始结冰。缺点：云高和能见度的数据不容易获得[13］。

6）机舱机械振动与功率曲线。该方法是通过采集风力机机舱的振动和功率曲线来确定风力机叶片的结冰情况。缺点：该方法具有较强的不稳定性，应结合当地天气预报，才能取得较好的冰情预报效果[14］。

3 叶片防除冰技术

风力机叶片防/除冰技术主要分为被动防/除冰和主动防/除冰两种[15］。

3.1 被动防冰

1）特殊涂料。该方法是在叶片表面涂抹防护溶液，使其与叶片表面相附着的水相混合，防止水吸附在叶片上，不会在叶片上结冰。该方法操作简单，使用方便。缺点：有效防护时间短，但除冰效果差，只能用于临时防冰，不适合大范围的叶片结冰。

2）黑色涂料。该方法是在叶片表面涂抹黑色涂料，利用黑色的吸热特性，使叶片表面温度升高，进而达到防冰。当叶片稍微结冰时，黑色涂料的防水效果非常好，但单独使用黑色涂料来防止结冰是完全不够的，它具有与疏水涂料相同的缺点。缺点：黑色涂料不容易控制，容易造成过热，叶片材料可能会受高温影响，导致其发电性能降低[16］。

3）化学用品。该方法尚未用于风力机叶片除冰，通常应用于飞机机翼。化学用品可以防止水冻结成冰，但它也会污染环境[17］。缺点：如果在叶片中使用化学品，还需要考虑如何防止腐蚀以及如何防止腐蚀从叶片上脱落。它可以增加叶片的粗糙度，影响其气动性能。这种方法目前不用于风力机叶片。

3.2 主动防冰

1）电加热防冰。该方法是在叶片内部安装加热元件，使叶片表面温度高于0 ℃，进而达到防冰目的，当叶片表面温度保持在-5 ℃，不是0 ℃时，有利于节省33%的能量。

2）空气层防冰。该方法是在叶片前缘布置小孔，从叶片内部喷出空气，在前缘形成空气层，空气阻止大部分过冷水滴撞击在叶片前缘，降低结冰的可能性[18］。

3）微波加热防冰。该方法是通过加热叶片，使叶片温度升高，进而阻止冰的形成。

3.3 被动除冰

1）柔性叶片。该方法是利用叶片的物理特性去除冰，叶片本身弯曲后有足够的柔韧性去破冰[19］。缺点：弯曲破裂的冰的动能很大，可能存在安全问题。

2）主动变桨控制。该方法适用于短期结冰事件，对于失速型风力发电机来说，结冰会使其产生生产损失。对于变桨距控制风力发电机的影响较小。该方法实际上并不是除冰技术，但其有助于减少结冰对风力发电机造成的损失，通过变桨距控制可以使能量产生最大化。尽管该方法忽略了结构上的附加载荷及其控制的复杂性，但根据结冰事件的严重程度和对结构的长期影响，该方法有可能成为一种最有效的方法。

3.4 主动除冰

1）机械除冰。该方法适用于叶片结冰严重情况，当叶片结冰严重时风力机停机。借助外力对叶片的结冰点进行除冰。通常采用人工敲打方式击碎叶片覆冰，之后在风力机旋转离心力和重力的作用下使得覆冰脱离叶片。缺点：该方法除冰效率低且危险性高，停机会影响风场的功率输出，减少收益。

2）电加热除冰。该方法原理是在风力机叶片的内部安装加热元件，通过加热元件加热的方式，使叶片与冰层之间产生空隙，之后在叶片转动离心力的作用下将冰去除，该方法是当时应用最广的一种除冰方法。缺点：叶片设计复杂，成本较高，容易引雷。

3）热空气除冰。该方法是一种表面间接加热方法，通过在叶根处安装加热器或鼓风机，将加热的空气输送到叶片腔体中，形成循环暖流，在热空气作用下，叶片和冰层之间形成一层水膜，在叶片旋转离心力作用下使冰脱离叶片。该方法结构相对简单，也不会对叶片的空气动力学性能产生影响，不会有雷击的危险。缺点：加热效率较低，叶片前缘除冰效果不佳。

4）超声波除冰。该方法是一种利用超声波的能量和振动特性来清除表面结冰的方法。它基于超声波的机械振动作用和声波传播特性，通过将超声波传递到结冰表面，产生振动和能量来破坏冰层，使其脱落。王绍龙[20］通过实验证明了超声波除冰优于电加热除冰，且该方法对叶片气动性能产生影响较小。缺点：该技术尚不成熟，应用较晚。

5）柔性充气罩法。该方法使用充气罩或充气袋覆盖在结冰的表面，并通过向充气罩注入热空气或温暖的气体来加热结冰表面，以使冰层融化或变软，并最终脱落。

4 结语

综上所述，可以根据不同区域及气候条件，风电场选取相应的结冰检测技术和防除冰技术，提高检测效率和防除冰效果。当前结冰检测方法中超声阻尼检测结冰效率最高，不仅可以检测到覆冰的存在，而且还可以检测到覆冰的厚度。虽然超声波除冰效率较高，但该技术尚不成熟。电加热除冰是目前应用较为广泛的除冰方法，该方法可以与叶片涂层方法相结合，提高防除冰效率。目前还没有一种较为理想的防除冰方法，因此未来研发一种简单、高效的防除冰技术对风电机组的稳定运行具有重大意义。