風(fēng)電葉片作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中最基礎(chǔ)和最關(guān)鍵的部件，伴隨秋冬氣溫下降，或一些地方海拔高、濕度大、溫度低，以及受早晚溫差、空氣中水汽含量變化和氣溫持續(xù)偏低等環(huán)境因素影響，風(fēng)電機(jī)組葉片表面可能出現(xiàn)結(jié)冰問題。

葉片覆冰后，葉片氣動(dòng)特性改變、機(jī)組動(dòng)態(tài)荷載增加，會(huì)對(duì)風(fēng)電場安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生負(fù)面影響。由于氣候環(huán)境和地形條件的不同，風(fēng)機(jī)葉片會(huì)形成類型不同、形狀各異的覆冰，不同區(qū)域的覆冰過程和特征也會(huì)存在很大差異，由此對(duì)應(yīng)的預(yù)防結(jié)冰和除冰措施也不同。

風(fēng)電機(jī)組葉片覆冰機(jī)理

一、覆冰形成原因

1、氣象條件

風(fēng)電機(jī)組葉片覆冰的氣象條件主要包括環(huán)境溫度、空氣濕度、風(fēng)速、過冷卻水滴、凝結(jié)高度。當(dāng)氣溫低于冰點(diǎn)時(shí)，過冷卻水滴會(huì)在葉片表面結(jié)冰，形成覆冰。此外，風(fēng)速、風(fēng)向和空氣濕度等氣象因素也會(huì)對(duì)覆冰的形成產(chǎn)生影響。

2. 葉片設(shè)計(jì)

葉片的設(shè)計(jì)也會(huì)影響覆冰的形成。例如，葉片的形狀、材料和表面涂層等因素都會(huì)影響水滴在葉片表面的附著和結(jié)冰過程。如果葉片表面存在粗糙或不平整的地方，容易使水滴附著并形成覆冰。

3. 運(yùn)行環(huán)境

運(yùn)行環(huán)境也會(huì)對(duì)覆冰的形成產(chǎn)生影響。例如，風(fēng)電機(jī)組所處的地理位置、海拔和周圍環(huán)境等因素都會(huì)影響機(jī)組葉片的氣象暴露條件。在某些地區(qū)，由于地形和氣候等因素的影響，機(jī)組葉片更容易受到覆冰的影響。

（資料圖：大梁子風(fēng)電場雪景）

二、葉片表面結(jié)冰機(jī)制

葉片表面出現(xiàn)結(jié)冰的現(xiàn)象，是水在特定環(huán)境之下產(chǎn)生的物相變化，只要是溫度不足0℃水就會(huì)發(fā)生結(jié)冰的現(xiàn)象，這是自然規(guī)律、是無法改變的。在規(guī)定條件之下，空氣過冷造成的水滴和風(fēng)機(jī)葉片出現(xiàn)碰撞而導(dǎo)致凝結(jié)成冰，葉片表面的結(jié)冰形式中一般是過冷水滴成冰。

過冷水滴主要指在環(huán)境處于0℃以下時(shí)依然以液態(tài)存在的水滴。環(huán)境中的氣壓不同，水的汽、液、固的狀態(tài)也會(huì)有明顯的變化，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓水的結(jié)冰溫度為0℃，環(huán)境氣壓增大結(jié)冰的溫度會(huì)逐步降低，所以在低于0℃的情況下也會(huì)存在液態(tài)水。大氣層中的過冷水滴穩(wěn)定性很差，如果環(huán)境出現(xiàn)變化，過冷水滴會(huì)快速凝結(jié)而轉(zhuǎn)化為冰。

風(fēng)電機(jī)組葉片表面撞擊到存在過冷水滴的空氣時(shí)，水滴因撞擊會(huì)直接在葉片的前緣迎風(fēng)面的位置上，過冷水滴的內(nèi)部平衡被破壞，使得過冷水滴的結(jié)冰溫度變高，更易在風(fēng)電機(jī)組葉片的表面結(jié)冰。風(fēng)電機(jī)組葉片表面結(jié)冰的發(fā)生是耦合相變復(fù)雜傳熱的階段，因?yàn)槿~片表面溫度要低于冷水滴的溫度，所以在過冷水滴撞擊葉片時(shí)，會(huì)快速的吸收水分而經(jīng)過凝固之后釋放熱量，然后過冷水滴在葉片表面迅速成冰。

風(fēng)電葉片覆冰類型

葉片表面結(jié)冰主要有雨凇、霧凇和混合凇三種類型。

雨凇：如過冷水滴直徑相對(duì)較大，在和葉片出現(xiàn)碰撞后，水滴先散開成水膜后迅速凝結(jié)成冰凌。此類覆冰一般環(huán)境溫度在0～5℃時(shí)出現(xiàn)，空氣濕度較大的條件之下，葉片表面會(huì)出現(xiàn)透明的硬度較高的冰層。此類冰層密度較大，附著力強(qiáng)。

霧凇：過冷水滴的直徑較小，在空氣中漂浮運(yùn)動(dòng)，撞擊葉片后快速形成冰凌，以干增長方式存在。一般在環(huán)境溫度低于-5℃時(shí)，空氣內(nèi)水含量很少，晶體的形狀是不規(guī)則的，極易在不光滑的葉片表面形成冰面，其質(zhì)地疏松、密度小、粘附力不足。

混合凇：過冷水滴的直徑不同，空氣內(nèi)漂浮運(yùn)動(dòng)，在與葉片接觸后快速成冰，有些為干增長、有些則為濕增長。冰內(nèi)部以半透明的形式存在，密度中等，一般是出現(xiàn)在葉片迎水面，附著力較大。山區(qū)地帶中風(fēng)速較高的條件下，從云中來的冰晶會(huì)有一些大小中等的地面霧存在，通常環(huán)境溫度在-10～-3℃之間時(shí)出現(xiàn)。

因此，葉片表面極易出現(xiàn)霧凇、混合淞的形式。此外，葉片的長期運(yùn)行之下，表面會(huì)存在較多的污漬、前緣腐蝕、葉片粗糙度過大等問題，也會(huì)導(dǎo)致葉片出現(xiàn)覆冰的問題。

（資料圖：龍?jiān)措娏Γ?/p>

葉片覆冰對(duì)風(fēng)電機(jī)組的影響

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

1. 降低發(fā)電效率

葉片覆冰會(huì)增加葉片的重量和阻力，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電效率降低。同時(shí)，覆冰還會(huì)改變?nèi)~片的氣動(dòng)性能，使風(fēng)電機(jī)組的輸出功率不穩(wěn)定，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2. 加劇機(jī)械磨損

葉片覆冰會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械部件承受更大的負(fù)荷，加劇機(jī)械磨損和損壞。這不僅會(huì)影響風(fēng)電機(jī)組的正常運(yùn)行，還會(huì)增加維護(hù)成本。

3. 停機(jī)

如果結(jié)冰情況嚴(yán)重，風(fēng)力機(jī)可能會(huì)被迫停機(jī)以避免進(jìn)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(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安全性造成威脅。

4. 增加安全隱患

葉片覆冰會(huì)增加風(fēng)電機(jī)組的安全隱患。在極端天氣條件下，覆冰可能導(dǎo)致葉片斷裂、機(jī)組倒塌等嚴(yán)重后果，對(duì)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成威脅。

（資料圖：中國三峽能源）

風(fēng)機(jī)葉片防除冰方法與技術(shù)

一、防冰技術(shù)

（1）超疏水涂層法

超疏水涂層法就是讓風(fēng)機(jī)葉片表面不沾水從而實(shí)現(xiàn)不結(jié)冰超疏水的現(xiàn)象其實(shí)很常見，比如大家都知道的“荷葉效應(yīng)”水滴落在荷葉表面后不能將荷葉潤濕而是會(huì)形成水球滾落。

（2）光熱涂料法

在風(fēng)力機(jī)葉片表面噴涂光熱涂料，在可見光下 充分發(fā)揮光熱轉(zhuǎn)換特性，充分吸收太陽輻射，提高葉片表面溫度，延緩表面冰層的形成時(shí)間，起到一定程度的防冰作用。同時(shí)，操作簡單，不用引入其他復(fù)雜體系，且可以適用于在役葉片，成本相對(duì)較低． 光熱涂料的應(yīng)用具有顯著的地域局限性，只能應(yīng)用 在低覆冰頻率、短覆冰期、環(huán)境溫度在０°Ｃ以上或強(qiáng)太陽輻射地區(qū)，一定的時(shí)間年限需要進(jìn)行維護(hù)，且冬季無法有效防冰，夏季卻有葉片過熱的危險(xiǎn)。

（3）化學(xué)溶劑法

在風(fēng)力機(jī)葉片表面通過噴涂化學(xué)溶劑降低冰的凝固點(diǎn)，能夠緩解表面覆冰以及加速表面融冰， 除冰效率相對(duì)較高，但無法長時(shí)間停留在葉片表 面，不能完全抑制覆冰或主動(dòng)除冰．常見的化學(xué)溶劑 有甲醇、乙醇、乙烯乙二醇，其有效防冰時(shí)間短，需要定期維護(hù)，現(xiàn)階段防冰成本過高，且由于脫冰會(huì)造成環(huán)境污染，該技術(shù)目前主要用于飛機(jī)覆冰，無法廣泛應(yīng)用在風(fēng)力機(jī)防冰。

（資料圖：十局機(jī)電）

二、除冰技術(shù)

（1）氣熱法

氣熱是在葉片中安裝加熱和鼓風(fēng)裝置，利用熱氣在風(fēng)機(jī)葉片空腔中的流動(dòng)來傳遞熱量、融化冰層，相當(dāng)于給葉片內(nèi)配上了“空調(diào)”。

（2）電加熱法

電熱是在葉片上安裝導(dǎo)電材料，將電能轉(zhuǎn)化為熱能，讓風(fēng)機(jī)葉片自帶“電熱毯”，加熱葉片實(shí)現(xiàn)除冰。

（3）電磁波束法

電磁波束法除冰分為微波法除冰、電磁脈沖法除冰、激光除冰。微波除冰技術(shù)主要通過加快翼型表面分子熱運(yùn)動(dòng)，提高風(fēng)力機(jī)葉片表面溫度，達(dá)到融冰效果；電磁脈沖技術(shù)對(duì)電磁圈進(jìn)行持續(xù)通電、斷電操作，利用電磁感應(yīng)原理振動(dòng)除冰。激光除冰具有遠(yuǎn)距離、定向、非接觸除冰、高除冰效率、大面積除冰的特點(diǎn)，高功率激光光束照射在覆冰層，厚冰層吸收輻射能量快速融化或升華，并經(jīng)激光切割成冰小塊，在自然風(fēng)力、重力作用下實(shí)現(xiàn)自然除冰。因此，激光除冰方法能夠作為一種重要的除冰技術(shù)廣泛應(yīng)用于風(fēng)力機(jī)葉片除冰領(lǐng)域。

（4）超聲波法

超聲波是大于20kHZ的空氣振動(dòng)，利用超聲波造成液體內(nèi)部的應(yīng)力負(fù)壓或者熱毛細(xì)現(xiàn)象可以改變液滴的潤濕狀態(tài)，避免潤濕態(tài)粗糙表面導(dǎo)致超疏水疏水性降低、滾動(dòng)角變大甚至結(jié)冰出現(xiàn)錨固現(xiàn)象。有實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)對(duì)表面外加超聲振動(dòng)后，表面能克服能壘由潤濕狀態(tài)回到疏水狀態(tài)，同時(shí)超聲振動(dòng)可以促進(jìn)液滴的自遷移并盡可能多的發(fā)生合并跳走。在4℃露點(diǎn)液化時(shí)，通過空氣振動(dòng)填充固體粗糙縫隙使得固體表面能變低，回到超疏水特性，使得液滴由潤濕狀態(tài)回到疏水狀態(tài)，液滴滾落憎水防冰，這種方法需要的能量很低而且便于實(shí)現(xiàn)。所以在葉片界面的施加超聲能量使得超疏水涂層恢復(fù)超疏水性能，是涂層法防覆冰的有效措施。

（5）氣動(dòng)脈沖除冰方法

在葉片表面結(jié)冰后，通過向扁平管道沖入高壓氣體使其膨脹。膨脹后的管道通過彈性層使葉片鋁合金蒙皮表面產(chǎn)生微小撓度。

當(dāng)表面撓度達(dá)到一定程度時(shí)，冰層會(huì)在彎曲力和剪切應(yīng)力的作用下破碎和脫落。在停止充氣后，過剩的高壓氣體會(huì)從充氣管道兩端逸出到大氣中，葉片表面會(huì)在彈性層的作用下恢復(fù)平整狀態(tài)，整個(gè)過程持續(xù)時(shí)間不超過1s。

（6）機(jī)械法

機(jī)械法除冰是一項(xiàng)效率高、能耗低的除冰技術(shù)，因而得到了廣泛應(yīng)用。與能耗高的電加熱法、氣熱法除冰相比，即使只有3%的除冰效率，也能達(dá)到30~100倍的除冰效果。

機(jī)械法除冰主要分為人工除冰與機(jī)械設(shè)備除冰２種，其中人工除冰只能在停機(jī)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)，存在甩冰的安全隱患，不建議采取。機(jī)械設(shè)備除冰工作原理是，在直升飛機(jī)或無人機(jī)上安裝氣體壓縮設(shè)備，利用壓縮氣體沖擊葉片結(jié)冰表面，促使表面冰層破裂，實(shí)現(xiàn)物理除冰。

風(fēng)電機(jī)組葉片防治措施

1. 氣象監(jiān)測與預(yù)警

為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)和應(yīng)對(duì)覆冰現(xiàn)象，應(yīng)加強(qiáng)氣象監(jiān)測和預(yù)警工作。通過安裝氣象監(jiān)測設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)組運(yùn)行環(huán)境的氣象條件，及時(shí)發(fā)布預(yù)警信息，為風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)維人員提供決策支持。

2. 葉片設(shè)計(jì)與優(yōu)化

針對(duì)葉片設(shè)計(jì)對(duì)覆冰的影響，可以通過優(yōu)化葉片形狀、材料和表面涂層等方式，降低水滴在葉片表面的附著和結(jié)冰概率。例如，采用具有疏水性能的涂層材料，可以減少水滴在葉片表面的停留時(shí)間，降低覆冰的風(fēng)險(xiǎn)。

3. 運(yùn)行控制與調(diào)度

在機(jī)組運(yùn)行過程中，可以通過調(diào)整機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)和調(diào)度策略，降低葉片覆冰的風(fēng)險(xiǎn)。例如，在低溫高濕的氣候條件下，可以適當(dāng)降低機(jī)組的運(yùn)行功率，減少葉片的氣動(dòng)負(fù)荷，從而降低覆冰的概率。

4. 除冰技術(shù)

對(duì)于已經(jīng)形成的覆冰，可以采用除冰技術(shù)進(jìn)行處理。目前常用的除冰方法包括熱力除冰、機(jī)械除冰和化學(xué)除冰等。熱力除冰通過加熱葉片表面，使覆冰融化脫落；機(jī)械除冰則利用機(jī)械裝置對(duì)葉片表面進(jìn)行刮除；化學(xué)除冰則是利用化學(xué)試劑降低冰點(diǎn)，使覆冰自行脫落。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)機(jī)組的具體情況和運(yùn)行環(huán)境選擇合適的除冰方法。

總之，風(fēng)電機(jī)組葉片覆冰是一個(gè)復(fù)雜的氣象現(xiàn)象，需要綜合考慮多個(gè)因素進(jìn)行防治。通過加強(qiáng)氣象監(jiān)測與預(yù)警、優(yōu)化葉片設(shè)計(jì)、調(diào)整運(yùn)行控制與調(diào)度以及采用除冰技術(shù)等措施，可以有效降低葉片覆冰的風(fēng)險(xiǎn)，保障風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行和電網(wǎng)的安全供電。