风力发电机组叶片防冻除冰技术进展分析

赵海亮

摘 要：风能是一种绿色、可再生能源，在很大程度上可以解决发电产生的环境污染问题，风电机组作为风电场运行的核心装置，由于通常地处沿海区域或恶劣环境、交通不便的偏远郊区，且机舱一般位于离地面上百米的高空，因此，给风电机组日常运行维护造成一定难度。为尽量避免风电机组故障造成停机，而带来的巨大经济损失，迫切需要提高风电机组尤其是核心设备风力发电机的运行可靠性，控制风力发电机的运行维护成本。本文在分析风力发电机故障特点的基础上，具有针对性地提出运行维护策略。

关键词：风力发电;机组叶片;防冻除冰技术

引言

我国地域辽阔，海岸线长，风能资源丰富，全国 大部分优质风能资源主要分布在东北、西北、华北 以及东南沿海地区，而中部、南部高海拔山区由于 空气湿度大，温度低，相比于“三北”地区，冬季更易 产生叶片结冰现象。风力发电机叶片结冰会严重影 响机组的安全稳定运行。因此，针对性地研究风力 发电机叶片结冰的特点和危害以及相关检测方法和除冰技术，对机组的正常稳定运行具有重要意义。

1影响风力发电机组叶片覆冰的因素

影响因素分为两个方向：环境因素和自身因素。周围的环境因素包括温度和风速。第一，如果环境温度已经降到零摄氏度以下，这将达到冻结温度标准，叶片表面会出现冰。二是空气中水汽含量比较大，湿度比较高，比一般湿度高85%，然后会结冰。第三，当风力在1cm/s到10cm/s之间时，叶片会遇到大量水滴，造成叶片上覆冰。此外，叶片结冰的自身因素是，当风力机上的叶片旋转时，迎风面和背风面的气体运动有非常明显的差异，迎风面面向气流。这时气流与风接触越多，就会捕获大量水滴，结冰量也就越大;背的时候水滴比较少，所以冰层的厚度不是很厚。

2结冰过程

结冰过程的发生通常包括气象结冰阶段、设备 结冰阶段、培养阶段和恢复阶段。当自然界的气温 环境达到结冰条件时，外界物体会在表面形成积 冰，此期间为气象结冰阶段;积冰不断在物体表面 增多，甚至影响风力发电机叶片等设备的正常运 行，此期间为设备结冰阶段;外部设备在结冰条件 下运行时，有些设备并不会随着环境的变化而立刻 结冰，存在一定的延缓期，此期间称为培养阶段;当 环境温度升高且不具备气象结冰条件时，设备表面 的积冰开始慢慢融化甚至脱落，此期间称为恢复阶 段。通常对于某一地区的结冰效果采用叶片结冰 难易度和持续度来表示。

3风力发电机组叶片防冻除冰技术进展

3.1定期维护

风电场风电机组需要定期对风力发电整机进行维护，定期检查恶劣环境中的雨水、尘土、雷电等因素所造成的风力发电机运行问题，维护人员一旦发现风力发电机故障问题，应及时处理确保发电机清洁、干净，降低发电机运行故障发生率。同时，螺栓、垫圈等发电机紧固件需要及时检查其连接情况、绝缘性能等，保证风力发电机的结构件可以满足实际运行需要，风力发电机通常可通过干油润滑、稀油润滑来起到对内部机械装置的润滑作用，稀油润滑多用于齿轮箱的润滑维护，风力发电机运行维护人员应及时更换润滑油，干润滑油则多用于轴承偏航齿轮，由于这类齿轮长期运行很容易造成润滑油温度上升，因此存在变质的可能性，发电机运行维护人员则应及时补充、更换润滑油，并严格控制补充量，防止发电机电气烧坏等后果。另外，运行维护人员在维护轴承与润滑系统时，需要全面、认真检查润滑脂类型，并全面清洁油嘴及相关区域，确保润滑通道的通畅性，保证轴承用润滑油按照规定用量使用。运行维护人员需要结合发电机实际运行规律，维护定、转子绕组，通常情况下绕组干燥的新电机绝缘性能较好，只需在出现故障时进行检测工作，绝缘电阻值减小不仅受绕组温度的影响，而且在存储或运输过程中受潮等也会降低电气设备的绝缘电阻值。

3.2气动带除冰技术

这项技术也被称为膨胀管除冰技术。一些膨胀管或膨胀袋安装在叶片前端的边缘。如果出现结冰问题，膨胀管或膨胀袋可以膨胀，从而打碎机组叶片上的冰层，促使碎冰脱落。附加装置包括多个部分，即膨胀管、输气管、充气泵和减压阀。充气泵给膨胀管或膨胀袋充气，然后用减压阀排出气体，会引起振动。反复充气排气会引起持续振动，进而震碎叶片上的冰层。气动带除冰技术刚刚应用到飞机上，后来又应用到风力发电机叶片的除冰上。用在飞机上，也是用膨胀来去除飞机上的冰。飞机、机翼部件和尾部会设置膨胀管，定期充气，然后排气。膨胀和收缩的振动会促使冰层破裂，然后冰层离开飞机，被气流直接吹走。。

3.3热源部件网格加密方法

风力发电机组机舱内部的热量主要是来自机舱内部主要热源部件的发热及外界环境的影响程度。机舱内部的通风散热系统也是影响机舱内部热量分布的重要因素。而在对风力发电机组机舱进行有限元分析时，其网格划分方法与网格加密程度直接影响着机舱内部温度场分布布局的精确度。因此，在进行有限元建模时，采取对机舱内部主要热源部件，如齿轮箱、发电机、电控柜进行加密处理，而对于靠近主要热源部件的齿轮箱冷却器、发电机冷却器进行次加密处理。

3.4黑色涂层

黑色涂层是利用黑色物质具有 吸热特性来去除叶片表面的薄结冰。该技术可适用 于冬季温度高于0℃且光照比较充足的地区。当太 阳升起时，叶片表面的黑色涂层会吸收太阳辐射的 能量，使叶片表面温度升高，融化表面的薄结冰。此 方法不适用于温度低、 光照不足和結冰严重的地区。当黑色涂层吸收的热量过高时会对叶片的性能产生 影响，导致叶片的空气动力学性能发生改变。叶片除冰技术的不断改进有助于解 决风力发电机叶片结冰的问题，但目前还没有最佳 的解决方案。对于叶片结冰，可以将被动除冰与主 动除冰两者结合（如特殊涂料和电加热），通过在叶 片上安装重量传感器来判断是否启动相应的除冰 装置。此外，对于电加热消耗的大量电能，可以在 风力发电机外部安装储能电源。当风能资源丰富 时，为储能电源充电，当结冰时，储能电源放电，缓 解加热装置耗电造成的电网不平衡。

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。

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