风力机防除冰系统研究综述

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摘要：摘 要：风能作为一种可再生的清洁能源，其应用范围逐步扩大。然而丰富的风力资源基本分布在高寒地带与湿度较大的沿海地区，机组部件极易受到低温高湿的覆冰影响，因此研究有关风力机组防除冰系统具有重要意义。本文通过对现有的风机叶片覆冰探测技术和除冰技

　　摘 要：风能作为一种可再生的清洁能源，其应用范围逐步扩大。然而丰富的风力资源基本分布在高寒地带与湿度较大的沿海地区，机组部件极易受到低温高湿的覆冰影响，因此研究有关风力机组防除冰系统具有重要意义。本文通过对现有的风机叶片覆冰探测技术和除冰技术的研究和总结，可以为智能化探测除冰系统的发展方向提供诸多参考。通过大数据将风场中的每台风机所收集到的数据进行综合分析，以节省除冰所需要的人力。对目前风力机叶片防除冰与探测技术的主流方法进行了分析评价，重点介绍了基于冰自身电学特性的探测技术与热能除冰系统的研究与发展现状，并对未来风机机组的智能防除冰综合系统发展提出了相关研究重点与发展方向。

　　关键词：风能发电 风机叶片覆冰 防除冰与探测技术 智能防除冰综合系统

　　相較于传统的石油与重化工等不可再生能源，风能作为一种蕴藏丰富、再生能力强的新型清洁能源，受到各国的关注，因此，风机叶片除冰技术对于风力发电在全球范围内的普及起到了至关重要的作用。

　　由于风能利用期较短，对于构建风机叶片防冰除冰的成套技术都还处于初期阶段。目前，主流的防冰除冰技术手段主要由防冰涂料、热空气加热技术和电加热技术所构成。然而，防冰涂层在受到外力和化学作用时易受损，并导致防除冰性能减弱。同时，由于研究成果较少，热力除冰所需的能耗大从而降低风力发电的生产效益。所以，风力机覆冰探测技术与除冰系统结合应用便成为了防除冰系统的关键，即通过精准的覆冰探测，确定叶片的覆冰状态，使防除冰系统达到最优化的除冰效果。

　　为此，构建风力发电机组的智能探测除冰系统便成为研究风机除冰系统的首要任务。本文将介绍现有的覆冰探测技术与防除冰方法的发展现状，并讨论智能化探测除冰系统的发展前景，为今后的风机探测、防冰和除冰技术的发展提供系统化的解决思路。

　　1 探测技术分析

　　国内的风机覆冰探测技术相关研究较为落后，缺少成体系的技术。国外研究团队主要将探测技术分为间接探测和直接探测[1]。

　　1.1 间接探测

　　专家通过对云朵、水汽和风速等自然环境条件的测量，来判断风机叶片的覆冰情况。2005年，专家在研究中发现，通过探测空气的相对湿度和露点温度可以预测风机是否会覆冰。然而，专家在后续的研究中发现，这种方法准确性与探测器存在30%左右误差。

　　1.2 直接探测

　　风机叶片覆冰的直接探测技术主要分为以下3类。

　　1.2.1 基于风机叶片自身固有频率的探测技术

　　在对风力发电机的叶片的翼型结构研究中发现，在工作时具有一定的振动频率，该频率不会超过其固有频率，而当风机叶片在不同位置覆有冰层时，会降低叶片的固有频率，继而增加叶片发生共振现象的可能性[2]。

　　1.2.2 基于反射原理的探测技术

　　经研究，声波探测技术是通过压电装置产生探测声波，使其通过叶片表面进行传播，并由叶片表面安装的加速度计进行捕捉测量。叶片上不同的积冰状态会改变声波的传播速度和振幅。因此，通过测量声波的振幅衰减和相移，便可测量风机叶片的覆冰状态。由于融冰水所产生的压缩波段会影响声波的传播特性，且该探测装置较为脆弱，保养维护成本较高，因而还未得到较广的应用[3]。

　　1.2.3 基于冰自身电学特性的探测技术

　　此类探测器使用的是电容式冰感应元件或电感式冰感应元件。在工作时，元件被探测器产生的电场辐射所包围，当介电物质(冰)接近并改变电场环境后，通过测量和计算元件的容抗产生的变化，即可得到叶片覆冰的状态参数。电感式感应元件则是利用电流来进行测量，与电容式感应元件的原理相类似[3]。此类探测技术具有探测精度高、探测范围广、探测能耗低等优点，因此被学者寄予厚望。

　　通过讨论直接探测和间接探测两类技术，可以发现，虽然直接探测技术需要的探测设备更为复杂，但其更加有利于除冰技术的发展。

　　2 防冰除冰分析

　　目前除冰方法可根据系统的介入时机分为被动型除冰和主动型除冰2类。其中，主动型除冰主要是通过预先处理，防止冰层覆盖在叶片的表面。被动型除冰主要是指，当叶片已经覆有一定量的积冰层时，通过物理或化学方法对表面覆冰进行除冰操作。

　　2.1 主动除冰

　　2.1.1 热能除冰

　　热能除冰法主要由2种组成：电加热除冰与热风除冰。电加热除冰是在风机外壳下架设加热丝、导热片等加热元件。加热系统利用风机自身发电所产生的部分电能使得叶片的整体温度高于临界结冰温度。此时当底层覆冰吸热融化后，冰层便可利用风机运行时的离心力自行脱落。热风除冰将热量来源替换为机舱内部机组运行时所产生的废热，通过管道与鼓风装置将热风输送至叶片内，以此降低风机电产能的损失[4]。

　　为了减少电能损失，专家[5]对加热装置增设了报警及主动除冰系统。该系统通过分析实际功率与机组功率曲线的偏差来判断机组是否结冰，确认结冰后，加热元件才开始工作。

　　通过热能除冰系统，热能除冰系统大幅减少人力物力财力资源的消耗。但随之而来的能耗高、配套基础设施成本高等问题仍有待解决。

　　2.1.2 涂料防冰

　　现阶段的防结冰涂层可分为超疏水、超润滑涂层和吸热涂层，分别从减少风机叶片表面水分停留和增加叶片表面热量两方面防止结冰。涂层方法针对所处环境和表面特性，利用涂料的物理、化学等性质抑制风机叶片表面结冰，操作简便，不引入其他装置，而且在役叶片无需改造和更换，可以直接使用涂料方法防冰[6]。

　　吸热涂层是通过涂料自身的吸热性质，利用白天日照或其他热源进行储存，在无光照的条件下再缓慢释放热量，从而达到自身循环除冰。

　　超疏水表面仿生自荷叶，利用微米纳米级复合结构。专家认为，超疏水涂层的表面微结构随着结冰、除冰次数的增加，逐渐被破坏，防冰效果减弱。因此，如何在长期润湿的低温环境中，保持疏水涂层的疏水性能和冰粘附强度不变是目前急需解决的关键问题。

　　超润滑涂层，通过在超疏水涂层的微纳结构表面填充润滑物质，增大边界层空气流速，显著提升水滴的滚落速度，使过冷水滴不易停留在表面。

　　2.2 被动除冰

　　2.2.1 人工手动除冰

　　人工手动除冰是当风机叶片的自身除冰系统发生故障，且位于极端恶劣环境下的风机机组覆冰状况极其严重时所采取的方式。该除冰方法效率低下，且操作危险系数高，在机组停机致使生产效率降低的同时还存在除冰不彻底、损坏叶片表面涂层及外壳等影响。

　　2.2.2 溶液除冰

　　溶液除冰目前是以氯盐融冰剂(氯化钠、氯化钙等)作为主要融冰材料，噴洒在覆冰的叶片表面，达到在低温下除冰的效果。专家研制的一种显色型环保融雪剂[5]通过实验证明融冰能力大于氯化钙，且对基底腐蚀极小。

　　2.2.3 机械除冰

　　机械除冰的主要原理是在风机叶片在停机与重新启动时，利用叶片变桨电机对叶片进行不间断的加减速运动，叶片所造成的震颤能使覆冰与叶片表面的接触出现相对位错，进而在叶片的运动中将大块的积冰抖落。该方法能够减少人力资源使用，降低环境影响。

　　目前衍生出一种较为先进的除冰技术—— 超声波除冰。其无需对运行中的风机机组进行停机操作，且仅需极少量的人力物力，目前已被多家风机维护公司采用。

　　3 结语

　　目前由于以电容式探测技术为研究热点，防冰探测技术种类丰富，应用广泛，但仍存在一些问题。故需要从直接与间接探测相结合的方向进行研究，建立一套智能化的探测除冰系统，优化探测体系。因此，将伴热除冰与涂层防冰相结合，在涂层防冰作用的基础上，研究更为精确的加热量和加热位置，能够降低能耗，提高除冰效率，是未来该领域的发展方向。

　　目前的全套智能化探测除冰系统主要由以下3个部分构成：中央控制器、探测器和电热除冰系统。该系统可利用成熟的5G网络体系，使人们能够远程检测风场中风机的覆冰状况，通过大数据将风场中的每台风机所收集到的数据进行综合分析，以节省除冰所需要的人力。

　　参考文献

　　[1] Wei K， Yang Y， Zuo H，et al.A review on ice detection technology and ice elimination technology for wind turbine[J].Wind Energy，2020，23(3)：433-457.

　　[2] Gantasala S L J C. Detection of ice mass based on the natural frequencies of wind turbine blade[J]. Wind Energy Science，2016.

　　[3] Madi E， Pope K， Huang W， et al. A review of integrating ice detection and mitigation for wind turbine blades[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2019，103：269-281.

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