风电机组叶片覆冰形成原因及覆冰防治概述

2026-01-10 22:31 [电力论文] 来源于：互联网作者：互联网

导读：风电机组叶片覆冰形成原因及覆冰防治概述胡雅可五凌汝城电力有限公司 424199 摘要：我国制定了可持续发展战略，是能源发展实现节能、环保、减少消费的主要动力。根据政府发布的战略发展计划，到2020年，非化石能源占初级能源消费的比例将控制在15%左右。风

风电机组叶片覆冰形成原因及覆冰防治概述

胡雅可

五凌汝城电力有限公司 424199

摘要：我国制定了可持续发展战略，是能源发展实现节能、环保、减少消费的主要动力。根据政府发布的战略发展计划，到2020年，非化石能源占初级能源消费的比例将控制在15%左右。风力资源利用率高，技术成熟。随着技术的发展，成本也在下降，从而大大提高了桩基的容量。但是风力发电对气象条件的变化非常敏感，具有一定的不稳定性。春季气候潮湿地区风机叶片结冰成为风电场失效运行的主要影响因素。叶片覆冰后，叶片的空气动力特性发生变化，机组的动力负荷增加，对风电场的安全运行和效益产生不利影响。

关键词：风电机组；叶片覆冰；形成原因；覆冰防治

引言

风力发电场往往需要建在风能充足的高海拔地区，风机叶片经常会因覆冰导致风力发电机停止运转，同时也会给周边的居民及动物带来安全隐患。常用的风机叶片除冰方法包括主动除冰和被动除冰。主动除冰包含热除冰、电除冰和机械除冰。主动除冰方法成本高、耗能高。被动除冰主要包含疏水涂料、光热涂料和喷洒化学药品等方法。被动除冰方法成本低，但是目前疏水涂料和光热涂料防覆冰效果并不理想，喷洒化学药品法只能作为一种短期除冰方法，因此，亟需研制一种有效的防冰材料应用于风机叶片。所以研究有关风力机组防覆冰技术是十分有意义的。

1风力发电机组覆冰产生的影响

1.1发电量降低

温度降低后，风力机组会由于风速计结冰的原因，导致机组停机。在某些情况下，叶片严重结冰的时候会导致设备异常关机，影响电网的稳定运行，降低发电量。

1.2降低风机设计寿命

风力发电设备的冷却增加了机翼和塔结构的负荷，导致每片叶片质量分布不均，转子叶片之间振幅增大，甚至共振，超过了设计疲劳负荷。低温环境下运行影响润滑油低温流动性，导致机械磨损增加，影响变速器寿命和风电场发电。

1.3覆冰厚度的影响

采用单因素控制变量法，即仅改变覆冰厚度，分别计算5mm、10mm、15mm和20mm覆冰厚度下导线的动力响应。导线的最大冰跳高度随着覆冰厚度的增大而增大，两者近似满足线性关系。当线性覆冰的覆冰厚度为20mm时，导线覆冰脱落后的最大冰跳高度为2．89m，相比覆冰厚度为15mm时增大46．7%，表明覆冰厚度越大，相同脱冰率下释放的能量越多，脱冰动力响应越剧烈。覆冰厚度大于12mm，相同覆冰工况下线性覆冰脱落后的最大冰跳高度大于均匀覆冰时的最大冰跳高度。

1.4档距的影响

采用单因素控制变量法，只改变档距，当档距分别为400m、600m、800m、1000m和1200m时导线的计算结果。均匀覆冰时，导线的最大冰跳高度随着档距的增大而增大，当档距从400m增大到600m时，最大冰跳高度增大22．2%，随着档距的继续增大基本保持6%的增幅。档距小于800m时，非均匀覆冰大于均匀覆冰形式下的冰跳高度，当档距400m时最大冰跳高度相差30%，因此档距较小时，应进行非均匀覆冰形式下的覆冰脱落验算。

1.5机组载荷增加

风电机组发生叶片出现覆冰后，对机组载荷的影响主要表现在疲劳载荷、固有频率和大部件的极限载荷。（1）如果出现单叶片和两叶片覆冰后，导致叶轮质量不平衡，在风轮旋转平面内形成不平衡弯矩，进而传递到塔底，导致塔底左右方向的载荷幅值比无覆冰状态增加，相同寿命时间以及相同循环次数下等效疲劳载荷增加。（2）叶片覆冰的厚度与实际环境有直接关系，覆冰厚度直接影响叶片的整体结构和质量的变化。覆冰导致叶片的固有频率下降，使叶片固有频率更接近机组系统共振频率而发生叶片共振。

1.6覆冰对叶片质量和频率的影响

叶片覆冰具有分布不均匀、质量随机性,叶轮遇到结冰气候时,结冰质量分布在叶片前缘,从叶轮轴线到叶尖呈线性从0增至最大值,其计算式为:M(r)=AC85%r式中,M为叶片前缘质量分布,单位kg/m;r为从风轮轴线开始的半径位置,单位m;A为0.125,单位kg/m3;C85%为风轮半径85%位置弦长,单位m。基于此方法,得到叶片覆冰前后质量、叶片和塔筒频率。覆冰降低了叶片和塔筒振动频率,关键部位频率变化引发载荷改变,叶片振动频率大于塔筒振动频率。

2风力发电机组覆冰形成的成因

2.1影响叶片覆冰的气象条件

叶片上的冰敷是最直接、最明显的影响。冰敷通常在环境温度-1°C到-8°C之间进行。当环境温度过低时，过冷的水滴会像雪花一样出现，不会出现冰敷现象。因此，低环境下北方地区冬季冻害发生率较低，而云南、贵州、湖南等南部湿度较高地区冻害问题较为严重。湿度。其高度对叶片釉的形成有绝对的影响。通常，当相对湿度超过85%时，叶片釉容易引起，也容易押韵。冻害发生率最高的是湖南、湖北、江西等地。冬天和早春多雨，湿度很高，在很多情况下甚至达到90%以上。因此，叶片上的daher雾化频率较高，主要以韵的形式存在。风速由于风可以直接输送过冷水滴，也直接影响叶片结冰。风速低时能有效促进韵的形成，风速高时会产生粒状韵。一般来说，风速越高，叶片结冰就越快。

2.2影响叶片覆冰的地形及地理环境

风力发电机转子叶片的冷却受当地地形条件、气象条件和风力发电机运行状态的影响。冰复盖直接影响山区的方向、坡度方向和流域，山区风力发电系统的叶复盖对地形条件影响最大。当前，根据研究结果分析，结冰的严重程度对地形条件有直接影响，绝对高度不会直接影响结冰，周边的地形、检测点和相对高度也会影响结冰。在相对较好的风力条件下，山顶、通道、鹿特丹等地形特征鲜明的地区，以及河流和高湿度山顶容易发生液态冰的地区，冰敷会变得更加严重。

3风机防冰除冰的解决方法

3.1电加热除冰

电加热时，主要将加热元件放在风机叶片上，将电能转化为热能，将风机叶片表面温度提高到0℃以上，在叶片表面和冰层之间形成水膜，并通过叶片表面离心力和振动将复盖的冰抛离叶片表面。优点是叶片表面没有结冰，低温环境下风扇叶片的空气动力效率不受影响。缺点是能耗高，需要不断消耗电力；叶片设计复杂，成本高，因此需要将加热元件、转换器、电源等设备嵌入风扇叶片中，雷击风险高。刀片的维护比较困难，但这项技术仍受到许多公司的青睐。

3.2机械震颤

机械拉力是指刀片式俯仰电机引起的拉力，以加速刀片式服务器关闭风扇后的俯仰运动，然后减速，从而使刀片式服务器表面的结冰松弛，并使结冰现象减轻。但是，反复打开和关闭风扇可能会导致风扇损坏，从而导致风扇安全运行的潜在危险。叶片被动抗Icing方法主要包括疏水涂层法、内皮涂层法和化学药物法。

3.3叶片防冰除冰系统

风机的防冻除害主要包括防冻除害。前者是采取措施防止冰雪粘在叶子表面，后者是直接去除冰。这两种方法也可以理解为被动和主动。前者采用物理原理避免结冰，而后者则采用外部系统加热消除结冰。

3.4化学药剂法

可以通过喷洒化学物质来实现临时抑制，从而降低克林贡表面的冰点。该方法被民航用来作为防止机翼结冰的参考。化学剂具有短暂的时效性，不能长期保持抗Icing效应，还可能污染空气，因此只能作为一种临时指令的选择。

3.5气动带除冰技术

此技术也被称之为膨胀管除冰技术，将一些膨胀管或者膨胀袋子安装到叶片前端边缘位置，如果有覆冰问题出现，可以让膨胀管或者膨胀袋子进行膨胀，进而震碎机组叶片上的冰层，并促使碎冰脱落。外加的装置中包含多个部分，分别是膨胀管、输气管、充气泵和泄压阀。充气泵向膨胀管或者袋子中充气，使得膨胀管或者袋子膨胀，然后使用泄压阀将气体排出，这就会有振动出现，重复不断地充气和排气，就会不断地振动，进而将叶片上冰层震碎。

结束语

防冻除冰技术是风电机组安全穿越冰河时期的关键难点。当前，疏水性涂料、热风转向和电热转向是主要的解决方案。高结冰度地区可采用热释压与疏水涂层相结合的方式提高除冰效果。便宜的疏水涂料可以用来防止冰复盖薄的地区出现冰。

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（编辑：东北亚）