风场叶片结冰的分析

风场叶片结冰的分析报告

1、现状

2010~2011年，风机出现叶片结冰，同时出现发电量低的现象，风速约9m/s 时，输出功率仅为100KW。山西因雨夹雪气候的影响，24台机组全部出现风速与输出功率不匹配现象。

2、国外情况介绍

目前，关于风机机组结冰（主要是叶片结冰）引发的不利因素，在国际上还是一个难题。在风力发电技术发展较快的欧洲也存在同样的问题，如在德国、瑞典、瑞士、挪威、芬兰及加拿大等国家和北美地区。

在全球范围内，因严重的冰雪灾害而造成风力机组停机的事故屡见不鲜。在2002~2003年冬季 ，由于冰雪而引发瑞典Appelbo地区风力机组停机7周的事故。据瑞典统计数据显示，在1998年~2003年间，总共发生过1337起类似的停机事件，其中92%的事件与寒冷气候有关 ，造成了8022小时发电量损失[1]。在1996~2001年间芬兰，由于严重冰灾分别造成19、21、29、38、61和61台风力发电机组1280、495、196、581、739和4230小时发电量损失[2]。在加拿大Murdochville地区，装有60台V80-1.8MW风力发电机组（108MW），该地区每年的11月到4月期间，有12%的时间处于冰雪气候，不计严重冰灾，仅轻微的叶片覆冰而造成的年发电量至少损失至少在1%以上[3~4]。

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为了更深入认识寒冷气候对风力机运行和性能的影响，国际能源署于2001年确立了编号为19的新项目——寒冷气候风能，这个项目由各成员国共同参与，主要目的是测绘和收集在冰雪和严寒气候条件下风机运行的相关参数和操作经验，有助于改善风机在寒冷气候条件下的运营。详细资料可以参考国际能源署关于该项目的出版物《寒冷气候风能先进技术》[5]。

3、叶片表面结冰原理

叶片表面结冰，是水在温度跨过冰点时的一种物相转变过程，只要温度在零度以下，水变成冰是一种无法阻止的过程。

叶片表面结冰主要分三种形式：雨凇、雾凇和混合凇。

雨凇：粒径较大的过冷却水滴，碰撞在叶片表面，先散开成水膜然后冻结成冰凌，呈湿增长方式。一般发生在0~-5℃，空气中含水量较大情况下，在叶片表面形成光滑、透明的坚固冰层。这种冰层比重较大，粘附力强。

雾凇：粒径较小的过冷却水滴，随气流浮动，在碰击叶片表面瞬间既冻结成冰凌，呈干增长方式。一般发生在-5℃以下，空气中水含量较低情况下，晶体结构不规则，容易在叶片表面形成不平滑的冰体。这种冰体白色疏松、比重小、粘附力较弱，通常发生在叶片的迎风面。

混合凇：不同粒径的过冷却水滴，随气流浮动，在碰撞叶片表面瞬间，部分呈干增长，部分呈湿增长。冰体呈半透明状，比重中等，常在叶片的迎风面冻结，具有一定的粘附力。

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在我国东北地区，由于冬季气候干燥，温度较低，所以通常在叶片表面容易形成雾凇或混合淞。另外，叶片的长期运行过程中，由于叶片表面沾有污渍、前缘腐蚀、叶片表面粗糙度较大等因素都有利于叶片表面覆冰的形成。

4、结冰对机组性能的影响

叶片结冰主要集中在迎风面，且叶尖的冰雪沉积大于叶根，冰雪的累积和不规则脱落都会影响机组输出功率。

当叶片表面轻微覆冰时，可产生足够的表面粗糙度而降低叶片气动性能，降低机组功率输出；当叶片严重覆冰时，可使叶片转矩降低为零，完全停止功率输出，当然覆冰不均导致振动过大也可造成停机。

叶片覆冰对整机输出功率的影响取决于覆冰的重量、覆冰后翼型的形状、覆冰的位置分布、叶片设计和风机控制。

以Vestas V80-1.8MW风机进行仿真分析，在雨凇（glaze icing）条件下，叶片覆冰可达709Kg，占叶片重量的11%（叶片总重量6500Kg）；在雾凇(rime icing)条件下,叶片覆冰可达434 Kg，占叶片重量的6.7%。研究结果表面，两种情况下的覆冰对叶片的阻力影响较大：叶片的阻力沿叶片轴向以指数次增长，雨凇时叶尖阻力增加了365%，雾凇时增加了250%，而在两种条件下叶尖的升力均减小了40%[6]。

Xin wang,Eric L.Bibeau等人在实验室模拟了叶片结冰对风机输出功率的影响，研究结果显示：在较低温度下，叶片表面结冰为雨凇（graze icing），覆冰厚度为9.4mm时，输出功率降低了62%；当叶片表面结冰为雾凇(rime icing)，覆冰厚度为8.5mm时，输出

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功率降低了80%，如图4.1所示[7]。

图4.1 在极端冰载情况下风机功率损失

Matthew C. Homola和Muhammad S. Virk等人采用数字仿真的方法，模拟了风轮直径为126米的5MW风机在气温-10℃、风速10m/s、水分含量0.22g/cm3、液滴体积中径20μm条件下运行1小时后对风机功率的影响，试验结果显示，在该模拟条件下，风机输出功率降低了27%[8]。

图4.2是芬兰技术研究中心（VTT）关于覆冰情况下对失速型定浆距风机和主动变桨距风机输出功率的影响的研究结果，从结果可见，叶片表面结薄霜对变桨风机的影响较失速型风机小，但叶片表面结雾凇对变桨风机的影响比失速型风机大。[9]。

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图4.2 定桨距失速型和变桨距风机在不同覆冰条件下对输出功率的影响

综上所述，叶片覆冰，根据冰灾严重程度，风机的输出功率有显著不同，较轻的覆冰损失一部分输出功率，严重时可直接导致机组停机。 此外，虽然各国科研人员也对这一现象从数字仿真和实验测试等角度去做了分析，总结出了一些规律，但是，由于三维空气动力学发展的不成熟，采用数字仿真的方式所得出的结论往往与实际有一定的差距。也就 是说，叶片表面覆冰对风机的影响机理和结果目前尚在不断的探索之中。

5、叶片结冰的危害

叶片覆冰的危害归纳起来主要有以下几点：增大了静态和动态不平衡载荷、可能会导致机组振动过大、改变了叶片的固有频率、增加疲劳载荷、增加叶片弯矩、危害人身安全。

6、叶片结冰的解决措施

跟空气动力关系密切的行业器械，对结冰，少有阻止结冰的有效措施，多是在结冰后如何除去上想办法。如飞机机翼在地面结冰后，多是用高压水冲刷除冰。在空中，低温时，飞机借助雷达，绕开积雨云飞行，如果在空中结冰，对飞机是灾难性的。

当气温低于8度，露点和气温的差值小于3度时，同时有雨、雪雾等现象时就极易结冰。

从目前的科技水平和认知的局限性来讲，不可能阻止叶片表面结冰的现象发生，只能是在叶片表面覆冰后采取适当措施尽快除冰，最大限度的降低经济损失。目前采取的主要手段有：采用疏水性叶片涂层力图阻止或减少叶片表面结冰或减少冰对表面飞附着力、在

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叶片前缘贴加塑性加热片、超声波除冰等，但针对兆瓦级叶片而言，由于具有较大的叶尖速比，工艺条件的不成熟等因素，还没有成熟可靠的运行中除冰技术。条件许可的话，可以高压水冲刷除冰。

7、GL风力发电机组认证指南中对风机结冰的处置规定

GL风力发电机组认证指南“2.3.2.19.3 结冰或故障时的运行”的全文如下：

必须始终为风机控制系统提供信号“存在结冰环境”和/或“结冰”以及“传感器故障”，发生下列情况时，应当关闭风机：

-环境温度低于+5 °C，同时

-出现信号“存在结冰环境”、“结冰”或“传感器故障”中的一个，或没有与冰传感器的通信。

为此，必须始终监控从冰传感器到风机控制系统通信信道的完整性（视情况而定，如果用于信号的传输，则包括休眠通信）。

8、建议

建议在安装于冰雪偏多地区风机的SCAD系统中增加湿度监控装置，收集的温湿度数据将是地理气候差异导致有的结冰有的不结冰的直接证据。

参考文献

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[1] Dalili,N. & A.Edrisy. A review of surface engineering issues critical to wind turbine performance[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews,2009,(13):430

[2]Jasinski,WJ.&Noe. SC, Selig MC, Bragg MB. Wind turbine performance under icing conditions[J]. Trans ASME J Sol Energy Eng 1998;120:60–5.

[3] Laakso,T.& L.Talhaug. Task 19 wind energy in cold climates final report[R]. Paris:IEA,2009:19

[4] Mitrova,D.& Mariya.H. Pertes energetiques d'une eolienne a partir des formes de glace simulees numeriquement[D]. UNIVERSITE DU QUEBEC A RIMOUSKI , 2009:176

[5] Laakso,T&Michael. D. State-of-the-art of wind energy in cold climates[R]. VTT Technical Research Centre of Finland,2010:1-74.

[6] Hochart,C.& Guy. F. Wind turbine performance under icing conditions[J]. Wind Energ. 2008; 11:332

[7] Xin,Wang & Eric.L. Experimental Investigation of Energy Losses due to Icing

Of a Wind Turbine[J]. Challenges of power engineering and environment.2007,(14): 1143 - 1147

[8] Matthew C. Homolaa,b, Muhammad S. Virkb& Per J. Nicklassonb,etc. Modelling of ice induced power losses and comparison with observations[J].

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Winterwind 2011, February 8-10, Ume°a, Sweden

[9] Wallenius, T., The effect of icing on wind turbine energy production losses with different control strategies. Master’s thesis, Helsinki University of Technology, Department of Mechanical Engineering, Finland, 2007.

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