风力发电机组叶片防冻除冰技术研究进展

来源: 发布时间:2019-04-26 10:53:13

  摘要:在我国较为寒冷的地区, 风力发电机组叶片易出现覆冰情况,对机组的安全运行和现场相关工作人员的人身安全都会造成一定程度的威胁。本文对风力发电机组叶片表面出现覆冰情况的过程以及对其造成影响的因素,进行了分析讨论,并提出了叶片覆冰过程的不同阶段进行防冻除冰的技术方法。

  关键词:叶片覆冰;除冰技术;风力发电机组

  引言:清洁无污染、分布广泛和取之不尽用之不竭都是风能的主要优点。现在风能已经被世界各个国家和地区作为一个有重大意义的新型能源进行充分的开发与利用。世界上大部分的风能资源主要集中在加拿大、西北欧沿海、美国西部沿海地区以及南北回归线附近等地区。因其分布,所以风电场大部分都建立在这些高纬度的寒冷地区,部分地区由于海拔高气温愈加低,风能资源更加丰富,但同时由于其温度低的特性,直接导致这些区域风电机组叶片在冬季极易出现覆冰现象。欧洲将近20%的地区,例如西班牙、英国等均发生过叶片覆冰现象。而在我国,由于幅员辽阔、地理位置的不同,所以风能的分布并不均匀,多数集中在东北、华北气候寒冷的开阔地区。这些区域是每年冷空气入侵的首要地区,所以风力发电机组叶片也会出现一定程度的覆冰现象。

  1.风力发电机组叶片覆冰的研究

  1.1风力发电机组叶片覆冰的危害

  风力发电机组的叶片出现覆冰情况之后,首先其翼型会随之发生不规则的改变,出现叶片表面高度不均匀、粗糙度增加等情况,这样会使叶片的阻力升高,降低其气动性,最终的结果会造成其专属性能下降,风能发电的利用率会有不同程度的降低;其次会造成叶片及其他零部件的负荷增加,覆冰的不均匀会导致质量不平衡,这样有可能会激发叶片震动并产生较大振幅,从而对叶片造成不同程度的损害,导致风力发电机组的稳定性受到影响。

  1.2叶片覆冰的原因

  风力发电机组一般都建立在风能资源丰富的地区,这些地区往往冬季气温较低且空气湿度大。由于这些地区环境的特性,外加随处可见的水雾,容易形成的低冰点并且浓度较大的溶液滴,这些溶液滴的冰点低于水的冰点,具有在一定的条件下保持液态且不会发生冻结的特性。但是其状态很不稳定,随时有出现改变的可能性。因此如果叶片处于一个湿度较高并且易于结冰的环境中,就会导致叶片表面出现程度不同的覆冰情况。

  1.3叶片覆冰的类型

  在地域条件,环境条件不同的情况下,导致空气中过冷却水滴的粘性特征也各不相同,所以叶片覆冰的形状和特性也是有所差异。对于不同的地理位置,气候特征和周边环境,覆冰也分为不同的种类,主要包括(1)雨凇,雾凇,混合凇和湿雪四类,这是根据冰层不同的表面形状进行分类。(2)云中覆冰,凝华覆冰,降水覆冰三类,主要是根据冰层的形成机理进行分类(3)干增长过程和湿增长过程两种,这是根据冰层在物体表面的增长特性分类而成。根据国际标准ISO12494对覆冰的定义及分类,覆冰主要分为云冰、沉降冰和积霜三种类型;其中云冰可以分为雨凇、雾凇(粒状雾凇、晶状雾)和混合凇;沉降冰可以分为湿雪和雨凇。

  1.4影响风力发电机叶片覆冰的因素

  影响叶片覆冰的因素分为环境因素和自身因素两种。最主要的因素是周边的环境因素,包括风速、温度等不同的情况都会对叶片覆冰有着不同程度的影响。(1)当周边的环境温度下降到零度以下,达到了足够的冻结温度的时候就会在叶片表面出现覆冰。(2)空气中环境湿度较高,在相对湿度高于85%的情况下会出现叶片覆冰。(3)风在 1~10m/s的区间内,气流会带动过冷却水滴运动,使叶片捕获足够的水滴形成叶片覆冰。影响叶片的自身因素指的是风力发电机上的同一扇叶片,它的迎风面和背风面的气体运动的流场具有很大程度的差别,迎风面对着气流流动接触较多会捕获更多的水滴从而覆冰量较多,而背风面因其流场稳定与水滴接触机会很少所以覆冰量就相对较少。

  2.风力发电机组叶片覆冰预防方法

  2.1溶液防冰

  在风力发电机组叶片表面进行防冰液涂抹 ,达到溶液冰点降低的目的,这种方式就是溶液防冰。将防冰液(例如乙醇等)涂于叶片上,在叶片的转动中防冰液和捕捉的水滴混合在一起,从而使溶液的冰点降低。但是这种方式也存在着一定的缺陷,就是持续时间短,需要对其进行用量进行及时补充。并且在温度极低的时候其效果就会大打折扣,因此这种办法的可操作性和经济性都相当差。

  2.2热能防冰

  简单来讲,热能防冰就是利用热能对覆冰进行处理,通过热能对风机上需要重点保护的相关零部件采取一定程度的加热,使得表面温度升高至冰点之上,以此来预防覆冰情况出现。目前情况下,常用的热能防冰技术主要是电热和气热两种。电热防冰指的是在叶片制作的过程中,安装相应的防冰装置从而使电能向热能进行转化,对重点的零部件进行加热,达到防止覆冰的目的。也是在目前来讲,世界风电行业中应用最广泛的一种技术。而气热防冰指的是通过叶片空腔内的通风管道,将加热器和鼓风机产生的暖风输送到各个零部件进行加热,达到确保风机正常运行工作的目的。

  2.3涂层防冰

  涂层防冰就是将具有特性的特殊涂料涂于叶片上,利用其相关特性减小冰层与叶片之间的粘结力,或是使得覆冰融化而达到除冰的目的。聚四氟乙烯,内烯酸及有机硅都是目前防冰最常用到的涂料类型。这些涂料不但防冻功效显著,并且可以防腐蚀且有效的对叶片进行保护,而且具有很强的环保特性,不会对周边的环境造成污染。但是其性质决定了其一定要具备很强的憎水性。这就会对叶片表面的黏附性造成不同程度的影响,使其无法在叶片大强度的运转情况下有效的粘附在叶片表面,此外,涂料极易老化导致失效,要经常进行维护修补。

  3.风力发电机组叶片除冰方法

  3.1机械除冰

  机械除冰,很简单来讲就是使用相关的机械设备或人工将叶片上已形成冰层击碎,之后再利用例如离心力、震动等方法让碎冰脱离叶片表面而达到除冰的目的。在目前情况下,较多的是使用人工击碎叶片表面覆冰,之后再用一些相关的物理办法达到除冰目的。该方法具有很强的实用性和简单性,但是一定要在器械关闭之后再进行除冰工作。

  3.2气动带除冰

  气动带除冰技术即膨胀管除冰技术,在叶片前缘位置进行膨胀管或膨胀袋的安装,当覆冰情况出现的时候,利用其良好的膨胀技术,震碎叶片表面的冰层,并使其脱落。充气泵,卸压阀、输气管和膨胀管都是其主要的组成部分。通过充气泵的作用使膨胀管膨胀,之后通过泄压阀使其收缩,通过不断重复这两个步骤震碎覆冰。气动带除冰技术在飞机上得到了运用,充分的利用飞机部件表面上膨胀管的作用,脱落其表面的冰层。在机翼,尾翼前缘的膨胀管一般情况下有两种形式,分别是展向和弦向。为使膨胀管膨胀,周期性的向其充气,而后进行卸压收缩,致使冰层破裂,脱离飞机,被气流吹走。

  3.3热能除冰

  热能除冰的和热能防冰的原理大同小异。上述说过是通过利用不同来源的热能加热相关零部件的表面,使其温度上升,将叶片表面的覆冰融化,最终达到除冰的效果。而热能除冰主要包括以下三种类型。

  (1)自身散热除冰。叶片除冰抗冻系统收集发电机产生的热量 ,经过循环系统把热量送到叶片内部各处,从而进行除冰。自身散热的缺点,一般的风力机组有较大体积的叶片,并且也有一定的厚度,在周边气温过低的情况下,发电机所产生的热量难以融化覆冰,还会导致除冰效果不均匀 。

  (2)叶片微波除冰。这种方法是利用微波加热功能,微波对叶片进行加热,使叶片上冰层黏附力减小,覆冰受到重力和离心力的影响从叶片上脱落,使其可以有效的除冰。叶片微波除冰的缺点,要达到良好的除冰效果,就要设置大量的微波装置,不仅数量多,在安装上的难度也比较大,在维修时也会有一定的困难,如果没有进行有效的安装,会导致除冰不均匀,使叶片受到伤害,影响风电机的运行。

  (3)金属网电加热除冰。在叶片表面安装电加热装置以及防雷金属网,利用电能产生的热进行除冰。在叶片出现结冰现象时,运转电加热装置,对叶片进行除冰,其能有效地防止机组遭受冰冻造成的伤害。这种办法的缺点,是在叶片表面安装加热装置,对叶片的正常运行会有一定的影响,也容易损坏叶片,容易导致故障的发生,其维修难度也比较大。

  3.4超声波除冰

  顾名思义,超声波除冰的技术就是充分的利用超声波产生的能量对叶片表面及零部件进行除冰。超声波会存在两种不同的方向传播和不同的导波,其在空气介质中会同时进行传播使得叶片和覆冰产生剪切应力使其覆冰脱离叶片,达到除冰效果。

  结束语:在低温的环境下,会导致风机叶片表面附着较大的冰层,温度越低,其黏附性越大,改变着风机叶片的运行情况,而低温天气也会在叶片上产生过冷水滴现象,温度越低其结冰速度越快,叶片覆冰的情况会对风力发电机组的正常、持续稳定的运行和使用寿命产生严重影响。严重情况下还会导致现场的相关工作人员的生命安全受到威胁。因此研发出一种简单高效的防冻除冰技术刻不容缓。

  参考文献:

  [1]邓梦妍,何青.风力发电机叶片防冻除冰技术研究进展[J].电力与能源,2017,38(06):750-755.

  [2]王伟,侯学杰,管晓颖,黎华,林明.风电叶片除冰技术的研究进展[J].玻璃钢/复合材料,2014(01):90-93+7.

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