風(fēng)場葉片結(jié)冰的分析

1、風(fēng)場葉片結(jié)冰的分析報告風(fēng)場葉片結(jié)冰的分析風(fēng)場葉片結(jié)冰的分析報告1、現(xiàn)狀20102011年，風(fēng)機(jī)出現(xiàn)葉片結(jié)冰，同時出現(xiàn)發(fā)電量低的現(xiàn)象， 風(fēng)速約 9m/s 時，輸出功率僅為 100KW 。山西因雨夾雪氣候的影響， 24 臺機(jī)組全部出現(xiàn)風(fēng)速與輸出功率不匹配現(xiàn)象。2、國外情況介紹目前，關(guān)于風(fēng)機(jī)機(jī)組結(jié)冰（主要是葉片結(jié)冰）引發(fā)的不利因素， 在國際上還是一個難題。 在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展較快的歐洲也存在同樣 的問題，如在德國、瑞典、瑞士、挪威、芬蘭及加拿大等國家和北美 地區(qū)。在全球范圍內(nèi)，因嚴(yán)重的冰雪災(zāi)害而造成風(fēng)力機(jī)組停機(jī)的事故屢 見不鮮。在 20022003 年冬季 ，由于冰雪而引發(fā)瑞典 Appelbo 地區(qū)

2、 風(fēng)力機(jī)組停機(jī) 7 周的事故。據(jù)瑞典統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，在 1998年2003 年間，總共發(fā)生過 1337 起類似的停機(jī)事件，其中 92%的事件與寒冷 氣候有關(guān) ，造成了 8022 小時發(fā)電量損失 1。在 19962001年間芬 蘭，由于嚴(yán)重冰災(zāi)分別造成 19、21、29、38、61和 61臺風(fēng)力發(fā)電機(jī) 組1280、495、196、581、739和 4230小時發(fā)電量損失 2。在加拿 大 Murdochville 地區(qū)，裝有 60 臺 V80-1.8MW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 （108MW ），該地區(qū)每年的 11月到 4月期間，有 12%的時間處于冰 雪氣候，不計嚴(yán)重冰災(zāi)， 僅輕微的葉片覆冰而造成的年發(fā)電量

3、至少損 失至少在 1% 以上34 。為了更深入認(rèn)識寒冷氣候?qū)︼L(fēng)力機(jī)運行和性能的影響， 國際能源 署于 2001年確立了編號為 19的新項目 寒冷氣候風(fēng)能，這個項目 由各成員國共同參與， 主要目的是測繪和收集在冰雪和嚴(yán)寒氣候條件 下風(fēng)機(jī)運行的相關(guān)參數(shù)和操作經(jīng)驗， 有助于改善風(fēng)機(jī)在寒冷氣候條件 下的運營。 詳細(xì)資料可以參考國際能源署關(guān)于該項目的出版物 寒冷 氣候風(fēng)能先進(jìn)技術(shù) 5 。3、葉片表面結(jié)冰原理葉片表面結(jié)冰， 是水在溫度跨過冰點時的一種物相轉(zhuǎn)變過程， 只 要溫度在零度以下，水變成冰是一種無法阻止的過程。葉片表面結(jié)冰主要分三種形式：雨凇、霧凇和混合凇。 雨?。毫捷^大的過冷卻水滴， 碰撞在葉片

4、表面， 先散開成水膜 然后凍結(jié)成冰凌，呈濕增長方式。一般發(fā)生在 0-5C，空氣中含水 量較大情況下， 在葉片表面形成光滑、 透明的堅固冰層。 這種冰層比 重較大，粘附力強(qiáng)。霧?。毫捷^小的過冷卻水滴， 隨氣流浮動， 在碰擊葉片表面瞬 間既凍結(jié)成冰凌，呈干增長方式。一般發(fā)生在-5C以下，空氣中水含 量較低情況下，晶體結(jié)構(gòu)不規(guī)則， 容易在葉片表面形成不平滑的冰體。 這種冰體白色疏松、 比重小、粘附力較弱， 通常發(fā)生在葉片的迎風(fēng)面?；旌馅。?不同粒徑的過冷卻水滴， 隨氣流浮動， 在碰撞葉片表面 瞬間，部分呈干增長，部分呈濕增長。冰體呈半透明狀，比重中等， 常在葉片的迎風(fēng)面凍結(jié)，具有一定的粘附力。在我

5、國東北地區(qū)， 由于冬季氣候干燥， 溫度較低， 所以通常在葉 片表面容易形成霧凇或混合淞。 另外，葉片的長期運行過程中， 由于 葉片表面沾有污漬、 前緣腐蝕、 葉片表面粗糙度較大等因素都有利于 葉片表面覆冰的形成。4、結(jié)冰對機(jī)組性能的影響葉片結(jié)冰主要集中在迎風(fēng)面， 且葉尖的冰雪沉積大于葉根， 冰雪 的累積和不規(guī)則脫落都會影響機(jī)組輸出功率。當(dāng)葉片表面輕微覆冰時， 可產(chǎn)生足夠的表面粗糙度而降低葉片氣 動性能， 降低機(jī)組功率輸出； 當(dāng)葉片嚴(yán)重覆冰時， 可使葉片轉(zhuǎn)矩降低 為零，完全停止功率輸出， 當(dāng)然覆冰不均導(dǎo)致振動過大也可造成停機(jī)。葉片覆冰對整機(jī)輸出功率的影響取決于覆冰的重量、覆冰后翼型 的形狀、覆冰

6、的位置分布、葉片設(shè)計和風(fēng)機(jī)控制。以Vestas V80-1.8MW 風(fēng)機(jī)進(jìn)行仿真分析，在雨淞(glaze icing) 條件下，葉片覆冰可達(dá)709Kg，占葉片重量的11% (葉片總重量 6500Kg);在霧淞(rime icing)條件下，葉片覆冰可達(dá)434 Kg ,占葉片 重量的6.7%。研究結(jié)果表面，兩種情況下的覆冰對葉片的阻力影響 較大：葉片的阻力沿葉片軸向以指數(shù)次增長，雨淞?xí)r葉尖阻力增加了365%，霧淞?xí)r增加了 250%，而在兩種條件下葉尖的升力均減小了 40%6。Xin wan g,Eric L.Bibeau等人在實驗室模擬了葉片結(jié)冰對風(fēng)機(jī)輸 出功率的影響，研究結(jié)果顯示：在較低溫度下

7、，葉片表面結(jié)冰為雨淞(graze icing),覆冰厚度為9.4mm時，輸出功率降低了 62% ;當(dāng)葉 片表面結(jié)冰為霧淞(rime icing)，覆冰厚度為8.5mm時，輸出功率降 低了 80%，如圖4.1所示7。圖4.1在極端冰載情況下風(fēng)機(jī)功率損失Matthew C. Homola和Muhammad S. Virk等人采用數(shù)字仿真的方法，模擬了風(fēng)輪直徑為126米的5MW風(fēng)機(jī)在氣溫-10 C、風(fēng)速10m/s、水分含量0.22g/cm3、液滴體積中徑20 m條件下運行1小時后對風(fēng)機(jī)功率的影響，試驗結(jié)果顯示，在該模擬條件下，風(fēng)機(jī)輸出 功率降低了 27%8。圖4.2是芬蘭技術(shù)研究中心（VTT ）關(guān)于

8、覆冰情況下對失速型定 漿距風(fēng)機(jī)和主動變槳距風(fēng)機(jī)輸出功率的影響的研究結(jié)果，從結(jié)果可 見，葉片表面結(jié)薄霜對變槳風(fēng)機(jī)的影響較失速型風(fēng)機(jī)小，但葉片表面結(jié)霧淞對變槳風(fēng)機(jī)的影響比失速型風(fēng)機(jī)大。9。Constant sppd,冋宮豈訊卩 stallVartable spperf, pitch control5810 it n 比化 20 22 24 S卅 kvt speed (e 何！p 刖坯flLUUoN*3 G 10 12 14 15 K? 3? 24 四Wind stsewl rrvs)1 J- 5 2 o Q Q ®疝 odT3曲zihlluqz圖4.2定槳距失速型和變槳距風(fēng)機(jī)在不同覆冰條

9、件下對輸出功率的影響綜上所述，葉片覆冰，根據(jù)冰災(zāi)嚴(yán)重程度，風(fēng)機(jī)的輸出功率有顯 著不同，較輕的覆冰損失一部分輸出功率，嚴(yán)重時可直接導(dǎo)致機(jī)組停 機(jī)。此外，雖然各國科研人員也對這一現(xiàn)象從數(shù)字仿真和實驗測試 等角度去做了分析，總結(jié)出了一些規(guī)律，但是，由于三維空氣動力學(xué) 發(fā)展的不成熟，采用數(shù)字仿真的方式所得出的結(jié)論往往與實際有一定 的差距。也就是說，葉片表面覆冰對風(fēng)機(jī)的影響機(jī)理和結(jié)果目前尚 在不斷的探索之中。5、葉片結(jié)冰的危害葉片覆冰的危害歸納起來主要有以下幾點：增大了靜態(tài)和動態(tài)不 平衡載荷、可能會導(dǎo)致機(jī)組振動過大、改變了葉片的固有頻率、增加 疲勞載荷、增加葉片彎矩、危害人身安全。6、葉片結(jié)冰的解決措施

10、跟空氣動力關(guān)系密切的行業(yè)器械， 對結(jié)冰，少有阻止結(jié)冰的有效 措施，多是在結(jié)冰后如何除去上想辦法。如飛機(jī)機(jī)翼在地面結(jié)冰后， 多是用高壓水沖刷除冰。在空中，低溫時，飛機(jī)借助雷達(dá)，繞開積雨 云飛行，如果在空中結(jié)冰，對飛機(jī)是災(zāi)難性的。當(dāng)氣溫低于 8 度，露點和氣溫的差值小于 3度時，同時有雨、雪 霧等現(xiàn)象時就極易結(jié)冰。從目前的科技水平和認(rèn)知的局限性來講， 不可能阻止葉片表面結(jié) 冰的現(xiàn)象發(fā)生， 只能是在葉片表面覆冰后采取適當(dāng)措施盡快除冰， 最 大限度的降低經(jīng)濟(jì)損失。 目前采取的主要手段有： 采用疏水性葉片涂 層力圖阻止或減少葉片表面結(jié)冰或減少冰對表面飛附著力、 在葉片前 緣貼加塑性加熱片、 超聲波除冰等

11、， 但針對兆瓦級葉片而言， 由于具 有較大的葉尖速比， 工藝條件的不成熟等因素， 還沒有成熟可靠的運 行中除冰技術(shù)。條件許可的話，可以高壓水沖刷除冰。7、GL風(fēng)力發(fā)電機(jī)組認(rèn)證指南中對風(fēng)機(jī)結(jié)冰的處置規(guī)定GL 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組認(rèn)證指南“ 2.3.2.19.3 結(jié)冰或故障時的運行” 的全文如下：必須始終為風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)提供信號“存在結(jié)冰環(huán)境”和 /或“結(jié) 冰”以及“傳感器故障” ，發(fā)生下列情況時，應(yīng)當(dāng)關(guān)閉風(fēng)機(jī)：-環(huán)境溫度低于+5 ° C,同時-出現(xiàn)信號“存在結(jié)冰環(huán)境” 、“結(jié)冰”或“傳感器故障”中的一 個，或沒有與冰傳感器的通信。為此，必須始終監(jiān)控從冰傳感器到風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)通信信道的完整 性（視情

12、況而定，如果用于信號的傳輸，則包括休眠通信） 。8、建議建議在安裝于冰雪偏多地區(qū)風(fēng)機(jī)的 SCAD 系統(tǒng)中增加濕度監(jiān)控 裝置，收集的溫濕度數(shù)據(jù)將是地理氣候差異導(dǎo)致有的結(jié)冰有的不結(jié)冰 的直接證據(jù)。參考文獻(xiàn)1 Dalili,N. & A.Edrisy. A review of surface engineering issues critical to wind turbine performanceJ. Renewable and Sustainable Energy Reviews,2009,(13):4302 Jasinski,WJ.&Noe. SC, Selig MC, Br

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