王聰，黃潔亭，張勇，韓爽

(1.龍源(北京)風(fēng)電工程設(shè)計咨詢有限公司，北京市 100034；2.新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室(華北電力大學(xué))，北京市 102206)

風(fēng)電機組葉片結(jié)冰研究現(xiàn)狀與進展

王聰1，黃潔亭2，張勇1，韓爽2

(1.龍源(北京)風(fēng)電工程設(shè)計咨詢有限公司，北京市 100034；2.新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室(華北電力大學(xué))，北京市 102206)

隨著寒冷氣候地區(qū)風(fēng)電場建設(shè)規(guī)模的不斷擴大，葉片結(jié)冰問題日益突出。我國云貴高原地區(qū)風(fēng)電場機組葉片受冰凍影響，每年有2個月的冰凍期。葉片積冰嚴(yán)重時會導(dǎo)致葉片斷裂，威脅風(fēng)電場人員安全；同時葉片覆冰造成機組效率降低，年發(fā)電量損失1%～10%，惡劣地區(qū)為20%～50%。因此有必要對葉片結(jié)冰機理及其對風(fēng)電機組的影響進行深入研究?？偨Y(jié)了風(fēng)電機組葉片結(jié)冰原因、結(jié)冰類型、結(jié)冰過程和現(xiàn)階段國外研究機構(gòu)的主要研究成果，探究在不同氣象參數(shù)以及結(jié)冰強度條件下，結(jié)冰對葉片氣動性能和風(fēng)電場發(fā)電量的影響并分析結(jié)冰對策，以避免機組結(jié)冰可能引起的問題，減少風(fēng)電場建設(shè)的不確定性因素，彌補國內(nèi)葉片結(jié)冰的研究空白。

風(fēng)力發(fā)電；寒冷氣候；葉片結(jié)冰；電量損失

0 引 言

鑒于化石燃料消費對生態(tài)環(huán)境所造成的負(fù)面影響，近些年可再生能源備受關(guān)注。其中，技術(shù)最成熟的可再生能源—風(fēng)能得到迅速發(fā)展。高原、寒冷地區(qū)，以及山脊、山頂?shù)娘L(fēng)能資源十分豐富，具有很大的開發(fā)價值。然而這些地方溫度低，海拔高，濕度大，很容易造成葉片結(jié)冰，引起風(fēng)電機組葉片氣動性能的變化：一方面會導(dǎo)致葉片過載、葉片冰載荷分布不均，進而造成風(fēng)電機組出力下降；另一方面在葉片旋轉(zhuǎn)過程中，當(dāng)冰層黏著力下降時極易出現(xiàn)冰塊脫落，造成運營事故。歐洲地區(qū)將近20%的地區(qū)，包括歐洲北部、英國、德國、阿爾卑斯山和意大利中部風(fēng)電場均發(fā)生過葉片結(jié)冰[1]。歐洲國家已廣泛開展風(fēng)電場環(huán)境低溫及葉片結(jié)冰影響研究。

我國具有開發(fā)潛力的風(fēng)能資源主要集中分布在“三北”地區(qū)(東北、西北、華北)、東南沿海以及島嶼等，尤其是“三北”地區(qū)往往處于寒冷地區(qū)，冬季結(jié)冰概率較高。當(dāng)風(fēng)力機安裝在這類地區(qū)時，在一定的環(huán)境溫度下，葉片很容易結(jié)冰，造成上網(wǎng)電量下降。在我國，這方面的研究相對較少。因此系統(tǒng)地了解結(jié)冰發(fā)生的原因、過程，準(zhǔn)確衡量葉片結(jié)冰對風(fēng)電場發(fā)電量的影響具有十分重要的意義。

1 結(jié)冰原因及類型

國際能源機構(gòu)(International Energy Agency，IEA)定義風(fēng)電寒冷氣候區(qū)域為：存在冰凍事件，或者溫度低于標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)電機組的操作限度的地區(qū)[2]。有的地區(qū)僅僅受低溫或者冰凍影響，有的則同時存在低溫和冰凍現(xiàn)象，這些地區(qū)均稱為寒冷氣候區(qū)域。理論上，任何環(huán)境溫度不低于-25 ℃的地區(qū)都不會發(fā)生有效結(jié)冰現(xiàn)象[3]。

國際標(biāo)準(zhǔn)組織(International Organization for Standardization，ISO)對大氣結(jié)冰作如下定義[4]：懸浮或者降落的液滴、雨、濕潤的雪凝聚在暴露于大氣中的物體表面的物理過程。不同的結(jié)冰類型對葉片氣動外形的影響也是不同的。Carlsson[5]通過測量不同類型的積冰，尋找電量損失和結(jié)冰類型之間的關(guān)系。Rindesk?r[6]和Laakso[2]將結(jié)冰類型進行分類并分別做數(shù)值和物理模擬。一般地，風(fēng)電機組大氣結(jié)冰可分為2類：(1)凍霧覆冰 (in-cloud icing)，包括霧凇冰(rime ice)和釉結(jié)冰(glaze ice)；(2)降雨型結(jié)冰(precipitation icing)，包括凍雨(freezing rain)、小雨(drizzle)及濕潤的雪(wet snow)[3]?，F(xiàn)著重介紹霧凇冰、釉結(jié)冰、濕度較高的雪和冰霜。

霧凇冰：具有較小粒徑的過冷云滴或霧滴，隨氣流浮動，迅速凍結(jié)在物體表面上形成霧凇或混合凇。如果液滴較小，將會形成如霧凇般柔軟的冰晶。如果液滴較大，霧凇冰會變硬，如松針般非對稱地附著在結(jié)構(gòu)體的迎風(fēng)表面。霧凇冰晶體結(jié)構(gòu)相當(dāng)不規(guī)則，表面凹凸不平，通常形成于-20～0 ℃。由于濕潤的空氣遇到裸露的山脊受迫抬升，風(fēng)速相應(yīng)增大，因而山地容易形成這類冰。硬質(zhì)霧凇冰通常呈白色，或半透明形態(tài)，密度為600～900 kg/m3，牢固附著于建筑物表面，很難除去。軟質(zhì)霧凇冰是由薄冰針或者冰片形成的脆性冰。一般形成于較小的冰顆粒并以三角形遞增方式沿著迎風(fēng)方向逐步發(fā)展，其密度介于200～600 kg/m3，易于清除。

釉結(jié)冰：這是由凍雨、冰凍細(xì)雨或者是云層內(nèi)濕潤的冰晶黏著在結(jié)構(gòu)體表面，形成的一種光滑、透明、均勻的冰層。環(huán)境溫度為-6～0 ℃時，易于形成此類冰，其密度最高，大概為900 kg/m3。這種冰多出現(xiàn)于以下2種情況：(1)當(dāng)逆溫層出現(xiàn)并同時伴有暖鋒過境，或者在山谷地區(qū)，冷空氣被外部暖空氣包裹。高空懸浮的暖空氣融化雪晶體后形成雨滴，通過近地面空氣層時形成凍雨或冰凍細(xì)雨。(2)當(dāng)機組葉片碰觸到濕潤的云層時。此時，地表溫度接近于0 ℃，撞擊地表的水滴不凍結(jié)。葉片表面一開始實際上是液態(tài)水，在葉片掃掠過程中發(fā)生結(jié)冰。在風(fēng)和重力的作用下，表面液態(tài)水可以繞葉片流動，因而葉片的背風(fēng)面也有可能結(jié)冰。

濕度較高的降雪：部分融化的雪晶體，含有較高的液態(tài)水成分，具有較高的粘度，可附著于物體表面。當(dāng)氣溫驟降時，濕度較高的雪就會凍結(jié)。0～3 ℃時，易發(fā)生雪積累現(xiàn)象，密度為300～600 kg/m3。

冰霜： 是低溫、高濕度地區(qū)較為常見的水蒸氣升華結(jié)冰現(xiàn)象。由于霜降密度小，強度低，不足以對結(jié)構(gòu)體產(chǎn)生較大的冰載荷，一般情況下不予考慮。

2 結(jié)冰過程

結(jié)冰事件可用氣象結(jié)冰、設(shè)備結(jié)冰、培養(yǎng)期及恢復(fù)期來描述[7]，該方法適用于暴露在大氣環(huán)境中的任何結(jié)構(gòu)體或器件。期間具備有利的氣象積冰條件稱為氣象結(jié)冰，或者稱為有效結(jié)冰階段；冰遺留在結(jié)構(gòu)體或設(shè)備表面或是葉片結(jié)冰干擾了風(fēng)電機組的正常運行，這些均稱為設(shè)備結(jié)冰。理論上，溫度低于-25 ℃時，設(shè)備均處于有效結(jié)冰階段。當(dāng)氣象條件允許時，測風(fēng)儀或葉片表面并不是立刻結(jié)冰，而是有一定的延遲，該階段被稱為培養(yǎng)期。由于使用除冰措施(如采用熱涂層表面)，培養(yǎng)期會更長。設(shè)備表面的冰繼續(xù)慢慢地積累，直到不具備氣象結(jié)冰條件。此時設(shè)備表面積累的冰層仍會保持一段時間，直至完全融化或者脫落，這段時期稱為恢復(fù)期。這段時間可能會比氣象結(jié)冰的時間還要長。

有些地區(qū)冬天日照時間長，冰層會迅速消融；而在北方，氣象結(jié)冰條件結(jié)束后，設(shè)備上還殘存有大量的積冰。一般采用結(jié)冰效果指標(biāo)來描述當(dāng)?shù)厝~片結(jié)冰難易和持續(xù)程度。結(jié)冰效果指標(biāo)可定義為設(shè)備結(jié)冰周期與氣象結(jié)冰周期的比值。

3 葉片結(jié)冰研究現(xiàn)狀及趨勢

目前，一些企業(yè)及科研單位致力于開發(fā)適用于某個地區(qū)的葉片結(jié)冰預(yù)測模型，但現(xiàn)階段主要傾向于研究冰凍如何影響測風(fēng)塔及風(fēng)速儀。此外，如何將這種結(jié)冰情況量化為具體的發(fā)電量損失，建立結(jié)冰強度和發(fā)電量損失之間的定量關(guān)系，也是亟待解決的問題。通過查閱資料和相關(guān)文獻，風(fēng)電機組葉片結(jié)冰的主要研究方向有以下4個方面。

3.1 結(jié)冰氣候條件模擬

氣象結(jié)冰主要與氣溫，風(fēng)速，液態(tài)水含量(liquid water content，LWC)以及水滴中間體積直徑(median volume diameter，MVD)有關(guān)。通過分析近地面的氣象觀測數(shù)據(jù)及數(shù)值天氣預(yù)報數(shù)據(jù)(如：云層高度、空氣溫度、衛(wèi)星云圖)，運用統(tǒng)計方法，結(jié)合氣象參數(shù)，推斷結(jié)冰的氣候條件。這種方法在某些地區(qū)產(chǎn)生較好的結(jié)果[8]。但由于其結(jié)果極大地依賴于測量質(zhì)量和測量密度；此外，當(dāng)?shù)氐牡匦蔚孛灿绊懣諝獾拇怪边\動以及外推結(jié)果的準(zhǔn)確性，以及地形間接改變了云層底部高度、大氣液態(tài)水含量以及降雨等因素，因而很難確定特定區(qū)域的結(jié)冰條件。有研究表明相對濕度參數(shù)并不適合表征結(jié)冰氣候條件[9-10]。

3.2 積冰模型模擬

氣象結(jié)冰模型不僅是氣象參數(shù)的函數(shù)，同時與積冰對象的實際屬性(如尺寸、形狀)、與平均風(fēng)向的相對位置以及設(shè)備的柔性有關(guān)[3]。Morgan進行了比對試驗，發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)的風(fēng)輪相較于靜止部件更易于積累更多的冰[11]。過冷水滴速度和最高風(fēng)速間的相對速度決定積冰速率。葉片外緣較根部而言掃掠面積更大，能夠收集到更多的水分，因而葉尖處極易于結(jié)冰。即使輪轂不結(jié)冰，葉片旋轉(zhuǎn)過程中，葉尖觸及較低云層時也可能結(jié)冰。隨著風(fēng)電機組尺寸日益增大，葉尖結(jié)冰的問題更為突出。

結(jié)構(gòu)體表面的積冰量和積冰類型的影響因素有很多，其中最重要的是空氣溫度、云層中液態(tài)水含量以及風(fēng)速。已知較高的風(fēng)速會導(dǎo)致較多的冰沉積。目前存在2種常用冰積模型，一種是基于自由轉(zhuǎn)動的垂直圓柱體的冰積仿真Makkonen模型[12]。挪威、芬蘭、瑞士將數(shù)值天氣與Makkonen冰積模型耦合，繪制出國家冰凍區(qū)域分布圖。冰的結(jié)構(gòu)、形狀和密度取決于冰是由云滴、雨滴、雪花還是水蒸氣形成的。

Makkonen公式：

dM/dt=α1α2α3wAv

(1)

式中：A為物體的橫截面；w為顆粒的質(zhì)量濃度，如雨水、雪或水蒸氣和云滴；V為顆粒速度；α1～α3為修正因子，其中α1為碰撞系數(shù)，對小體積雨滴而言接近0，α2為粘滯系數(shù)，對干燥的雪而言為0，α3為吸積系數(shù)。

另一種是二維[13-14]及三維[15]葉片積冰仿真模型。芬蘭技術(shù)研究中心開發(fā)了一種模擬在干燥及濕潤環(huán)境下冰的增長過程的Turbice模型并應(yīng)用于風(fēng)洞實驗中；美國國家航空航天局格倫研究中心的Lewice 模型起初用來模擬飛機機翼動態(tài)積冰情況。該模型模擬除冰過程中所需的加熱量，同時提供液滴軌跡、液體收集效率、能量和質(zhì)量平衡、積冰的形狀和厚度等信息。Turbice和Lewice二維葉片模型模擬條件均是定常的外部環(huán)境。通過從數(shù)值天氣模型獲取溫度、液態(tài)水含量和風(fēng)速信息，以及液滴體積濃度數(shù)之后，模擬圓柱結(jié)構(gòu)的累積冰載荷。這類模型主要針對架空電力線路的冰凍仿真，無法將圓柱體的冰模擬結(jié)果轉(zhuǎn)化為風(fēng)力機葉片。三維Fensap-ice模型僅應(yīng)用于飛機葉片積冰仿真。

到目前為止，還沒有一套完整的物理模型能夠通過考慮氣象條件(如風(fēng)速)或機械因素(如振動或彎曲對風(fēng)電機組葉片的影響)，將積冰過程參數(shù)化并且能夠模擬長期結(jié)冰過程。

3.3 結(jié)冰對電量影響的預(yù)測

由于風(fēng)電大規(guī)模接入電網(wǎng)，合理預(yù)測發(fā)電量對電網(wǎng)穩(wěn)定運行有著重要意義。COST(European Cooperation in Science and Technology)行動，包括14個歐洲國家和日本組成的歐洲“結(jié)構(gòu)體大氣積冰”行動聯(lián)盟旨在復(fù)雜地形、特殊外部條件預(yù)測風(fēng)電電量和電量突變。

輕度及中度結(jié)冰事件會造成發(fā)電量的減少。當(dāng)機組結(jié)冰較為嚴(yán)重時，將會導(dǎo)致風(fēng)電場電量突然下滑。若是在大型風(fēng)電場中發(fā)生此類事件將會嚴(yán)重影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性。因此有必要通過耦合冰積模型和數(shù)值天氣模型，參考風(fēng)電機組功率曲線，預(yù)測冰凍條件下風(fēng)電機組的發(fā)電量，提供未來72 h的風(fēng)電機組發(fā)電量，也包括由于冰凍所導(dǎo)致的潛在電量損失，或者未來更短時間內(nèi)(如0～6 h)的積冰情況。這對于風(fēng)電機組控制及除冰系統(tǒng)的提前動作具有十分重要的意義。但通過風(fēng)洞實驗及數(shù)值模擬的方式預(yù)測寒冷氣候下的風(fēng)電場發(fā)電量技術(shù)目前不具有可操作性。這是由于沒有獨立性的數(shù)據(jù)能夠驗證冰凍條件下風(fēng)電場電量預(yù)測的準(zhǔn)確性。

3.4 結(jié)冰電量損失計算

風(fēng)電機組結(jié)冰期發(fā)電量計算方法整體劃分為計算模擬和實地試驗?？偨Y(jié)文獻中積冰葉片電量損失研究方法，可歸結(jié)為以下4個方向：(1)通過風(fēng)洞實驗及數(shù)值模擬方法，修正積冰葉片的風(fēng)電機組功率曲線。(2)建立風(fēng)速、冰載荷或者結(jié)冰速率和發(fā)電量之間的三維功率曲線圖。通過三維函數(shù)關(guān)系可以方便查到一定風(fēng)速、結(jié)冰條件下機組發(fā)電量。(3)前后比較型，即計算結(jié)冰條件下與非結(jié)冰條件下的發(fā)電量差額。這種評估方法因明顯缺乏驗證過的冰載荷數(shù)據(jù)及冰凍事件發(fā)展過程分析而具有較大的不確定性，無法完全斷定是否因結(jié)冰導(dǎo)致了發(fā)電量的減少。同時積冰強度、積冰葉片的實際損傷值也難以計算。(4)根據(jù)結(jié)冰頻率對風(fēng)電場進行分類，以此建立相應(yīng)等級下風(fēng)電場發(fā)電量損失參考值。但這種方法缺乏結(jié)冰頻率數(shù)據(jù)，因而具有不確定性。

目前，已經(jīng)有風(fēng)洞實驗以及數(shù)值模擬方法量化由于葉片結(jié)冰所導(dǎo)致的電量損失[16-18]。Jasinski[19]介紹了450 kW失速型風(fēng)電機組不同轉(zhuǎn)速下的結(jié)冰電量損失。然而模擬計算結(jié)果是瞬時值，不能預(yù)測年損失量。Homola[20]運用CFD(computational fluid dynamics)計算方法估計了美國可再生能源實驗室(National Renewable Energy Laboratory，NREL) 5 MW參考風(fēng)力機的瞬時損失值。通過模擬冰凍過程，結(jié)果表明：(1)在7～11 m/s的風(fēng)速區(qū)間內(nèi)電量損失達27%；(2)葉片內(nèi)部靠近輪轂的根部區(qū)域?qū)ν獠勘鶅鰲l件不敏感，因而這部分的電量損失很少；(3)葉片上殘存的少量冰晶也會導(dǎo)致風(fēng)功率的減少。Botta[21]分析了意大利山脊試驗場風(fēng)電機組連續(xù)2年采樣頻率為10 min的風(fēng)速數(shù)據(jù)及發(fā)電量年損失。該試驗選用標(biāo)準(zhǔn)機型，因此風(fēng)電機組上的風(fēng)速計沒有防冰設(shè)備。假定結(jié)冰期是風(fēng)電機組不可利用以及整個能量損失的原因，進而比較4種工況下，結(jié)冰期理論發(fā)電量與實際電量來判斷年電量損失值。通過相同周期內(nèi)含加熱除冰的風(fēng)速儀的測風(fēng)數(shù)據(jù)和正常條件下的功率曲線得到理論值。采用這種方法，風(fēng)電場的年發(fā)電量損失值在10%～20%。Alberts[22]研究發(fā)現(xiàn)相對濕度大、溫度低于冰點，葉片結(jié)冰的概率會增大，因而建立風(fēng)電機組葉片結(jié)冰概率矩陣，描述結(jié)冰概率和大氣溫度及空氣濕度間的函數(shù)關(guān)系，估計預(yù)期能量損失。2009年瑞典北部風(fēng)電場電量損失Elforsk 報告中用10 min風(fēng)速對應(yīng)的功率數(shù)據(jù)繪制夏季功率曲線，據(jù)此計算出一定階段內(nèi)實際和理想發(fā)電量的比值。經(jīng)過敏感性分析后認(rèn)為功率比低于85%是葉片結(jié)冰所致。氣溫低于2 ℃的冬季損失值，較夏季嚴(yán)重許多。從2005年10月至2009年3月夏季損失 6.6%，冬季為27%[23]。瑞典哥特蘭大學(xué)Malmsten[24]對瑞典10個風(fēng)電場進行了案例研究，采用MERRA(Modern Era Retrospective-analysis for Research and Applications)再分析數(shù)據(jù)，建立夏季時段日風(fēng)速和日發(fā)電量間的非線性關(guān)系，并且將此函數(shù)關(guān)系推演到冬季日風(fēng)速和日發(fā)電量作為預(yù)期發(fā)電量，并與實際發(fā)電量比較，借此定量分析冬季冰凍氣候所產(chǎn)生的發(fā)電量損失。該方法可以捕獲總體冰凍趨勢，即瑞典北部地區(qū)較南部冰凍更為頻繁，發(fā)電量損失更嚴(yán)重。Erik[6]運用統(tǒng)計及物理方法建立冰積模型，并與同一時期冰載荷測量儀器IceMonitors和用來判斷積冰類型的探測儀HoloOptics提供的實際數(shù)據(jù)進行比較。采用ERA-Interim氣象數(shù)據(jù)模擬冰載荷，借以分析與長期氣象數(shù)據(jù)的相關(guān)性，建立電量損失和冰荷載之間的函數(shù)關(guān)系。結(jié)果顯示雖然物理模型未考慮冰融化期間葉片表面冰脫落和積冰類型的密度修正問題，但其整體結(jié)果較好。

近些年風(fēng)電機組除冰、去冰、防冰等輔助工具發(fā)展迅速，因此還需要驗證葉片結(jié)冰過程中，使用商用除冰、防冰系統(tǒng)對風(fēng)功率輸出的影響。

4 結(jié)冰對策分析

從風(fēng)電機組脫落的冰塊往往體積較大，因此有極大的安全隱患。雖然目前沒有因冰凍造成人員傷亡的記錄，但是如果沒有采取有效的預(yù)防措施，積冰葉片對于風(fēng)電機組維護人員或者鄰近區(qū)域的人員構(gòu)成巨大的生命威脅。因而有必要安裝結(jié)冰傳感器，測量空氣中液態(tài)水含量以及液滴尺寸分布。但目前沒有成熟的冰測量裝置，僅局限于建立有效的除冰及防冰裝置。

瑞典Bleikievare風(fēng)電場和Uljabuouda風(fēng)電場采用VestasV90的2 MW風(fēng)力機并安裝電加熱除冰系統(tǒng)[25]。電加熱系統(tǒng)通常加熱表面，安裝在風(fēng)電機組的葉片前緣；電熱阻鑲嵌或者層疊排列于葉片表面，電熱阻元件或者熱錫箔可在運行和停機狀態(tài)下工作；結(jié)冰狀況檢測器和葉片表面溫度傳感器用來控制加熱系統(tǒng)，同時應(yīng)防止葉片過度加熱以及金屬箔遭雷擊。瑞士Enercon風(fēng)電機組熱空氣除冰系統(tǒng)[26]以電動風(fēng)扇式加熱器產(chǎn)生的熱空氣直接加熱葉片內(nèi)部空氣。這種除冰系統(tǒng)普遍采用內(nèi)置式加熱源或者輻射源，將葉片內(nèi)部空氣加熱，而后傳遞到葉片表面，快速有效地除去葉片上的積冰。熱除冰系統(tǒng)曾經(jīng)應(yīng)用于瑞士St.Brais 測試中心并收到良好效果，其加熱系統(tǒng)能量損失大概是85 kW，也就是說如果采用熱除冰系統(tǒng)，額定風(fēng)速下，風(fēng)電機組輸出功率也能達到額定功率的96%[6]。熱除冰系統(tǒng)較上述電加熱系統(tǒng)而言，不會影響葉片的氣動性能，同時也沒有雷擊的危險，但葉片是良好熱絕緣材質(zhì)，因而加熱溫度較高[27]。有學(xué)者指出熱加熱方法效率過低[28]，可采取微波加熱技術(shù)，使葉片表面溫度高于冰點。機械除冰采用葉片自主振動抖落或者松動表面浮冰的方法，但較薄的冰往往粘附力強，難以抖落[29]。或者參照航天工業(yè)常用的充氣橡膠涂層方法，當(dāng)橡膠充氣后可將葉片表面浮冰破碎[25]。此方法干擾風(fēng)力機葉片的氣動性能，同時增加維護成本。Battisti[30]在葉片前后緣沿葉片延展方向開設(shè)小孔，在葉片表層形成一層空氣保護層，可以使空氣中大部分水滴的運動軌跡因小孔氣流而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

近些年來，普遍強調(diào)開發(fā)涂層技術(shù)作為被動除冰表面[6,31-32]。然而IFAM (the fraunhofer institute for manufacturing technology and advanced materials) 機構(gòu)試驗發(fā)現(xiàn)：疏水性只是目前可預(yù)見的抗冰屬性的決定因素之一，而且這種涂層未必是防冰涂層[6]。增加涂層的疏水性，反而更易于結(jié)冰。概念涂層[6]通過化學(xué)方法使得抑制劑溢出，從而降低冰凝固點。生物涂層[6]將具有抗冷凍特質(zhì)的生物蛋白質(zhì)作為涂層。由于這種涂層的分子配置和結(jié)構(gòu)可以改變凝固點，但同時不會影響融化點，造成凝固點和融化點存在溫差，即“熱滯后”現(xiàn)象。這些分子被稱為“熱滯后”蛋白質(zhì)或者抗冷凍蛋白質(zhì)(Antifreezeproteins，AFPs)。另一種方法是通過建立親水中心，將多余的水分都集中于某一區(qū)域，使得水分子都粘附于某一特定環(huán)境區(qū)域，使得葉片表面的積冰易于快速脫落[6]。整體上，現(xiàn)場測試多采用疏水涂層技術(shù)作為風(fēng)電機組的除冰系統(tǒng)，其他方法(如概念涂層、生物涂層)也僅限于實驗室階段。

應(yīng)對葉片結(jié)冰，需要準(zhǔn)確確定加熱系統(tǒng)的啟停時間，平衡設(shè)備安裝成本和電量損失，同時要考慮除冰、防冰系統(tǒng)對大型風(fēng)電機組葉片結(jié)構(gòu)的長期影響。

5 結(jié) 語

本文介紹了葉片結(jié)冰的原因及類型，詳細(xì)描述葉片結(jié)冰過程，概括闡述了目前國外的研究成果，主要包括5個方面：(1)根據(jù)氣象觀測數(shù)據(jù)及數(shù)值天氣預(yù)報，模擬結(jié)冰氣象條件；(2)結(jié)合經(jīng)驗公式建立冰積模型，提前防范葉片甩冰，減少安全隱患；(3)預(yù)測冰凍條件下的發(fā)電量，提前電網(wǎng)調(diào)配，調(diào)整機組控制策略，及時操作機組啟停；(4)評估結(jié)冰條件下風(fēng)電場的發(fā)電量損失，提供較為可靠的可行性研究報告，方便業(yè)主決策投資；(5)為了彌補由葉片結(jié)冰而導(dǎo)致發(fā)電量的損失，風(fēng)電場可酌情安裝葉片除冰和防冰系統(tǒng)。

風(fēng)電機組的冰凍問題應(yīng)當(dāng)引起足夠重視。一方面隨著風(fēng)電機組體積增大，葉片加長，輪轂高度增加，勢必會增大葉片結(jié)冰概率，因此開發(fā)葉尖冰檢測技術(shù)是十分必要的。另一方面，測風(fēng)儀表面的殘余冰會直接影響風(fēng)資源的測量結(jié)果。準(zhǔn)確評估結(jié)冰條件下風(fēng)電場的發(fā)電量損失；結(jié)合物理和統(tǒng)計方法，預(yù)測葉片結(jié)冰，勢必成為今后冰積葉片的研究趨勢。

[1]Tammelin B，Cavaliere M，Holttinen H，et al.Wind energy in cold climates[R].Finland：Finnish Meteorological Institute，2000.

[2]Laakso T，Holttinen H，Ronsten G， et al.State-of-the-art of wind energy in cold climates[R].Finland：International Energy Agency, 2003.

[3]Cattin R.Icing of Wind Turbines[R].Sweden： Elforsk， 2012.

[4]ISO 12494.Atmospheric icing on structures[S].2001.

[5]Carlsson V.Measuring routines of ice accretion for Wind Turbine applications[D].Umea：Umea University，2009.

[6]Erik R.Modelling of icing for wind farms in cold climate-A comparison between measured and modelled data for reproducing and predicting ice accretion[D].Sweden：Uppsala University，2010.

[7]Heimo A，Cattin R，Calpini B.Recommendations for meteorological measurements under icing conditions[C]//Proceedings of IWAIS 2009，Andermatt，Switzerland，2009.

[8]Bernstein B，Makkonen L.European icing frequency derived from surface observations[C]//Proceedings of IWAIS 2009，Andermatt，Switzerland，2009.

[9]Rast J，Cattin R， Heimo A.Icing indices：a good solution[C]//Proceedings of IWAIS 2009.Andermatt，Switzerland，2009.

[10]Cattin R，Russi M，Russi G.Four years of monitoring a wind turbine under icing conditions[C]//Proceedings of IWAIS 2009，Andermatt，Switzerland，2009.

[11]Morgan C，Bossanyi E，Seifert H.Assessment of safety risks arising from wind turbine icing[C]// Proceedings of the 1998 BOREAS IV conference，Hetta，Enonteki?，F(xiàn)inland，2003.

[12]Makkonen L，Laakso T，Marjaniemi M，et al.Modelling and prevention of ice accretion on wind turbines[J].Wind Engineering，2001(25)：3-21.

[13]Makkonen L.Models for the growth of rime，glaze，icicles and wet snow on structures[J].Philosophical transactions of the royal society，2002(358)：2913-2939.

[14]National aeronautics and space administration.LEWICE[EB/OL].[2013-02-14].icebox.grc.nasa.gov/design/lewice.html.

[15]Newmerical technologies Int. Ice3D： Ice accretion & water runback[EB/OL].[2012-01-01].www.newmerical.com/index.php/products/ice3d-cfd-software/.

[16]Homola M C，Virk M S，Nicklasson P J， et al.Performance losses due to ice accretion for a 5 MW wind turbine[J].Wind Energy，2012， 15(3)： 379-389.

[17]Seifert H，Richert F.Aerodynamics of iced airfoils and their influence on loads and power production[C]//Proceedings of EWEC 1997，Dublin，Ireland，1997.

[18]Barber S，Jafari S，Wang Y， et al.The effect of ice shapes on wind turbine performance[C]// Proceedings of IWAIS 2009，Andermatt，Switzerland，2009.

[19]Jasinski W J，Noe S C，Selig M S，et al.Wind turbine performance under icing conditions[J].Transactions-American society of mechanical engineers journal of solar energy engineering，1998(120)：60-65.

[20]Homola M C，Nicklasson P J，Ronsten G.Modelling of ice induced power losses and comparison with observations[C]//Proceedings of the Winterwind， Umea，Sweden，2011.

[21]Botta G，Cavaliere M，Holttinen H.Ice accretion at Acqua Spruzza and its effects on wind turbine operation and loss of energy production[C]//Proceeding of the International Conference，Wind Energy Production in Cold Climate，BOREAS IV，Hetta，F(xiàn)inland，1998.

[22]Alberts.Assessment of production losses due to rotor blade icing[C]//Proceedings of EWEA，Copenhagen，Denmark，2012.

[23]Ronsten G.Influence of icing on the Power Performance of Seven NM 82-1.5 MW Wind Turbines in Aapua[R].Sweden： Elforsk，2009.

[24]Malmsten J K.Wind turbine production losses in cold climate-Case study of ten wind farms in Sweden[D].Gotland University，2011.

[25]Carlsson V.Measuring routines of ice accretion for Wind Turbine applications[D].Sweden：UMEA University，2009.

[26]Horbaty R.Wind energy in cold climates-The Swiss experience[C]//Proceedings of the 2005 BOREAS VII，Saariselk?，F(xiàn)inland，2005.

[27]Seifert H.Technical requirements for rotor blades operating in cold climate[C]//Proceedings of the 2003 BOREAS VI conference，Pyh?tunturi，F(xiàn)inland，2003.

[28]Baath L，L?fgren H.New technologies for de-icing wind turbines[R].Sweden：Halmstad University，2008.

[29]Botura G，F(xiàn)isher K.Development of Ice Protection System for Wind Turbine Applications[C]//Proceedings of the 2003 BOREAS VI Conference，Pyh?tunturi，F(xiàn)inland，2003.

[30]Battisti L.Anti-icing system for wind turbines[P]. U.S. Patent 7637715. 2009-12-29.

[31]Kimura S， Sato T，Kosugi K.The effect of anti-icing paint on the adhesion force of ice accretion on a wind turbine blade[C]//Proceedings of the 2003 BOREAS VI Conference，Pyh?tunturi，F(xiàn)inland.2003.

[32]Nadine R，Volkmar S.Anti-ice technologies-coating concepts and evaluation[C]//Proceedings of IWAIS 2009，Andermatt，Switzerland，2009.

(編輯：張小飛)

StatusandAdvanceinResearchonBladeIcingofWindTurbines

WANG Cong1, HUANG Jieting2, ZHANG Yong1, HAN Shuang2

(1. Longyuan (Beijing) Wind Power Engineering & Consulting Co., Ltd., Beijing 100034, China;2. State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

With the expansion of wind farms in cold climate areas, the problem of blade icing becomes increasingly prominent. The wind turbines in Yunnan-Guizhou Plateau have been obsessed with such severe icing events and annually experience icing period of two months. Heavy icing events may cause blade fracture and threaten personnel safety in wind farm; meanwhile blade icing will reduce generating efficiency so significantly that the annul wind power losses is about 1%～10%, and at harsh areas about 20%～50%. So it is necessary to take in-depth study on the mechanism of blade icing and its effects on wind turbines. This paper summarized the icing reason, icing types, ice-forming process on blade in wind turbines, as well as the main research results of foreign research institutes at present stage. Then, according to different meteorological parameters and icing intensities, the influence of icing on blade’s aerodynamic performance and wind power generation were studied and the countermeasures of blade icing were suggested, which could avoid the problems caused by blade icing, reduce the uncertainty of wind farm construction, and make up the gaps in the domestic research of blade icing.

wind power generation; cold climate; blade icing; power losses

國家自然科學(xué)基金項目(51206051)。

TM 614

： A

： 1000-7229(2014)02-0070-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.02.014

2013- 09- 06

：2013- 10- 24

王聰(1982)，女，碩士研究生，工程師，主要從事風(fēng)電場前期資源評估，風(fēng)電場微觀選址的工作，E-mail：wangcong@clypg.com.cn;

黃潔亭(1988)，女，碩士研究生，研究方向為風(fēng)資源評估及風(fēng)速概率分布理論，E-mail：hjieting@gmail.com;

張勇(1977)，男，碩士研究生，工程師，主要從事風(fēng)電場前期資源評估，風(fēng)電場微觀選址的工作, E-mail： zhangyong@clypg.com.cn;

韓爽(1974)，女，工學(xué)博士，副教授，主要從事風(fēng)力發(fā)電的研究, E-mail：hanshuang1008@sina.com。