風力發電機葉片結冰檢測及防除冰技術綜述

孫永朋 關 新 劉傳寶 王 哲

1.沈陽工程學院能源與動力學院

2.沈陽工程學院新能源學院

0 引言

風能是全球開發最廣泛的可再生能源之一，由于具有清潔無污染、分布廣泛的特點，受到世界各國的關注。風電機組在運行過程中也出現了諸多問題，其中寒冷地區的風力發電機葉片結冰便是其中之一。我國風能資源豐富，但由于地域遼闊及地理位置的不同，風能分布不均勻，多數優質風能資源集中在東北、華北、西北等氣候寒冷的地區，所以風力發電機葉片面臨著一定程度的覆冰現象。葉片結冰不僅改變空氣動力學特性，使其表面粗糙度增加，降低翼型升力、增加阻力，還進而影響風力機風輪捕獲風能的能力，減少其出力效果。此外，葉片表面覆冰，將引起風輪葉片質量不平衡，進而對風輪主軸產生附加扭矩，這將改變葉片的固有頻率和運行可靠性，甚至將促使塔筒與風輪之間產生共振現象，造成風電機組安全鏈觸發，產生風力機運行安全事故。因此，有針對性地對風力發電機葉片結冰過程、結冰類型、結冰檢測方法及防除冰技術進行研究，對風電機組的穩定運行具有重要意義。

1 風力機葉片結冰過程、等級、類型及影響

1.1 結冰過程

結冰過程可分為氣象結冰階段、儀器結冰階段、培養階段、恢復階段。從氣象學的角度來看，結冰過程包括兩個階段：氣象結冰階段是指當天氣條件（溫度、濕度、風速等）達到結冰條件時，物體表面會形成冰。之后是恢復階段，即從葉片上去除冰所需的時間。從設備的角度來看，也包括兩個階段：培養階段，這是設備（如風速計）能夠檢測到結冰之前的時間，其次是儀器結冰，這是結冰影響設備（生產損失）的時間。因此，培育階段是氣象結冰開始和儀器結冰開始之間的時間，而恢復時間是氣象結冰結束和儀器結冰結束之間的時間。

1.2 結冰強度

根據結冰過程、結冰持續時間及發電量損失，可將結冰強度劃分為5級（見表1）。

表1 結冰強度等級[1]

1.3 結冰類型

風力發電機葉片結冰類型主要分為三種，分別為積霜、沉降冰和云霧冰[2］。

1）積霜。通常是指在溫度低于冰點（0 ℃）的條件下形成，當空氣中的水蒸氣接觸到低于冰點的物體表面時，就會凝結成冰晶，并附著在物體表面形成一層薄薄的冰層的現象[3］。多形成于寒冷季節晴朗、無風的夜晚。表層結霜后葉片表面粗糙度會增加，甚至改變葉片的形狀，影響葉片空氣動力特性。

2）沉降冰。主要指由于降水導致形成的冰，可分為濕雪和凍雨[2］。

（1）濕雪通常是指雪花在降落過程中會經過一段溫暖層，之后以半融化狀態落到地面的一種天氣現象。濕雪落到葉片上會在葉片表面重新凍結，冰體形狀為白色堆體狀。

（2）凍雨是一種氣象現象，指降水中的水滴在接觸到地面或物體時迅速冷卻并結冰形成的降水形式。凍雨通常發生在空中溫度接近或低于冰點（0 ℃）的情況下，但地面或物體的溫度仍然低于冰點。

3）云霧冰。云霧冰也稱為大氣結冰，指當風力發電機運行環境低于冰點（0 ℃）時，空氣中的過冷水滴與葉片表面接觸，在葉片表面所形成的冰。云霧冰可分為霜冰、明冰和混合冰。

（1）霜冰形成于溫度較低的環境，空氣中液態水含量較多，過冷水滴與葉片接觸后會立刻結冰。其結冰形狀較規則，由于在結冰過程中有空氣嵌入冰層內部，進而導致冰體表面粗糙，呈現不透明的白色。

（2）明冰形成于溫度較高的環境（-8～0 ℃），空氣中液態水含量較少，過冷水滴與葉片接觸后不會立刻結冰，部分水滴會以液態的形式附著于葉片表面，形成一層水膜。明冰的形狀不規則，但明冰表面光滑且均勻，黏附性較強，不易清除。

（3）混合冰具有霜冰和明冰兩種冰的形態和特點，對葉片氣動特性影響最大。

1.4 結冰影響

結冰對風力發電機可能產生多方面的影響。常見的影響如下：

1）減少風能轉換效率

結冰會增加風力機葉片的重量和阻力，導致葉片無法高效地捕獲風能，使風力機的性能下降，減少發電能力。

2）增加機械負載

葉片覆冰會增加旋轉部件的負載，如軸承和齒輪。這可能導致機械磨損加劇，縮短風力機的壽命，并增加維護成本。

3）停機

如果結冰情況嚴重，風力機可能會被迫停機以避免進一步損壞。結冰的葉片可能不再平衡，造成旋轉不穩定，從而對風力發電機的安全性造成威脅。

4）安全風險

結冰的葉片可能會在風力機旋轉時脫落，成為飛行物，可能會對附近的人員和財產造成傷害。

2 葉片結冰檢測方法

結冰檢測有助于工作人員及早發現設備結冰并及早進行防護，可以提高風力發電機的安全性和降低維護成本。風力機葉片結冰檢測技術分為直接檢測和間接檢測兩種[4］。

2.1 直接檢測

直接檢測是在風力機外部安裝相應的傳感器裝置，通過使用傳感器對冰的物理特性來進行檢測。通過傳感器檢測由冰引起的質量、電導率、電感、介電常數等特性的變化，來檢測是否有冰。

1）超聲阻尼。該方法的原理是利用冰影響聲音的傳播并加以檢測。將聲學器件安裝在需要檢測區域的兩端，檢測并接收信號。一旦信號發生變化，表明在區域內存在冰[4］。該檢測方法非常靈敏且消耗較少能量。王鵬等[5］采用基于主成分分析（PCA）的方法進行結冰檢測，驗證了超聲波結冰檢測方法的可行性。該方法不僅避免了溫度對檢測結果的影響，而且結冰檢測范圍也不局限于葉片的葉尖，PCA 方法可以有效地檢測葉片尖端和中端處的冰。在葉片尖端，可以檢測厚度大于1 mm 的冰，而在葉片中部，可以檢測厚度大于4 mm 的冰，充分滿足實際檢測需求。缺點：實際應用較少，缺乏實際應用經驗。

2）壓電傳感器。該方法是將壓電傳感器安裝在需要監測結冰的表面上，當表面結冰時，冰層的存在會對傳感器施加壓力或應力。傳感器在受到壓力時會產生電荷或電壓信號。傳感器將產生的電荷或電壓信號傳遞給相關的電路或測量設備進行檢測和分析。根據信號的大小和變化可以用來判斷是否結冰。徐斌等人[6］使用壓電傳感器，通過向驅動器輸入正弦波掃描電壓采集響應信號，通過分析信號的小波包能量（WPE）來判斷葉片覆冰情況。如果小波包的能量值有顯著減少，說明冰層的厚度在增加。此外，還發現隨著輸入電壓頻率范圍的增大，小波包的能量變化更加明顯。缺點：該方法存在一定的誤差，并且對葉片的空氣動力學性能產生一定的影響。

3）振動膜片。該方法是將測量裝置安裝在葉片表面，通過比較測量線圈和膜片之間的電容變化判斷葉片的結冰情況[7］。如果膜片結冰，冰層的質量和剛性將改變膜片的振動特性，導致與基準狀態不同的振動信號。該方法所使用的儀器體積較小，所以不會影響風力機葉片的空氣動力學性能。缺點：實踐中應用較少。

4）溫度變化。該方法是利用兩組溫度傳感器進行比較測量。將一個傳感器安裝在與葉片相同的環境中，另一個放置在室溫下。對兩個傳感器同時進行加熱處理，如果外部傳感器沒有檢測到有冰，其溫度將立即發生變化。如果檢測到有冰，則冰會使溫度變化延遲一段時間。通過比較可以判斷是否存在積冰[8］。缺點：該方法不能及時地將覆冰反饋到風力機葉片上。

2.2 間接檢測

根據風力機的外部環境及機組內部運行狀況變化來判斷葉片是否覆冰。

1）輸出功率差。該方法是通過對比風力發電機理論輸出功率與風力發電機正常運行時的輸出功率的偏差進而判斷是否結冰。當葉片覆冰時，風力機的實際輸出功率會低于預期功率，通過對比可以判斷出葉片是否出現結冰。缺點：其他因素也會導致葉片功率降低。

2）雙風速計。該方法是將兩個風速計與葉片放置在相同的環境中。一個風速計加熱處理，另一個不作處理，比較兩個風速計的速度。如果沒有處理的風速計的速度趨于零或低于加熱風速計的速度，則可以假定有冰[9-10］。缺點：當有少量的冰存在時，則不會導致速度產生顯著差異，容易產生誤差，而且無法在沒有風的情況下進行測量。

3）噪聲檢測。該方法通過比較有無結冰時風力機運行產生的噪聲頻率，來判斷葉片是否結冰[11］。葉片結冰后，負載增大，空氣動力學特性改變，導致產生的噪聲頻率明顯高于正常運行條件下[12］。

4）葉片共振頻率。葉片結冰后，會導致其負載分布不均，進而會改變葉片共振頻率。該方法是將葉片未結冰正常運轉時的歷史共振頻率與結冰后葉片結冰的共振頻率對比，來判斷葉片是否結冰。

5）能見度和云層高度。該方法是通過能見度和云的高度可以用來檢測云中的結冰。當溫度低于0 ℃時，云中開始結冰。缺點：云高和能見度的數據不容易獲得[13］。

6）機艙機械振動與功率曲線。該方法是通過采集風力機機艙的振動和功率曲線來確定風力機葉片的結冰情況。缺點：該方法具有較強的不穩定性，應結合當地天氣預報，才能取得較好的冰情預報效果[14］。

3 葉片防除冰技術

風力機葉片防/除冰技術主要分為被動防/除冰和主動防/除冰兩種[15］。

3.1 被動防冰

1）特殊涂料。該方法是在葉片表面涂抹防護溶液，使其與葉片表面相附著的水相混合，防止水吸附在葉片上，不會在葉片上結冰。該方法操作簡單，使用方便。缺點：有效防護時間短，但除冰效果差，只能用于臨時防冰，不適合大范圍的葉片結冰。

2）黑色涂料。該方法是在葉片表面涂抹黑色涂料，利用黑色的吸熱特性，使葉片表面溫度升高，進而達到防冰。當葉片稍微結冰時，黑色涂料的防水效果非常好，但單獨使用黑色涂料來防止結冰是完全不夠的，它具有與疏水涂料相同的缺點。缺點：黑色涂料不容易控制，容易造成過熱，葉片材料可能會受高溫影響，導致其發電性能降低[16］。

3）化學用品。該方法尚未用于風力機葉片除冰，通常應用于飛機機翼?；瘜W用品可以防止水凍結成冰，但它也會污染環境[17］。缺點：如果在葉片中使用化學品，還需要考慮如何防止腐蝕以及如何防止腐蝕從葉片上脫落。它可以增加葉片的粗糙度，影響其氣動性能。這種方法目前不用于風力機葉片。

3.2 主動防冰

1）電加熱防冰。該方法是在葉片內部安裝加熱元件，使葉片表面溫度高于0 ℃，進而達到防冰目的，當葉片表面溫度保持在-5 ℃，不是0 ℃時，有利于節省33%的能量。

2）空氣層防冰。該方法是在葉片前緣布置小孔，從葉片內部噴出空氣，在前緣形成空氣層，空氣阻止大部分過冷水滴撞擊在葉片前緣，降低結冰的可能性[18］。

3）微波加熱防冰。該方法是通過加熱葉片，使葉片溫度升高，進而阻止冰的形成。

3.3 被動除冰

1）柔性葉片。該方法是利用葉片的物理特性去除冰，葉片本身彎曲后有足夠的柔韌性去破冰[19］。缺點：彎曲破裂的冰的動能很大，可能存在安全問題。

2）主動變槳控制。該方法適用于短期結冰事件，對于失速型風力發電機來說，結冰會使其產生生產損失。對于變槳距控制風力發電機的影響較小。該方法實際上并不是除冰技術，但其有助于減少結冰對風力發電機造成的損失，通過變槳距控制可以使能量產生最大化。盡管該方法忽略了結構上的附加載荷及其控制的復雜性，但根據結冰事件的嚴重程度和對結構的長期影響，該方法有可能成為一種最有效的方法。

3.4 主動除冰

1）機械除冰。該方法適用于葉片結冰嚴重情況，當葉片結冰嚴重時風力機停機。借助外力對葉片的結冰點進行除冰。通常采用人工敲打方式擊碎葉片覆冰，之后在風力機旋轉離心力和重力的作用下使得覆冰脫離葉片。缺點：該方法除冰效率低且危險性高，停機會影響風場的功率輸出，減少收益。

2）電加熱除冰。該方法原理是在風力機葉片的內部安裝加熱元件，通過加熱元件加熱的方式，使葉片與冰層之間產生空隙，之后在葉片轉動離心力的作用下將冰去除，該方法是當時應用最廣的一種除冰方法。缺點：葉片設計復雜，成本較高，容易引雷。

3）熱空氣除冰。該方法是一種表面間接加熱方法，通過在葉根處安裝加熱器或鼓風機，將加熱的空氣輸送到葉片腔體中，形成循環暖流，在熱空氣作用下，葉片和冰層之間形成一層水膜，在葉片旋轉離心力作用下使冰脫離葉片。該方法結構相對簡單，也不會對葉片的空氣動力學性能產生影響，不會有雷擊的危險。缺點：加熱效率較低，葉片前緣除冰效果不佳。

4）超聲波除冰。該方法是一種利用超聲波的能量和振動特性來清除表面結冰的方法。它基于超聲波的機械振動作用和聲波傳播特性，通過將超聲波傳遞到結冰表面，產生振動和能量來破壞冰層，使其脫落。王紹龍[20］通過實驗證明了超聲波除冰優于電加熱除冰，且該方法對葉片氣動性能產生影響較小。缺點：該技術尚不成熟，應用較晚。

5）柔性充氣罩法。該方法使用充氣罩或充氣袋覆蓋在結冰的表面，并通過向充氣罩注入熱空氣或溫暖的氣體來加熱結冰表面，以使冰層融化或變軟，并最終脫落。

4 結語

綜上所述，可以根據不同區域及氣候條件，風電場選取相應的結冰檢測技術和防除冰技術，提高檢測效率和防除冰效果。當前結冰檢測方法中超聲阻尼檢測結冰效率最高，不僅可以檢測到覆冰的存在，而且還可以檢測到覆冰的厚度。雖然超聲波除冰效率較高，但該技術尚不成熟。電加熱除冰是目前應用較為廣泛的除冰方法，該方法可以與葉片涂層方法相結合，提高防除冰效率。目前還沒有一種較為理想的防除冰方法，因此未來研發一種簡單、高效的防除冰技術對風電機組的穩定運行具有重大意義。