基于電加熱法的自控型防冰除冰葉片結構研究

許 斌，于靜梅

(遼寧工程技術大學熱能和動力工程系，遼寧阜新123000)

0 引言

在風電場裝機運行的風力發電機組，常常受到一些自然環境條件高低溫、臺風、雷擊、風沙和各種腐蝕等的影響。這給風力發電機組的設計、制造、運行和維護等都帶來了很大的困難。葉片作為風力發電機組核心部件受到惡劣環境的嚴峻考驗。在結冰期葉片表面覆冰，一是會改變葉片的外部形態，影響葉片的氣動性能，導致風能的轉化率降低;二是增加葉片載荷，覆冰嚴重時會造成葉片損壞。目前，還沒有成熟的風力機葉除冰技術，對于葉片覆冰的風力機，一般采取停機處理。風力發電機組非計劃停機，又會影響電網系統的安全穩定運行參見文獻［1-3］。解決風力機覆冰對風力機的安全、經濟、高效運行具有重要的意義，是學術界和實業界引人關注的課題，參見鄧曉湖［4］張聘亭等［5］譚海輝等［6］。

文中綜述了風力機葉片覆冰的成因、結冰位置分布，提出了既不同于熱交換法［7，8］，又異于超聲波法［9］的基于電加熱法的自控型防冰除冰葉片結構。

1 風力機槳葉覆冰的條件及影響因素

風力機覆冰的條件

風力機組一般安裝于高寒、沿海以及山區等，通常遇到環境溫度較低，含濕量較大，空氣中還有過冷液態水滴，冰雨或者雪的天氣條件，此時風力機面臨結冰危險。文獻［10］進行了水滴凍結過程分析，指出了風力機槳葉覆冰形成的條件。實際運行中應結合風力機組所處環境設定結冰條件。

影響因素

影響風力機槳葉結冰的因素很多，歸納起來主要可以分為外部氣象條件和風力機自身條件。

氣象因素主要包括空氣溫度、濕度、風速、云中過冷水滴的含量及凝結系數等參數。其中溫度、空氣濕度和風速對風力機葉片覆冰有至關重要的影響。

根據影響風力機葉片覆冰的因素，采用提高葉片自身的溫度，除去葉片表面覆冰。

2 葉片的結冰位置

文獻［4］通過數值模擬研究，給出多段翼型參考面下的結冰外形(見圖1)及如下結論:

圖1 (6m/s，20μm)翼型段覆冰外形

(1)從結冰位置來看:結冰初始位置主要發生在葉片前緣，在葉根處結冰量較小，且主要圍繞葉根翼型向兩周展開，但是覆蓋區域主要集中在基準面前緣駐點的下側，反映到槳葉上就是在一定攻角下槳葉與流場接觸的后緣和下緣。

(2)從結冰量來看:從葉根至葉尖，結冰量處于不斷增大的變化之中。隨著同一水滴平均有效直徑下風速的增大，或者同一風速水滴直徑的增大結冰量都有所增加，但是主要反映位置還是在槳葉中部和葉尖處，在葉根處的增長量并不大。

3 工作原理

基于以上述分析，參考文獻［11］飛機翼除冰方法，本文提出了一種基于電加熱法的自控型防冰除冰葉片結構。其工作原理為:通過采集風力機周邊的結冰因子狀態參數，提供給監控系統，再由監控系統經數據處理分析后，向控制系統發出激發控制電路的控制指令，啟動或關閉加熱裝置，對葉片進行防冰或除冰運作。

(1)風力機葉片表面電熱絲布置:根據葉片的冰凍特點將其表面分成諸多區域，分別計算融化區域內的冰所需要的熱量，依所需熱量布置相應的電加熱線路。線路布置示意圖見圖2。

圖2 葉片表面電熱絲分布示意圖

(2)監控系統和控制系統的研發設計

圖3 流程圖

除冰裝置電路實現:在葉片表面連接成蛇形結構的電熱絲。從葉片的葉根處設置兩個接口，與控制電路相連。整個電路流程圖如圖3。在風機塔架上設置感應器，采集葉片周邊的結冰因子參數(溫度、濕度等)，并將其轉化成電信號，電信號通過放大器放大信號，放大后的信號輸入數據處理器，根據結冰條件進行判斷，當葉片周邊的結冰因子參數滿足結冰條件，裝置將閉合，電路連通，電熱絲開始加熱，融化葉片表面的冰層。當葉片表面完成除冰，葉片周邊的結冰參數不具備結冰條件，根據設置的停止加熱條件進行判斷，當不滿足停止加熱條件時，信號返回到開始信號，電熱絲繼續加熱;當滿足停止加熱條件時，裝置閉合，電熱絲停止加熱，完成除冰。靜默n分鐘后，重新啟動。

(3)葉片剖面結構

葉片剖面結構示意圖見圖4。

圖4 葉片結構剖面示意圖

葉片選用輕質、高強的玻璃鋼材料。根據玻璃鋼的特性，采用層復合結構。即葉片剖面結構分為三層:內部結構層、加熱層、外部結構層。

4 效益分析

4.1 經濟效益分析

以每一臺發電功率為30 kw的小型風力機組為例，采用本結構所需費用(制作成本、檢修維護費用、除冰或防冰所消耗的能源費用等)，每年所需費用約為4 500元，而因低溫導致風力機覆冰所帶來的損失僅非正常停機減少發電量和人工除冰費用兩項，每年每臺損失達16 500元，由此可見，本項技術具有很高的經濟效益。

4.2 社會效益分析

本項目解決了低溫條件下風力機覆冰的問題，從而解決了結冰期風機發電穩定性問題。使結冰期真正成為風力發電的高產季節，解決風力發電的一大難題。風能作為一種清潔能源大范圍的推廣，減少煤、石油的使用，節能環保，改善人居環境做出貢獻。

5 結論

綜述了風力機葉片覆冰的成因、結冰位置分布，提出“基于電加熱法的自控行防冰除冰葉片結構”。此結構通過采集風力機周邊的結冰因子狀態參數，由監控系統和控制系統組成的控制器自動啟動或關閉風力機防冰除冰加熱裝置，以實現對葉片進行防冰或除冰運作。從而解決了結冰期風力機發電穩定性問題，使結冰期真正成為風力發電的高產季節，提高風力發電廠的經濟效益和社會效益。

同時電加熱法除冰裝置能預防和除去葉片表面的覆冰，起到保護葉片的作用，延長風機使用壽命，又節約了大量人工成本，改善工作環境。

致謝:感謝韋超、林水杉同學的幫助。

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［10］ 韓鳳華，等.飛機機翼表面水滴撞擊特性計算.北京航空航天大學學報，1995，21(3)：18-21.

［11］ 肖春華，桂業偉，林貴平.飛機電熱除冰的研究進展與展望 科技導報2011，29(18).

［12］ 馬洪斌，馬巖，楊青梅.蒙特卡羅法在熱磨機磨片優化設計中的應用［J］.森林工程，2012，28(5)：28-32.