風電機組葉片結冰研究現狀與進展

王聰，黃潔亭，張勇，韓爽

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

風電機組葉片結冰研究現狀與進展

王聰1，黃潔亭2，張勇1，韓爽2

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

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

風力發電；寒冷氣候；葉片結冰；電量損失

0 引 言

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

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

1 結冰原因及類型

國際能源機構(International Energy Agency，IEA)定義風電寒冷氣候區域為：存在冰凍事件，或者溫度低于標準風電機組的操作限度的地區[2]。有的地區僅僅受低溫或者冰凍影響，有的則同時存在低溫和冰凍現象，這些地區均稱為寒冷氣候區域。理論上，任何環境溫度不低于-25 ℃的地區都不會發生有效結冰現象[3]。

國際標準組織(International Organization for Standardization，ISO)對大氣結冰作如下定義[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，尋找電量損失和結冰類型之間的關系。Rindesk?r[6]和Laakso[2]將結冰類型進行分類并分別做數值和物理模擬。一般地，風電機組大氣結冰可分為2類：(1)凍霧覆冰 (in-cloud icing)，包括霧凇冰(rime ice)和釉結冰(glaze ice)；(2)降雨型結冰(precipitation icing)，包括凍雨(freezing rain)、小雨(drizzle)及濕潤的雪(wet snow)[3]。現著重介紹霧凇冰、釉結冰、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構體的迎風表面。霧凇冰晶體結構相當不規則，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，風速相應增大，因而山地容易形成這類冰。硬質霧凇冰通常呈白色，或半透明形態，密度為600～900 kg/m3，牢固附著于建筑物表面，很難除去。軟質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方向逐步發展，其密度介于200～600 kg/m3，易于清除。

釉結冰：這是由凍雨、冰凍細雨或者是云層內濕潤的冰晶黏著在結構體表面，形成的一種光滑、透明、均勻的冰層。環境溫度為-6～0 ℃時，易于形成此類冰，其密度最高，大概為900 kg/m3。這種冰多出現于以下2種情況：(1)當逆溫層出現并同時伴有暖鋒過境，或者在山谷地區，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雨。(2)當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。葉片表面一開始實際上是液態水，在葉片掃掠過程中發生結冰。在風和重力的作用下，表面液態水可以繞葉片流動，因而葉片的背風面也有可能結冰。

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

冰霜： 是低溫、高濕度地區較為常見的水蒸氣升華結冰現象。由于霜降密度小，強度低，不足以對結構體產生較大的冰載荷，一般情況下不予考慮。

2 結冰過程

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

有些地區冬天日照時間長，冰層會迅速消融；而在北方，氣象結冰條件結束后，設備上還殘存有大量的積冰。一般采用結冰效果指標來描述當地葉片結冰難易和持續程度。結冰效果指標可定義為設備結冰周期與氣象結冰周期的比值。

3 葉片結冰研究現狀及趨勢

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

3.1 結冰氣候條件模擬

氣象結冰主要與氣溫，風速，液態水含量(liquid water content，LWC)以及水滴中間體積直徑(median volume diameter，MVD)有關。通過分析近地面的氣象觀測數據及數值天氣預報數據(如：云層高度、空氣溫度、衛星云圖)，運用統計方法，結合氣象參數，推斷結冰的氣候條件。這種方法在某些地區產生較好的結果[8]。但由于其結果極大地依賴于測量質量和測量密度；此外，當地的地形地貌影響空氣的垂直運動以及外推結果的準確性，以及地形間接改變了云層底部高度、大氣液態水含量以及降雨等因素，因而很難確定特定區域的結冰條件。有研究表明相對濕度參數并不適合表征結冰氣候條件[9-10]。

3.2 積冰模型模擬

氣象結冰模型不僅是氣象參數的函數，同時與積冰對象的實際屬性(如尺寸、形狀)、與平均風向的相對位置以及設備的柔性有關[3]。Morgan進行了比對試驗，發現旋轉的風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冰。即使輪轂不結冰，葉片旋轉過程中，葉尖觸及較低云層時也可能結冰。隨著風電機組尺寸日益增大，葉尖結冰的問題更為突出。

結構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、云層中液態水含量以及風速。已知較高的風速會導致較多的冰沉積。目前存在2種常用冰積模型，一種是基于自由轉動的垂直圓柱體的冰積仿真Makkonen模型[12]。挪威、芬蘭、瑞士將數值天氣與Makkonen冰積模型耦合，繪制出國家冰凍區域分布圖。冰的結構、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，對小體積雨滴而言接近0，α2為粘滯系數，對干燥的雪而言為0，α3為吸積系數。

另一種是二維[13-14]及三維[15]葉片積冰仿真模型。芬蘭技術研究中心開發了一種模擬在干燥及濕潤環境下冰的增長過程的Turbice模型并應用于風洞實驗中；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境。通過從數值天氣模型獲取溫度、液態水含量和風速信息，以及液滴體積濃度數之后，模擬圓柱結構的累積冰載荷。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果轉化為風力機葉片。三維Fensap-ice模型僅應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(如風速)或機械因素(如振動或彎曲對風電機組葉片的影響)，將積冰過程參數化并且能夠模擬長期結冰過程。

3.3 結冰對電量影響的預測

由于風電大規模接入電網，合理預測發電量對電網穩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“結構體大氣積冰”行動聯盟旨在復雜地形、特殊外部條件預測風電電量和電量突變。

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

3.4 結冰電量損失計算

風電機組結冰期發電量計算方法整體劃分為計算模擬和實地試驗。總結文獻中積冰葉片電量損失研究方法，可歸結為以下4個方向：(1)通過風洞實驗及數值模擬方法，修正積冰葉片的風電機組功率曲線。(2)建立風速、冰載荷或者結冰速率和發電量之間的三維功率曲線圖。通過三維函數關系可以方便查到一定風速、結冰條件下機組發電量。(3)前后比較型，即計算結冰條件下與非結冰條件下的發電量差額。這種評估方法因明顯缺乏驗證過的冰載荷數據及冰凍事件發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冰導致了發電量的減少。同時積冰強度、積冰葉片的實際損傷值也難以計算。(4)根據結冰頻率對風電場進行分類，以此建立相應等級下風電場發電量損失參考值。但這種方法缺乏結冰頻率數據，因而具有不確定性。

目前，已經有風洞實驗以及數值模擬方法量化由于葉片結冰所導致的電量損失[16-18]。Jasinski[19]介紹了450 kW失速型風電機組不同轉速下的結冰電量損失。然而模擬計算結果是瞬時值，不能預測年損失量。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參考風力機的瞬時損失值。通過模擬冰凍過程，結果表明：(1)在7～11 m/s的風速區間內電量損失達27%；(2)葉片內部靠近輪轂的根部區域對外部冰凍條件不敏感，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致風功率的減少。Botta[21]分析了意大利山脊試驗場風電機組連續2年采樣頻率為10 min的風速數據及發電量年損失。該試驗選用標準機型，因此風電機組上的風速計沒有防冰設備。假定結冰期是風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，結冰期理論發電量與實際電量來判斷年電量損失值。通過相同周期內含加熱除冰的風速儀的測風數據和正常條件下的功率曲線得到理論值。采用這種方法，風電場的年發電量損失值在10%～20%。Alberts[22]研究發現相對濕度大、溫度低于冰點，葉片結冰的概率會增大，因而建立風電機組葉片結冰概率矩陣，描述結冰概率和大氣溫度及空氣濕度間的函數關系，估計預期能量損失。2009年瑞典北部風電場電量損失Elforsk 報告中用10 min風速對應的功率數據繪制夏季功率曲線，據此計算出一定階段內實際和理想發電量的比值。經過敏感性分析后認為功率比低于85%是葉片結冰所致。氣溫低于2 ℃的冬季損失值，較夏季嚴重許多。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Malmsten[24]對瑞典10個風電場進行了案例研究，采用MERRA(Modern Era Retrospective-analysis for Research and Applications)再分析數據，建立夏季時段日風速和日發電量間的非線性關系，并且將此函數關系推演到冬季日風速和日發電量作為預期發電量，并與實際發電量比較，借此定量分析冬季冰凍氣候所產生的發電量損失。該方法可以捕獲總體冰凍趨勢，即瑞典北部地區較南部冰凍更為頻繁，發電量損失更嚴重。Erik[6]運用統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提供的實際數據進行比較。采用ERA-Interim氣象數據模擬冰載荷，借以分析與長期氣象數據的相關性，建立電量損失和冰荷載之間的函數關系。結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，但其整體結果較好。

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

4 結冰對策分析

從風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防措施，積冰葉片對于風電機組維護人員或者鄰近區域的人員構成巨大的生命威脅。因而有必要安裝結冰傳感器，測量空氣中液態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風電場和Uljabuouda風電場采用VestasV90的2 MW風力機并安裝電加熱除冰系統[25]。電加熱系統通常加熱表面，安裝在風電機組的葉片前緣；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下工作；結冰狀況檢測器和葉片表面溫度傳感器用來控制加熱系統，同時應防止葉片過度加熱以及金屬箔遭雷擊。瑞士Enercon風電機組熱空氣除冰系統[26]以電動風扇式加熱器產生的熱空氣直接加熱葉片內部空氣。這種除冰系統普遍采用內置式加熱源或者輻射源，將葉片內部空氣加熱，而后傳遞到葉片表面，快速有效地除去葉片上的積冰。熱除冰系統曾經應用于瑞士St.Brais 測試中心并收到良好效果，其加熱系統能量損失大概是85 kW，也就是說如果采用熱除冰系統，額定風速下，風電機組輸出功率也能達到額定功率的96%[6]。熱除冰系統較上述電加熱系統而言，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，因而加熱溫度較高[27]。有學者指出熱加熱方法效率過低[28]，可采取微波加熱技術，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]。或者參照航天工業常用的充氣橡膠涂層方法，當橡膠充氣后可將葉片表面浮冰破碎[25]。此方法干擾風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生偏轉。

近些年來，普遍強調開發涂層技術作為被動除冰表面[6,31-32]。然而IFAM (the fraunhofer institute for manufacturing technology and advanced materials) 機構試驗發現：疏水性只是目前可預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，反而更易于結冰。概念涂層[6]通過化學方法使得抑制劑溢出，從而降低冰凝固點。生物涂層[6]將具有抗冷凍特質的生物蛋白質作為涂層。由于這種涂層的分子配置和結構可以改變凝固點，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”現象。這些分子被稱為“熱滯后”蛋白質或者抗冷凍蛋白質(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域，使得水分子都粘附于某一特定環境區域，使得葉片表面的積冰易于快速脫落[6]。整體上，現場測試多采用疏水涂層技術作為風電機組的除冰系統，其他方法(如概念涂層、生物涂層)也僅限于實驗室階段。

應對葉片結冰，需要準確確定加熱系統的啟停時間，平衡設備安裝成本和電量損失，同時要考慮除冰、防冰系統對大型風電機組葉片結構的長期影響。

5 結 語

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

風電機組的冰凍問題應當引起足夠重視。一方面隨著風電機組體積增大，葉片加長，輪轂高度增加，勢必會增大葉片結冰概率，因此開發葉尖冰檢測技術是十分必要的。另一方面，測風儀表面的殘余冰會直接影響風資源的測量結果。準確評估結冰條件下風電場的發電量損失；結合物理和統計方法，預測葉片結冰，勢必成為今后冰積葉片的研究趨勢。

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(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，主要從事風電場前期資源評估，風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，研究方向為風資源評估及風速概率分布理論，E-mail：hjieting@gmail.com;

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

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