風電場冬季葉片覆冰應對方法的研究

劉學濤

中廣核新能源投資(深圳)有限公司新疆分公司中廣核瑪依塔斯風電場 新疆 塔城 834600

引言:隨著時代的發展,各種工廠的出現,二氧化碳、酸雨等環境污染,能源短缺現象日益嚴重。風能是一種可再生能源,解決了其他能源無法避免的環境污染問題,逐漸受到了全世界的重視。我國風能資源豐富,但是大部分風力資源基本分布在氣候惡劣的北方地區以及濕度較大的沿海地區,極易受到環境的影響。風力發電機在低溫下工作時,一旦遭遇雨夾雪、冰雪等惡劣天氣,風機葉片可能會發生凍冰現象,影響發電機的運行效率。

1 新疆塔城地區氣候情況

新疆塔城地區屬于溫帶干旱和半干旱氣候區,春季升溫快,冷暖波動大。根據額敏氣象站資料統計,塔城地區年平均氣溫是5.3攝氏度,極端最高氣溫為41.3攝氏度,極端最低氣溫為零下37.8攝氏度,多年實測最大風速為20m/s。

2 風機葉片覆冰影響

每年冬季塔城地區風量較大,是搶發電量創造經濟效益的最佳階段。但是這個時間段內空氣濕度較大,容易出現極端天氣,嚴重影響風機發電量,損傷風機的葉片等,造成一定程度的經濟損失,具體表現在以下幾個方面:一是覆冰初期階段,風機葉片會因薄冰的原因出現風機動力不足、風速減小的現象,風機的發電率大幅度下降；二是覆冰嚴重階段,葉片表面會形成不規則的厚冰層,葉片氣動外形會因此而發生改變,葉片轉動、變槳控制等皆會因此出現失誤,發電功率振幅較大,并隨葉片覆冰逐漸加厚而縮減至零功率。三是過多的冰載降低了葉片的使用時間,由于風機每個葉片上的冰層厚度不同,導致機組受力不均勻,載荷增加,如果在此狀態下長時間運行,會為機組帶來較大的傷害,如果停止使用則會降低機組的使用效率；四是機組出力的降低不僅影響了設備的正常運行,更為嚴重的會造成葉片折斷、風機倒塌在地；五是隨著氣溫升高,葉片上附著的冰層掉落到塔筒、箱變以及人群中都可能帶來較大的安全隱患。所以,對葉片覆冰原因進行分析和調研,并提出相應的解決措施,提高風機的使用時間和效率,增加風場設備的可靠性和安全性。

3 冬季風場氣象特點

風力發電機在低溫環境下工作時,如果遇到潮濕空氣、雨夾雪等惡劣環境,尤其是雨水冷卻會在風機葉片上形成冰層,并且隨著溫度的降低冰層會越來越厚。所以風電場可以加強與當地氣象站的溝通和交流,獲取詳細的氣象信息,提前獲悉本地區一段時間內的氣溫狀況,根據環境的變化選擇合適的運行情況,減緩風機葉片覆冰情況。另外風電場可以建立冬季運行管理小組,制定相應的解決方案,解決冬季運行中的突發狀況。

4 風機葉片防覆冰方法

新疆塔城地區中廣核瑪依塔斯風電場使用的發電機主要是金風科技70/1500型風機,此型號風機額定功率較大,使用年限超過20年,設備可利用率超過95%,設備運行溫度范圍在零下30攝氏度至零上40攝氏度,較適合溫差較大的新疆地區使用。但是設備在使用過程中仍會受到葉片覆冰問題的影響,對風電場的運行產生一定程度的影響,因此針對此種情況,提出幾點解決措施。

4.1 溶液防冰 溶液防冰屬于被動型防冰,就是將防水溶液(如乙醇)與葉片上的水混合在一起,由于混合液的冰點比水的冰點低,所以水很難在葉片上凝結成冰。寒冷天氣風機運行前在葉片表面噴灑混合液,能夠有效降低葉片覆冰現象。

溶液防水的缺點:一是有效時間短,適用于短期防冰；二是溶液用量過大；三是覆冰情況嚴重時效果甚微。

4.2 機械除冰 機械除冰屬于被動型防冰,實質上就是利用機械的方法敲碎葉片上的冰層,再利用氣流將細碎的冰渣吹除,或者是通過離心力震動的方式去除冰層。目前我國多數風電場采用的都是人工除冰的方法。

4.3 熱能防冰 熱能防冰屬于被動型防冰,通過熱能加熱物件讓葉片冰層表面溫度超過0攝氏度,融化葉片表面的冰層,達到防冰和除冰的目的。熱能防冰方法主要有三種:一是電熱防冰。在制作風機葉片時,在其中加入加熱元件、轉換器、過熱保護裝置以及電源燈組成的防冰系統；二是微波除冰。利用微波能加熱葉片上附著的冰層,降低冰層的結合力,再通過離心力去除細小的冰渣；三是熱氣防冰。通常情況下風機內都設有加熱裝置,風電場可以在葉片上裝置暖風通氣管道,讓熱氣在管道內流通,增加葉片溫度。

5 新材料技術的應用

風機組葉片表面積較大,其制作使用的材料、形狀以及環境等較為特殊,因此對使用的防覆冰技術和工藝有著較為嚴格的要求,上述幾種防覆冰方法雖然也能起到一定的作用,但在實際操作中需要耗費較大的人力物力和時間。目前針對風機葉片制作材料的研究已經取得較大的進展和突破,能夠有效解決風機葉片覆冰的問題。

5.1 LaFe10.78Co0.92Al1.3合金的應用 目前我國所使用的風機葉片主要類型有木質葉片、布蒙皮葉片、鋼梁玻璃纖維蒙皮葉片等。但是現在竹葉片成為風電行業的重點研究對象,山東世紀威能生產的竹葉片在實驗觀察中取得了良好的效果,能夠在很大程度上提高葉片對覆冰的承載力。

另外,北京科技大學材料科學與工程專業的王小強等人針對風機葉片覆冰問題展開了深入的研究與探討,同時將目前市場中已經應用的低居里溫度的FeNiCrSi合金加以改良和創新,研發出了一種防覆冰效果更強的合金LaFe10.78Co0.92Al1.3,FeNiCrSi合金的飽和磁感應強度為4000 Gs,放熱量是26W/kg,而LaFe10.78Co0.92Al1.3合金飽和磁感應強度則超過了9500 Gs,放熱量是55w/kg,在相同等條件下,LaFe10.78Co0.92Al1.3磁感應飽和度以及放熱量均增長一倍以上,冰點熱量大幅度下降,因此使用此種材料制作風機葉片,防覆冰能力大大增強。

5.2 超級疏水表面涂料的應用 隨著新材料科技的飛速發展,超級疏水表面涂層逐漸受到風電行業的廣泛關注。涂層防冰屬于主動型防冰,就是利用特殊涂料的物理或化學作用,增加葉片冰層的融化速度,或者降低冰層與葉片之間的附著力,從而增加除冰速度。從除冰原理上看,涂層除冰是最便利的除冰方法。舉例來說,利用噴砂以及熱處理的方法,在風機葉片表面涂層FAS-17,葉片表面接觸角可達到161o,摩擦角為3o。或者是將原子轉移自由基引發聚合效應,將含氟或者含硅材料制成超級疏水性材料,接觸角可達到170.3o,不僅能夠大幅度降低水的結晶點,結冰時間延長了50倍左右。目前我國防冰涂料的種類有丙烯酸類、聚四氟乙烯類以及有機硅類,已經成為防覆冰領域內認可的材料,不僅防覆冰效果明顯、而且耐腐蝕,操作簡單方便,使用壽命較長。

6 建立覆冰預警監測程序

除了上述介紹的防覆冰方法外,還可以建立覆冰預警監測程序,及時了解風機葉片的覆冰程度。原來判斷風機的覆冰情況主要來源于運行人員的工作經驗,他們主要是根據室外溫度以及風機工作狀況兩方面進行判斷,所以,風電場要想做好冬季防冰工作,必須加強工作人員判斷的準確性。但是通常情況下風電場設備眾多,僅依靠運行人員監測難免會出現紕漏,因此在有關人員開發下可以設計一款風機覆冰預警監測程序,一旦發生覆冰現象可以語音提醒,設計此程序時加入各個型號風機的運行功率與風速的匹配關系,在監測過程中,若風機的實發功率與風速有20%左右的偏差,能夠立即發出警報。

結束語

風力發電作為一種可再生能源,在全世界能源結構中起到的作用越來越大,但是隨著全球氣候條件的變化,風電場在冬季覆冰期發電受到的阻礙也越來越多,降低了風力發電的效率,因此解決葉片覆冰問題非常重要。本文詳細闡述了風機葉片覆冰形成的主要原因,并從外力除冰方法以及葉片制做新工藝、建立覆冰預警監測程序等三方面論述了目前我國風電行業所使用的防覆冰方法,有效解決風電場冬季覆冰期發電效率低的問題,提高風機的使用時間和效率,增加風場設備的可靠性和安全性。