风力发电机组防覆冰技术研究

申晓东 时连斌 刘洪海 彭晓兰

（保定天威风电科技有限公司，河北 保定 071051）

随着石油、煤炭的濒于枯竭，能源危机日益严重。风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各地的重视。风能蕴量巨大，全球的风能约为 2.74×109MW，其中可利用的风能为 2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。2006年以来中国的风电发展迅猛，到2011年，中国风电新增装机容量达到1800万kW，装机容量跃居世界第一。

在我国，风电机组大多安装在长年冰雪环境极其恶劣的北方以及湿气盐雾较严重的沿海地带。随着风电机组装机容量日益增多，冰冻对机组的影响已逐步体现。因此，研究机组防冰冻技术有较大的现实意义。

1 冰冻对风力发电机组的影响

冰冻会造成风速仪、风向标故障或采集的数据误差增大，引起机组出力下降或停机。风速仪、风向标作为采集风速、风向的传感器，为适应低温环境，一般在传感器内部设计有加热装置，在温度低于设定值时自动加热。但加热电路一般仅对传感器的旋转部位加热，当冰冻灾害严重时，风杯和尾舵等部位仍会结冰，使上述部件转动惯量增大，测得的数据和实际值有较大偏差。由于风速风向数据和机组的控制相关，因此，该现象会对机组的出力和安全带来很大影响。

叶片覆冰后引起载荷增加，影响叶片的寿命，而且加载在每个叶片上的冰载不尽相同，使得机组的不平衡载荷增大，在叶片结冰状态下继续运行会对机组产生非常大的危害，结冰严重时机组不得不脱网停机，使长年处于低温地区的机组利用率大为降低[1]。

风机叶片覆冰后，由于叶片每个截面覆冰厚度不一，使得叶片原有的翼型改变，影响风电机组的载荷，机组寿命受到一定影响。

环境温度较高时形成的明冰对翼型气动性能的影响较大，结冰导致翼型升力下降，升阻比减小，最大减小幅度达到61%，同时结冰后的翼型会提前进入失速区，导致桨叶气动性能恶化[2-4]。

叶片表面覆冰后，随着温度升高，冰块就会脱落，会对机组和现场人员造成很大的安全隐患。

2 防覆冰系统构成

机组防覆冰系统主要由结冰探测传感器、控制PLC、除冰子系统等构成，结构框图见图1。

图1 防覆冰系统构成

结冰传感器安装在机舱顶部，将结冰厚度信息转换成电压或电流信号，传送给风机主控系统PLC。PLC根据预先设定的冰层厚度阀值控制除冰装置的起停。利用机组主控系统PLC预留的IO接口即可实现结冰厚度的采集和除冰装置的控制，降低系统成本。

3 结冰探测技术

风力发电机组的防覆冰技术可分为主动防冰和被动防冰两大类，并以结冰探测技术为前提。结冰传感器能给出风机运行过程中结冰的信息，高性能结冰传感器还能定量给出结冰严重程度的信息，配合除冰装置，可消除或减小结冰对风力发电机组的不良影响。西方发达国家对结冰传感器的研究相当重视，给予了巨大的人力和财力支撑，在理论研究和科研成果方面处于国际领先地位。由于结冰传感器在技术上的先进性及在军事应用方面的重要性，西方一些国家一直把它列为对中国的禁运产品。

结冰传感器原理和检测方法已发展到十几种。查询国内外相关的资料可以看出，结冰传感器的技术已经比较成熟，实际应用了多种结冰测量方法，如光学测量法、热学测量法、电学测量法、机械测量法等[3]。考虑到风电机组用结冰传感器应具有体积小、集成化、低功耗、稳定性好的特点，适应的结冰传感器有以下几种。

3.1 压电式结冰传感器

压电式结冰传感器的结构主要分为两个部分，分别是聚偏氟乙烯（PVDF）应变敏感原件和硅杯式压力传感器。结冰传感器的由上下两个部分组成，结冰传感器的上半部分是 PVDF，在有工作电压的情况下产生应变；结冰传感器的下半部分是硅杯式压力传感器，对PVDF产生应变而施加的压力进行测量。当PVDF表面沉积不同厚度冰层时，硅杯式压力传感器的输出发生变化，从而得出结冰厚度与硅杯式压力传感器输出电压对应关系，最终实现对冰层厚度的测量。

结冰传感器主要依据逆压电效应研制。逆压电效应满足下式：

式中，s应变向量；S为柔度矩阵；d为压电系数矩阵；T为外加应力；E为电场。式（2）为PVDF材料的压电系数矩阵[5]：

采用硅杯式压力传感器对受电场作用PVDF的应变情况进行测量。硅杯式压力传感器主要结构是在硅片上刻蚀出硅杯，在硅杯的方形薄膜上利用集成电路工艺制作4个MOSFET，将4个MOSFET组成惠斯通桥路。依据压阻效应，当硅杯方形薄膜受到压力时MOSFET沟道电阻发生变化，MOSFET组成的惠斯通桥路失衡有电压输出，输出电压与压力为线性关系，通过对输出电压的测量实现对压力的测量。

3.2 红外阻断式结冰传感器

红外阻断法是一种已经投入使用的成熟方法，英国的一家航空航天公司PENNY&GILES生产了一款基于红外阻断原理的名为P&G结冰探测器n朝。基于红外阻断原理的结冰传感器主要采用探针方式，固定监测位置。红外阻断法基本原理是在没有冰层出现在结冰传感器的探头处时，结冰传感器的探头可以接收到红外发生器产生的红外线；当冰层出现在结冰传感器探头处时，传感器探头因为冰层的阻挡接受到的红外线变少，传感器探头接收到的红外线数量与冰层厚度是反比的关系，冰层越厚透过的红外线越少，探头输出的电压越大。

3.3 光纤式结冰传感器[6]

2003年世界首款光纤式结冰传感器在英国问世，光纤式结冰传感器主要由红外光光源、光纤传输和具有玻璃表面的探测面组成。光纤式结冰传感器主要依靠冰层对红外线的折射反射等光学作用来实现对冰层的判断。当传感器的探测器外不存在冰时，光源产生红外光会直接进入空气中，接收端接受不到光源产生的红外光；而在探测器表面存在冰时，因为冰层对红外光的光学作用，使得玻璃表面接收到红外光并传入到接收光纤，通过后端的信号检测电路对红外光强弱和变化趋势进行判断，最终实现测量冰层的目的。

3.4 热流型结冰探测器

近些年提出了一种以物体表面热流变化为原理的结冰探测方法。这种传感器由一些分布在传感器表面的温度探头组成，这些温度探头测量出传感器表面热流梯度。当传感器表面存在其他附着物时，传感器表面的热流梯度会发生改变。

可以对表面结有冰层时进行标定，通过比较和计算传感器表面热流变化情况达到测量冰层的目的，这种传感器还可以测量其他附着物的情况。这种测量法还在不断地研究中。

4 风力发电机组防冰除冰措施

4.1 风传感器的防覆冰技术

目前风力发电机组上使用的主流的风速风向传感器为机械式风速风向仪。机械式风速仪的测量部分一般由3个半球形或抛物锥形的空心杯壳组成，杯壳互成120°，杯的凹面顺着同一时针方向排列，固定在能旋转的垂直轴上。当有风作用时，凹面和凸面所受的风的压力不相等形成扭力作用，便开始旋转，转速与风速呈一定的关系。机械式风向标是靠尾翼工作的，在风的作用下不停摆动，尾翼的反方向就是风吹来的方向。

机械式测风仪和风向标成本较低、使用方便，转速与风速基本上为线性关系。但机械结构会受到恶劣天气的影响，遇寒潮天气容易结冰结霜。

随着半导体技术的飞速发展和生产成本的降低，超声波测风仪得到了越来越广泛的应用。

1）使用超声波传感器

超声波测风仪集风速风向测量于一体，无旋转部件，全封闭外壳，金属外壳整体均匀加热，避免冰冻产生的影响。

超声波测风基本原理：

声波在空气中的传播速度受空气流动的影响，为此可利用测量声波在已知距离的两点之间传播时间的变化来逆向推导两点间风速的方法，如下图所示，由发射探头发射一组超声波脉冲到达接收探头，从向发射施加激励脉冲起到接收收到第一个脉冲止的超声波传播时间：

式中，v0为静风下的声速，V为风速，L为传播距离，当方向和超声波传播方向一致时为正，反之为负。若已知距离L、静声速V0以及测量到传播时间t1，通过式（3）就可以计算出风速。

但是在实际应用中，V0会受到温度、湿度、大气密度、大气压力等环境的影响，尤其是温度的变化会引起V0较大变化，从而造成较大的风速测量误差。

在式（4）中已经抵消了 V0，相当于做了差分测量，消除静声速V0的影响。

为了能测得各方向上的风速和风向，需要采用多对探头，常见的二维风速仪采用两对探头在水平面上互相垂直的方式同时测得水平两个方向上的风速，然后进行正交合成计算得到水平平面上的风速和风向。

图2 一种超声波测风仪

由于超声波式风传感器不含旋转部件，且本体能够加热，所以结冰的影响大为降低。

2）对机械式风传感器进行特殊设计

抗冰冻风速传感器在风杯的顶部设计有大功率加热器，加热功率可超过 100W。加热器与传感器转动部件采用热传导系数高的材料，使传感器转动部件在−40℃情况下不结冰霜。加热器与传感器内部采用特殊的隔热材料，避免大功率加热器对内部电子元件和电路板的不良影响。加热器由自动控温电路进行控制，考虑特殊气象条件下，启动加热器的温度设计在零上 5℃左右，以防止传感器上形成冻雨、结霜，可保证在−50℃环境下正常工作。

4.2 叶片防覆冰技术

1）电热防冰

在风机叶片制作时预埋由加热元件、转换器、过热保护装置及电源组成的电热防冰系统。可用碳纤维做加热元件。碳纤维是一种碳含量超过95%的高强度轻质量的纤维材料,用其制成的网状布加热元件具有任意剪裁、局部损害不影响整体加热失效以及热辐射均匀等优点。将加热元件铺在玻璃布之间，加热电源的通断受机组PLC控制，根据气象条件控制加热电路的起停，避免不必要的能量消耗。

加热元件产生的热量通过玻纤和树脂材料传递到叶片表面，加热、融化表面冰。在气动力和离心力作用下将冰移除。

关于叶片除冰理论国内的文献介绍较少。国外的研究多一些。冰脱落研究的发展通常和电热除冰计算结合在一起。Wright等在结冰、除冰研究中对冰脱落的影响进行了研究，进一步发展了电热除冰计算模型。Yaslik等提出保守的冰脱落准则。认为当冰层和叶片表面的所有冰层单元都融化后，冰层将在气动力或离心力的帮助下吹走。该准则是目前最实用的冰脱落准则[7]。

电热防冰效果较好，可靠性较高，在结冰严重地区效果也有很好的防冰除冰效果。缺点是在叶片铺层时就要加入加热元件，工艺要求较高，投资相对较大。

2）热气防冰

在低温地区，为保证电子元器件正常工作。在风机轮毅内一般都有加热装置，只要在风机叶片内安装暖风通气管道，让轮毂内的暖气在管道内循环即可[8]。

热气防冰设施相对简单，但通风管道布置受叶片强度限制，防冰效果在冰冻灾害严重地区稍差。

3）涂层防冰

涂层防冰就是利用特种涂料的物理或化学的作用。使冰融化或者减小冰与物件表面的亲和力，从而把冰从表面除去。从原理上来说，涂层防冰应该说是一种很理想的防冰方法，因为它属于主动型防护。目前防冰涂料的类型有：丙烯酸类、聚四氟乙烯类、有机硅类。

防覆冰涂料的技术指标：①防覆冰效果显著。在相同的气象条件或试验条件下，采用防覆冰涂层与未采用防覆冰涂层的物件相比，覆冰承量（覆冰厚度）减少 70%～80%以上；②多种防护功能——密封防水、防腐蚀、电绝缘、防覆冰；③可靠性高。耐候性好，主动型防护，有效使用寿命大于5年；④实施方法简单易行、维修性好、安全、环保。

涂层防冰可以和热能除冰系统配合使用，达到更优的防冰除冰效果。

5 结论

本文就风传感器和风轮叶片的结冰现象对风电机组产生的影响作了分析，通过对风电机组风传感器进行特殊设计，并增加结冰探测器和防冰除冰系统，利用风电机组主控系统的预留IO点即可构成一套结冰探测和自动除冰系统。系统简单可靠，在冰冻灾害严重的地区具有较好的应用前景。

[1] 谭海辉,李录平,朱益军,靳攀科.覆冰对风力机叶片动力特性影响的有限元分析[J].可再生能源, 2010(8).

[2] 王义进.风机叶片防覆冰技术研究[J].机电信息,2011(9).

[3] Lynch FT.khodadoust A. Effects of ice accretions on aircraft aerodynamics[J]. Progress in aerospace science,2001, 37(8): 669-767.

[4] Morecy F. Tezok F. Paraschivoiu I. Heat and mass transfer in the case of an anti-icing system modelisation[R]. AIAA-99-0623, 1999.

[5] 温殿忠.力学量敏感元件原理与应用[M].哈尔滨:黑龙江科学技术出版社, 1994: 28-70.

[6] 李薇,叶林,张杰,张洪.光纤式结冰传感器的试验研究研究[J].华中科技大学学报, 2009(8).

[7] Yaslik AD. Dewitt KJ, Keith TG. Further developments in three-dimensional numerial simulation of electrothermal deicing system [R]. AIAA-92-0526,1992.

[8] 沈东.复合材料热气防冰系统试验研究[J].航空工程2012(5).