论“三高一低”风电场除冰系统的综合应用

陈 军 杜小东

（四川省能投美姑新能源开发有限公司）

0 引言

兴达风电场地处四川省凉山彝族自治州美姑县井叶特西乡和合姑洛乡境内，距离美姑县城约18km。平均海拔在3200～3960m，属于高海拔山地风电场，总面积约12.5km2，共计安装20台单机容量2500kW风力发电机，总装机50MW。风机采用水平轴、三叶片、上风向结构布局，变转速、变桨距角调节控制策略，直接驱动永磁同步发电机发电并网运行的风力发电机组。目前该风场25台风机都配备了碳布加热系统，但从实际运行的效果来看，达不到理想的除冰效果。基于此，本文从目前投入的除冰系统的运行效果进行分析，结合在该地区做的不同颜色的叶片自然状态下结冰后的化冰速度实验，归纳总结一种比较高效的多种方式相结合的除冰方式。

1 风场的环境气候特征

兴达风电场地处四川省凉山彝族自治州美姑县井叶特西乡和合姑洛乡境内，距离美姑县城约18km。平均海拔在3200～3960m，属于高海拔山地风电场，总面积约12.5km2，共计安装20台单机容量2500kW风力发电机，总装机50MW。该风电场属于典型的亚热带季风高海拔气候，区域叶片每年结冰时间约20天，结冰类型主要为雾凇。具有明显的“三高一低”特征，即高海拔、高湿度、高风速、低温（高海拔：3700～3830m，全年湿度：70%～98%、高风速：年均风速7.1m／s、最高风速29m／s，低温：年平均气温0～2℃，最低温度-16.1℃），雨日240天左右，四季多夜雨，夏季多暴雨，年平均气温0～2℃，最冷月为-15～-20℃，春秋季短，冬季长。春冬季雾层高度在3200～3700m，夏秋季雾层主要集中海拔3700～3900m。

2 碳布加热除冰系统的运行情况

目前该风场25台风机都配备了碳布加热系统［1］，单只叶片加热功率在25kW，三只叶片加热功率在75kW，但从实际运行的数据观察，在环境温度低于-2℃，湿度大于90%左右时，且没有太阳光照的时候，达不到理想的除冰［2］效果，在风机风速不小于额定风速下功率只能达到额定功率的8%～40%之间，且风机必须通过限负荷将桨角控制在12°～14°左右才能运转，一旦桨角掉到0°，风机没转一会儿就会因叶片结冰而停机，所以探索一种效果理想、控制可靠、经济性好的除冰方式显得迫在眉睫。

3 黑、白叶片化冰速度试验效果评估

根据上述除冰系统运行情况来看，碳布加热型除冰系统在实际运行过程中除冰效果到达不了期望效果。在白天天气变好，太阳出来，环境温度上升到1℃以上，这时投上碳布加热除冰系统才能达到除冰效果，否则在不满足天气、环境温度的条件下达不到理想的除冰效果。我们观察到该区域黑色沥青路面的化冰速度远远快于白色水泥路面的化冰速度的现象后，得出灵感，可否将风机叶片涂装成黑色，在配合碳布加热除冰系统，这样除冰效果应该更加理想。于是开展了以下对比试验。

（1）试验材料选择。

联系风机叶片厂家找到了一块50cm×50cm的风机叶片材料，从中划分成两半，一半涂装成黑色，一半保持叶片原色，并放置于与结冰风机一样的环境温度下，用红外成像仪进行观察。

（2）不同时段红外成像仪扫描温度对比。

1）8时32分，环境温度-1.6℃，有薄雾，无太阳光直射，原色板子上的最低温度-7.5℃，黑色板子最高温度-1.2℃，两块区域温差6.3℃。该时段区域风机结冰严重，风机只能限小负荷运行。

2）11时50分，环境温度1℃，无雾，无太阳光直射，原色板最低-5.4℃，黑色板子区域最高温度3.9℃，两块板子温差9.3℃，该时段区域风机结冰严重，风机只能限小负荷运行。

3）13时20分，环境温度1.7℃，无雾，有太阳光直射，原色板最低-0.1℃，黑色板子区域最高温度28℃，两块区域温差28.1℃。该时段区域风机结冰减轻，风机能限较大负荷运行。

4）18时10分，环境温度2℃，无雾，太阳落山，原色板最低-4.4℃，黑色板子区域最高温度1.2℃，两块区域温差5.6℃。该时段区域风机结冰已化，风机正常运行。

不同时段红外成像仪扫描温度如图1和图2所示。

图1 8时32分和11时50分红外成像仪扫描温度

图2 13时20分和18时10分红外成像仪扫描温度

4 试验数据分析

通过表中的试验数据不难看出，黑色板子在无雾，有、无太阳直射的情况下，温度都比原板的温度高5.6～28℃之间，体现了较好的吸热效果，尤其是在有太阳光照射的情况下，表面温度达到了非常理想的效果。

通过对地理位置、自然环境、天气比较接近的华能某风场涂装绿色的叶片实际运行效果来看，该风场基本上能在中午12时左右风机结冰基本解除。在天气情况基本一样的前提下，我风场在除冰系统不能正常投运的情况下，基本在16时左右才能解除结冰，这也从侧面印证了风机叶片涂装成深色的化冰能力较原色（白色）叶片的风机化冰能力更强，时间上提前4h左右。

表 试验数据

5 优缺点因素分析及结论

将风机叶片设计成黑色，有以下两点不利缺点：

（1）从视觉上看，将叶片涂装成黑色，不美观，视觉效果较差。

（2）黑色涂装吸全部的太阳光辐射，可能造成叶片表面老化加快，所以需要加强防叶片紫外线设计，以免造成对叶片本体的伤害。

兴达风电场地处四川省凉山彝族自治州美姑县井叶特西乡和合姑洛乡境内，风机分布在高海拔在3700～3830m之间，全年雨日240天左右，湿度在70%～98%之间。通过投产一年多的观察，该风场冬春季受高纬度来的偏北季风控制，气压高，雾层高度在3200～3700m之间，夏秋季受来自海洋偏南气流影响，气候湿热、多雨，气压低，雾层主要集中海拔3700～3900m左右，也就是说该风电场夏秋两季大部分时间都在云雾里面，叶片涂装成黑色吸收的太阳辐射和紫外线照射有限，加上夏秋两季湿度在90%左右，对叶片形成了天然的防护屏障。而冬春两季雾层高度在3200～3700m之间，风机以下经常形成雾海，而风机大部分时间都耸立在云雾之上，叶片能够很好地吸收太阳的热辐射，所以能够在叶片表面形成很好的加热效果。

综上，如果将该风场风机叶片涂装成吸热效果很好的黑色，再配合碳布加热除冰系统，将能形成很好的防除冰效果，由于该区域冬春、夏秋特定的天气和气候特征，太阳辐射对风机叶片表面的损伤程度也很有限，使该风电场解除结冰的时间在通常情况下提前5～6h。从而体现出较好的经济性。