刘学涛

中广核新能源投资(深圳)有限公司新疆分公司中广核玛依塔斯风电场 新疆 塔城 834600

引言:随着时代的发展,各种工厂的出现,二氧化碳、酸雨等环境污染,能源短缺现象日益严重。风能是一种可再生能源,解决了其他能源无法避免的环境污染问题,逐渐受到了全世界的重视。我国风能资源丰富,但是大部分风力资源基本分布在气候恶劣的北方地区以及湿度较大的沿海地区,极易受到环境的影响。风力发电机在低温下工作时,一旦遭遇雨夹雪、冰雪等恶劣天气,风机叶片可能会发生冻冰现象,影响发电机的运行效率。

1 新疆塔城地区气候情况

新疆塔城地区属于温带干旱和半干旱气候区,春季升温快,冷暖波动大。根据额敏气象站资料统计,塔城地区年平均气温是5.3摄氏度,极端最高气温为41.3摄氏度,极端最低气温为零下37.8摄氏度,多年实测最大风速为20m/s。

2 风机叶片覆冰影响

每年冬季塔城地区风量较大,是抢发电量创造经济效益的最佳阶段。但是这个时间段内空气湿度较大,容易出现极端天气,严重影响风机发电量,损伤风机的叶片等,造成一定程度的经济损失,具体表现在以下几个方面:一是覆冰初期阶段,风机叶片会因薄冰的原因出现风机动力不足、风速减小的现象,风机的发电率大幅度下降；二是覆冰严重阶段,叶片表面会形成不规则的厚冰层,叶片气动外形会因此而发生改变,叶片转动、变桨控制等皆会因此出现失误,发电功率振幅较大,并随叶片覆冰逐渐加厚而缩减至零功率。三是过多的冰载降低了叶片的使用时间,由于风机每个叶片上的冰层厚度不同,导致机组受力不均匀,载荷增加,如果在此状态下长时间运行,会为机组带来较大的伤害,如果停止使用则会降低机组的使用效率；四是机组出力的降低不仅影响了设备的正常运行,更为严重的会造成叶片折断、风机倒塌在地；五是随着气温升高,叶片上附着的冰层掉落到塔筒、箱变以及人群中都可能带来较大的安全隐患。所以,对叶片覆冰原因进行分析和调研,并提出相应的解决措施,提高风机的使用时间和效率,增加风场设备的可靠性和安全性。

3 冬季风场气象特点

风力发电机在低温环境下工作时,如果遇到潮湿空气、雨夹雪等恶劣环境,尤其是雨水冷却会在风机叶片上形成冰层,并且随着温度的降低冰层会越来越厚。所以风电场可以加强与当地气象站的沟通和交流,获取详细的气象信息,提前获悉本地区一段时间内的气温状况,根据环境的变化选择合适的运行情况,减缓风机叶片覆冰情况。另外风电场可以建立冬季运行管理小组,制定相应的解决方案,解决冬季运行中的突发状况。

4 风机叶片防覆冰方法

新疆塔城地区中广核玛依塔斯风电场使用的发电机主要是金风科技70/1500型风机,此型号风机额定功率较大,使用年限超过20年,设备可利用率超过95%,设备运行温度范围在零下30摄氏度至零上40摄氏度,较适合温差较大的新疆地区使用。但是设备在使用过程中仍会受到叶片覆冰问题的影响,对风电场的运行产生一定程度的影响,因此针对此种情况,提出几点解决措施。

4.1 溶液防冰 溶液防冰属于被动型防冰,就是将防水溶液(如乙醇)与叶片上的水混合在一起,由于混合液的冰点比水的冰点低,所以水很难在叶片上凝结成冰。寒冷天气风机运行前在叶片表面喷洒混合液,能够有效降低叶片覆冰现象。

溶液防水的缺点:一是有效时间短,适用于短期防冰；二是溶液用量过大；三是覆冰情况严重时效果甚微。

4.2 机械除冰 机械除冰属于被动型防冰,实质上就是利用机械的方法敲碎叶片上的冰层,再利用气流将细碎的冰渣吹除,或者是通过离心力震动的方式去除冰层。目前我国多数风电场采用的都是人工除冰的方法。

4.3 热能防冰 热能防冰属于被动型防冰,通过热能加热物件让叶片冰层表面温度超过0摄氏度,融化叶片表面的冰层,达到防冰和除冰的目的。热能防冰方法主要有三种:一是电热防冰。在制作风机叶片时,在其中加入加热元件、转换器、过热保护装置以及电源灯组成的防冰系统；二是微波除冰。利用微波能加热叶片上附着的冰层,降低冰层的结合力,再通过离心力去除细小的冰渣；三是热气防冰。通常情况下风机内都设有加热装置,风电场可以在叶片上装置暖风通气管道,让热气在管道内流通,增加叶片温度。

5 新材料技术的应用

风机组叶片表面积较大,其制作使用的材料、形状以及环境等较为特殊,因此对使用的防覆冰技术和工艺有着较为严格的要求,上述几种防覆冰方法虽然也能起到一定的作用,但在实际操作中需要耗费较大的人力物力和时间。目前针对风机叶片制作材料的研究已经取得较大的进展和突破,能够有效解决风机叶片覆冰的问题。

5.1 LaFe10.78Co0.92Al1.3合金的应用 目前我国所使用的风机叶片主要类型有木质叶片、布蒙皮叶片、钢梁玻璃纤维蒙皮叶片等。但是现在竹叶片成为风电行业的重点研究对象,山东世纪威能生产的竹叶片在实验观察中取得了良好的效果,能够在很大程度上提高叶片对覆冰的承载力。

另外,北京科技大学材料科学与工程专业的王小强等人针对风机叶片覆冰问题展开了深入的研究与探讨,同时将目前市场中已经应用的低居里温度的FeNiCrSi合金加以改良和创新,研发出了一种防覆冰效果更强的合金LaFe10.78Co0.92Al1.3,FeNiCrSi合金的饱和磁感应强度为4000 Gs,放热量是26W/kg,而LaFe10.78Co0.92Al1.3合金饱和磁感应强度则超过了9500 Gs,放热量是55w/kg,在相同等条件下,LaFe10.78Co0.92Al1.3磁感应饱和度以及放热量均增长一倍以上,冰点热量大幅度下降,因此使用此种材料制作风机叶片,防覆冰能力大大增强。

5.2 超级疏水表面涂料的应用 随着新材料科技的飞速发展,超级疏水表面涂层逐渐受到风电行业的广泛关注。涂层防冰属于主动型防冰,就是利用特殊涂料的物理或化学作用,增加叶片冰层的融化速度,或者降低冰层与叶片之间的附着力,从而增加除冰速度。从除冰原理上看,涂层除冰是最便利的除冰方法。举例来说,利用喷砂以及热处理的方法,在风机叶片表面涂层FAS-17,叶片表面接触角可达到161o,摩擦角为3o。或者是将原子转移自由基引发聚合效应,将含氟或者含硅材料制成超级疏水性材料,接触角可达到170.3o,不仅能够大幅度降低水的结晶点,结冰时间延长了50倍左右。目前我国防冰涂料的种类有丙烯酸类、聚四氟乙烯类以及有机硅类,已经成为防覆冰领域内认可的材料,不仅防覆冰效果明显、而且耐腐蚀,操作简单方便,使用寿命较长。

6 建立覆冰预警监测程序

除了上述介绍的防覆冰方法外,还可以建立覆冰预警监测程序,及时了解风机叶片的覆冰程度。原来判断风机的覆冰情况主要来源于运行人员的工作经验,他们主要是根据室外温度以及风机工作状况两方面进行判断,所以,风电场要想做好冬季防冰工作,必须加强工作人员判断的准确性。但是通常情况下风电场设备众多,仅依靠运行人员监测难免会出现纰漏,因此在有关人员开发下可以设计一款风机覆冰预警监测程序,一旦发生覆冰现象可以语音提醒,设计此程序时加入各个型号风机的运行功率与风速的匹配关系,在监测过程中,若风机的实发功率与风速有20%左右的偏差,能够立即发出警报。

结束语

风力发电作为一种可再生能源,在全世界能源结构中起到的作用越来越大,但是随着全球气候条件的变化,风电场在冬季覆冰期发电受到的阻碍也越来越多,降低了风力发电的效率,因此解决叶片覆冰问题非常重要。本文详细阐述了风机叶片覆冰形成的主要原因,并从外力除冰方法以及叶片制做新工艺、建立覆冰预警监测程序等三方面论述了目前我国风电行业所使用的防覆冰方法,有效解决风电场冬季覆冰期发电效率低的问题,提高风机的使用时间和效率,增加风场设备的可靠性和安全性。