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低溫環境下的風電葉片結冰問題
發布時間：2021.04.29
低溫環境給葉片乃至整個風機都帶來了嚴峻的考驗，單就葉片而言，低溫環境所導致的葉片結冰問題、材料及結構性能改變的問題、載荷改變的問題等，都需要我們有更優秀的解決方案和更細致的設計考慮。本期譯評主要針對可謂目前風電領域的一個全球范圍的難題，即低溫環境的葉片結冰問題進行討論。
沿海及較容易安裝的內陸地區，如三北地區已經陸續裝滿了風機，目前風機在南方地區和山區大量裝機，海上風機也大多在研究和發展的階段未得到較大批量化。另一方面，現有風機塔筒高度不斷提升，因此即使在沿海地區，冬季里大量風機都會觸碰到較低的云層。海上超大尺寸葉片將存在怎樣的結冰問題，由于缺乏較好的測量方法和必要的信息，目前尚不清晰。
內陸地區特別是山區，大尺寸風機在運行和停機時都會受到結冰問題的影響。盡管早期考慮結冰問題的風機，試運行時安裝了帶特殊傳感器和相應配套設施的加熱除冰系統，積累了一定的經驗。然而至今市場上也沒有成熟且標準化的低溫風機出現。本文概述和討論了低溫結冰問題及其解決方案，針對不同的低溫環境對除冰系統的需求給出了相應的指導意見。
1、低溫對風機設計的影響
低溫因素在很多方面影響風機的設計：冰和霜以及低溫下空氣密度的上升對風機氣動有較顯著的影響，進而影響風機的載荷和功率輸出。低溫會導致葉片附著較大質量的冰層，從而會改變風機葉片的頻率，進而改變其動態響應行為。同時，控制系統也會受到影響。由于結冰改變了葉片的氣動外形，從而導致了葉片失速可能比設計預期提前或延后。那么電動或液壓變槳控制對應的配置也應隨之改變。葉片結冰會導致風機的檢測信號系統發生故障從而反饋錯誤信號。極限低溫需要改變風機部分部件的材料，例如常用的鋼材會變脆。
風機本身運行的安全性及其周圍環境的安全性都會受到低溫或結冰的影響。風機運行時拋出的冰層碎塊或掉落的大冰塊可能會傷害到風機附近的人或物。風機結構自身的完整性也會受到結冰葉片的不平衡或不對稱的影響。由于結冰改變了風機部件頻率可能引起共振，也會增大風機的疲勞載荷。空氣密度的上升可能會增大載荷和最大功率輸出。如果風機沒能自動反應，電機或傳動鏈可能會燒壞，齒輪箱可能過載或損壞。
一些風電項目的經濟性也會受到低溫環境的影響，特別是在潛在結冰較多的地區。在這些地區做風機項目規劃，需要預測結冰發生的類型和周期，需要通過了解功率輸出情況及由于結冰導致的停機時間來預測與風況相關的溫度頻譜分布。如有必要，可能存在目前IECI-IV類風況不能覆蓋特定的低溫風況，需要做特殊定義。特定低溫工況的風機可能需要特定的設備，如需要在葉片、齒輪箱、電路板等部件考慮加熱元器件，采用適用極低溫度的鋼材，采用自加熱的風向標和風速儀或者特定的結冰傳感器。甚至需要在策劃階段和經濟性評估結算考慮低溫下維護和維修的特定需求。低溫環境下要維護人員要到達某個位置的風機會遇到較大困難，導致較高的交通成本。同時，如果道路長期結冰或積雪，會導致裝機、運維無法正常進行從而影響發電。
加熱的風速儀測量結果可能存在問題，而不加熱的風速儀極限風速的測量結果可能偏低，尤其在高山地區結冰周期內。可以把不同地區的結冰情況分為無結冰、少結冰或頻繁結冰三種類型。然而，這也僅僅邁出了對低溫環境精確評估的第一步。
由于安全性問題，部分地區的法律法規可能一票否決一個風電項目的準入。
2、如何探測低溫結冰情況
如何對特定地區的低溫環境因素進行定義呢?除了標準環境因素的測量，如氣壓、氣溫、濕度外，還需考慮云層高度及其水汽含量。但這些額外的因素通常不會在某個地區的氣象記錄中有記載，因此需要尋找其他的途徑來了解該地區的結冰情況。
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