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低溫環(huán)境下的風(fēng)電葉片結(jié)冰問題
發(fā)布時(shí)間：2021.04.29
低溫環(huán)境給葉片乃至整個(gè)風(fēng)機(jī)都帶來了嚴(yán)峻的考驗(yàn)，單就葉片而言，低溫環(huán)境所導(dǎo)致的葉片結(jié)冰問題、材料及結(jié)構(gòu)性能改變的問題、載荷改變的問題等，都需要我們有更優(yōu)秀的解決方案和更細(xì)致的設(shè)計(jì)考慮。本期譯評主要針對可謂目前風(fēng)電領(lǐng)域的一個(gè)全球范圍的難題，即低溫環(huán)境的葉片結(jié)冰問題進(jìn)行討論。
沿海及較容易安裝的內(nèi)陸地區(qū)，如三北地區(qū)已經(jīng)陸續(xù)裝滿了風(fēng)機(jī)，目前風(fēng)機(jī)在南方地區(qū)和山區(qū)大量裝機(jī)，海上風(fēng)機(jī)也大多在研究和發(fā)展的階段未得到較大批量化。另一方面，現(xiàn)有風(fēng)機(jī)塔筒高度不斷提升，因此即使在沿海地區(qū)，冬季里大量風(fēng)機(jī)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(jié)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(nèi)陸地區(qū)特別是山區(qū)，大尺寸風(fēng)機(jī)在運(yùn)行和停機(jī)時(shí)都會受到結(jié)冰問題的影響。盡管早期考慮結(jié)冰問題的風(fēng)機(jī)，試運(yùn)行時(shí)安裝了帶特殊傳感器和相應(yīng)配套設(shè)施的加熱除冰系統(tǒng)，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。然而至今市場上也沒有成熟且標(biāo)準(zhǔn)化的低溫風(fēng)機(jī)出現(xiàn)。本文概述和討論了低溫結(jié)冰問題及其解決方案，針對不同的低溫環(huán)境對除冰系統(tǒng)的需求給出了相應(yīng)的指導(dǎo)意見。
1、低溫對風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的影響
低溫因素在很多方面影響風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)：冰和霜以及低溫下空氣密度的上升對風(fēng)機(jī)氣動有較顯著的影響，進(jìn)而影響風(fēng)機(jī)的載荷和功率輸出。低溫會導(dǎo)致葉片附著較大質(zhì)量的冰層，從而會改變風(fēng)機(jī)葉片的頻率，進(jìn)而改變其動態(tài)響應(yīng)行為。同時(shí)，控制系統(tǒng)也會受到影響。由于結(jié)冰改變了葉片的氣動外形，從而導(dǎo)致了葉片失速可能比設(shè)計(jì)預(yù)期提前或延后。那么電動或液壓變槳控制對應(yīng)的配置也應(yīng)隨之改變。葉片結(jié)冰會導(dǎo)致風(fēng)機(jī)的檢測信號系統(tǒng)發(fā)生故障從而反饋錯(cuò)誤信號。極限低溫需要改變風(fēng)機(jī)部分部件的材料，例如常用的鋼材會變脆。
風(fēng)機(jī)本身運(yùn)行的安全性及其周圍環(huán)境的安全性都會受到低溫或結(jié)冰的影響。風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)拋出的冰層碎塊或掉落的大冰塊可能會傷害到風(fēng)機(jī)附近的人或物。風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)自身的完整性也會受到結(jié)冰葉片的不平衡或不對稱的影響。由于結(jié)冰改變了風(fēng)機(jī)部件頻率可能引起共振，也會增大風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)沒能自動反應(yīng)，電機(jī)或傳動鏈可能會燒壞，齒輪箱可能過載或損壞。
一些風(fēng)電項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性也會受到低溫環(huán)境的影響，特別是在潛在結(jié)冰較多的地區(qū)。在這些地區(qū)做風(fēng)機(jī)項(xiàng)目規(guī)劃，需要預(yù)測結(jié)冰發(fā)生的類型和周期，需要通過了解功率輸出情況及由于結(jié)冰導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)間來預(yù)測與風(fēng)況相關(guān)的溫度頻譜分布。如有必要，可能存在目前IECI-IV類風(fēng)況不能覆蓋特定的低溫風(fēng)況，需要做特殊定義。特定低溫工況的風(fēng)機(jī)可能需要特定的設(shè)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(fēng)向標(biāo)和風(fēng)速儀或者特定的結(jié)冰傳感器。甚至需要在策劃階段和經(jīng)濟(jì)性評估結(jié)算考慮低溫下維護(hù)和維修的特定需求。低溫環(huán)境下要維護(hù)人員要到達(dá)某個(gè)位置的風(fēng)機(jī)會遇到較大困難，導(dǎo)致較高的交通成本。同時(shí)，如果道路長期結(jié)冰或積雪，會導(dǎo)致裝機(jī)、運(yùn)維無法正常進(jìn)行從而影響發(fā)電。
加熱的風(fēng)速儀測量結(jié)果可能存在問題，而不加熱的風(fēng)速儀極限風(fēng)速的測量結(jié)果可能偏低，尤其在高山地區(qū)結(jié)冰周期內(nèi)?？梢园巡煌貐^(qū)的結(jié)冰情況分為無結(jié)冰、少結(jié)冰或頻繁結(jié)冰三種類型。然而，這也僅僅邁出了對低溫環(huán)境精確評估的第一步。
由于安全性問題，部分地區(qū)的法律法規(guī)可能一票否決一個(gè)風(fēng)電項(xiàng)目的準(zhǔn)入。
2、如何探測低溫結(jié)冰情況
如何對特定地區(qū)的低溫環(huán)境因素進(jìn)行定義呢?除了標(biāo)準(zhǔn)環(huán)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(gè)地區(qū)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(qū)的結(jié)冰情況。
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