作者介紹了冰凍對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的影響，以及研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)組防覆冰技術(shù)的現(xiàn)實(shí)意義，對防覆冰系統(tǒng)構(gòu)成和幾種結(jié)冰傳感器的原理和風(fēng)傳感器防冰機(jī)理原理作了介紹。研究了葉片防覆冰的方法，并對每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)作了探討分析。
在我國，風(fēng)電機(jī)組大多安裝在長年冰雪環(huán)境極其惡劣的北方以及濕氣鹽霧較嚴(yán)重的沿海地帶。隨著風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量日益增多，冰凍對機(jī)組的影響已逐步體現(xiàn)。因此，研究機(jī)組防冰凍技術(shù)有較大的現(xiàn)實(shí)意義。
冰凍對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的影響
冰凍會造成風(fēng)速儀、風(fēng)向標(biāo)故障或采集的數(shù)據(jù)誤差增大，引起機(jī)組出力下降或停機(jī)。風(fēng)速儀、風(fēng)向標(biāo)作為采集風(fēng)速、風(fēng)向的傳感器，為適應(yīng)低溫環(huán)境，一般在傳感器內(nèi)部設(shè)計(jì)有加熱裝置，在溫度低于設(shè)定值時(shí)自動加熱。
但加熱電路一般僅對傳感器的旋轉(zhuǎn)部位加熱，當(dāng)冰凍災(zāi)害嚴(yán)重時(shí)，風(fēng)和尾舵等部位仍會結(jié)冰，使上述部件轉(zhuǎn)動慣量增大，測得的數(shù)據(jù)和實(shí)際值有較大偏差。由于風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)和機(jī)組的控制相關(guān)，因此，該現(xiàn)象會對機(jī)組的出力和安全帶來很大影響。
葉片覆冰后引起載荷增加，影響葉片的壽命，而且加載在每個(gè)葉片上的冰載不盡相同，使得機(jī)組的不平衡載荷增大，在葉片結(jié)冰狀態(tài)下繼續(xù)運(yùn)行會對機(jī)組產(chǎn)生非常大的危害，結(jié)冰嚴(yán)重時(shí)機(jī)組不得不脫網(wǎng)停機(jī)，使長年處于低溫地區(qū)的機(jī)組利用率大為降低。
風(fēng)機(jī)葉片覆冰后，由于葉片每個(gè)截面覆冰厚度不一，使得葉片原有的翼型改變，影響風(fēng)電機(jī)組的載荷，機(jī)組壽命受到一定影響。
環(huán)境溫度較高時(shí)形成的對翼型氣動性能的影響較大，結(jié)冰導(dǎo)致翼型升力下降，升阻比減小，最大減小幅度達(dá)到61％，同時(shí)結(jié)冰后的翼型會提前進(jìn)入失速區(qū)，導(dǎo)致槳葉氣動性能惡化。
葉片表面覆冰后，隨著溫度升高，冰塊就會脫落，會對機(jī)組和現(xiàn)場人員造成很大的安全隱患。
防覆冰系統(tǒng)構(gòu)成
圖1 防覆冰系統(tǒng)構(gòu)成
機(jī)組防覆冰系統(tǒng)主要由結(jié)冰探測傳感器、控制PLC、除冰子系統(tǒng)等構(gòu)成，結(jié)構(gòu)框圖見圖1。
結(jié)冰傳感器安裝在機(jī)艙頂部，將結(jié)冰厚度信息轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號，傳送給風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)PLC。PLC根據(jù)預(yù)先設(shè)定的冰層厚度閥值控制除冰裝置的起停。利用機(jī)組主控系統(tǒng)PLC預(yù)留的IO接口即可實(shí)現(xiàn)結(jié)冰厚度的采集和除冰裝置的控制，降低系統(tǒng)成本。
結(jié)冰探測技術(shù)
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的防覆冰技術(shù)可分為主動防冰和被動防冰兩大類，并以結(jié)冰探測技術(shù)為前提。結(jié)冰傳感器能給出風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中結(jié)冰的信息，高性能結(jié)冰傳感器還能定量給出結(jié)冰嚴(yán)重程度的信息，配合除冰裝置，可消除或減小結(jié)冰對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的不良影響。
西方發(fā)達(dá)國家對結(jié)冰傳感器的研究相當(dāng)重視，給予了巨大的人力和財(cái)力支撐，在理論研究和科研成果方面處于國際領(lǐng)先地位。由于結(jié)冰傳感器在技術(shù)上的先進(jìn)性及在軍事應(yīng)用方面的重要性，西方一些國家一直把它列為對中國的禁運(yùn)產(chǎn)品。
結(jié)冰傳感器原理和檢測方法已發(fā)展到十幾種。查詢國內(nèi)外相關(guān)的資料可以看出，結(jié)冰傳感器的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，實(shí)際應(yīng)用了多種結(jié)冰測量方法，如光學(xué)測量法、熱學(xué)測量法、電學(xué)測量法、機(jī)械測量法等。考慮到風(fēng)電機(jī)組用結(jié)冰傳感器應(yīng)具有體積小、集成化、低功耗、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，適應(yīng)的結(jié)冰傳感器有以下幾種：
1 壓電式結(jié)冰傳感器
壓電式結(jié)冰傳感器的結(jié)構(gòu)主要分為兩個(gè)部分，分別是聚偏氟乙烯(PVDF)應(yīng)變敏感原件和硅杯式壓力傳感器。結(jié)冰傳感器的由上下兩個(gè)部分組成，結(jié)冰傳感器的上半部分是PVDF，在有工作電壓的情況下產(chǎn)生應(yīng)變；結(jié)冰傳感器的下半部分是硅杯式壓力傳感器，對PVDF產(chǎn)生應(yīng)變而施加的壓力進(jìn)行測量。
當(dāng)PVDF表面沉積不同厚度冰層時(shí)，硅杯式壓力傳感器的輸出發(fā)生變化，從而得出結(jié)冰厚度與硅杯式壓力傳感器輸出電壓對應(yīng)關(guān)系，最終實(shí)現(xiàn)對冰層厚度的測量。
結(jié)冰傳感器主要依據(jù)逆壓電效應(yīng)研制。采用硅式壓力傳感器對受電場作用PVDF的應(yīng)變情況進(jìn)行測量。硅杯式壓力傳感器主要結(jié)構(gòu)是在硅片上刻蝕出硅杯，在硅杯的方形薄膜上利用集成電路工藝制作四個(gè)MOSFET，將四個(gè)MOSFET組成惠斯通橋路。
依據(jù)壓阻效應(yīng)，當(dāng)硅杯方形薄膜受到壓力時(shí)MOSFET溝道電阻發(fā)生變化，MOSFET組成的惠斯通橋路失衡有電壓輸出，輸出電壓與壓力為線性關(guān)系，通過對輸出電壓的測量實(shí)現(xiàn)對壓力的測量。
2 紅外阻斷式結(jié)冰傳感器
紅外阻斷法是一種已經(jīng)投入使用的成熟方法，英國的一家航空航天公司PENNY&GILES生產(chǎn)了一款基于紅外阻斷原理的名為P&G結(jié)冰探測器。基于紅外阻斷原理的結(jié)冰傳感器主要采用探針方式，固定監(jiān)測位置。
紅外阻斷法基本原理是在沒有冰層出現(xiàn)在結(jié)冰傳感器的探頭處時(shí)，結(jié)冰傳感器的探頭可以接收到紅外發(fā)生器產(chǎn)生的紅外線；當(dāng)冰層出現(xiàn)在結(jié)冰傳感器探頭處時(shí)，傳感器探頭因?yàn)楸鶎拥淖钃踅邮艿降募t外線變少，傳感器探頭接收到的紅外線數(shù)量與冰層厚度是反比的關(guān)系，冰層越厚透過的紅外線越少，探頭輸出的電壓越大。
3 光纖式結(jié)冰傳感器
2003年世界首款光纖式結(jié)冰傳感器在英國問世，光纖式結(jié)冰傳感器主要由紅外光光源、光纖傳輸和具有玻璃表面的探測面組成。光纖式結(jié)冰傳感器主要依靠冰層對紅外線的折射反射等光學(xué)作用來實(shí)現(xiàn)對冰層的判斷。
當(dāng)傳感器的探測器外部存在冰時(shí)，光源產(chǎn)生紅外光會直接進(jìn)入空氣中，接收端接受不到光源產(chǎn)生的紅外光；而在探測器表面存在冰時(shí)，因?yàn)楸鶎訉t外光的光學(xué)作用，使得玻璃表面接收到紅外光并傳入到接收光纖，通過后端的信號檢測電路對紅外光強(qiáng)弱和變化趨勢進(jìn)行判斷，最終實(shí)現(xiàn)測量冰層的目的。
4 熱流型結(jié)冰探測器
近些年提出了一種以物體表面熱流變化為原理的結(jié)冰探測方法。這種傳感器由一些分布在傳感器表面的溫度探頭組成，這些溫度探頭測量出傳感器表面熱流梯度。當(dāng)傳感器表面存在其他附著物時(shí)，傳感器表面的熱流梯度會發(fā)生改變。
可以對表面結(jié)有冰層時(shí)進(jìn)行標(biāo)定，通過比較和計(jì)算傳感器表面熱流變化情況達(dá)到測量冰層的目的，這種傳感器還可以測量其它附著物的情況。這種測量法還在不斷地研究中。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組防冰除冰措施
1 風(fēng)傳感器的防覆冰技術(shù)
目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上使用的主流的風(fēng)速風(fēng)向傳感器為機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向儀。機(jī)械式風(fēng)速儀的測量部分一般由3個(gè)半球形或拋物錐形的空心杯殼組成，杯殼互成120度角，杯的凹面順著同一時(shí)針方向排列，固定在能旋轉(zhuǎn)的垂直軸上。
當(dāng)有風(fēng)作用時(shí)，凹面和凸面所受的風(fēng)的壓力不相等形成扭力作用，便開始旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速與風(fēng)速呈一定的關(guān)系。機(jī)械式風(fēng)向標(biāo)是靠尾翼工作的，在風(fēng)的作用下不停擺動，尾翼的反方向就是風(fēng)吹來的方向。
機(jī)械式測風(fēng)儀和風(fēng)向標(biāo)成本較低、使用方便，轉(zhuǎn)速與風(fēng)速基本上為線性關(guān)系。但機(jī)械結(jié)構(gòu)會受到惡劣天氣的影響，遇寒潮天氣容易結(jié)冰結(jié)霜。
隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展和生產(chǎn)成本的降低，超聲波測風(fēng)儀得到了越來越廣泛的應(yīng)用。
1）使用超聲波傳感器
超聲波測風(fēng)儀集風(fēng)速風(fēng)向測量于一體，無旋轉(zhuǎn)部件，全封閉外殼，金屬外殼整體均勻加熱，避免冰凍產(chǎn)生的影響。
為了消除環(huán)境變化對靜聲速的影響，本儀器采用雙向測量的方法，即同時(shí)測量兩個(gè)相對方向上的傳播時(shí)間的變化來抵消靜聲速變化的影響。
為了能測得各方向上的風(fēng)速和風(fēng)向，需要采用多對探頭，常見的二維風(fēng)速儀采用兩對探頭在水平面上互相垂直的方式同時(shí)測得水平兩個(gè)方向上的風(fēng)速，然后進(jìn)行正交合成計(jì)算得到水平平面上的風(fēng)速和風(fēng)向。
圖2 一種超聲波測風(fēng)儀
由于超聲波式風(fēng)傳感器不含旋轉(zhuǎn)部件，且本體能夠加熱，所以結(jié)冰的影響大為降低。
2）對機(jī)械式風(fēng)傳感器進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)
抗冰凍風(fēng)速傳感器在風(fēng)杯的頂部設(shè)計(jì)有大功率加熱器，加熱功率可超過100W。加熱器與傳感器轉(zhuǎn)動部件采用熱傳導(dǎo)系數(shù)高的材料，使傳感器轉(zhuǎn)動部件在-40℃情況下不結(jié)冰霜。
加熱器與傳感器內(nèi)部采用特殊的隔熱材料，避免大功率加熱器對內(nèi)部電子元件和電路板的不良影響。加熱器由自動控溫電路進(jìn)行控制，考慮特殊氣象條件下，啟動加熱器的溫度設(shè)計(jì)在零上5℃左右，以防止傳感器上形成凍雨、結(jié)霜，可保證在-50℃環(huán)境下正常工作。
2 葉片防覆冰技術(shù)
1）電熱防冰
在風(fēng)機(jī)葉片制作時(shí)預(yù)埋由加熱元件、轉(zhuǎn)換器、過熱保護(hù)裝置及電源組成的電熱防冰系統(tǒng)。可用碳纖維做加熱元件。
碳纖維是一種碳含量超過95%的高強(qiáng)度輕質(zhì)量的纖維材料,用其制成的網(wǎng)狀布加熱元件具有任意剪裁、局部損害不影響整體加熱失效以及熱輻射均勻等優(yōu)點(diǎn)。
將加熱元件鋪在玻璃布之間，加熱電源的通斷受機(jī)組PLC控制，根據(jù)氣象條件控制加熱電路的起停，避免不必要的能量消耗。
加熱元件產(chǎn)生的熱量通過玻纖和樹脂材料傳遞到葉片表面，加熱、融化表面冰。在氣動力和離心力作用下將冰移除。
關(guān)于葉片除冰理論國內(nèi)的文獻(xiàn)介紹較少。國外的研究多一些。冰脫落研究的發(fā)展通常和電熱除冰計(jì)算結(jié)合在一起。Wright等在結(jié)冰、除冰研究中對冰脫落的影響進(jìn)行了研究，進(jìn)一步發(fā)展了電熱除冰計(jì)算模型。Yaslik等提出保守的冰脫落準(zhǔn)則。認(rèn)為當(dāng)冰層和葉片表面的所有冰層單元都融化后，冰層將在氣動力或離心力的幫助下吹走。該準(zhǔn)則是目前最實(shí)用的冰脫落準(zhǔn)則。
電熱防冰效果較好，可靠性較高，在結(jié)冰嚴(yán)重地區(qū)效果也有很好的防冰除冰效果。缺點(diǎn)是在葉片鋪層時(shí)就要加入加熱元件，工藝要求較高，投資相對較大。
2）熱氣防冰
在低溫地區(qū)，為保證電子元器件正常工作。在風(fēng)機(jī)輪轂內(nèi)一般都有加熱裝置，只要在風(fēng)機(jī)葉片內(nèi)安裝暖風(fēng)通氣管道，讓輪轂內(nèi)的暖氣在管道內(nèi)循環(huán)即可。
熱氣防冰設(shè)施相對簡單，但通風(fēng)管道布置受葉片強(qiáng)度限制，防冰效果在冰凍災(zāi)害嚴(yán)重地區(qū)稍差。
3）涂層防冰
涂層防冰就是利用特種涂料的物理或化學(xué)的作用。使冰融化或者減小冰與物件表面的親和力，從而把冰從表面除去。從原理上來說，涂層防冰應(yīng)該說是一種很理想的防冰方法，因?yàn)樗鼘儆谥鲃有头雷o(hù)。目前防冰涂料的類型有：丙烯酸類、聚四氟乙烯類、有機(jī)硅類。
防覆冰涂料的技術(shù)指標(biāo)：(1)防覆冰效果顯著。在相同的氣象條件或試驗(yàn)條件下，采用防覆冰涂層與未采用防覆冰涂層的物件相比，覆冰承量(覆冰厚度)減少70％～80％以上。(2)多種防護(hù)功能——密封防水、防腐蝕、電絕緣、防覆冰。(3)可靠性高。耐候性好，主動型防護(hù)，有效使用壽命大于5年。(4)實(shí)施方法簡單易行、維修性好、安全、環(huán)保。
涂層防冰可以和熱能除冰系統(tǒng)配合使用，達(dá)到更優(yōu)的防冰除冰效果。
結(jié)束語
本文就風(fēng)傳感器和風(fēng)輪葉片的結(jié)冰現(xiàn)象對風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生的影響作了分析，通過對風(fēng)電機(jī)組風(fēng)傳感器進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，并增加結(jié)冰探測器和防冰除冰系統(tǒng)，利用風(fēng)電機(jī)組主控系統(tǒng)的預(yù)留IO點(diǎn)即可構(gòu)成一套結(jié)冰探測和自動除冰系統(tǒng)。系統(tǒng)簡單可靠，在冰凍災(zāi)害嚴(yán)重的地區(qū)具有較好的應(yīng)用前景。
本文編自《電氣技術(shù)》標(biāo)題為“風(fēng)力發(fā)電機(jī)組防覆冰技術(shù)研究”，作者為申曉東、時(shí)連斌 等。
