為助力實現“碳達峰”與“碳中和”目標，《“十四五”可再生能源發展規劃》提出，2030年風電、太陽能發電總裝機容量達到12億千瓦以上。到2021年，累計風電裝機超過17萬臺，容量超3.4億千瓦，同比增長19.2%，裝機容量穩步上升。到2030年，南方電網基本建成新型電力系統，支撐新能源裝機再新增1億千瓦以上，推動可再生能源產業高質量發展，新型電力系統取得實質性成效，基本建成清潔低碳、安全高效的能源體系。
來源：風力發電網
作者： 牛唯（貴州電網電科院高壓中心三級拔尖技術專家 ）
近年來，極端天氣氣候事件呈現出頻發、廣發、強發和并發的趨勢。風力發電機覆冰問題頻頻出現，1996-2002年間，芬蘭風電場風力發電機組出現問題71%與葉片覆冰有關。根據美國聯邦能源管理委員會(FERC)和北美電力可靠性公司(NERC)聯合發布的報告，2021年2月，極端寒冷天氣和嚴重降雪導致得克薩斯州和美國中南部總共有1045臺發電機組（銘牌總容量為192818 MW）經歷了總計4124次停機、甩負荷或無法啟動的故障，其中包括27%的風電機組，75%是由凍結問題（44.2%）或燃料問題（31.4%）引起的。隨著極端天氣氣候的頻繁發生，加之風力發電機組數量和裝機容量穩步上升，極端天氣下風力發電機覆冰極有可能引發大面積停電事故，將嚴重影響本質安全型新型電力系統建設，因此有必要系統研究葉片覆冰形成機制和防除冰策略等內容，對新型電力系統安全穩定運行具有重要意義。
風機葉片覆冰形成機制
葉片表面覆冰是水在特定環境下產生的物相變化，空氣中過冷卻水滴與風機葉片碰撞形成覆冰，大氣層中的過冷卻水滴穩定性很差，過冷卻水滴遇到凝結核會快速凝結成冰。風機葉片表面覆冰是耦合相變復雜傳熱過程，由于葉片表面溫度低于冷水滴溫度，過冷卻水滴與葉片發生碰撞時，葉片表面會快速吸收水滴在凝固過程中釋放的熱量，過冷卻水滴在葉片表面迅速覆冰。因風機葉片處于旋轉狀態，空氣中過冷卻水滴將與葉片前緣迎風面發生碰撞，過冷卻水滴內部平衡被破壞，風機葉片表面更易覆冰。
風電場所處典型地形及其對風機覆冰的影響
南方山區風能資源豐富、地形條件復雜，風電場地形具有山脈分布零散、相對高差較大、山體陡峭、水體分布廣泛等特點。風力發電對微地形微氣候條件非常敏感，因缺乏充分的分類識別的地理信息和氣象資料，對風電場微地形微氣候覆冰的認識仍存在不足。
微地形微氣候受山脈走向、坡向和分水嶺等地形因素的影響，風電場微地形微氣候覆冰的典型類型包括埡口、高山分水嶺、水汽凝結、地形抬升等。綿延的山脈形成埡口，埡口處氣流集中，兩側風速增大，埡口兩側風機易形成覆冰；位于高山分水嶺處的風機，含有過冷卻水滴的氣團在風力作用下沿迎風坡側上升而發生絕熱膨脹，因過冷卻水滴含量增加導致風機覆冰量增加；當風機位于較大的江湖水體附近時，空氣中水汽增大，寒潮入侵時更易出現嚴重覆冰現象；丘陵地區突峰、盆地、臺地等地貌易形成沿坡上升的冷空氣，位于地形抬升處的風電場則更易在低溫凝凍天氣形成嚴重覆冰。
2008年南方冰災刷新了全國人民對南方凍雨嚴重程度的認知，受不同地形條件、氣候環境的影響，風機葉片會形成質地不同、形狀各異的覆冰，相應防除冰技術措施也存在差異，因此，典型微地形對風機覆冰類型的影響是需要重點研究的課題。
覆冰對風力發電機組的影響
葉片覆冰以后，葉片的空氣動力特性發生變化，對機組載荷的影響主要表現在發電量降低、葉片固有頻率降低、疲勞載荷增加和機械磨損增加，對風電場的安全運行和經濟效益產生不利影響。具體表現為：
1）發電量降低，覆冰重量、分布、不規則脫落等均會影響風機輸出功率，葉片阻力沿軸向呈指數增長，葉尖升力也會因覆冰至少降低40%。輕微覆冰時葉片輸出功率下降5～15%，嚴重覆冰時葉片轉矩降為零，導致風力發電機組停機，均會降低發電量；2）葉片固有頻率降低，覆冰會影響葉片整體結構，葉輪質量分布不均，導致葉片固有頻率降低，更接近機組系統共振頻率而可能發生共振；3）疲勞載荷增加，葉片旋轉平面內形成的不平衡彎矩傳遞至塔底，導致塔底左右方向的載荷幅值比無覆冰狀態下大，相同壽命時間及循環次數下的等效疲勞載荷增加；4）機械磨損增加，低溫環境會影響潤滑油流動性，機械磨損進而影響變速器壽命。
風機葉片應對低溫凝凍天氣的防除冰策略
風機葉片除冰方法主要包括電加熱除冰、氣熱除冰、機械除冰、氣動帶除冰、噴灑化學藥品、涂層防冰等。
1）電加熱除冰，加熱元件置于葉片表面，將葉片表面溫度加熱到0°C以上，葉片表面出現水膜，通過離心力和葉片振動實現脫冰；
2）氣熱除冰，通過加熱葉片內腔空氣，再將熱量傳導至葉片外表面實現除冰；
3）機械除冰，通過機械方法將冰擊碎，依靠葉片轉動和氣流實現脫冰；
4）氣動帶除冰，通過葉片前緣的膨脹管或膨脹帶膨脹震碎冰層實現除冰；
5）噴灑化學藥品，表面噴灑化學藥品降低冰點實現防除冰；
6）涂層防冰，在葉片表面涂覆防冰涂料降低冰與葉片表面的附著力實現防冰。
防冰有限，除冰很難，目前還未有成熟有效的風機防除冰系統，單一的防除冰技術均存在一定的不足，電加熱和氣熱除冰產生的水膜可能在葉片后緣再次凍結，且氣熱除冰過程需耗費大量自用電，且氣熱除冰在超過60 m的葉片中存在功率瓶頸；機械除冰效率低、工作強度大，還可能導致葉片損壞；氣動帶除冰會改變葉片表面氣動性能；噴灑化學藥品具有短暫時效性，但可能污染空氣和土壤；涂層防冰可作為輔助手段。因此單一的防除冰技術目前尚不能從根本上解決葉片覆冰問題，也難以滿足多樣化的應用需求，未來的風機防除冰系統需結合各種防除冰技術的特點，如“電加熱除冰+涂層防冰”、“電加熱除冰+機械除冰”、“機械除冰+涂層防冰”、“氣熱除冰+涂層防冰”等等，根據不同地區覆冰類型及特點，制定對環境無害且經濟高效的防除冰策略。
作者：
評論