在風力發電蓬勃發展的今天，中國風電發展取得長足的進步。我國自主研發的機組從中國的西北走向華北、從東北走向中南部區域、從戈壁草原走向高原山脊、從大陸慢慢漂浮發展到海上。中國領土南北延伸約50緯度，加之青藏高原、西北戈壁和東南沿海等地理特點造成了中國氣候多種多樣^[1]。風電機組的設計對地域適宜性顯得更加重要，因此，風電機組開發出普通型、高原型、低溫型、防鹽霧和低風速型等適應不同生存條件的風電機組。我國逐步在中南部區域開發建設風電場時，又遇到冬季的雨雪冰凍災害對風電機組的影響^[2]。南方發生雨雪冰凍呈現一定的特點，通過對冰凍規律的研究有利于風電場投資測算和風電場運營管理。

集團從開發建設中南部風電場以來，對風電機組覆冰導致發電量損失的統計有三個年度。主要發生在河南、湖北、湖南、廣西和云南風電場。表1為近三年集團風電機組覆冰損失發電量。

表1近三年集團風電機組損失發電量（萬kWh）

2021-2022年因機組葉片覆冰的發電量損失大約是往年的2.2倍。主要有兩個原因：

（1）從氣候環境看，該年度發生覆冰項目主要在中南部區域，中南多地均遭受到了多年不遇的寒潮天氣，部分項目發生了因覆冰強度較大導致集電線路倒塔和測風塔倒塔事件發生。

（2）從風資源條件看，湖北和湖南項目今年發生機組葉片覆冰時平均風速約為10.2m/s,比歷年覆冰時平均風速8.1m/s高出約2m/s。

集團在中國三大區域均有不同裝機容量，在覆冰環境上統計上，北方區域（包括山西、河北、內蒙、山東和東北三省）、中部區域（河南、安徽、山東和湖北）與南方區域（湖南、廣西和云南）均有覆冰情況發生，圖1為三年集團在不同區域的覆冰項目的數量。

圖1集團不同區域發生機組覆冰項目數量

2020-2021年北方區域發生覆冰的項目較多，根據當年氣候條件有以下說明：

（1）2020-2021年主要因為遼寧省2020年秋季降水量比往年增加40%，導致整體氣候濕潤。深秋降溫后遼寧項目首先發生葉片覆冰停機，停機時間較短，后續未再發生葉片覆冰停機情況。

（2）北方區域發生葉片覆冰停機發生最早，覆冰時間短。

根據行業經驗，影響風電機組葉片覆冰的環境因素有：溫度、濕度、風速、水滴直徑、空氣液態水含量和縣（區）內相對高度。

風機覆冰會在氣溫低于閾值，濕度近于飽和（有液態水析出），風速達到一定速度以上（有一定的液態水汽輸送）等條件下發生。

3.1 覆冰與溫度濕度關系

經過對集團覆冰項目覆冰停機時/起機時的溫/濕度和風速進行了統計,溫度過高或者過低均不易發生覆冰，較大相對濕度條件下有利于凝結冰凍發生。圖2為集團覆冰項目覆冰停機和起機溫度、濕度分布圖。

圖2集團覆冰項目覆冰停機和起機溫度、濕度分布圖

集團覆冰項目停機溫度主要發生在-5~2℃，恢復起機溫度主要發生1~5℃；停機時相對濕度為80~90%以上，并且存在微降雨或大霧狀態。

3.2 覆冰時風速情況

一般情況下，寒潮來臨伴隨較好風速，并且主要為東北風和西北風方向。

經過對集團近三年中南部風電場風機覆冰停機時的風速統計，風速在5~10m/s，尤其6~8m/s居多。因為風速較小時，空氣中送到葉片內表面的液態水達不到凝冰的條件，不易發生凝冰。

例如：2022年，湖南某項目發生一次葉片覆冰時，同時風機塔筒也發生了凝冰和覆冰情況。當氣溫上升塔筒開始融冰時，發生了塔筒融冰造成設備損壞的情況，塔筒覆冰面均處于主風向，平均風速8.6m/s，風向為北風。

按照集團裝機區域及覆冰情況分為三個大區：

北方區域：包括山西、河北、內蒙、山東和東北三省

中部區域：河南、安徽、山東和湖北

南方區域：湖南、廣西和云南

分別以三個區域代表地形地貌、氣候和植被進行分析，各地理環境有較大的地理特征，詳見表2，各大區域典型覆冰項目的地理特征。

表2 各大區域典型覆冰項目的地理特征表^[1,5]

集團發生機組覆冰損失較多項目的分布在湖北、湖南和廣西中南部區域各項目。湖北和河南區域年平均氣溫14~16℃，冬季最低極端氣溫-10~-5℃，年平均降水量800~1000mm，且植被覆蓋程度高；湖南和廣西年平均氣溫約18.5℃，冬季極端氣溫在-5℃，年平均降水量1500~1800mm，且植被覆蓋程度較高。中南部區域在冬季時相對濕度較大，當溫度在0℃附近時容易發生葉片覆冰情況。

從集團近年每輪覆冰項目分析，入冬前氣溫降低首先影響東北區域，降溫較快，；入冬后冰凍主要影響中南部區域，隨著進入深冬，影響的范圍逐漸向東、向南擴張。主要有以下原因特點：

（1）入冬前氣溫降低首先影響東北區域，出現雨雪天氣后容易出現冰凍，后續氣溫干燥后發生覆冰概率較低。

（2）當每年進入冬天，西伯利亞寒流從我國西北部進入，經過內蒙古自治區直達華中地區，對集團風電場影響首當其沖的就是河南和湖北區域的風電場。

（3）冬季轉春時節，大陸區域依然還有較強冷空氣，但并不能形成較大范圍的降溫天氣。隨著春季海洋暖流逐漸向大陸擴張，較強冷空氣與太平洋暖流在我國東部交匯時容易造成東部區域暴雪天氣，對于江淮流域、江漢流域造成較大范圍的強對流天氣，大部分區域降溫，局部暴雨、雷電伴隨大風天氣。

當遇到范圍較大的覆冰時，各項目覆冰存在一定的規律性，圖3為2020年某次覆冰的時間趨勢。

圖3 2020年某次覆冰各項目覆冰時間趨勢

從上圖分析，本次最先出現覆冰/冰凍項目為吉林某風電場，隨著冷空氣的南下，中部和南部風電場陸續發生機組覆冰停機情況。

6.1 結論

（1）集團風電機組覆冰主要發生在中部和南部區域，區域特點是：降水豐富，年平均降水量大于800mm，山區植被覆蓋程度較高，植物多為落葉闊葉林。

（2）場區環境氣溫降低到2℃以下，相對濕度80%以上時，風機會產生覆冰，且覆冰持續時間與該氣溫條件持續時間基本一致。

（3）一般冬季冷空氣南下期間，處于氣溫0度線附近區域，易產生設備覆冰的天氣條件，覆冰區域可根據天氣預報提前準備應對措施。

6.2 建議

（1）對于年平均降水量＞800mm，植被豐富，冬季氣溫＜2℃且相對濕度＞80%天氣頻發的區域，項目開發建設時，風機、電氣設備和集電線路等設計采購時應考慮防覆冰要求。

（2）對以上區域項目進行經濟性評價時，需要考慮當地環境造成項目機組覆冰停機和冰凍災害造成的發電量損失。

參考文獻

[1]丁一匯.中國自然地理系列專著:中國氣候[M].北京:科學出版社,2013.

[2]陳彩鳳,楊杰,成斌等.覆冰條件下旋轉風力機葉片應力與模態分析[J].玻璃鋼/復合材料，2018(7)：26-30.

[3]呂慶,寧立偉,魏克湘等.風力機葉片氣熱除冰系統研究[J].玻璃鋼/復合材料，2017（09）:63-66.

[4]蔣立波.冰凍對風力機氣動性能的影響及應對研究[D].長沙理工大學,2016.

[5]許世遠.中國自然地理系列專著:中國地貌[M].北京:科學出版社,2016.

作者：協合新能源集團有限公司 張瑩博 姚志偉 李懷卿 馬海鵬 梁會森 劉瑞卿