我國已經制定出可持續發展戰略，要實現節能環保、降耗，這是能源發展的主要趨勢。按照政府發布的戰略發展規劃，在2020年非化石能源占據一次性能源消費比例控制在15%左右。風力發電資源利用率較高，技術也較成熟，隨著技術發展成本也在下降，所以樁基容量大幅提高，但是風力發電對氣象條件的變化非常敏感，具有一定程度的不穩定性。冬春季節氣候濕潤的地區，風機葉片覆冰成為風電場無法正常運行發電的主要影響因素。葉片覆冰后，葉片氣動特性改變、機組動態荷載增加，會對風電場安全運行和效益產生負面影響。不同氣候環境、地形條件影響，風機葉片工作中會形成了質地不同、形狀各異的覆冰，不同區域的風機葉片覆冰過程和特征存在很大差異，相應的除冰技術措施也不同。

1 風電機組葉片覆冰機理及類型

1.1 風電機組葉片覆冰產生的基本氣象條件

按照覆冰區域展開分析，風電場氣象合理預測與運行狀況了解，葉片出現覆冰的問題應該具備如下條件：環境溫度低于0℃、葉片表面低于-5℃、空氣濕度在85%以上。雖然這幾個氣象條件范圍較窄，但通常風電場會處于大氣冷熱氣流交匯地區，受微地形微氣象的影響嚴重，所以部分風電場機組葉片覆冰現象較為普遍。

1.2 葉片表面結冰原理分析

1.2.1 葉片表面結冰機制

葉片表面出現結冰的現象，是水在特定環境之下產生的物相變化，只要是溫度不足0℃水就會發生結冰的現象，這是自然規律、是無法改變的。在規定條件之下，空氣過冷造成的水滴和風機葉片出現碰撞而導致凝結成冰，葉片表面的結冰形式中一般是過冷水滴成冰。下面重點分析過冷水滴在風機葉片表面結成冰的原因。

過冷水滴主要指在環境處于0℃以下時依然以液態存在的水滴。環境中的氣壓不同，水的汽、液、固的狀態也會有明顯的變化，標準大氣壓水的結冰溫度為0℃，環境氣壓增大結冰的溫度會逐步降低，所以在低于0℃的情況下也會存在液態水。大氣層中的過冷水滴穩定性很差，如果環境出現變化，過冷水滴會快速凝結而轉化為冰。風電機組葉片表面撞擊到存在過冷水滴的空氣時，水滴因撞擊會直接在葉片的前緣迎風面的位置上，過冷水滴的內部平衡被破壞，使得過冷水滴的結冰溫度變高，更易在風電機組葉片的表面結冰。風電機組葉片表面結冰的發生是耦合相變復雜傳熱的階段，因為葉片表面溫度要低于冷水滴的溫度，所以在過冷水滴撞擊葉片時，會快速的吸收水分而經過凝固之后釋放熱量，然后過冷水滴在葉片表面迅速成冰。

1.2.2 覆冰類型及分類

葉片表面結冰主要有雨凇、霧凇和混合凇三種類型：雨凇。如過冷水滴直徑相對較大，在和葉片出現碰撞后，水滴先散開成水膜后迅速凝結成冰凌。此類覆冰一般環境溫度在0～5℃時出現，空氣濕度較大的條件之下，葉片表面會出現透明的硬度較高的冰層。此類冰層密度較大，附著力強；霧凇。過冷水滴的直徑較小，在空氣中漂浮運動，撞擊葉片后快速形成冰凌，以干增長方式存在。一般在環境溫度低于-5℃時，空氣內水含量很少，晶體的形狀是不規則的，極易在不光滑的葉片表面形成冰面，其質地疏松、密度小、粘附力不足；混合凇。過冷水滴的直徑不同，空氣內漂浮運動，在與葉片接觸后快速成冰，有些為干增長、有些則為濕增長。冰內部以半透明的形式存在，密度中等，一般是出現在葉片迎水面，附著力較大。山區地帶中風速較高的條件下，從云中來的冰晶會有一些大小中等的地面霧存在，通常環境溫度在-10～-3℃之間時出現。

因此，葉片表面極易出現霧凇、混合淞的形式。此外，葉片的長期運行之下，表面會存在較多的污漬、前緣腐蝕、葉片粗糙度過大等問題，也會導致葉片出現覆冰的問題。

2 覆冰影響因素分析

風電機組葉片覆冰和風電場的自然環境、地形條件有著直接的關系，而覆冰類型和環境溫度、風速、葉輪掃風區過冷水滴直徑、空氣內液態水含量等存在直接的聯系。

2.1 影響葉片覆冰的氣象條件

環境溫度。給葉片覆冰影響最直接也最為明顯，覆冰一般發生在環境溫度為-1℃至-8℃之間，環境溫度太低過冷水滴會出現雪花的情況，不會發生覆冰。因此冬季環境較低的情況下北方地區覆冰發生率較低，而南方的云南、貴州、湖南等地區濕度高的情況下發生覆冰的問題比較嚴重；空氣濕度。其高低對于葉片覆冰的形成是有絕對性影響的，通常空氣相對濕度超過85%極易產生葉片覆冰，還易導致雨凇的出現。覆冰發生率最高的為湖南、湖北、江西等地，冬季與初春的時節陰雨綿綿，空氣濕度非常高，很多情況下甚至會達到90%以上，所以葉片的覆冰發生率較高，且主要是以雨凇的形式存在；風速。由于風可以直接進行過冷水滴的輸送，所以也會給葉片覆冰產生直接影響。風速較小情況下有效地促進霧凇形成，風速較大會產生粒狀霧凇的形式。一般風速越大葉片覆冰形成的速度也會更快。

過冷卻水滴直徑大小。水滴直徑比較大的情況下，與葉片接觸之下會產生結冰反應，潛熱釋放速度很慢，相反潛熱釋放速度過快結冰也會更快，因此覆冰形成的特征相差很大。葉片雨凇覆冰過程中過冷水滴直徑較大，約在10～40μm之間，多為是毛毛雨天氣。霧凇覆冰時過冷水滴直徑在1～20μm之間，而混合凇水滴直徑在5～35μm之間，多為濃霧天氣；凝結高度。其為大氣環境中的過冷水滴形成冰晶或雪花狀態的海拔高度，會根據不同地面氣溫與露點溫度而出現一定的變化。凝結高度主要是地面作為起始點為基準的空氣水滴經過碰撞后所產生凍結的高度，其數值大小對于高海拔地帶內的風電機組葉片覆冰會存在直接的影響。當風電機組所處葉輪掃風區域高度超過凝結高度時，此區域機組多為嚴重覆冰工況。

2.2 影響葉片覆冰的地形及地理環境

風電機組葉片覆冰受本地地形條件、氣象條件和風電機組的運行狀態影響。覆冰與山區地帶的走向、坡向、分水嶺等方面存在直接的影響，山區風電機組的葉片覆冰在地形條件下影響最大。從目前研究結論分析，覆冰嚴重性與地形條件有著直接的影響，絕對海拔高度并不會對覆冰產生直接影響，但周邊環境內的地形與測量點和周邊相對高度也會給覆冰造成影響。風況相對好的條件下突出的地形條件，如山頂、埡口、迎風坡等，還有空氣水份較高的江河、山頂等位置上容易出現液冰的區域，其覆冰也會更加嚴重。

2.3 葉片覆冰對機組功率輸出的影響

葉片結冰在迎風面的發生率比較高，且葉尖覆冰主要沉積在葉根位置，覆冰累積與不規則脫落也會造成機組輸出功率的影響。在葉片表面發生微覆冰問題會導致其表面粗糙度較高而出現葉片氣動性能很低，機組運行功率也很低；葉片覆冰嚴重會導致葉片轉矩為零，不會有任何輸出功率，自然覆冰也會造成振動嚴重而產生停機的問題。

葉片覆冰會直接影響系統的輸出功率，受到覆冰重量、覆冰后翼分布、葉片設計與風機控制。以VestasV80-1.8MW風機進行仿真分析，在雨凇條件下葉片覆冰可達709kg，占葉片重量的11%(葉片總重量6500kg)；在霧凇條件下葉片覆冰可達434kg，占葉片重量的6.7%。研究分析發現，下面兩種情況產生的覆冰問題會給葉片阻力帶來影響：葉片的阻力沿葉片軸向以指數次增長，雨凇時葉尖阻力增加了365%，霧凇時增加了250%，而在兩種條件下葉尖的升力均減小了40%。

綜上，葉片覆冰結合不同的冰災嚴重性，風機輸出功率會產生很大的變化，比較輕的覆冰會讓葉片功率有一部分損失，而覆冰嚴重會導致其輸出功率為零，也就會停止運行。

葉片覆冰對于機組產生的危害有靜態與動態載荷的不平衡、機組振動過于劇烈、葉片頻率發生變化、增加疲勞載荷、增加葉片彎矩、造成人身危害等。

3 風電機組葉片覆冰檢測及葉片防冰除冰系統

當前科學技術發展認知局限性存在，不能從根本上消除覆冰問題，只能在覆冰出現后立即采取必要措施除覆冰，能夠有效的減輕經濟損失。

3.1 覆冰測量方式及必要性

覆冰測量可分為直接法、間接法和數學模型法三類。直接法利用覆冰所致重量、反射特性變化測量；間接法根據覆冰相關因素如風速、濕度和溫度及覆冰條件下風機發電功率變化估算覆冰。覆冰檢測工作開展可通過采取措施主動進行防凍除冰系統達到要求，但也容易產生負面作用。葉片輕微覆冰條件下會導致葉片輸出功率下降5～15%，如果覆冰檢測器無法準確檢測出覆冰的情況，一般會在覆冰出現的幾個小時內會通過視頻等方式進行覆冰檢測，在該過程中不僅風力發電效率降低，葉片加熱系統也會導致能耗過大，通過加熱進行覆冰溶解。

3.2 基于葉片振動檢測葉片覆冰傳感器

精確的覆冰檢測必須直接測得葉片上的覆冰量。葉片在寒冷空氣中運轉，葉尖速度達到了250km/h，葉尖的結冰條件跟裝在機艙頂部上的傳感器監測到的結冰條件相比相差巨大。建議機組采用葉片振動檢測葉片覆冰傳感器，其設計基于簡單的物理原則：結冰量增加會引起葉片自然振動頻率發生變化，隨著固體重量增加固有頻率會降低。基于高靈敏度的傳感器系統和特殊算法可實現冰層厚度毫米范圍內的測量分辨率，在風機運行情況下或待機情況下都能執行測量，意味看風機在啟機前每時每刻都在進行檢測，確保葉片上的覆冰量在運行條件的符合范圍內。

3.3 葉片防冰除冰系統

風機防凍除冰主要包含防冰、除冰兩個種類，前者是采取措施避免冰雪粘附到葉片表面，后者是直接進行覆冰去除。這兩種方式也可以理解為被動、主動兩種，前者是利用物理原理避免出現結冰問題，后者是通過外部系統加熱的方式以消除覆冰。

3.3.1 防凍除冰系統的效益和成本

目前還沒有技術相對成熟的商業化風機融冰系統，不管是主動還是被動的方式融冰系統都不能從根本上避免葉片覆冰問題的發生，有些融冰系統僅能在葉片覆冰后依然能夠保證功率輸出正常，防止產生停機的問題，避免給葉片產生嚴重的振動影響，也會保護人們的生命安全。如果通過加熱方式進行風機功率降低，可提高維護效果。氣候環境溫度較低的情況下，融冰系統耗電量僅為總發電量的3～8%，防冰系統耗電量為總發電量的3%以內。假設風機葉片防冰系統成本占據總投資的5%左右，防冰系統成本占比會伴隨著葉片尺寸增大而降低。

防冰系統應該連續加熱處理，確保其時刻保持在0℃以上，而除冰系統可有效地清理掉覆冰，兩種方式都會導致電能損耗。覆冰檢測可減少融冰電量損失，為了能夠減少能耗，可分為多個加熱區域，所以確保葉尖部位的30%長度無覆冰就能夠達到風機的90%氣動性能，如果在葉尖分配設置防凍融冰系統能夠減少能耗。

3.3.2 葉片氣熱除冰方案介紹

葉片氣熱除冰方案基本原理是通過加熱葉片內的空氣并在葉片內部循環，再將熱量傳到葉片外表面，從而達到除冰的目的。加熱時葉片腔內有氣流會出現在葉尖部位，氣流也會從葉尖經過和腹板形成的風道而組合成為氣體循環路線，腔內空氣循環加熱可避免結冰問題的出現，保證葉片后緣與葉根部分進行加熱處理，防、除冰效果很好，可顯著提高熱量傳導效率，降低加熱功耗。葉片外表面溫度升高就能在覆冰層與葉片出現了水膜的情況，就是通過葉片旋離心力實現除冰。

除冰時熱風輸出溫度為60～80℃，葉片表面溫度可控制在10～0℃，由于葉片形式不會變化，設置的除冰系統會給空氣動力性能與防雷性能沒有任何影響，加熱除冰可應用到氣候溫和、覆冰發生在0℃左右環境中，因為除冰要保證葉片溫度合理，所以能耗消耗僅為防冰的50%。

4 結語

綜合分析目前國內外風電機組葉片除冰技術可靠及適用性，對風電機組葉片覆冰檢測方法及除冰技術方案有以下建議：使用葉片安裝振動傳感器并對其振動數據分析評估覆冰狀況在國外有批量應用案例，經實踐檢驗是可靠有效的一種檢測手段。使用高靈敏度的傳感器系統和特殊算法，可實現冰層厚度毫米范圍內的測量分辨率；通過分析覆冰期風電場運行數據，使用基于功率曲線對比的覆冰檢測通常為各大整機商所使用，目前也是最為常用的覆冰告警停機方式。

在葉片內部安裝熱風加熱系統除冰已有20多年的運行經驗，是目前較為可行的風電葉片除冰防冰技術方案。該方案簡單可靠，除冰效率高，但葉片加熱除冰的過程需要耗費大量自用電。提高熱風加熱系統的除冰效率、降低除冰能耗有3種方式：機組葉片覆冰停機后進行加熱除冰，不采用維持葉片本體高溫的方式進行防冰；使用高精度覆冰檢測系統，由此控制除冰加熱系統精準啟停；在葉片前緣使用超疏水涂層，預防融冰回重復凝結。需要注意的是，熱風加熱除冰系統在超過60米以上葉片進行除冰存在功率瓶頸。、