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，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，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MOSFET，將四個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，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，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，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，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，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，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，即同時測量兩個相對方向上的傳播時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測得水平兩個方向上的風(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、時連斌 等。
