水电之家讯：低温环境给叶片乃至整个风机都带来了严峻的考验，单就叶片而言，低温环境所导致的叶片结冰问题、材料及结构性能改变的问题、载荷改变的问题等，都需要我们有更优秀的解决方案和更细致的设计考虑。本期译评主要针对可谓目前风电领域的一个全球范围的难题，即低温环境的叶片结冰问题进行讨论。
沿海及较容易安装的内陆地区，如三北地区已经陆续装满了风机，目前风机在南方地区和山区大量装机，海上风机也大多在研究和发展的阶段未得到较大批量化。另一方面，现有风机塔筒高度不断提升，因此即使在沿海地区，冬季里大量风机都会触碰到较低的云层。海上超大尺寸叶片将存在怎样的结冰问题，由于缺乏较好的测量方法和必要的信息，目前尚不清晰。
内陆地区特别是山区，大尺寸风机在运行和停机时都会受到结冰问题的影响。尽管早期考虑结冰问题的风机，试运行时安装了带特殊传感器和相应配套设施的加热除冰系统，积累了一定的经验。然而至今市场上也没有成熟且标准化的低温风机出现。本文概述和讨论了低温结冰问题及其解决方案，针对不同的低温环境对除冰系统的需求给出了相应的指导意见。
1低温环境对风机设计的影响
低温因素在很多方面影响风机的设计：冰和霜以及低温下空气密度的上升对风机气动有较显著的影响，进而影响风机的载荷和功率输出。低温会导致叶片附着较大质量的冰层，从而会改变风机叶片的频率，进而改变其动态响应行为。同时，控制系统也会受到影响。由于结冰改变了叶片的气动外形，从而导致了叶片失速可能比设计预期提前或延后。那么电动或液压变桨控制对应的配置也应随之改变。叶片结冰会导致风机的检测信号系统发生故障从而反馈错误信号。极限低温需要改变风机部分部件的材料，例如常用的钢材会变脆。
风机本身运行的安全性及其周围环境的安全性都会受到低温或结冰的影响。风机运行时抛出的冰层碎块或掉落的大冰块可能会伤害到风机附近的人或物。风机结构自身的完整性也会受到结冰叶片的不平衡或不对称的影响。由于结冰改变了风机部件频率可能引起共振，也会增大风机的疲劳载荷。空气密度的上升可能会增大载荷和最大功率输出。如果风机没能自动反应，电机或传动链可能会烧坏，齿轮箱可能过载或损坏。
一些风电项目的经济性也会受到低温环境的影响，特别是在潜在结冰较多的地区。在这些地区做风机项目规划，需要预测结冰发生的类型和周期，需要通过了解功率输出情况及由于结冰导致的停机时间来预测与风况相关的温度频谱分布。如有必要，可能存在目前IECI-IV类风况不能覆盖特定的低温风况，需要做特殊定义。特定低温工况的风机可能需要特定的设备，如需要在叶片、齿轮箱、电路板等部件考虑加热元器件，采用适用极低温度的钢材，采用自加热的风向标和风速仪或者特定的结冰传感器。甚至需要在策划阶段和经济性评估结算考虑低温下维护和维修的特定需求。低温环境下要维护人员要到达某个位置的风机会遇到较大困难，导致较高的交通成本。同时，如果道路长期结冰或积雪，会导致装机、运维无法正常进行从而影响发电。
加热的风速仪测量结果可能存在问题，而不加热的风速仪极限风速的测量结果可能偏低，尤其在高山地区结冰周期内。可以把不同地区的结冰情况分为无结冰、少结冰或频繁结冰三种类型。然而，这也仅仅迈出了对低温环境精确评估的第一步。
由于安全性问题，部分地区的法律法规可能一票否决一个风电项目的准入。
2如何探测低温结冰情况
如何对特定地区的低温环境因素进行定义呢？除了标准环境因素的测量，如气压、气温、湿度外，还需考虑云层高度及其水汽含量。但这些额外的因素通常不会在某个地区的气象记录中有记载，因此需要寻找其他的途径来了解该地区的结冰情况。
2.1 观测法来考察结冰情况
对计划装机地区的已经安装风机的功率曲线、附近的树木或高压线塔进行观察。比如观察风机附近的冰层碎块，如图1-2；或者关注一下结冰事件导致输电线路频繁损坏的记录；森林遭受冰灾或冻雨的记录等对了解结冰事件的程度和频度都有较大帮助。另外，当云层较低时，可能对大尺寸风机叶片导致云层冰的问题，也就是在叶尖触及云层的区域由于空气中的水蒸气被制冷后在叶片前缘累积形成冰层。
图1
图2
另一个方式是通过在风机上安装能储存几个小时照片的数字相机，然后通过风机网络下载照片获取可靠的结冰情况。
2.2 通过传感器探测结冰情况
通过观察的方法了解结冰情况是一个很耗费人工的方法，而且对夜间实现连续的观察难度也较大。结冰传感器似乎是一个较好的解决方案。可以通过直接的结冰传感器获取数据也可以通过其他装置间接的获取数据。对于直接通过传感器获取数据的方式，如图3所示，图中给出了人工观测和带加热、不带加热的风向标的测试结果。然而，带加热和不带加热的风向标测量结果都不准确甚至可能导致错误的判断。
图3
2.3 通过气动噪声探测结冰情况
如果结冰较少，可以通过叶片气动噪声的大小来判定结冰情况。如图4所示，在叶片前缘开始结冰后，叶片的气动噪声逐渐升高，且对应的声频也逐渐升高。
图4
受影响的气动外形会导致前缘产生湍流边界层，从而会产生音量和频率较高的噪音，这些噪音可以很清晰的听见。
通过一些物体的损伤来探查结冰情况，比如气动桅杆的断裂，输电线的断裂，虽然不能定量探测，至少也可以从这些方面知道严重结冰的情况。
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