作者：Patrick Le Fevre，首席营销和沟通官，PRBX

尽管太阳能得到了大量的关注，但风力涡轮机正在悄悄地迅速获得市场份额。在不到10年的时间里，风力涡轮机变得更加高效和强大，最新一代的风力发电机组几乎与埃菲尔铁塔一样高，能够提供13兆瓦的电力——足以为大约12000户家庭提供能源！为了从投资中获得最大收益，风电场运营商正在寻找每年风电比率最高的最佳地点。北纬和高海拔提供了这种混合。
 
寒冷气候条件下的风力涡轮机挑战
利用冷空气中较高空气密度的好处，以及与反对安装风力涡轮机的人冲突较少的地方，风电场运营商正在迅速扩大其在北部地区的产能。
瑞典Svevind公司的Markbygden 1101项目就是一个很好的例子，该项目于2012年10月启动，将包括1000多台风力涡轮机。位于瑞典北部 ，该项目将包括300米（984英尺）的风力涡轮机。建成后，风电场每年将产生12 TWh的发电量（图1）。
 

图1：瑞典北部Markbygden 1101风电场部署了1100多台风力涡轮机（图片：PRBX/Sveind AB Markbygden 1101提供）
 
虽然为了实现最佳性能，位置可能“完美”，但在冬季条件下操作也是非常具有挑战性的。无论你在地球上的任何地方，靠近北极圈意味着暴露在冰冻的雾中，冰雪形成，这是希腊神风神与挪威女神斯卡迪相遇的地方，通常与冬天有关。
一些能源分析师正在考虑，北方和高海拔地区的风电场运营商可能会因为冰冻天气而损失35%的收入。我们习惯于在阳光明媚的地方看到风力涡轮机，当然很少有人意识到在寒冷条件下运行时结冰带来的挑战。中国湖南风电场面临的2020-2021年寒冬事件，几天来完全结冰，无法提供能源，引起媒体关注，暴露了寒冷天气条件下风力涡轮机的致命弱点（图2）。
 
结冰过程
根据概念和原理，风力涡轮机暴露在恶劣的大气条件下，特别是在北方地区的冬季。一般来说，影响风力涡轮机发展的不同类型的大气结冰有云结冰（雾凇冰或釉面）和降水结冰（冻雨或细雨、湿雪）。在设计新设备时，尤其是像埃菲尔铁塔那样高的设备时，了解冰的形成对风力涡轮机制造商来说非常重要。


图2：冻结的风力涡轮机叶片（图片：PRBX/Nergica提供）
 
雾凇冰：
雾凇冰是由过冷的液态水滴形成的，这些水滴被风吹散在云雾中。当水滴撞击到表面时，它们立即冻结。如果液滴很小，就会形成软质雾气，但是如果液滴较大，就会形成硬质雾气。雾凇冰的生长是不对称的，仅位于结构的迎风面，它可以发生在温度低至-20摄氏度。
釉面冰：
琉璃冰是由冻雨形成的光滑、透明、均匀的冰层，对结构有很强的附着力。它通常发生在0到-6摄氏度之间，密度比雾凇冰高。
湿雪：
湿雪的一部分由融化的雪晶组成，雪晶的液态水含量很高。它的成分变得粘稠，能够附着在物体表面。湿雪堆积发生在0到+3摄氏度之间。
由于气候变化，极地涡旋正在发生中断，导致不稳定的北方寒潮遇到来自大西洋的低压。在这种情况下，在北方地区运营的风电场可能在几天内面临所有三种结冰情况，从而造成大规模毁灭性的冰雪混合堆积。
 
结冰影响
尽管风力涡轮机表面上很简单，但它是一种复杂的机械，每个单独的部件都支持为高性能设计的特定功能。与飞机一样，整体结构的空气动力学对于其抵抗结冰的能力至关重要，否则会降低性能。例如，当叶片表面结冰时，冰的质量和形状会发生变化，从而在转子上产生不平衡力，并引起振动和振荡，从而影响性能，并可能造成损坏。
风力涡轮机上的结冰不仅是一个结构问题，还会影响风力测量和天气探测，导致数据丢失和测量不确定性增加。鉴于这些数据的重要性，这是一个主要问题，因为需要确定为保护装置和周围环境而需要采取的任何措施。风电场运营商对其装置进行永久性监控，风力涡轮机配备了许多系统，这些系统不仅可以优化性能，还可以防止损坏，在风速计和其他传感器冻结的情况下，这是非常具有挑战性的。
考虑到结冰是一个自然过程，风电场运营商如何防止结冰，当不可能做到这一点时，如何消除风力涡轮机的结冰？
 
防冰和除冰
已经研究了许多方法来监测天气状况，并使风电场运营商能够采取适当的措施，例如，在冰损坏叶片和转子之前停止运行，但最重要的是降低冰粘附在叶片上的风险。根据制造商所采用的结构和技术，不同的被动和主动除冰系统已在商业产品中开发和实施。
很难在这里介绍所有这些技术，但我们可以将最常见的技术总结为：
被动防冰：
由于其防冰性能，在叶片边缘添加一层防冰涂层可防止冰粘附在表面。在亲水表面上，在表面温度高于水的冻结温度的区域，水不会冻结。另一种被动的方法是使用黑色涂料来捕捉光辐射，让叶片预热，帮助融化冰层。黑色涂料也可与防冰涂料配合使用。
 

图3：风轮机叶片上的防冰加热元件，图示（图片：PRBX/Vestas Wind Systems A/S提供）
 
主动防冰：
加热元件：最常用的技术之一是将加热元件集成到叶片边缘。制造商已经开发出先进的技术，将碳加热元件与当地的结冰探测器相结合，并连接到风塔SCADA（图3）。通常在叶片制造过程中安装，一些制造商提供升级套件，以便在现有风力涡轮机上添加除冰系统。
热风叶片鼓风机：叶片内装有加热器和鼓风机。空气被推过放置在叶片中心的管道，产生热空气均匀循环并加热叶片结构。
排冰：研究了不同的技术来防止冰的形成，并在叶片上形成冰时将冰排出。其中大部分仍处于研究阶段，但值得一提的是：

• 除冰靴：与某些飞机一样，在叶片边缘放置一个气动系统。通过吹气和充气的循环，冰被破裂并排出。
• 超声波：该技术利用超声波的产生，诱导振动以避免结冰，或通过产生微裂纹来削弱结冰，从而促进除冰。
• 微波：最初为飞机使用而开发（例如，美国专利US 6207940 B1），这项技术基于回旋管产生的微波，引导到涂有碳纳米颗粒薄膜的辐射表面，吸收微波并产生热量。

空中除冰：在某些情况下，清除积冰的唯一方法是在结冰条件下开始前，向叶片喷洒除冰溶液。在风力涡轮机的情况下，不可能从地面喷洒，空中喷洒是唯一的方法。由于环境原因，不可能使用防冻剂，因此使用热水。多年来，这项技术一直被临时使用，直到2016年瑞典“Energiforsk”组织开展了一项广泛的项目之后，才确立了一种工作方式和最佳实践。所以今天，随着商用无人机的发展，许多公司都在使用它们来除冰（图4）。
 

图4：直升机将热水投射到结霜的叶片上进行空中除冰（图片：PRBX/Energiforsk提供）
 
结论
风力涡轮机越来越高，效率越来越高，功率越来越大。然而，当希腊神Aeolus遇到挪威女神Skadi时，即使是惊人的技术也会冻结在它的脚上。预测结冰情况，防止结冰的形成，当结冰有时不可避免地形成时，安全地清洁和清除结冰是工程师们进一步研究的一个有趣领域。我们应该考虑新的能源技术，如收集能源，这将有助于电力微型除冰电池。事实上，虽然我们已经做了很多事情，但我们还只是处于初级阶段，我们可以期待许多技术创新的到来。
www.prbx.com