為助力實現(xiàn)“碳達(dá)峰”與“碳中和”目標(biāo)，《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》提出，2030年風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)到12億千瓦以上。到2021年，累計風(fēng)電裝機(jī)超過17萬臺，容量超3.4億千瓦，同比增長19.2%，裝機(jī)容量穩(wěn)步上升。到2030年，南方電網(wǎng)基本建成新型電力系統(tǒng)，支撐新能源裝機(jī)再新增1億千瓦以上，推動可再生能源產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，新型電力系統(tǒng)取得實質(zhì)性成效，基本建成清潔低碳、安全高效的能源體系。
來源：風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)
作者： 牛唯（貴州電網(wǎng)電科院高壓中心三級拔尖技術(shù)專家 ）
近年來，極端天氣氣候事件呈現(xiàn)出頻發(fā)、廣發(fā)、強(qiáng)發(fā)和并發(fā)的趨勢。風(fēng)力發(fā)電機(jī)覆冰問題頻頻出現(xiàn)，1996-2002年間，芬蘭風(fēng)電場風(fēng)力發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)問題71%與葉片覆冰有關(guān)。根據(jù)美國聯(lián)邦能源管理委員會(FERC)和北美電力可靠性公司(NERC)聯(lián)合發(fā)布的報告，2021年2月，極端寒冷天氣和嚴(yán)重降雪導(dǎo)致得克薩斯州和美國中南部總共有1045臺發(fā)電機(jī)組（銘牌總?cè)萘繛?92818 MW）經(jīng)歷了總計4124次停機(jī)、甩負(fù)荷或無法啟動的故障，其中包括27%的風(fēng)電機(jī)組，75%是由凍結(jié)問題（44.2%）或燃料問題（31.4%）引起的。隨著極端天氣氣候的頻繁發(fā)生，加之風(fēng)力發(fā)電機(jī)組數(shù)量和裝機(jī)容量穩(wěn)步上升，極端天氣下風(fēng)力發(fā)電機(jī)覆冰極有可能引發(fā)大面積停電事故，將嚴(yán)重影響本質(zhì)安全型新型電力系統(tǒng)建設(shè)，因此有必要系統(tǒng)研究葉片覆冰形成機(jī)制和防除冰策略等內(nèi)容，對新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。
風(fēng)機(jī)葉片覆冰形成機(jī)制
葉片表面覆冰是水在特定環(huán)境下產(chǎn)生的物相變化，空氣中過冷卻水滴與風(fēng)機(jī)葉片碰撞形成覆冰，大氣層中的過冷卻水滴穩(wěn)定性很差，過冷卻水滴遇到凝結(jié)核會快速凝結(jié)成冰。風(fēng)機(jī)葉片表面覆冰是耦合相變復(fù)雜傳熱過程，由于葉片表面溫度低于冷水滴溫度，過冷卻水滴與葉片發(fā)生碰撞時，葉片表面會快速吸收水滴在凝固過程中釋放的熱量，過冷卻水滴在葉片表面迅速覆冰。因風(fēng)機(jī)葉片處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，空氣中過冷卻水滴將與葉片前緣迎風(fēng)面發(fā)生碰撞，過冷卻水滴內(nèi)部平衡被破壞，風(fēng)機(jī)葉片表面更易覆冰。
風(fēng)電場所處典型地形及其對風(fēng)機(jī)覆冰的影響
南方山區(qū)風(fēng)能資源豐富、地形條件復(fù)雜，風(fēng)電場地形具有山脈分布零散、相對高差較大、山體陡峭、水體分布廣泛等特點(diǎn)。風(fēng)力發(fā)電對微地形微氣候條件非常敏感，因缺乏充分的分類識別的地理信息和氣象資料，對風(fēng)電場微地形微氣候覆冰的認(rèn)識仍存在不足。
微地形微氣候受山脈走向、坡向和分水嶺等地形因素的影響，風(fēng)電場微地形微氣候覆冰的典型類型包括埡口、高山分水嶺、水汽凝結(jié)、地形抬升等。綿延的山脈形成埡口，埡口處氣流集中，兩側(cè)風(fēng)速增大，埡口兩側(cè)風(fēng)機(jī)易形成覆冰；位于高山分水嶺處的風(fēng)機(jī)，含有過冷卻水滴的氣團(tuán)在風(fēng)力作用下沿迎風(fēng)坡側(cè)上升而發(fā)生絕熱膨脹，因過冷卻水滴含量增加導(dǎo)致風(fēng)機(jī)覆冰量增加；當(dāng)風(fēng)機(jī)位于較大的江湖水體附近時，空氣中水汽增大，寒潮入侵時更易出現(xiàn)嚴(yán)重覆冰現(xiàn)象；丘陵地區(qū)突峰、盆地、臺地等地貌易形成沿坡上升的冷空氣，位于地形抬升處的風(fēng)電場則更易在低溫凝凍天氣形成嚴(yán)重覆冰。
2008年南方冰災(zāi)刷新了全國人民對南方凍雨嚴(yán)重程度的認(rèn)知，受不同地形條件、氣候環(huán)境的影響，風(fēng)機(jī)葉片會形成質(zhì)地不同、形狀各異的覆冰，相應(yīng)防除冰技術(shù)措施也存在差異，因此，典型微地形對風(fēng)機(jī)覆冰類型的影響是需要重點(diǎn)研究的課題。
覆冰對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的影響
葉片覆冰以后，葉片的空氣動力特性發(fā)生變化，對機(jī)組載荷的影響主要表現(xiàn)在發(fā)電量降低、葉片固有頻率降低、疲勞載荷增加和機(jī)械磨損增加，對風(fēng)電場的安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生不利影響。具體表現(xiàn)為：
1）發(fā)電量降低，覆冰重量、分布、不規(guī)則脫落等均會影響風(fēng)機(jī)輸出功率，葉片阻力沿軸向呈指數(shù)增長，葉尖升力也會因覆冰至少降低40%。輕微覆冰時葉片輸出功率下降5～15%，嚴(yán)重覆冰時葉片轉(zhuǎn)矩降為零，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組停機(jī)，均會降低發(fā)電量；2）葉片固有頻率降低，覆冰會影響葉片整體結(jié)構(gòu)，葉輪質(zhì)量分布不均，導(dǎo)致葉片固有頻率降低，更接近機(jī)組系統(tǒng)共振頻率而可能發(fā)生共振；3）疲勞載荷增加，葉片旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)形成的不平衡彎矩傳遞至塔底，導(dǎo)致塔底左右方向的載荷幅值比無覆冰狀態(tài)下大，相同壽命時間及循環(huán)次數(shù)下的等效疲勞載荷增加；4）機(jī)械磨損增加，低溫環(huán)境會影響潤滑油流動性，機(jī)械磨損進(jìn)而影響變速器壽命。
風(fēng)機(jī)葉片應(yīng)對低溫凝凍天氣的防除冰策略
風(fēng)機(jī)葉片除冰方法主要包括電加熱除冰、氣熱除冰、機(jī)械除冰、氣動帶除冰、噴灑化學(xué)藥品、涂層防冰等。
1）電加熱除冰，加熱元件置于葉片表面，將葉片表面溫度加熱到0°C以上，葉片表面出現(xiàn)水膜，通過離心力和葉片振動實現(xiàn)脫冰；
2）氣熱除冰，通過加熱葉片內(nèi)腔空氣，再將熱量傳導(dǎo)至葉片外表面實現(xiàn)除冰；
3）機(jī)械除冰，通過機(jī)械方法將冰擊碎，依靠葉片轉(zhuǎn)動和氣流實現(xiàn)脫冰；
4）氣動帶除冰，通過葉片前緣的膨脹管或膨脹帶膨脹震碎冰層實現(xiàn)除冰；
5）噴灑化學(xué)藥品，表面噴灑化學(xué)藥品降低冰點(diǎn)實現(xiàn)防除冰；
6）涂層防冰，在葉片表面涂覆防冰涂料降低冰與葉片表面的附著力實現(xiàn)防冰。
防冰有限，除冰很難，目前還未有成熟有效的風(fēng)機(jī)防除冰系統(tǒng)，單一的防除冰技術(shù)均存在一定的不足，電加熱和氣熱除冰產(chǎn)生的水膜可能在葉片后緣再次凍結(jié)，且氣熱除冰過程需耗費(fèi)大量自用電，且氣熱除冰在超過60 m的葉片中存在功率瓶頸；機(jī)械除冰效率低、工作強(qiáng)度大，還可能導(dǎo)致葉片損壞；氣動帶除冰會改變?nèi)~片表面氣動性能；噴灑化學(xué)藥品具有短暫時效性，但可能污染空氣和土壤；涂層防冰可作為輔助手段。因此單一的防除冰技術(shù)目前尚不能從根本上解決葉片覆冰問題，也難以滿足多樣化的應(yīng)用需求，未來的風(fēng)機(jī)防除冰系統(tǒng)需結(jié)合各種防除冰技術(shù)的特點(diǎn)，如“電加熱除冰+涂層防冰”、“電加熱除冰+機(jī)械除冰”、“機(jī)械除冰+涂層防冰”、“氣熱除冰+涂層防冰”等等，根據(jù)不同地區(qū)覆冰類型及特點(diǎn)，制定對環(huán)境無害且經(jīng)濟(jì)高效的防除冰策略。
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