中国能源资讯网我国已经制定出可持续发展战略，要实现节能环保、降耗，这是能源发展的主要趋势。按照政府发布的战略发展规划，在2020年非化石能源占据一次性能源消费比例控制在15%左右。风力发电资源利用率较高，技术也较成熟，随着技术发展成本也在下降，所以桩基容量大幅提高，但是风力发电对气象条件的变化非常敏感，具有一定程度的不稳定性。冬春季节气候湿润的地区，风机叶片覆冰成为风电场无法正常运行发电的主要影响因素。叶片覆冰后，叶片气动特性改变、机组动态荷载增加，会对风电场安全运行和效益产生负面影响。不同气候环境、地形条件影响，风机叶片工作中会形成了质地不同、形状各异的覆冰，不同区域的风机叶片覆冰过程和特征存在很大差异，相应的除冰技术措施也不同。
1 风电机组叶片覆冰机理及类型
1.1 风电机组叶片覆冰产生的基本气象条件
按照覆冰区域展开分析，风电场气象合理预测与运行状况了解，叶片出现覆冰的问题应该具备如下条件：环境温度低于0℃、叶片表面低于-5℃、空气湿度在85%以上。虽然这几个气象条件范围较窄，但通常风电场会处于大气冷热气流交汇地区，受微地形微气象的影响严重，所以部分风电场机组叶片覆冰现象较为普遍。
1.2 叶片表面结冰原理分析
1.2.1 叶片表面结冰机制
叶片表面出现结冰的现象，是水在特定环境之下产生的物相变化，只要是温度不足0℃水就会发生结冰的现象，这是自然规律、是无法改变的。在规定条件之下，空气过冷造成的水滴和风机叶片出现碰撞而导致凝结成冰，叶片表面的结冰形式中一般是过冷水滴成冰。下面重点分析过冷水滴在风机叶片表面结成冰的原因。
过冷水滴主要指在环境处于0℃以下时依然以液态存在的水滴。环境中的气压不同，水的汽、液、固的状态也会有明显的变化，标准大气压水的结冰温度为0℃，环境气压增大结冰的温度会逐步降低，所以在低于0℃的情况下也会存在液态水。大气层中的过冷水滴稳定性很差，如果环境出现变化，过冷水滴会快速凝结而转化为冰。风电机组叶片表面撞击到存在过冷水滴的空气时，水滴因撞击会直接在叶片的前缘迎风面的位置上，过冷水滴的内部平衡被破坏，使得过冷水滴的结冰温度变高，更易在风电机组叶片的表面结冰。风电机组叶片表面结冰的发生是耦合相变复杂传热的阶段，因为叶片表面温度要低于冷水滴的温度，所以在过冷水滴撞击叶片时，会快速的吸收水分而经过凝固之后释放热量，然后过冷水滴在叶片表面迅速成冰。
1.2.2 覆冰类型及分类
叶片表面结冰主要有雨凇、雾凇和混合凇三种类型：雨凇。如过冷水滴直径相对较大，在和叶片出现碰撞后，水滴先散开成水膜后迅速凝结成冰凌。此类覆冰一般环境温度在0～5℃时出现，空气湿度较大的条件之下，叶片表面会出现透明的硬度较高的冰层。此类冰层密度较大，附着力强；雾凇。过冷水滴的直径较小，在空气中漂浮运动，撞击叶片后快速形成冰凌，以干增长方式存在。一般在环境温度低于-5℃时，空气内水含量很少，晶体的形状是不规则的，极易在不光滑的叶片表面形成冰面，其质地疏松、密度小、粘附力不足；混合凇。过冷水滴的直径不同，空气内漂浮运动，在与叶片接触后快速成冰，有些为干增长、有些则为湿增长。冰内部以半透明的形式存在，密度中等，一般是出现在叶片迎水面，附着力较大。山区地带中风速较高的条件下，从云中来的冰晶会有一些大小中等的地面雾存在，通常环境温度在-10～-3℃之间时出现。
因此，叶片表面极易出现雾凇、混合淞的形式。此外，叶片的长期运行之下，表面会存在较多的污渍、前缘腐蚀、叶片粗糙度过大等问题，也会导致叶片出现覆冰的问题。
2 覆冰影响因素分析
风电机组叶片覆冰和风电场的自然环境、地形条件有着直接的关系，而覆冰类型和环境温度、风速、叶轮扫风区过冷水滴直径、空气内液态水含量等存在直接的联系。
2.1 影响叶片覆冰的气象条件
环境温度。给叶片覆冰影响最直接也最为明显，覆冰一般发生在环境温度为-1℃至-8℃之间，环境温度太低过冷水滴会出现雪花的情况，不会发生覆冰。因此冬季环境较低的情况下北方地区覆冰发生率较低，而南方的云南、贵州、湖南等地区湿度高的情况下发生覆冰的问题比较严重；空气湿度。其高低对于叶片覆冰的形成是有绝对性影响的，通常空气相对湿度超过85%极易产生叶片覆冰，还易导致雨凇的出现。覆冰发生率最高的为湖南、湖北、江西等地，冬季与初春的时节阴雨绵绵，空气湿度非常高，很多情况下甚至会达到90%以上，所以叶片的覆冰发生率较高，且主要是以雨凇的形式存在；风速。由于风可以直接进行过冷水滴的输送，所以也会给叶片覆冰产生直接影响。风速较小情况下有效地促进雾凇形成，风速较大会产生粒状雾凇的形式。一般风速越大叶片覆冰形成的速度也会更快。
过冷却水滴直径大小。水滴直径比较大的情况下，与叶片接触之下会产生结冰反应，潜热释放速度很慢，相反潜热释放速度过快结冰也会更快，因此覆冰形成的特征相差很大。叶片雨凇覆冰过程中过冷水滴直径较大，约在10～40μm之间，多为是毛毛雨天气。雾凇覆冰时过冷水滴直径在1～20μm之间，而混合凇水滴直径在5～35μm之间，多为浓雾天气；凝结高度。其为大气环境中的过冷水滴形成冰晶或雪花状态的海拔高度，会根据不同地面气温与露点温度而出现一定的变化。凝结高度主要是地面作为起始点为基准的空气水滴经过碰撞后所产生冻结的高度，其数值大小对于高海拔地带内的风电机组叶片覆冰会存在直接的影响。当风电机组所处叶轮扫风区域高度超过凝结高度时，此区域机组多为严重覆冰工况。
2.2 影响叶片覆冰的地形及地理环境
风电机组叶片覆冰受本地地形条件、气象条件和风电机组的运行状态影响。覆冰与山区地带的走向、坡向、分水岭等方面存在直接的影响，山区风电机组的叶片覆冰在地形条件下影响最大。从目前研究结论分析，覆冰严重性与地形条件有着直接的影响，绝对海拔高度并不会对覆冰产生直接影响，但周边环境内的地形与测量点和周边相对高度也会给覆冰造成影响。风况相对好的条件下突出的地形条件，如山顶、垭口、迎风坡等，还有空气水份较高的江河、山顶等位置上容易出现液冰的区域，其覆冰也会更加严重。
2.3 叶片覆冰对机组功率输出的影响
叶片结冰在迎风面的发生率比较高，且叶尖覆冰主要沉积在叶根位置，覆冰累积与不规则脱落也会造成机组输出功率的影响。在叶片表面发生微覆冰问题会导致其表面粗糙度较高而出现叶片气动性能很低，机组运行功率也很低；叶片覆冰严重会导致叶片转矩为零，不会有任何输出功率，自然覆冰也会造成振动严重而产生停机的问题。
叶片覆冰会直接影响系统的输出功率，受到覆冰重量、覆冰后翼分布、叶片设计与风机控制。以VestasV80-1.8MW风机进行仿真分析，在雨凇条件下叶片覆冰可达709kg，占叶片重量的11%(叶片总重量6500kg)；在雾凇条件下叶片覆冰可达434kg，占叶片重量的6.7%。研究分析发现，下面两种情况产生的覆冰问题会给叶片阻力带来影响：叶片的阻力沿叶片轴向以指数次增长，雨凇时叶尖阻力增加了365%，雾凇时增加了250%，而在两种条件下叶尖的升力均减小了40%。
综上，叶片覆冰结合不同的冰灾严重性，风机输出功率会产生很大的变化，比较轻的覆冰会让叶片功率有一部分损失，而覆冰严重会导致其输出功率为零，也就会停止运行。
叶片覆冰对于机组产生的危害有静态与动态载荷的不平衡、机组振动过于剧烈、叶片频率发生变化、增加疲劳载荷、增加叶片弯矩、造成人身危害等。
3 风电机组叶片覆冰检测及叶片防冰除冰系统
当前科学技术发展认知局限性存在，不能从根本上消除覆冰问题，只能在覆冰出现后立即采取必要措施除覆冰，能够有效的减轻经济损失。
3.1 覆冰测量方式及必要性
覆冰测量可分为直接法、间接法和数学模型法三类。直接法利用覆冰所致重量、反射特性变化测量；间接法根据覆冰相关因素如风速、湿度和温度及覆冰条件下风机发电功率变化估算覆冰。覆冰检测工作开展可通过采取措施主动进行防冻除冰系统达到要求，但也容易产生负面作用。叶片轻微覆冰条件下会导致叶片输出功率下降5～15%，如果覆冰检测器无法准确检测出覆冰的情况，一般会在覆冰出现的几个小时内会通过视频等方式进行覆冰检测，在该过程中不仅风力发电效率降低，叶片加热系统也会导致能耗过大，通过加热进行覆冰溶解。
3.2 基于叶片振动检测叶片覆冰传感器
精确的覆冰检测必须直接测得叶片上的覆冰量。叶片在寒冷空气中运转，叶尖速度达到了250km/h，叶尖的结冰条件跟装在机舱顶部上的传感器监测到的结冰条件相比相差巨大。建议机组采用叶片振动检测叶片覆冰传感器，其设计基于简单的物理原则：结冰量增加会引起叶片自然振动频率发生变化，随着固体重量增加固有频率会降低。基于高灵敏度的传感器系统和特殊算法可实现冰层厚度毫米范围内的测量分辨率，在风机运行情况下或待机情况下都能执行测量，意味看风机在启机前每时每刻都在进行检测，确保叶片上的覆冰量在运行条件的符合范围内。
3.3 叶片防冰除冰系统
风机防冻除冰主要包含防冰、除冰两个种类，前者是采取措施避免冰雪粘附到叶片表面，后者是直接进行覆冰去除。这两种方式也可以理解为被动、主动两种，前者是利用物理原理避免出现结冰问题，后者是通过外部系统加热的方式以消除覆冰。
3.3.1 防冻除冰系统的效益和成本
目前还没有技术相对成熟的商业化风机融冰系统，不管是主动还是被动的方式融冰系统都不能从根本上避免叶片覆冰问题的发生，有些融冰系统仅能在叶片覆冰后依然能够保证功率输出正常，防止产生停机的问题，避免给叶片产生严重的振动影响，也会保护人们的生命安全。如果通过加热方式进行风机功率降低，可提高维护效果。气候环境温度较低的情况下，融冰系统耗电量仅为总发电量的3～8%，防冰系统耗电量为总发电量的3%以内。假设风机叶片防冰系统成本占据总投资的5%左右，防冰系统成本占比会伴随着叶片尺寸增大而降低。
防冰系统应该连续加热处理，确保其时刻保持在0℃以上，而除冰系统可有效地清理掉覆冰，两种方式都会导致电能损耗。覆冰检测可减少融冰电量损失，为了能够减少能耗，可分为多个加热区域，所以确保叶尖部位的30%长度无覆冰就能够达到风机的90%气动性能，如果在叶尖分配设置防冻融冰系统能够减少能耗。
3.3.2 叶片气热除冰方案介绍
叶片气热除冰方案基本原理是通过加热叶片内的空气并在叶片内部循环，再将热量传到叶片外表面，从而达到除冰的目的。加热时叶片腔内有气流会出现在叶尖部位，气流也会从叶尖经过和腹板形成的风道而组合成为气体循环路线，腔内空气循环加热可避免结冰问题的出现，保证叶片后缘与叶根部分进行加热处理，防、除冰效果很好，可显著提高热量传导效率，降低加热功耗。叶片外表面温度升高就能在覆冰层与叶片出现了水膜的情况，就是通过叶片旋离心力实现除冰。
除冰时热风输出温度为60～80℃，叶片表面温度可控制在10～0℃，由于叶片形式不会变化，设置的除冰系统会给空气动力性能与防雷性能没有任何影响，加热除冰可应用到气候温和、覆冰发生在0℃左右环境中，因为除冰要保证叶片温度合理，所以能耗消耗仅为防冰的50%。
4 结语
综合分析目前国内外风电机组叶片除冰技术可靠及适用性，对风电机组叶片覆冰检测方法及除冰技术方案有以下建议：使用叶片安装振动传感器并对其振动数据分析评估覆冰状况在国外有批量应用案例，经实践检验是可靠有效的一种检测手段。使用高灵敏度的传感器系统和特殊算法，可实现冰层厚度毫米范围内的测量分辨率；通过分析覆冰期风电场运行数据，使用基于功率曲线对比的覆冰检测通常为各大整机商所使用，目前也是最为常用的覆冰告警停机方式。
在叶片内部安装热风加热系统除冰已有20多年的运行经验，是目前较为可行的风电叶片除冰防冰技术方案。该方案简单可靠，除冰效率高，但叶片加热除冰的过程需要耗费大量自用电。提高热风加热系统的除冰效率、降低除冰能耗有3种方式：机组叶片覆冰停机后进行加热除冰，不采用维持叶片本体高温的方式进行防冰；使用高精度覆冰检测系统，由此控制除冰加热系统精准启停；在叶片前缘使用超疏水涂层，预防融冰回重复凝结。需要注意的是，热风加热除冰系统在超过60米以上叶片进行除冰存在功率瓶颈。
