叶片结冰对三桩基础海上风机自振特性的影响

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风机叶片覆冰机理与预测分析

风机叶片覆冰机理与预测分析摘要：叶片覆冰是降低风机整体结构性能与发电效率的最主要原因。

风机叶片表面覆冰后会改变气动性能，从而降低风力机的发电效率。

同时，覆冰会引起叶片载荷增大和质量分布不平衡，从而使结构本身的固有频率有所改变，可能会导致风机叶片在运行中产生共振响应。

因此，本文探讨了风机叶片覆冰机理与预测，以供参考。

关键词：风机叶片；覆冰机理引言我国地域辽阔，风能资源蕴藏丰富，风能资源好的地方主要集中在西北及沿海地区，南方地区电力需求量大，有利于风电就地消纳。

但是，由于南方地区风资源丰富地区都在高海拔的山区和湖泊附近，南方冬季气候低温高湿，经常遇到低温冻害天气，风力发电机叶片的覆冰对风力机组的安全稳定生产带来了重大影响，所以研究有关风力机组防覆冰技术是十分有意义的。

1风机叶片覆冰机理1.1覆冰机理冰是受到低温影响，由液体进行放热后固化的产物。

目前，对于风机叶片覆冰问题大都基于飞机高空飞行覆冰机理进行研究。

虽然两者覆冰机理相同，从微观来看都是结构捕获大量过冷水滴后在结构表面冻结的过程。

但是，风机叶片结冰与飞机结冰的气象条件和过程有较大差别。

飞机结冰环境条件是由水汽团冷凝和冰晶等大气悬浮物组成，覆冰过程的主要特点是过冷水滴与结构表面短时间的高速撞击。

而风机叶片结冰气候条件是由冷冻的细雨、湿雪或结冰雾、云和霜等水汽凝结物沉积形成，覆冰主要特点是过冷水滴与结构表面长时间慢速撞击的过程。

飞机结冰研究已经有大量成熟成果。

但是，在雨和霜条件下，风机叶片结冰机理及冰形预测研究较少，还未形成风机结冰设计标准。

风机叶片覆冰气象条件需要满足冻结水滴气温（0℃以下）和大气中含有三种状态水（水蒸气、液态水和固态）。

风机在高寒潮湿地区工作时，大气环境中的过冷水滴会随风飘过风机。

由于不同直径水滴具有不同质量和惯性力，撞击叶片时具有不同的运动轨迹。

这些决定了冰量、冰厚及冰密度等覆冰类型。

1.2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。

论“三高一低”风电场除冰系统的综合应用

论“三高一低”风电场除冰系统的综合应用陈　军　杜小东（四川省能投美姑新能源开发有限公司）摘　要：风力发电机组的运行环境十分恶劣，风轮叶片这一风电机组的关键部件在实际运行中会遭受各种环境的考验，其中叶片表面结冰问题是一个亟待解决的难点，尤其是“三高一低”（高海拔、高湿度、高风速、低温）环境下风机叶片的结冰问题尤为严重。

风轮叶片结冰后，叶片的气动外形发生改变，这会造成风机的发电功率降低。

结冰严重时，风机必须停机。

在实际应用中，单一的叶片除冰方式在面对“三高一低”气候环境时，防除冰效果差强人意，所以叶片除冰方式的综合应用显得尤为重要，本文以凉山州美姑县兴达风电场特定环境气候为背景，从投用碳布加热除冰方式后的效果进行分析，对比试验，从而得出应用效果最佳的防除冰方法。

关键词：叶片防除冰；碳布加热；三高一低；综合应用０　引言兴达风电场地处四川省凉山彝族自治州美姑县井叶特西乡和合姑洛乡境内，距离美姑县城约１８ｋｍ。

平均海拔在３２００～３９６０ｍ，属于高海拔山地风电场，总面积约１２５ｋｍ２，共计安装２０台单机容量２５００ｋＷ风力发电机，总装机５０ＭＷ。

风机采用水平轴、三叶片、上风向结构布局，变转速、变桨距角调节控制策略，直接驱动永磁同步发电机发电并网运行的风力发电机组。

目前该风场２５台风机都配备了碳布加热系统，但从实际运行的效果来看，达不到理想的除冰效果。

基于此，本文从目前投入的除冰系统的运行效果进行分析，结合在该地区做的不同颜色的叶片自然状态下结冰后的化冰速度实验，归纳总结一种比较高效的多种方式相结合的除冰方式。

１　风场的环境气候特征兴达风电场地处四川省凉山彝族自治州美姑县井叶特西乡和合姑洛乡境内，距离美姑县城约１８ｋｍ。

该风电场属于典型的亚热带季风高海拔气候，区域叶片每年结冰时间约２０天，结冰类型主要为雾凇。

风机叶片覆冰

风机叶片覆冰案例：2016年1月23日至2016年1月26日受湿冷天气影响，某风场部分风机覆冰停运。

该风场在一月份共计有3次覆冰，累计停运时间85.32小时，根据当时停机风速3.58m/s，计算得到损失电量约为39220kw·h。

一、叶片覆冰的影响叶片覆冰是在室外温度接近甚至低于0℃，并且空气湿度比较大的情况下（如大雾天气），造成的叶片周围被冰所覆盖的现象。

在冻雨或雨雪天气，并且遇到低温时，叶片极易产生覆冰。

叶片覆冰对风机所产生的影响呢如下：（1）影响叶片的气动性能，从而影响发电量。

风机叶片覆冰，则它的空气动力学轮廓就会变形，减小风能利用系数，从而影响风机的输出功率，使发电量大大减少。

（2）影响叶片寿命，增加维护成本。

另外，叶片表面的大量覆冰会引起风机的附加载荷与额外的振动，从而降低其使用寿命。

如果采用主动除冰的方法，自然会增加其维护成本。

若果采用被动除冰的方法，即在生产制造时就考到覆冰问题或增加除冰设备，会相应增加其运营和维护的成本。

（3）形成了安全隐患。

随着温度的回升，叶片上的覆冰在叶片旋转产生的机械力和自身重力的双重作用下，很容易被甩出去。

而这些落冰可能会损害建筑物和车辆，甚至会伤害到风场的工作人员或者普通公众，埋下了安全隐患。

也正是考虑到这点，所以在确认风机叶片覆冰后，需立即对风机手动停机。

二、除冰方案1、主动除冰可分为敲击等方式的直接除冰法。

最常用的是人工击碎覆冰，但是覆冰多发生在大雪封路时，维护人员不能及时就地处理。

另外，此方法也可能会对叶片造成某些损伤。

2、被动除冰（1）机械除冰利用振动、超声等方式的间接除冰法。

（2）热力除冰利用各种热能加热物件，使物件表面温度超过0℃，从而达到除冰的效果。

常见的方法有电阻丝加热除冰、表面间接加热除冰等。

（3）涂层除冰涂层除冰是通过减弱覆冰与涂层表面之间的粘结力来实现叶片除冰。

目前防冰涂料的类型有：丙烯酸类、聚四氟乙烯类、有机硅类。

三、技术指标（1）防覆冰效果显著。

风力发电叶片防冰技术的研究与发展

风力发电叶片防冰技术的研究与发展引言风力发电是一种清洁、可再生的能源发电方式，其在全球范围内得到了广泛的应用和发展。

然而，随着风电装机容量的不断增加，风力发电叶片结冰问题也日益显现。

冰雪覆盖在叶片上不仅会降低发电效率，还可能导致叶片损坏甚至停机。

因此，风力发电叶片防冰技术的研究与发展显得尤为重要。

1. 风力发电叶片结冰问题的影响在冷雨、雾气、雨夹雪等气候条件下，风力发电叶片很容易结冰。

当叶片结冰时，风力发电机组的发电效率会大大降低，甚至完全无法发电。

此外，冰雪覆盖在叶片上会增加叶片的负荷，提高叶片的表面摩擦，增加振动，严重时会导致叶片的损坏。

因此，风力发电叶片结冰问题不仅影响风力发电站的经济效益，还对风力发电设备的性能和寿命产生不良影响。

2. 风力发电叶片防冰技术的现状目前，有许多不同的风力发电叶片防冰技术被广泛应用。

这些技术包括被动防冰技术和主动防冰技术。

被动防冰技术主要通过改良叶片的表面形态来减少冰雪的附着和增强排冰效果。

常见的被动防冰技术包括采用特殊材料、表面涂层、纳米涂层、凹凸表面等。

这些技术的主要原理是通过降低冰雪附着的能力、提高冰雪脱落的能力，从而减少叶片的结冰问题。

主动防冰技术则通过向叶片表面供给热能或改变叶片表面温度的方法来减少或消除冰雪的积聚。

常见的主动防冰技术包括直接加热、间接加热、超声波加热、微波加热等。

这些技术的主要原理是通过提供足够的热量，使冰雪迅速熔化或产生脱落。

3. 风力发电叶片防冰技术存在的问题与挑战尽管风力发电叶片防冰技术取得了一定的成果，但仍然存在一些问题和挑战。

首先，部分防冰技术的成本较高，造成了风电站建设和运营成本的增加。

在一些寒冷的地区，特别是高纬度地区，需要大量投入用于防冰技术的研发和应用。

其次，现有的防冰技术并非完全可靠。

由于气象条件的多变性和不确定性，特别是在极端天气条件下，叶片上的冰雪可能会再次积聚，导致防冰技术失效。

此外，现有的防冰技术对环境的影响也需要进一步的研究和评估。

风电项目风机叶片覆冰分析研究

风电项目风机叶片覆冰分析研究1.甘肃疆能新能源有限责任公司，甘肃定西7443002. 2.上海发电设备成套设计研究院有限责任公司，上海 200240摘要：我国受季风性气候影响明显，冬季风力资源特别丰富，但风力机组叶片覆冰会对风机运行带来多种不利影响，包括功率损失、气动特性改变、降低疲劳寿命以及安全危害等。

目前，越来越多的防覆冰技术被开发和应用，但是极少有在市场上被广泛推广使用。

本文阐述了某风电项目叶片覆冰对风力机组性能的影响，从覆冰的物理现象出发，重点分析了各种叶片防覆冰技术的优缺点，最后提出了风力机组防覆冰建议及技术的研究方向。

关键词：叶片浮冰；风力机组；防冰技术1 前沿风力发电作为一种安全可靠的清洁能源在环境日益恶化和传统能源短缺的形势下，越来越受各国的关注。

我国具有广阔的草原和漫长的海岸线，具有巨大的风能资源。

但是，我国大部分风力机组分布在北部及东北部地区，这些地区气候寒冷，环境恶劣，风力机组在寒冷地区经常面临覆冰问題。

风力机组的覆冰对其安全运行具有严重影响，进行有关风力机组防覆冰技术的研究具有重要的意义。

本文主要针对某风电项目风机叶片覆冰情况分析及叶片覆冰问题的解决方案进行论述，可为国内各场站及其他风电企业提供参考。

2 风机叶片覆冰概述每年冬季、初春，我国境内（尤其是湖北、江西、湖南、贵州、广西等地区）西北方南下的干冷气流和东南方北上的暖湿气流相汇，当气温在-5～0℃之间，风速在1～15m/s 时，如果遇到潮湿空气、雨水、盐雾、冰雪，特别是遇到冷却水滴后，风电机组叶片、风速风向传感器表面就会发生冻冰现象，导致叶片载荷失均、机组降出力运行甚至保护停机，对设备运行、检修人员带来安全隐患，并直接影响风电场经济效益。

低温、高湿地区风电场风机叶片凝冰问题尤为严重，例如我国华东、中南和西南等地区，加拿大、芬兰、瑞典、丹麦、挪威等国家此问题也较为严重。

因此，风机叶片防凝冰正受到国内外学术界和工业界越来越多的关注，随着对凝冰物理过程研究的深入和各种实验、数值模拟数据的积累，叶片外型优化、主控优化、憎水性/疏水性涂层、电/气加热等降低覆冰影响或防覆冰技术已经逐步在部分试点风场应用。

叶片结冰对风电机组的影响

叶片结冰对风电机组的影响发布时间：2021-11-09T08:17:15.605Z 来源：《中国电业》（发电）》2021年第14期作者：王剑[导读] 山地风电由于地形地貌的关系，有明显的山地气候，小气候复杂多样，高海拔、湿度大、温度低等原因，更容易造成叶片结冰；叶片结冰会造成叶片过载、翼型变化，影响发电量和设备寿命。

环境气温在零度左右时的大雾及冻雨天气是造成风机叶片结冰的主要原因；当机组叶片结冰时，会导致风电机组发电量突然下滑。

叶片结冰后，由于叶片每个截面结冰厚度不一样，使得叶片原有的翼型改变，影响风电机组的载荷，造成机组效率降低。

国家电投集团山西新能源有限公司摘要：山地风电由于地形地貌的关系，有明显的山地气候，小气候复杂多样，高海拔、湿度大、温度低等原因，更容易造成叶片结冰；叶片结冰会造成叶片过载、翼型变化，影响发电量和设备寿命。

环境气温在零度左右时的大雾及冻雨天气是造成风机叶片结冰的主要原因；当机组叶片结冰时，会导致风电机组发电量突然下滑。

叶片结冰后，由于叶片每个截面结冰厚度不一样，使得叶片原有的翼型改变，影响风电机组的载荷，造成机组效率降低。

关键词：风电机组叶片结冰冰冻高海拔湿度大叶片过载桨叶气动性能断裂冻雾结冰、雾凇冰、釉结冰涂层防冰热能除冰山西省山地风电场区域地形为高山丘陵，属亚热带季风湿润气候，由于地形地貌的关系，具有明显的山地气候特征，局部小气候复杂多样，不同区域差异较大；所处环境温度低，海拔高，湿度大，很容易造成叶片结冰，每年的2、3月和11月尤其严重，叶片结冰概率较高。

而2、3月和11月又是每年的大风季节，风机发电量势必受到影响。

叶片结冰会引起风电机组叶片气动性能的变化：一是导致叶片过载、叶片载荷分布不均，造成风电机组出力下降；二是在叶片旋转过程中，当冰层黏着力下降时极易出现冰块脱落，容易伤害周边的人和物；三是叶片结冰严重时，翼型会提前进入失速区，导致桨叶气动性能恶化，造成导致叶片断裂。

风机叶片防冰、除冰方案探讨

风机叶片防冰、除冰方案探讨摘要：对于安装在湿度大、高寒地区的风机，其叶片、风速仪等部件容易结冰。

叶片结冰会对风机运行造成极大的危害，该文重点介绍叶片防冰、除冰的措施方案，比较分析各方案的优缺点。

关键词：叶片结冰防冰除冰风能是一种取之不尽、用之不歇的可再生能源。

近年来，风力发电得到世界各国的普遍关注和优先发展，然而丰富的风资源基本上分布高寒地区和湿度大的沿海地带，环境极其恶劣。

风力发电机在低温条件下，若遇到潮湿空气、雨水、冰霜、雪，特别是遇到过冷却水滴时，其部件就会发生冰冻现象。

叶片结冰对风场、机组运行及人员安全都会带来一定的影响[1-3]，降低发电效率，增加运行载荷与噪音，甚至危及风机及现场维护人员的安全。

因此，叶片防冰、除冰工作显得尤为重要1 叶片防冰、除冰方案国外风机厂商，如Enercon、Siemens、Vestas等针对叶片防冰、除冰做了很多研究工作。

尽管他们的研究成果尚未成熟、未商业化，但其极具参考意义。

机械除冰可分为人工除冰、膨胀管技术除冰两种。

人工除冰借助于操作平台，效率低下，且操作危险系数高，只在覆冰极严重的情况使用。

膨胀管技术除冰，原理如图1。

在最容易结冰的叶片前缘粘贴橡胶膨胀管，利用巨大的叶片离心载荷使其自动膨胀，膨胀后冰层自然脱落。

2 被动式除冰2.1 吸热涂料叶片外表面喷涂黑色涂料，使叶片呈现黑色。

黑色比其他颜色吸热效果好，可以增加叶片表面温度，实现除冰目的。

[4]2.2 疏水涂料防结冰油漆是目前应用范围最为广泛的叶片抗结冰材料，其工作原理是降低叶片表面能，提高疏水性。

优点是成本低，无需特殊的雷电防护，后期维护简单,易于推广。

2.3 化学药剂对于叶片结冰严重的现象，用化学药剂除冰也是可行的。

除冰速度快，效率高；但会污染叶片表面，需要经常维护。

3 主动式除冰3.1 电加热除冰可分为内部电加热和外部电加热两种方式。

内部电加热方案是在叶片内部贴上导电器件，如加热丝。

在叶片结冰时，通电提高叶片内部温度，利用热平衡原理将内部热量传导到叶片外部。

风力发电机组叶片防冻除冰技术进展探究

风力发电机组叶片防冻除冰技术进展探究摘要：风力发电是对当前能源结构的有效补充，其在整个电力供应中的占比在逐年增加，而风电机组受使用环境的影响，在寒冷地区其叶片容易出现结冰的情况，对机组的运行产生较大的影响。

针对这种情况，本文分析了风电机组叶片结冰的原因，提出了具体的预防措施以及除冰措施，对保证风电机组在寒冷地区的稳定运行有重要意义。

关键词：风电发电机组；叶片；防冻；除冰1风电机组覆冰分析1.1覆冰的危害风机叶片覆冰后，其翼型会出现不规则的变形情况，使得叶片表面的高度不均匀，表面的粗糙度增大，导致叶片旋转时的阻力增大，气动性下降，最终使得风机发电效率下降。

此外，叶片覆冰会增加相关零部件的工作负荷，由于覆冰的不均匀性，使得叶片上的质量不平衡，容易使叶片出现较大幅度的振动，进而损害叶片，影响风电机组发电的稳定性。

1.2覆冰原因风力发电机组在选址时通常需要选择风力资源较为丰富的地区，但这些地区在冬季温度较低并且空气中的湿度较大，受两种因素的影响，冬季很容易出现冰点较低并且浓度较大的溶液滴，其冰点低于水的冰点，这些液滴通常处于液态并且不会冻结，不过这些溶液滴的状态并不稳定，当风电机组的叶片处于湿度大并且容易结冰的环境中时，叶片表面就容易出现不同程度的覆冰情况。

1.3叶片覆冰类型不同的区域，其环境条件有所差异，使得空气中过冷却水滴的特性也不一致，导致覆冰的特性与形状并不相同。

在不同的区域环境以及气候环境中，覆冰的种类大致有以下三种：（1）按冰层不同的表面形状分，有雾凇、雨凇、混合淞以及湿雪四种；（2）按冰层的形成机理分，有凝华覆冰、云中覆冰以及降水覆冰三种；（3）按冰层在物体表面增长特性分，有湿增长和干增长两种。

1.4导致叶片覆冰的因素导致风电机组叶片覆冰的原因主要有两种，分别为环境因素与自身因素，其中环境因素影响最大。

环境因素包括风速、温度以及湿度等，环境参数的不同对叶片覆冰情况的影响也不同。

环境因素的影响具体有以下几点：当风机运行环境的温度低于零度时，如果温度继续下降，达到冻结温度时，风机的叶片就会出现覆冰的情况。

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现象
力发电机的叶片表面也就不可避免的会出现结冰的
１．１雨凇
雨凇一般在温度为一４～０ ℃时形成。形成的冰覆盖层干净透明，质地稠密，密度一般在８５０ｋｇ／ｍ左右。雨凇的形成条件：空气中的温度在凝固点以下、液态水含量高、较大直径的小液滴、相对高的碰撞
和结冰面积比。将叶片结冰分为３种工况来分析，并分别用ｍ法进行了模态分析，得到了结构的前２Ｏ阶自振频率和固有振型．与没结冰的情况相比较，结果表明叶片结冰会降低三桩基础海上风力发电整体结构的自振频率。
中图分类号：Ｔ６ｌ４
文献标识码：Ｂ
文章编号：０５５９，９３４２（２０１４）０３－－００７２ — 叶片结冰对海上风力发电整体结构自振特性的影响是本文研究的重点。
ｔｈａｔｔｈｅｂｌａｄｅｉｃｉｎｇｃａｎｒｅｄｕｃｅｔｈｅｎａｔｕｒａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓｏｆｏｖｅｒａｌｌｏｆｆｓｈｏｒｅｗｉｎｄｐｏｗｅｒｓｔｕｃｒｔｕｒｅ．ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ｂｌａｄｅｉｃｉｎｇ；ｔｒｉｐｌｅ－ｐｉｌｅｓｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ；ｏｆｓｈｏｒｅｗｉｎｄｐｏｗｅｒｓｔｕｃｒｔｕｒｅ；ｎａｔｕｒａｌｖｉｂｒａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ
ＵＹｉ．ＤＩＮＧＹｕｘｉ
（ＨｅｎａｎＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＳｕｒｖｅｙ＆ＤｅｓｉｇｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ４５０００７，Ｈｅｎａｎ，Ｃｈｉｎａ）
ＡｂｓｔｒａｃｔＡｉｆｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆｏｆｆｓｈｏｒｅｗｉｎｄｐｏｗｅｒｏｖｅｒａｌｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｗｉｔｈｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｓｏｉｌ — ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｂｙｕｓｉｎｇＡＮＳＹＳ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｉｃｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｒａｔｉｏａｎｄｉｃｅａｒｅａｒａｔｉｏ，ｔｈｅｂｌａｄｅｉｃｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｒｅａｎａｌｙｚｅｄｂｙｍ—
水力发电
第４０卷第３期
２０１４年３月
口十片结冰对三桩基础海上风
机自振特性的影响
李益，丁玉玺
（河南省电力勘测设计院，河南郑州４５０００７）
摘要：利用ＡＮＳＹＳ有限元软件建立了考虑土一结构相互作用的海上风力发电整体结构的有限元模型。根据冰厚比
ｍｅｔｈｏｄａｎｄｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｎｏｉｃｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．ＴｈｅｉｆｒｓｔｔｗｅｎｔｙｏｒｄｅｒｆｒｅｅｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓａｎｄｎａｔｕｒａｌｍｏｄｅｓａｒｅｇｏＬＴｈｅｒｅｓｕｈｓｓｈｏｗ
有些风力发电项目地处高纬度的沿海地区或者高海拔的高寒地带，这些地区最低温度甚至低于
一
１风机叶片结冰的类型
风机叶片结冰有两种类型：雨凇和雾凇，各自
具有不同的特性。
３０℃ ，通常出现较长时间的冰雪或冰冻天气，风
关键词：叶片结冰；三桩基础；海上风力发电结构；自振特性
ＩｎｌｕｆｅｎｃｅｓｏｆＢｌａｄｅＩｃｉｎｇｏｎＦｒｅｅＶｉｂｒａｔｉｏｎＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＴｒｉｐｌｅ－ｐｉｌｅｓＦｏｕｎｄａｔｉｏｎＯｆｆｓｈｏｒｅＷｉｎｄＰｏｗｅｒＳｔｒｕｃｔｕｒｅ