風(fēng)機(jī)葉片電加熱除冰及電阻絲布置方式試驗(yàn)研究

舒立春，戚家浩，胡琴，蔣興良，邱剛，李瀚濤

DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.161106

1項(xiàng)目背景

我國的風(fēng)機(jī)裝機(jī)總量已躍居世界第一位，而且并呈逐年增長的態(tài)勢，其中我國的風(fēng)電場主要分布在“三北”等較濕冷地區(qū)，該地區(qū)的風(fēng)機(jī)葉片存在嚴(yán)重的覆冰現(xiàn)象。葉片覆冰對風(fēng)機(jī)的機(jī)械性能和氣動(dòng)性能造成很大危害,嚴(yán)重影響著風(fēng)機(jī)的輸出效率。風(fēng)力發(fā)電在我國起步時(shí)間較晚，國內(nèi)對風(fēng)機(jī)葉片除冰技術(shù)的研究較少且不成熟，為確保風(fēng)電場的正常穩(wěn)定運(yùn)行，風(fēng)機(jī)葉片的冰災(zāi)防治已成為風(fēng)電行業(yè)發(fā)展過程中必須解決的難題之一。

2論文所解決的問題及意義

本文以300W小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)為試驗(yàn)對象，在人工氣候室內(nèi)進(jìn)行不同環(huán)境條件下的電加熱除冰試驗(yàn)，分析了環(huán)境溫度、空氣中液態(tài)水含量、相對風(fēng)速和加熱功率密度對除冰時(shí)間的影響，同時(shí)提出了合理電阻絲布置方式，并對比了不同電阻絲布置方式下的除冰效果。研究結(jié)果為風(fēng)機(jī)葉片冰災(zāi)防治和電加熱除冰技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了借鑒和支持。

3論文重點(diǎn)內(nèi)容

隨著加熱功率的增大，除冰時(shí)間曲線的趨勢變得越來越平緩；在該環(huán)境條件下，當(dāng)加熱功率密度較小時(shí)，不同覆冰厚度下的除冰時(shí)間差異較大。除冰時(shí)間隨著溫度的降低而增大，且增大的幅度會(huì)越來越大，當(dāng)溫度較低時(shí)，不同覆冰厚度下的除冰時(shí)間差異較大。除冰時(shí)間隨風(fēng)速、LWC的增大而增大，只是不同覆冰厚度下曲線增大的幅度不同。當(dāng)覆冰厚度為20mm時(shí)，除冰時(shí)間的變化比較平緩，隨著相對風(fēng)速、LWC的增大，除冰時(shí)間在緩慢增加；但當(dāng)覆冰厚度減小到10mm后，在其他條件不變情況下，隨著相對風(fēng)速、LWC的增大，除冰時(shí)間急劇增大，甚至不能達(dá)到除冰的目的。

圖1 外界因素對除冰時(shí)間的影響

電阻絲展向布置和弦向布置可以形成不同的融化水通道，融化水通道形成后，隨著葉片的旋轉(zhuǎn)，前者融化水在根部流出，后者融化水在葉尖流出；葉片尖部采用弦向布置比展向布置的除冰效果好，而葉片根部位置適合采用展向布置；另外，試驗(yàn)中觀測到冰層脫落并不是冰層整體脫落，而是分段脫落：葉片前半部的冰層由于受到較大離心力作用而率先脫落；葉片后半部冰層由于厚度小，導(dǎo)致冰層所受離心力作用并不明顯，冰層易被融化。

圖2 三個(gè)葉片除冰效果對比

4結(jié)論

本文通過對風(fēng)機(jī)進(jìn)行電加熱除冰試驗(yàn)，分析了外界因素對除冰時(shí)間的影響，并提出了合理的電阻絲布置方式。結(jié)果表明：

1）當(dāng)覆冰厚度較小時(shí)，除冰時(shí)間隨覆冰厚度的變化趨勢較為劇烈，隨著覆冰厚度的繼續(xù)增大，除冰時(shí)間逐漸變得平緩，直至無明顯變化。

2）隨著加熱功率和環(huán)境溫度的增大，除冰時(shí)間減小，減小的趨勢變緩，且不同覆冰厚度下的除冰時(shí)間差異越來越小。

3）隨著相對風(fēng)速和LWC的增大，除冰時(shí)間增大，增大趨勢越來越劇烈，以致不能實(shí)現(xiàn)除冰作用；當(dāng)覆冰厚度較小時(shí)，除冰時(shí)間基本呈線性變化。

4）葉片尖部電阻絲宜采用弦向布置，根部電阻絲宜采用展向布置，進(jìn)而形成融化水流通通道，加速冰層融化效率；同時(shí)除冰過程中，葉片尖部冰層易發(fā)生脫落，根部冰層易被融化。

引文信息

舒立春，戚家浩，胡琴，等．風(fēng)機(jī)葉片電加熱除冰及電阻絲布置方式試驗(yàn)研究[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2017，37(13)：3816-3822．

Shu Lichun，Qi Jiahao，Hu Qin，et al．Experimental study on de-icing and layout of resistance wire by electrical heating for wind turbine blades[J]. Proceedings of the CSEE，2017，37(13)： 3816-3822 (in Chinese)．

團(tuán)隊(duì)介紹

作者所在團(tuán)隊(duì)為復(fù)雜大氣環(huán)境電氣外絕緣團(tuán)隊(duì)，本團(tuán)隊(duì)現(xiàn)有教授4人，副教授1人。本課題組隸屬重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院高電壓與外絕緣系，擁有輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長期圍繞高海拔、污穢條件下輸電線路及絕緣子放電機(jī)理以及輸電線路、絕緣子、風(fēng)機(jī)葉片覆冰增長模型及防冰、融冰方法展開研究。

舒立春，教授，博士生導(dǎo)師，從事高海拔、污穢、覆冰雪、濕沉降環(huán)境中外絕緣研究，作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人或主研人員，參加（含完成）了多項(xiàng)國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973）項(xiàng)目、國家科技支撐計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金（含重大研究計(jì)劃）項(xiàng)目和部、省級(jí)重點(diǎn)科研項(xiàng)目等的研究工作，發(fā)表學(xué)術(shù)論文120余篇，出版專著2部，獲得國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、重慶市科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、中國高?？萍歼M(jìn)步一等獎(jiǎng)等省部級(jí)以上科研獎(jiǎng)勵(lì)十余項(xiàng)。

胡琴，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事復(fù)雜環(huán)境下外絕緣放電及輸電線路電暈放電方面的研究。所在研究團(tuán)隊(duì)長期從事防冰減災(zāi)技術(shù)研究工作，近年來對絕緣子、導(dǎo)線覆冰及融冰、風(fēng)力發(fā)電機(jī)覆冰與融冰問題進(jìn)行了大量的模型與試驗(yàn)研究工作。

原標(biāo)題:重慶大學(xué)舒立春，胡琴等：外界環(huán)境和電阻絲布置方式如何影響風(fēng)機(jī)葉片電加熱除冰效果？