1．目的及意义

1目的及意义

据估算，全世界的风能总量为 200 亿千瓦，大约是世界总能耗的3倍。我国风能资源储量居世界首位，总的可开发利用的风能总量为2.53 亿千瓦，仅次于俄罗斯和美国，居世界第三，截止到 2012 年底，我国已开发利用的风能为0.75亿千瓦，占世界第一[1]。随着人们对能源的需要以及对于环境的要求，对风能的开发利用已经被各国看重。风能利用有很多种形式，最直接的用途是风车磨坊、风车提水、风车供热，但最主要的用途是风能发电。风的动能通过风力机转换为机械能，再带动发电机发电，转换成电能。然而风力机叶片表面完整性的对风能利用效率影响很大[2]。风机叶片结冰与外界环境因素息息相关，如环境温度、风速、空气湿度等等，成因非常复杂，是风电领域的一个难题。叶片结冰会影响风力发电工作效率，气候比较恶劣的地区年发电效率会减小20%至50%，因此，关于叶片结冰的研究具有非常重要的现实意义。

在国内（主要集中在东北、华北和西北地区），寒冷季节时在风力机上产生的结冰会对其运转的安全性和有效性造成严重的影响。在风力机叶片上的结冰会大大降低风力机叶片的气动特性，从而导致风力机输出功率的降低。此外，由于冰的生成而导致风力机叶片的不平衡会给风力机的主要部件增加载荷，从而降低风力机的使用寿命；同时，结冰产生的载荷也会增加塔的应力，导致结构损坏[3]和电气故障[4]，尤其当风速很大的时候。从风力机叶片上脱落的大冰凌会给工程服务人员和附近的居民产生严重的威胁，尤其当风力机与公路、房屋和运输线路相邻时。目前，对风力机结冰问题的研究，大致可分为三大主流方向：（1）在冰风洞对翼型实验，在不同工况下产生不同形状的结冰，并

研究其气动特性。（2）数值模拟二维翼型在不同工况下的结冰。（3）防冰除冰和结冰检测的研究[5]。

在国外对于结冰条件下对风电场产能的评估，魁北克大学搜集了两个风电场4年的运行数据和相关气象资料开展了评估研究。其中，一个风电场共计23起结冰事件，累计308h；另一个风电场有19起结冰事件，累计213h；

另外，约2%的情况下，风力机会关机。研究表明，在结冰事件中，风力机平均功率损失26%左右，极端情况下，有时可能损失80%以上，年平均能量损失范围766~24298kWh。从图3（a）可以看出，结冰影响可以分两个阶段：首先，结冰发生后，风力机功率逐步下降，在持续一段时间后，随着冰融化脱落，风力机恢复正常功率。[6]

对国内外风力机结冰研究现状进行归纳总结，得到以下几点结论：（1）风力机结冰气候条件很复杂。同最初风力机叶片翼型研究借鉴航空翼型研究成果类似，风力机结冰研究也借鉴了航空研究的方法手段。风力机结冰气候包括当地气温、风速、雾、露、霜、湿雪、冻雨/雨/毛毛细雨、浪花水雾等，叶片

上的冰集聚（低速撞击、长时间）与飞机上的冰集聚（高速撞击、较短时间）差别很大。在航空领域，飞机结冰研究比较成熟，国际上已经形成了用于运输机防冰设计和适航验证的标准气象参考条件；对风力机而言，结冰气候条件搜集研究还不多，国际上还未形成寒冷地区风力机设计气象参考条件标准。（2）寒冷地区风力机结冰是一个严重问题，陆地风力机容易遭受冻雨、毛毛细雨、冻雾、结冰云（高海拔地区）、霜（近湖泊地区）引起的结冰袭击，海上风力机会遇到浪花飞溅冻水雾（一般高度小于16m）引起的结冰。（3）转速低的大风力机相对转速高的小风力机更不容易结冰。叶片上冰集聚与水滴撞击速度有关，撞击速度高容易结冰；就同一叶片而言，中段和叶尖更容易结冰。（4）明冰相比霜冰对叶片气动性能影响更大。霜冰增加了叶片表面粗糙度，但对翼型影响较小；而明冰相对光滑，但它在很大程度上改变了叶片翼型的形状。霜增加了叶片前缘粗糙度，对叶片气动特性影响较大。就目前而言，还缺乏霜、明冰、霜冰等更深刻的认知和足够的数据，因此，定量分析研究还有难度。

（5）实验和数值模拟是风力机性能研究的重要手段，其方法还有很大的改善空间。相对来说，干燥环境的结冰比潮湿环境的结冰预测评估要准确一些。冰角的位置/尺寸与冰的粗糙度和边界层边缘的速度密切相关。（6）风力机冰防护系统研究尚处于起步阶段。风力机除冰比防冰更有效，但也更难实施。防冰一般采用电加热保持叶片表面温度在冷冻温度以上，据估算叶片叶梢前缘消耗的能量是根部前缘的3.5倍，叶片下表面消耗的能量是上表面的1.5倍。看上去防冰比除冰更有优势，但实际上叶片全表面防冰过于昂贵，是不现实的。除冰相对成本便宜，它允许在叶片上形成一定的结冰，当达到某一临界值时，启动除冰装置，然而，准确探测并合理确定这个启动值有难度。[7]