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风电叶片作为风力发电机组中最基础和最关键的部件，伴随秋冬气温下降，或一些地方海拔高、湿度大、温度低，以及受早晚温差、空气中水汽含量变化和气温持续偏低等环境因素影响，风电机组叶片表面可能出现结冰问题。
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经济效益产生负面影响。由于气候环境和地形条件的不同，风机叶片会形成类型不同、形状各异的覆冰，不同区域的覆冰过程和特征也会存在很大差异，由此对应的预防结冰和除冰措施也不同。
风电机组叶片覆冰机理
一、覆冰形成原因
1、气象条件
风电机组叶片覆冰的气象条件主要包括环境温度、空气湿度、风速、过冷却水滴、凝结高度。当气温低于冰点时，过冷却水滴会在叶片表面结冰，形成覆冰。此外，风速、风向和空气湿度等气象因素也会对覆冰的形成产生影响。
2. 叶片设计
叶片的设计也会影响覆冰的形成。例如，叶片的形状、材料和表面涂层等因素都会影响水滴在叶片表面的附着和结冰过程。如果叶片表面存在粗糙或不平整的地方，容易使水滴附着并形成覆冰。
3. 运行环境
运行环境也会对覆冰的形成产生影响。例如，风电机组所处的地理位置、海拔和周围环境等因素都会影响机组叶片的气象暴露条件。在某些地区，由于地形和气候等因素的影响，机组叶片更容易受到覆冰的影响。
（资料图：大梁子风电场雪景）
二、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。
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。
风电叶片覆冰类型
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。
（资料图：龙源电力）
叶片覆冰对风电机组的影响
结冰对风力发电机可能产生多方面的影响。常见的影响如下：
1. 降低发电效率
叶片覆冰会增加叶片的重量和阻力，导致风电机组的发电效率降低。同时，覆冰还会改变叶片的气动性能，使风电机组的输出功率不稳定，影响电网的稳定运行。
2. 加剧机械磨损
叶片覆冰会导致风电机组的机械部件承受更大的负荷，加剧机械磨损和损坏。这不仅会影响风电机组的正常运行，还会增加维护成本。
3. 停机
如果结冰情况严重，风力机可能会被迫停机以避免进一步损坏。结冰的叶片可能不再平衡，造成旋转不稳定，从而对风力发电机的安全性造成威胁。
4. 增加安全隐患
叶片覆冰会增加风电机组的安全隐患。在极端天气条件下，覆冰可能导致叶片断裂、机组倒塌等严重后果，对人们的生命财产安全构成威胁。
（资料图：中国三峡能源）
风机叶片防除冰方法与技术
一、防冰技术
（1）超疏水涂层法
超疏水涂层法就是让风机叶片表面不沾水从而实现不结冰超疏水的现象其实很常见，比如大家都知道的“荷叶效应”水滴落在荷叶表面后不能将荷叶润湿而是会形成水球滚落。
（2）光热涂料法
在风力机叶片表面喷涂光热涂料，在可见光下 充分发挥光热转换特性，充分吸收太阳辐射，提高叶片表面温度，延缓表面冰层的形成时间，起到一定程度的防冰作用。同时，操作简单，不用引入其他复杂体系，且可以适用于在役叶片，成本相对较低． 光热涂料的应用具有显著的地域局限性，只能应用 在低覆冰频率、短覆冰期、环境温度在０°Ｃ以上或强太阳辐射地区，一定的时间年限需要进行维护，且冬季无法有效防冰，夏季却有叶片过热的危险。
（3）化学溶剂法
在风力机叶片表面通过喷涂化学溶剂降低冰的凝固点，能够缓解表面覆冰以及加速表面融冰， 除冰效率相对较高，但无法长时间停留在叶片表 面，不能完全抑制覆冰或主动除冰．常见的化学溶剂 有甲醇、乙醇、乙烯乙二醇，其有效防冰时间短，需要定期维护，现阶段防冰成本过高，且由于脱冰会造成环境污染，该技术目前主要用于飞机覆冰，无法广泛应用在风力机防冰。
（资料图：十局机电）
二、除冰技术
（1）气热法
气热是在叶片中安装加热和鼓风装置，利用热气在风机叶片空腔中的流动来传递热量、融化冰层，相当于给叶片内配上了“空调”。
（2）电加热法
电热是在叶片上安装导电材料，将电能转化为热能，让风机叶片自带“电热毯”，加热叶片实现除冰。
（3）电磁波束法
电磁波束法除冰分为微波法除冰、电磁脉冲法除冰、激光除冰。微波除冰技术主要通过加快翼型表面分子热运动，提高风力机叶片表面温度，达到融冰效果；电磁脉冲技术对电磁圈进行持续通电、断电操作，利用电磁感应原理振动除冰。激光除冰具有远距离、定向、非接触除冰、高除冰效率、大面积除冰的特点，高功率激光光束照射在覆冰层，厚冰层吸收辐射能量快速融化或升华，并经激光切割成冰小块，在自然风力、重力作用下实现自然除冰。因此，激光除冰方法能够作为一种重要的除冰技术广泛应用于风力机叶片除冰领域。
（4）超声波法
超声波是大于20kHZ的空气振动，利用超声波造成液体内部的应力负压或者热毛细现象可以改变液滴的润湿状态，避免润湿态粗糙表面导致超疏水疏水性降低、滚动角变大甚至结冰出现锚固现象。有实验表明，当对表面外加超声振动后，表面能克服能垒由润湿状态回到疏水状态，同时超声振动可以促进液滴的自迁移并尽可能多的发生合并跳走。在4℃露点液化时，通过空气振动填充固体粗糙缝隙使得固体表面能变低，回到超疏水特性，使得液滴由润湿状态回到疏水状态，液滴滚落憎水防冰，这种方法需要的能量很低而且便于实现。所以在叶片界面的施加超声能量使得超疏水涂层恢复超疏水性能，是涂层法防覆冰的有效措施。
（5）气动脉冲除冰方法
在叶片表面结冰后，通过向扁平管道冲入高压气体使其膨胀。膨胀后的管道通过弹性层使叶片铝合金蒙皮表面产生微小挠度。
当表面挠度达到一定程度时，冰层会在弯曲力和剪切应力的作用下破碎和脱落。在停止充气后，过剩的高压气体会从充气管道两端逸出到大气中，叶片表面会在弹性层的作用下恢复平整状态，整个过程持续时间不超过1s。
（6）机械法
机械法除冰是一项效率高、能耗低的除冰技术，因而得到了广泛应用。与能耗高的电加热法、气热法除冰相比，即使只有3%的除冰效率，也能达到30~100倍的除冰效果。
机械法除冰主要分为人工除冰与机械设备除冰２种，其中人工除冰只能在停机状态下实现，存在甩冰的安全隐患，不建议采取。机械设备除冰工作原理是，在直升飞机或无人机上安装气体压缩设备，利用压缩气体冲击叶片结冰表面，促使表面冰层破裂，实现物理除冰。
风电机组叶片防治措施
1. 气象监测与预警
为了及时发现和应对覆冰现象，应加强气象监测和预警工作。通过安装气象监测设备，实时监测机组运行环境的气象条件，及时发布预警信息，为风电机组的运维人员提供决策支持。
2. 叶片设计与优化
针对叶片设计对覆冰的影响，可以通过优化叶片形状、材料和表面涂层等方式，降低水滴在叶片表面的附着和结冰概率。例如，采用具有疏水性能的涂层材料，可以减少水滴在叶片表面的停留时间，降低覆冰的风险。
3. 运行控制与调度
在机组运行过程中，可以通过调整机组的运行参数和调度策略，降低叶片覆冰的风险。例如，在低温高湿的气候条件下，可以适当降低机组的运行功率，减少叶片的气动负荷，从而降低覆冰的概率。
4. 除冰技术
对于已经形成的覆冰，可以采用除冰技术进行处理。目前常用的除冰方法包括热力除冰、机械除冰和化学除冰等。热力除冰通过加热叶片表面，使覆冰融化脱落；机械除冰则利用机械装置对叶片表面进行刮除；化学除冰则是利用化学试剂降低冰点，使覆冰自行脱落。在实际应用中，需要根据机组的具体情况和运行环境选择合适的除冰方法。
总之，风电机组叶片覆冰是一个复杂的气象现象，需要综合考虑多个因素进行防治。通过加强气象监测与预警、优化叶片设计、调整运行控制与调度以及采用除冰技术等措施，可以有效降低叶片覆冰的风险，保障风电机组的稳定运行和电网的安全供电。
