海上风电叶片防冰与除冰技术

引言

随着全球对清洁能源的需求日益增长，海上风电作为一种可持续的能源解决方案，受到了广泛关注。海上风电具有风能资源丰富、风速稳定、不占用陆地资源等优势，在全球能源结构调整中扮演着重要角色。国际能源署（IEA）的研究数据显示，到 2050 年，海上风电有望满足全球 10% 的电力需求，成为能源领域的重要支柱之一。

然而，海上风电叶片结冰问题严重制约了海上风电的发展。在寒冷的海域环境中，当气温低于冰点且空气湿度较高时，叶片表面极易形成冰层。据相关统计，在一些高纬度地区的海上风电场，每年因叶片结冰导致的发电量损失可达 10%-20%，极大影响了海上风电的经济效益 [1]。叶片结冰还会带来一系列安全隐患，冰层的不均匀分布会导致叶片质量不平衡，进而引发叶片振动、疲劳损伤，甚至断裂，威胁风电机组的稳定运行和海上作业人员的安全。

因此，研究海上风电叶片的防冰与除冰技术具有迫切的现实意义。这不仅有助于提高海上风电场的发电效率和可靠性，降低运营成本，还能推动海上风电产业向更寒冷、更广阔的海域拓展，进一步促进全球清洁能源的发展。

一、海上风电叶片结冰的危害

（一）气动性能恶化

当海上风电叶片结冰时，冰层会改变叶片原本的翼型形状。叶片的翼型是经过精心设计的，以确保在不同风速下都能实现高效的风能捕获和能量转换。一旦冰层附着在叶片表面，就会破坏这种理想的形状，使得叶片表面变得粗糙不平。这种粗糙度的增加会导致空气在叶片表面的流动变得紊乱，进而大幅增加空气阻力。空气动力学研究表明，叶片表面的粗糙度每增加一定程度，空气阻力可能会增加 10%-30%[2]。随着阻力的增大，叶片在旋转过程中需要克服更大的空气阻力，这就使得叶片的转动变得更加困难，消耗更多的能量。

结冰还会显著降低叶片的升力系数。升力系数是衡量叶片产生升力能力的重要指标，当叶片结冰后，翼型的改变使得气流在叶片表面的流动分离提前，导致升力系数降低。有研究通过风洞实验发现，在轻度结冰条件下，叶片的升力系数可能会降低 10%-20% ，而在严重结冰情况下，升力系数甚至可能降低 50% 以上 [3]。

（二）结构载荷增加

海上风电叶片在运行过程中，本身就承受着复杂的载荷，包括空气动力、重力以及离心力等。当叶片表面出现不均匀结冰时，冰层在叶片上的分布不均会导致叶片的质量分布发生改变，从而打破叶片原有的质量平衡。这种质量不平衡会使得叶片在旋转过程中产生额外的不平衡力和力矩。根据力学原理，不平衡力会引起叶片的振动，而振动的幅度和频率会随着结冰程度的加重而增加。持续的振动会使叶片材料承受交变应力，长期作用下，容易导致叶片出现疲劳损伤。除了疲劳损伤，不均匀结冰还会使叶片承受的静载荷增加。冰层的重量会加大叶片的重力载荷，同时，由于结冰导致的空气动力变化也会使叶片受到的气动力载荷增大。这些额外的载荷会进一步增加叶片结构的应力水平，当应力超过叶片材料的许用应力时，叶片就可能发生变形或损坏。

（三）安全隐患

海上风电叶片在结冰后，随着温度的变化或叶片的振动，冰层可能会从叶片表面脱落。这些脱落的冰块具有较大的动能，一旦掉落，可能会对下方的人员和设备造成严重的安全威胁。在海上风电场的运维过程中，工作人员需要在风电机组周围进行设备检查、维护等工作， 如果此时叶片上的冰块掉落，很容易砸伤工作人员，导致人员伤亡事故。冰块掉落还可能损坏风电场的其他设备，如塔筒、基础、电缆等。修复这些被损坏的设备不仅需要耗费大量的人力、物力和时间，还会导致风电机组长时间停机，影响风电场的正常发电，造成巨大的经济损失。

二、海上风电叶片结冰的机理与影响因素

（一）结冰机理

海上风电叶片结冰主要是由于过冷水滴与叶片表面发生碰撞并冻结所致。在低温的海上环境中，当气温低于0℃且空气湿度较高时，云层中的水汽会形成过冷水滴 [4]。这些过冷水滴处于一种亚稳态，虽然温度低于冰点，但由于缺乏足够的凝结核，仍以液态形式存在。当海上风电叶片在这种环境中旋转时，其表面会与过冷水滴发生碰撞。在碰撞瞬间，过冷水滴的内部平衡被打破，迅速释放出潜热，开始冻结。由于叶片表面的温度通常低于过冷水滴的冻结温度，使得水滴在叶片表面能够快速凝固成冰。

（二）影响因素

1. 环境因素

温度：当环境温度低于 0℃时，才有可能出现结冰现象。一般来说，温度越低，结冰的速度越快，冰层的增长也越迅速。研究表明，在 -5℃至 -15℃的温度范围内，叶片结冰的速率相对较高。当温度低于 -15℃时，空气中的水汽含量会显著降低，过冷水滴的数量减少，从而使得结冰的可能性和冰层增长速度都有所下降。

湿度：高湿度环境为结冰提供了充足的水汽来源。当空气相对湿度超过80% 时，叶片表面结冰的概率会大幅增加。在湿度较高的情况下，更容易形成过冷水滴，且水滴的浓度和尺寸也相对较大，这都有利于冰层的快速形成和增长。在一些沿海地区的海上风电场，由于空气湿度常年较高，叶片结冰问题更为严重。

风速：一方面，风速会影响过冷水滴与叶片的碰撞效率。较高的风速会使过冷水滴具有更大的动能，增加其与叶片表面的碰撞概率，从而加快结冰速度。另一方面，风速还会影响叶片表面的散热和热量传递。当风速较大时，叶片表面的热量更容易被带走，使得叶片表面温度降低，进一步促进结冰。但如果风速过大，可能会导致过冷水滴在到达叶片表面之前就被吹散，反而减少了结冰的可能性。研究发现，在3-10m/s 的风速范围内，叶片结冰的情况较为常见且严重。

液态水含量（LWC）：LWC 越高，意味着单位体积内的过冷水滴数量越多，叶片在相同时间内与过冷水滴碰撞的机会也就越多，从而更容易结冰且冰层增长更快。相关研究表明，当 LWC 超过 0.5g/m³ 时，叶片结冰的风险显著增加，且冰层的厚度和质量会随着LWC 的增加而近似呈线性增长 [5]。

2. 叶片自身因素

形状：不同的翼型和叶片轮廓会导 在叶片表面的流动特性不同，进而影响过冷水滴的运动轨迹和碰撞位置。叶片的前缘曲率较大，更容易捕捉到 过冷水滴，因此结冰往往首先发生在叶片前缘。材料：导热系数较高的材料，能够更快地将叶片内部的热量传递到表面，使过冷水滴在撞击时更容易吸收热量而冻结，从而加快结冰速度。

三、现有的防冰与除冰技术

（一）防冰技术

1. 涂层防冰

涂层防冰是一种常见且相对便捷的防冰方法，其原理主要基于降低冰与叶片表面的粘附力以及延缓水滴在叶片表面的冻结过程。通过在叶片表面涂覆特殊的涂料，改变叶片表面的物理和化学性质，从而达到防冰的目的。疏水涂料利用其低表面能的特性，使水滴在叶片表面形成较大的接触角，难以在表面附着和铺展，从而减少结冰的可能性。当水滴与疏水涂层表面接触时，由于表面能的差异，水滴会尽量保持球状，在风力或叶片振动的作用下，容易从叶片表面滚落，避免了结冰的发生。

2. 热能防冰

热能防冰技术是通过向叶片提供热量，使叶片表面温度保持在冰点以上，从而防止冰层在叶片表面形成。这种技术主要包括电热防冰和气热防冰两种方式。

电热防冰的工作原理是利用电流 过导电材料产生热量，将电能转化为热能，进而加热叶片表面。在叶片的制造过程中，将导电材料（如电阻丝 导电 薄膜等）嵌入叶片内部或附着在叶片表面，当需要防冰时，通过控制系统向导电材料通电，电流通过导电材料时产生焦耳热，使叶片表面温度升高，阻止过冷水滴在叶片表面冻结。

气热防冰则是借助叶片腹板形成 体构造 利用加热和鼓风装置，制造热气在叶片内气流循环通道中流动，从而提升叶片内部温度， 具体来说，通过在风电机组的机舱内设置加热器，将空气加热到一定温度后，利用鼓风 片内部的通风管道。热空气在叶片内部循环流动，通过叶片材料的导热作用，将热量传递到叶片表 面，使叶片表面温度升高，防止结冰。

（二）除冰技术

1. 机械除冰

常见的机械除冰装置包括除冰刷、除冰铲等。这些装置通常安装在叶片的外部，通过电机驱动，使其在叶片表面移动，通过刮擦或挤压的方式去除冰层。机械除冰的优点是结构简单、操作方便，但缺点是对叶片表面的损伤较大，且除冰效率受叶片形状和结冰程度的影响较大。

2. 加热除冰

这种技术可以细分为电阻加热除冰、微波加热除冰等。电阻加热除冰是在叶片内部或表面嵌入电阻丝，通过通电产生热量来融化冰层。微波加热除冰则是利用微波 穿透性 使叶片内部的冰层受热融化。加热除冰技术的优点是除冰效率高、对叶片表面损伤小，但缺点是能耗较高，且在高湿度环境下，融化的冰水可能会再次结冰，影响除冰效果。

3. 智能除冰技术

智能除冰技术是近年来发展起来的一种新型除冰方法，它结合了传感器技术、控制技术和先进的材料科学，能够根据叶片的结冰情况自动调整除冰策略。智能除冰系统通常包括传感器网络、控制系统和执行机构三部分。传感器网络用于实时监测叶片的结冰情况，控制系统根据传感器数据判断是否需要启动除冰程序，并选择合适的除冰方式。执行机构则负责执行控制系统的指令，进行除冰操作。智能除冰技术的优点是能够根据实际情况灵活调整除冰策略，提高除冰效率和安全性，但缺点是系统复杂、成本高，且对传感器的精度和可靠性要求较高。

四、技术对比与综合应用策略

（一）不同技术的对比分析 综合应用策略

在设计和实施防冰与除冰方案时，必须充分考虑叶片的强度和安全性。为了避免叶片在结冰和除冰过程中受损，需要合理选择和应用防冰与除冰技术，确保叶片能够长期稳定运行。同时，还需要加强对海上风电叶片结冰机理和影响因素的研究，不断开发和完善新的防冰与除冰技术，以适应不同环境和气候条件的需求，提高海上风电的发电效率和安全性。

五、结束语

海上风电叶片的防冰与除冰技术不仅是确保风电场安全稳定运行的关键，也是提高发电效率和经济效益的重要因素。随着技术的不断进步和创新，更加高效、环保、智能化的防冰与除冰技术将会被研发出来，为海上风电的发展提供有力的技术支撑。同时，加强国际合作，共同应对海上风电叶片结冰这一全球性挑战，也将是推动海上风电产业持续健康发展的重要途径。

参考文献：

[1] 郭时毅 , 安江峰 , 吴军 , 等 . 风力发电机叶片覆冰机理及防除冰技术研究进展 [J]. 表面技术 ,2024,53(12):50-65. D

[2] 胡琴 , 王欢 , 舒立春 , 等 . 覆冰条件下风力发电机叶片防 / 除冰方法综述 [J]. 电工技术学报 ,2024,39(17):5482-5496.

[3] 李伟 , 李志刚 , 李显树 , 等 . 2MW 风电机组叶片防除冰试验与能耗评估 [J]. 可再生能源 ,2024,42(5):634-639.

[4] 刘忠德 , 雷和林 , 周强 , 等 . 风力发电机组叶片覆冰成因及防冻除冰技术分析 [J]. 电力设备管理 ,2024(6):98-100.

[5] 孙永朋 , 关新 , 刘传宝 , 等 . 风力发电机叶片结冰检测及防除冰技术综述 [J]. 上海节能 ,2024(1):143-148.

作者简介：张潇宇（1992-06-19)，男, 人，汉族，本科，研究方向：海上风电叶片防冰与除冰技术，计划合同部副主任。