一直以来，叶片覆冰都是项世界性难题。面对全球123吉瓦的冰封市场，金风科技主动出击，推出以机组覆冰安全保护模式和叶片加热除冰系统为代表的解决方案。这些系列化、多层次和易组合的解决方案，正在帮助不同程度受覆冰困扰的业主发出更多的电。
01
大损失
覆冰作为一种常见的物理现象，以平常看法，并不是什么大不了的事。但在风电行业中，风机叶片覆冰可是一个大问题。
目前，当遇到叶片覆冰时，要么是在叶片覆冰后，因性能变差造成机组被动停机，这种在原有控制策略下机组覆冰运行的被动停机，对于机组安全是一件非常值得担心的事情；要么是对叶片覆冰状态进行检测，覆冰后主动停机，这就是说，哪怕是正在刮着可以满发的大风，业主也只能眼睁睁地看着效益流失。
图1 气象与机组覆冰（结冰）过程
例如，南方一个典型的覆冰风电场，每年在冬季的覆冰次数基本上是10次左右，累计时间20天以上，由此产生的发电量损失小时数为100h，全年发电量损失在300万元左右。
另一北方典型的覆冰风电场，覆冰发生的次数每年基本上是30次左右，但在每次覆冰期中不一定是所有的机组都覆冰，并且覆冰影响的停机时间基本上是在10小时以内。这样下来，平均每台机组覆冰影响停机的时间每年大概是200小时左右，对应发电量损失小时数约为50h，经济损失100万元左右。
由此看来，通过停机保证机组的安全固然稳妥，但其产生的发电量损失，却令人相当心痛。如果能在恶劣的覆冰气候条件下，既保证机组安全，又使其发出更多的电，岂不是一件两全其美的事？
想起来容易，做起来难。一位风电技术专家向笔者透漏：这是一项世界性难题。
据上诉专家说，这项问题的难点主要在于如何判断确保机组在安全的边界条件内运行发电，并且尽可能地提高覆冰运行的发电量，这其实就需要覆冰机组具有不一样的控制策略。
而想要确定这个安全的边界条件以及最优的覆冰运行控制策略，我们就需要知道在某一时刻覆冰叶片的外形是什么样的。所以，准确的叶片气动外形，是控制机组载荷安全和提高机组叶片性能的必要条件。
图2 叶片覆冰（结冰）危害
遗憾的是，由于叶片覆冰是一个动态发展的过程，覆冰叶片的外形在时时刻刻地变化着。上述专家谈到：这如同在时刻不停地为风机换叶片，而且换上去的是你不知道准确外形，气动性能非常非常糟糕的叶片。
02
内控制
值得庆幸的是，为探寻叶片覆冰的解决方案，笔者联系上了金风科技的研发人员。据了解，金风科技通过3年的努力研发，已经成功拿出了一系列帮叶片覆冰机组尽可能多发电的解决方案。其主要由防覆冰涂层、机组覆冰安全保护模式和叶片加热除冰系统三方面组成。
可以说，防覆冰涂层是目前业内应用最广泛的方式，具有使用范围大，施工简单，成本低廉等优势。但其所带来的发电量提升却非常有限，约为0.1%-0.2%左右。随着时间的推移，通过该技术减缓叶片覆冰的效果，也可能越来越差。
由于防覆冰涂层总给人以隔靴搔痒之感，其并不是金风科技解决叶片覆冰问题的主攻方向，真正体现技术含量的，是机组覆冰安全保护模式和叶片加热除冰系统。
据悉，机组覆冰安全保护模式是2017年金风科技逐步推广的一项智能化技术。该技术已彻底颠覆了金风科技自己所推出数年的叶片覆冰主动停机保护功能。其目的很明确，就是通过先进的控制程序，使有叶片覆冰的机组，从一覆冰就主动停机的控制思维，提升至根据实际覆冰严重程度，执行相应的覆冰运行特殊控制策略，当触发覆冰运行安全边界条件时才停机保护，从而尽可能多地增加机组发电量。
据了解，该程序具有的主要功能包括：覆冰检测，对机组叶片覆冰的状态进行监测，并判断覆冰的不同严重程度。覆冰运行，根据覆冰检测结果，采用不同的覆冰运行控制策略，保证机组安全发电。覆冰停机，根据业主不同的选择执行覆冰敏感停机或覆冰严重程度停机，此外还可执行特殊停机策略，控制停机期间叶片覆冰的程度，减少融冰时间。融冰自启，使机组在叶片覆冰融化后，能够自动启动。
金风科技推出的机组覆冰安全保护模式，已经在刚刚过去的这个冬天，完成了样机对比测试和验证。
图3 某风电场两台不同控制策略的覆冰（结冰）机组功率对比
某风电场在将近3天的时间里，机组叶片经历了两次覆冰期，期间，该项目中802机组选择打开覆冰安全保护模式，804机组选择关闭该模式。测试获得的结果是，802机组在覆冰期间一直保持覆冰运行的状态，没有停机；而804机组检测到覆冰后立即进行了安全停机保护。在对比中，802覆冰运行机组多发了7000度电。
通过分析这个项目冬天覆冰发生的次数，和每次覆冰期覆冰运行的策略所获取的发电量，金风科技的研发人员推算出，这个风电场在采用覆冰安全保护模式后，整场发电量可以提高0.5%-1%。
考虑到业主对于覆冰问题会有不同的需求，我们还在机组覆冰安全保护模式中设定相应变量以供选择。金风科技一位研发经理提到：这个方案的优点在于适用范围广、灵活可选、发电量提升的性价比高。
03
外加热
除防覆冰涂层这种被动覆冰防护方式，和机组覆冰安全保护模式这种软件控制方式外，叶片加热除冰系统则因具备通过硬件加热主动除冰的能力，使风机面临叶片覆冰时，从躲冰转变为除冰，所以在解决叶片覆冰问题上，效果更明显。
目前，叶片的加热除冰方式主要分为三类，一类是内部通热气，一类是内部电加热，还有一类是外部电加热。
叶片内部通热气的方式，好处是无雷击风险，但加热效率低，需要安装热气产生系统，并且还得在叶片内部安装热气管道和空气置换通道，使叶片系统更重更复杂，成本也较高。
叶片内部电加热方式，优点是除冰效率相比内部通热气高，并且避免外部的引雷。但由于叶片复合材料导热能力不强，消耗电能较高，同时也要设计布线，引入温度测量及控制系统，使叶片系统复杂化，风险较大，成本较高。
为尽力减少因上述两种叶片内部加热方式所产生的高耗能和低效率等影响，金风科技的叶片加热除冰系统，采用了叶片外部电加热作为技术路线。
在整个机组叶片加热除冰系统中，加热叶片的设计最为重要，而在加热叶片中加热材料的选择和功率密度的设计是决定是否能够满足加热除冰功能的关键点，我们对此进行了一系列测试。上述研发经理向笔者介绍：当然，加热材料的选择不仅仅要考虑它的加热功能，还需要考虑与叶片复合材料结合的工艺和力学性能等。
同时，在进行结构设计时，金风科技的研发人员将加热材料重点铺设在叶片前缘，位于叶中和叶尖位置。并在叶片根部人孔板上，安装了控制该叶片加热除冰系统的柜体。
目前，金风科技的叶片加热除冰系统已在多个项目上进行了验证。
图4 广西某项目样机除冰测试数据
图5 江西某项目样机除冰测试数据
在位于广西的某项目，金风科技的研发人员进行了1.5兆瓦叶片的加热除冰试验。当该项目进入覆冰环境时，试验样机的叶片加热除冰系统开始启动，叶片表面温度最大和最小值都快速上升，表面冰融化或者维持10℃左右，叶片表面将不会覆冰。在一天多的低温覆冰过程中，样机的风速和功率关系是正常的，而其他附近机组在这段时间因为覆冰严重而停机，最终，样机比其他停机机组多发了1.2万度电。在江西的一个项目中，金风科技的研发人员则进行了2兆瓦叶片的加热除冰试验。在一次覆冰期，该项目的除冰样机与其他停机机组相比多发约4万度电。
对此，金风科技的研发人员得出结论：采用的叶片加热除冰系统方案能够满足机组叶片除冰要求，确保在一定覆冰条件下机组可以正常运行发电，风速功率关系不受影响。
04
广应用
通过数据测算，对于覆冰时间在10天的项目，除冰系统能够带来4%左右年发电量的提升。在笔者问及金风科技叶片加热系统的经济性时，上述研发经理谈到：该系统的典型使用范围，是覆冰时间超过10天的风场。
据笔者了解，全球低温和冰冻风电市场规模正在不断扩大，到2020年覆冰地区的风电规模将达到123吉瓦。其中，在中国乃至亚洲市场，冰冻区域的市场预计到2020年约为8.6吉瓦。
图6 全球低温和覆冰市场预测
图7 中国覆冰（结冰）地域分布
123吉瓦和8.6吉瓦的市场预测，是指覆冰比较严重的地区，也就是说，基本上属于年覆冰累计时间达到10天的标准，从而满足对金风科技叶片加热系统的投资收益水平。上述研发经理坦言：还有一部分覆冰不太严重的地区，更适合选择使用金风科技机组覆冰安全保护模式程序。
面对叶片覆冰这项世界性难题，和巨大的市场规模，金风科技努力探索，为系统性解决该问题迈出了坚实的一步。其阶段性地推出的这一系列叶片覆冰解决方案，可根据风场实际冰冻情况，选用灵活的方法，不同程度上降低叶片覆冰对发电量的影响，准确切中行业痛点。可预见的是，通过对上述解决方案的持续优化与改进，金风科技必将在努力攀登技术制高点的同时，为风电行业发展开拓出一片蓝海。
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▓ 来源：金风科技
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