风机叶片电加热除冰及电阻丝布置方式试验研究
舒立春，戚家浩，胡琴，蒋兴良，邱刚，李瀚涛
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.161106
1项目背景
我国的风机装机总量已跃居世界第一位，而且并呈逐年增长的态势，其中我国的风电场主要分布在“三北”等较湿冷地区，该地区的风机叶片存在严重的覆冰现象。叶片覆冰对风机的机械性能和气动性能造成很大危害，严重影响着风机的输出效率。风力发电在我国起步时间较晚，国内对风机叶片除冰技术的研究较少且不成熟，为确保风电场的正常稳定运行，风机叶片的冰灾防治已成为风电行业发展过程中必须解决的难题之一。
2论文所解决的问题及意义
本文以300W小型风力发电机为试验对象，在人工气候室内进行不同环境条件下的电加热除冰试验，分析了环境温度、空气中液态水含量、相对风速和加热功率密度对除冰时间的影响，同时提出了合理电阻丝布置方式，并对比了不同电阻丝布置方式下的除冰效果。研究结果为风机叶片冰灾防治和电加热除冰技术的推广应用提供了借鉴和支持。
3论文重点内容
随着加热功率的增大，除冰时间曲线的趋势变得越来越平缓；在该环境条件下，当加热功率密度较小时，不同覆冰厚度下的除冰时间差异较大。除冰时间随着温度的降低而增大，且增大的幅度会越来越大，当温度较低时，不同覆冰厚度下的除冰时间差异较大。除冰时间随风速、LWC的增大而增大，只是不同覆冰厚度下曲线增大的幅度不同。当覆冰厚度为20mm时，除冰时间的变化比较平缓，随着相对风速、LWC的增大，除冰时间在缓慢增加；但当覆冰厚度减小到10mm后，在其他条件不变情况下，随着相对风速、LWC的增大，除冰时间急剧增大，甚至不能达到除冰的目的。
图1 外界因素对除冰时间的影响
电阻丝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，随着叶片的旋转，前者融化水在根部流出，后者融化水在叶尖流出；叶片尖部采用弦向布置比展向布置的除冰效果好，而叶片根部位置适合采用展向布置；另外，试验中观测到冰层脱落并不是冰层整体脱落，而是分段脱落：叶片前半部的冰层由于受到较大离心力作用而率先脱落；叶片后半部冰层由于厚度小，导致冰层所受离心力作用并不明显，冰层易被融化。
图2 三个叶片除冰效果对比
4结论
本文通过对风机进行电加热除冰试验，分析了外界因素对除冰时间的影响，并提出了合理的电阻丝布置方式。结果表明：
1）当覆冰厚度较小时，除冰时间随覆冰厚度的变化趋势较为剧烈，随着覆冰厚度的继续增大，除冰时间逐渐变得平缓，直至无明显变化。
2）随着加热功率和环境温度的增大，除冰时间减小，减小的趋势变缓，且不同覆冰厚度下的除冰时间差异越来越小。
3）随着相对风速和LWC的增大，除冰时间增大，增大趋势越来越剧烈，以致不能实现除冰作用；当覆冰厚度较小时，除冰时间基本呈线性变化。
4）叶片尖部电阻丝宜采用弦向布置，根部电阻丝宜采用展向布置，进而形成融化水流通通道，加速冰层融化效率；同时除冰过程中，叶片尖部冰层易发生脱落，根部冰层易被融化。
引文信息
舒立春，戚家浩，胡琴，等。风机叶片电加热除冰及电阻丝布置方式试验研究[J]. 中国电机工程学报，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）。
团队介绍
作者所在团队为复杂大气环境电气外绝缘团队，本团队现有教授4人，副教授1人。本课题组隶属重庆大学电气工程学院高电压与外绝缘系，拥有输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，长期围绕高海拔、污秽条件下输电线路及绝缘子放电机理以及输电线路、绝缘子、风机叶片覆冰增长模型及防冰、融冰方法展开研究。
舒立春，教授，博士生导师，从事高海拔、污秽、覆冰雪、湿沉降环境中外绝缘研究，作为项目负责人或主研人员，参加（含完成）了多项国家重点基础研究发展计划（973）项目、国家科技支撑计划、国家自然科学基金（含重大研究计划）项目和部、省级重点科研项目等的研究工作，发表学术论文120余篇，出版专著2部，获得国家科技进步二等奖、重庆市科技进步一等奖、中国高校科技进步一等奖等省部级以上科研奖励十余项。
胡琴，教授，博士生导师，主要从事复杂环境下外绝缘放电及输电线路电晕放电方面的研究。所在研究团队长期从事防冰减灾技术研究工作，近年来对绝缘子、导线覆冰及融冰、风力发电机覆冰与融冰问题进行了大量的模型与试验研究工作。
