低温环境给叶片乃至整个风机都带来了严峻的考验，单就叶片而言，低温环境所导致的叶片结冰问题、材料及结构性能改变的问题、载荷改变的问题等，都需要我们有更优秀的解决方案和更细致的设计考虑。本期译评主要针对可谓目前风电领域的一个全球范围的难题，即低温环境的叶片结冰问题进行讨论。
沿海及较容易安装的内陆地区，如三北地区已经陆续装满了风机，目前风机在南方地区和山区大量装机，海上风机也大多在研究和发展的阶段未得到较大批量化。另一方面，现有风机塔筒高度不断提升，因此即使在沿海地区，冬季里大量风机都会触碰到较低的云层。海上超大尺寸叶片将存在怎样的结冰问题，由于缺乏较好的测量方法和必要的信息，目前尚不清晰。
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内陆地区特别是山区，大尺寸风机在运行和停机时都会受到结冰问题的影响。尽管早期考虑结冰问题的风机，试运行时安装了带特殊传感器和相应配套设施的加热除冰系统，积累了一定的经验。然而至今市场上也没有成熟且标准化的低温风机出现。本文概述和讨论了低温结冰问题及其解决方案，针对不同的低温环境对除冰系统的需求给出了相应的指导意见。
1、低温对风机设计的影响
低温因素在很多方面影响风机的设计：冰和霜以及低温下空气密度的上升对风机气动有较显著的影响，进而影响风机的载荷和功率输出。低温会导致叶片附着较大质量的冰层，从而会改变风机叶片的频率，进而改变其动态响应行为。同时，控制系统也会受到影响。由于结冰改变了叶片的气动外形，从而导致了叶片失速可能比设计预期提前或延后。那么电动或液压变桨控制对应的配置也应随之改变。叶片结冰会导致风机的检测信号系统发生故障从而反馈错误信号。极限低温需要改变风机部分部件的材料，例如常用的钢材会变脆。
风机本身运行的安全性及其周围环境的安全性都会受到低温或结冰的影响。风机运行时抛出的冰层碎块或掉落的大冰块可能会伤害到风机附近的人或物。风机结构自身的完整性也会受到结冰叶片的不平衡或不对称的影响。由于结冰改变了风机部件频率可能引起共振，也会增大风机的疲劳载荷。空气密度的上升可能会增大载荷和最大功率输出。如果风机没能自动反应，电机或传动链可能会烧坏，齿轮箱可能过载或损坏。
一些风电项目的经济性也会受到低温环境的影响，特别是在潜在结冰较多的地区。在这些地区做风机项目规划，需要预测结冰发生的类型和周期，需要通过了解功率输出情况及由于结冰导致的停机时间来预测与风况相关的温度频谱分布。如有必要，可能存在目前IECI-IV类风况不能覆盖特定的低温风况，需要做特殊定义。特定低温工况的风机可能需要特定的设备，如需要在叶片、齿轮箱、电路板等部件考虑加热元器件，采用适用极低温度的钢材，采用自加热的风向标和风速仪或者特定的结冰传感器。甚至需要在策划阶段和经济性评估结算考虑低温下维护和维修的特定需求。低温环境下要维护人员要到达某个位置的风机会遇到较大困难，导致较高的交通成本。同时，如果道路长期结冰或积雪，会导致装机、运维无法正常进行从而影响发电。
加热的风速仪测量结果可能存在问题，而不加热的风速仪极限风速的测量结果可能偏低，尤其在高山地区结冰周期内。可以把不同地区的结冰情况分为无结冰、少结冰或频繁结冰三种类型。然而，这也仅仅迈出了对低温环境精确评估的第一步。
由于安全性问题，部分地区的法律法规可能一票否决一个风电项目的准入。
2、如何探测低温结冰情况
如何对特定地区的低温环境因素进行定义呢?除了标准环境因素的测量，如气压、气温、湿度外，还需考虑云层高度及其水汽含量。但这些额外的因素通常不会在某个地区的气象记录中有记载，因此需要寻找其他的途径来了解该地区的结冰情况。
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2.1 观测法来考察结冰情况
对计划装机地区的已经安装风机的功率曲线、附近的树木或高压线塔进行观察。比如观察风机附近的冰层碎块，如图1-2;或者关注一下结冰事件导致输电线路频繁损坏的记录;森林遭受冰灾或冻雨的记录等对了解结冰事件的程度和频度都有较大帮助。另外，当云层较低时，可能对大尺寸风机叶片导致云层冰的问题，也就是在叶尖触及云层的区域由于空气中的水蒸气被制冷后在叶片前缘累积形成冰层。
图1
图2
另一个方式是通过在风机上安装能储存几个小时照片的数字相机，然后通过风机网络下载照片获取可靠的结冰情况。
2.2 通过传感器探测结冰情况
通过观察的方法了解结冰情况是一个很耗费人工的方法，而且对夜间实现连续的观察难度也较大。结冰传感器似乎是一个较好的解决方案。可以通过直接的结冰传感器获取数据也可以通过其他装置间接的获取数据。对于直接通过传感器获取数据的方式，如图3所示，图中给出了人工观测和带加热、不带加热的风向标的测试结果。然而，带加热和不带加热的风向标测量结果都不准确甚至可能导致错误的判断。
图3
2.3 通过气动噪声探测结冰情况
如果结冰较少，可以通过叶片气动噪声的大小来判定结冰情况。如图4所示，在叶片前缘开始结冰后，叶片的气动噪声逐渐升高，且对应的声频也逐渐升高。
图4
受影响的气动外形会导致前缘产生湍流边界层，从而会产生音量和频率较高的噪音，这些噪音可以很清晰的听见。
通过一些物体的损伤来探查结冰情况，比如气动桅杆的断裂，输电线的断裂，虽然不能定量探测，至少也可以从这些方面知道严重结冰的情况。
3、应对策略
在低温环境运行风机可以选择多重策略：第一个参数就是预期的结冰周期。如果一个地方没有结冰记录，则不用采取特殊策略;如果一个地方存在较少结冰的情况，比如结冰周期为一年中的几天，则建议通过防结冰的方向标和风速仪结合温度测量、功率曲线检测等办法，抑或是在每个风场安装一种结冰传感器，等方式来探测结冰情况，在结冰周期内要么调整控制继续运行，要么停机或空转，这要取决于当地的位置情况，例如是否接近路边或可能受到潜在伤害的物体在附近。但需要清晰定义风机在哪种条件下会从结冰工况重新启动，根据自动检测结果或是人工目测判断均可。
但对于长期结冰，如结冰周期长达几周的地方，就推荐使用主动防结冰系统或被动除冰系统。叶片可能因为结冰周期过长而长期停机，从而大量损失发电量。
风机运行时，叶片在结冰工况旋转会在其前缘转捩点除聚积越来越多的冰层。随着旋转半径的增加线速度也随之增加，因此叶尖区域结冰要比其他部位相对严重，结冰量的多少与旋转半径近似成正比，如图5所示。
图5
结冰分成两类，一类是霜冰，一类是纯粹的结冰，但实际更多的情况是两者混合的冰。已有文献研究显示，混合冰对叶片气动性能的影响更大，不仅降低气动升力也增大气动阻力。与图6给出了一个运行风机的结冰叶片横截面图，其前缘有结冰。横截面会因为结冰导致弦长增大。如果结冰弦长增大到一定程度，会因为作用在上面的气动力而发生断裂。然后再形成新的冰层，最后就会形成一个看起来有小锯齿的粗糙叶片表面。图6右图，给出了风机在低风速下空转的结冰情况。由于风速低且转速接近于0，冰层所受的气动力较小，而且没有离心力的作用。由于冰层和叶片界面的剪切力较小，所以冰层就可以在前缘累积较多，如图7所示。图7的中间部分显示了同一个风机的三支叶片，叶尖大量堆积的雪，达到一定程度时就会在尖部区域被甩出，但甩出的程度各不相同，因此就出现了气动和质量的不对称问题。
图6
图7
4、叶片除冰
在航空领域，有两种系统除去机翼的冰层。防冰系统和除冰系统，除冰系统是除去机翼上的冰层，而防冰系统则防止机翼结冰。这两种类型的系统在风机叶片上也已经试用和测试过。
防冰系统就是所谓主动除冰系统，例如将叶片涂成黑色;其优势在于白天叶片吸收太阳光而被加热后，冰层就会比白色叶片更早融化。然而，在夏季叶片上的温度会较高，从而会影响玻璃钢的材料性能，比如使叶片变柔，刚度下降进而影响净空等。
特定的防结冰涂料也是一种主动防冰系统，这种涂成可以减小叶片与冰层之间的剪切力，这些涂层经过风洞和挂机测试。其优势在于，整个叶片采用防结冰涂层，成本相对低，没有特殊的防雷要求，叶片易于维护，且整个表面都得到了保护。而且，这种类型的涂层可以减小温暖时期对尘土和昆虫的敏感性。其劣势在于运行过程中会有冰层脱落或甩出。在低风速或空转时，由于冰层受力较小，在叶尖区域仍然会大量结冰。同样存在气动和质量不对称的风险。目前也有几个大型叶片涂料厂家推出自己的防结冰涂料或防结冰薄膜，可惜均未根本解决叶片结冰问题。
图8给出了变桨控制风机，在空转和运行时不同的结冰情况。假设当结冰不多时，剪切力相对较小，因此只有当气动力和离心力增大到一定程度时冰层才会发生断裂。
图8
小飞机上常采用机械除冰系统，通过在前缘安装一种所谓的充气式橡胶罩来实现表面控制的。然而对于风机叶片而言，由于叶尖部位存在较大的离心力充气系统要么自动充气要么会从叶片表面上脱落。 此外，还会影响气动，产生噪音。在20年生命周期内，极端气象条件下的风机，橡胶保护罩会发生老化而较多频次的更换，经济性较差。
加热除冰方案已经有局部应用，有两种途径，在前缘区域布置电热膜或在停机时从叶根吹热风加热叶片的方式。
采用热空气加热叶片的方法，需要特定的导通热气和抽取热气的管道。其优势在于不影响叶片气动外形。对叶片防雷系统也没有特殊要求。在停机时，整个叶片就都可以除冰。另一方面，玻璃钢材料具有较好的绝热性。在高风速或叶片旋转时，需要较大的加热能量。如果叶片结冰后停机加热除冰，需要在耗电加热的同时还无法实现发电。
实际上，对于变桨控制风机，只需要在通过计算在其转捩点附近布置加热膜即可，如图9给出了加热膜方案，这种方案被认作是一种较为有效的方法。
图9
加热膜可以通过灌注的方法加工到叶片的前缘区域，也可以通过粘贴的方法直接粘贴到已脱模的叶片上，因此实现方式较为灵活。然而，叶片前缘表面，如果直接粘贴，除非提前对模具做特定考虑，会影响敏感的前缘区域的气流风布，从而会影响叶片的气动性能。
然而，在运行期间，叶片发电量的2%需要用来维持前缘区域的加热除冰，如果在空转和停机时除冰，则需要额外支付加热费用。
而且，电动加热膜，大多由碳纤维材质或金属材质制成，可能会遭受雷击，因此，需要考虑避雷的问题;再者，必须确保布置加热系统后的叶片外形的光滑性，以免对前缘层流产生不必要的扰动。
在前缘区域布置加热膜可能引发次生问题。叶片在重力场中转动会产生一个典型周期性的载荷。同时，气动力和所谓的摆振方向的振动(由于摆振方向的低阶频率下的阻尼较小)与重力载荷叠加。最终，玻璃钢主梁的高应力区将会导致加热膜金属丝或碳纤维出现一个高应力区。特别是当加热膜是碳纤构成时，会因为碳纤的弹性模量比玻纤高很多而导致加热膜承受了较大的载荷。因此就会面临一个重要的问题，需解决加热系统的开裂问题和疲劳寿命问题。
至今人们仍没有找到低成本的防结冰或除冰系统，或者一个可靠的结冰探测手段，为风机检测系统提供信号。最终，人们不可避免的让低温环境的风机在结冰工况运行、空转或停机，因此在风机设计阶段需要考虑特有的结冰工况。对于风机结冰探测，目前较多采用的是在轮毂上安装与风机联网的摄像机，通过网络人工观察和判断风机在结冰工况时时何时应该停机何时应该重启。叶片结冰问题至今仍然是风电领域的一个棘手的问题;叶片结冰的终极解决方案是怎样的呢?化学与物理防结冰或除冰解决方案的跨界结合，还是仿生智能材料，人们虽在路上，但从未放弃。
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原标题：低温环境下的风电叶片结冰问题
