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客人博客

冷冻风力涡轮机后面的科学

以及如何让它们整个冬天都在旋转

冬季对风力涡轮机来说是一个特殊的挑战。涡轮叶片尖端上的冰形成磨损,降低功率输出。照片礼貌Hannes Flo /CC./ Flickr。

冬天应该是风力发电的最佳季节。风较强,由于温度下降,空气密度增加,因此在叶片上推动更多的力。但冬天也会出现问题:天气冻结。

即使是很轻的结冰也会使风力涡轮机叶片产生足够的表面粗糙度,从而降低其空气动力效率,从而降低了风力涡轮机所能产生的能量,就像德克萨斯州今年2月的经历一样。

频繁的严重结冰可以通过削减风电场的年度能源生产超过20%,成本耗费数亿美元的行业。功率损失不是冰的唯一问题。刀片上的不均匀方式可以产生不平衡,导致涡轮机的零件磨损更快。它还会引起振动,导致涡轮机关闭。在极端结冰的情况下,重新启动涡轮机可能几小时甚至几天都不可能

该解决方案很明显:刀片脱冰,或找到一种方法,以便首先将冰块保持成形。然而,到目前为止,大部分策略防冰风力涡轮机的叶片来自航空。飞机机翼和风力涡轮机的制造方式不同,在非常不同的条件下运作。

我是一个航空航天和机械工程师,我的同事和我一直在学习风力涡轮机结冰物理学在过去的10年里不断探索更好的涡轮锦冰保护解决方案

不是所有的冰都是一样的

冰不是到处都一样的。它可能来自降水、云层或霜冻。它在不同的气候条件下也会以不同的方式冻结。

例如,霜冰这种现象通常发生在空气相对干燥、温度低于20华氏度的地区。这是我们在爱荷华州和其他中西部州冬天通常看到的情况。

形成在风轮机叶片的冰的图象

比较霜冰和釉冰展示了如何改变刀片的质地。 高刘胡,2021CC BY-ND

釉锦冰会带来更潮湿的空气和更高的温度,常见于东北海岸。这是风力涡轮机叶片最糟糕的冰类型。由于它的湿性,形成复杂的冰形状,导致更多的功率损失。这也很可能是二月份来自北方的冷空气与来自墨西哥湾沿岸的潮湿空气相撞时在德克萨斯州形成的。而被风暴关闭的大部分电力来自天然气、煤炭或核能美国的风力涡轮机也在苦苦挣扎。

风洞中的暴风雨

建立一个可以在冰冷条件下茁壮成长的风力运行需要对底层物理学的敏锐理解,既有冰文如何以及由涡轮机叶片的冰建设的冰块的性能下降。

为了探索这些力量,我们使用了一种特殊的风洞,可以展示冰是如何在涡轮叶片样本上形成的,并使用了配备摄像头的无人机飞行。

使用研究隧道粉在爱荷华州立大学,我的团队一直在不同环境中的涡轮机叶片模型上复制复杂的3D形状,以研究它们如何影响风和刀片。冰可以创造巨大的气流分离。在飞机中,这是一个危险的局面,可能会导致他们失速。在风力涡轮机中,它减少了他们的转速和功率量他们可以生产。

空气流动分离的例证
积冰会改变涡轮叶片周围的气流,从而使其减速。顶部的照片显示了在风洞中,在不同温度下,10分钟后冰层形成。较低的测量值显示当冰积聚时气流分离。 爱荷华州立大学结冰研究隧道CC BY-ND

我们也研究围绕该国运营的风力涡轮机因为他们面临着一些最艰难的条件。

使用配备高分辨率数码相机的无人机,我们可以在80米高的风力涡轮机前盘旋,在叶片上形成冰后立即拍照。将这些数据与涡轮机的生产数据结合起来,我们就可以看到冰是如何影响发电的。

虽然冰可以形成整个跨度的叶片,更多的冰发现接近尖端。经过30小时的结冰,我们发现了一英尺厚的冰。尽管风很大,但冰重的涡轮机旋转速度慢得多,甚至关闭了。生产的涡轮机只有20%的正常力量在此期间。

叶尖成冰图
冰是如何堆积在涡轮叶片顶端的。 高刘胡,2021CC BY-ND

保持冰块

有效地保持冰飞离飞机翼的策略对风力涡轮机叶片的原因有一些原因。

一个是它们的材料。飞机机翼通常是由铝合金等金属制成的,而实用规模的风力涡轮机则是由聚合物基复合材料制成的。金属能更有效地传导热量,因此以热为基础的系统在飞机机翼上循环热量更有效。基于聚合物的涡轮机叶片也更有可能被覆盖灰尘和昆虫碰撞,可以改变叶片表面的平整度和缓慢的水流从叶片上流过,促进了冰的形成

风力涡轮机也更容易遇到冻雨和其他低海拔、高含水量的环境,如海上风力涡轮机的海洋喷雾。

大多数电流风力涡轮机防冰和去冰的方法通过电加热或在里面吹空气。加热这些大量区域,这些区域比飞机翼大多倍,增加了涡轮机的成本,并且效率低下,能耗。基于复合的涡轮叶片也可以通过过热易于损坏。并且还有另一个问题:熔化冰的水可能只是跑回并刷新其他地方。

寒冷地区的另一个策略是使用表面涂料击退水或防止冰块。然而,没有任何涂层能够完全消除冰,特别是在叶片前缘附近的关键区域。

更好的解决方案

我的团队一直在开发一种新方法,它使用了这两种技术的元素。通过加热关键区域——特别是叶片的前缘——并使用防水和防冰涂层,我们能够减少所需的热量和水回流重新冻结叶片表面的风险。其结果有效地防止了冰的形成整个表面涡轮叶片。

与传统的暴力表面加热方法相比,我们的混合策略也使用了更小的功率,从而节省了高达80%的能量。没有冰块来减慢它,涡轮机可以通过冬天产生更多的力量。

在世界范围内,近800千兆瓦到目前为止,已经安装了大约一半的风能,包括仅在美国就超过1.1亿瓦特。随着市场迅速增长,风电供应商更高污染的能源,脱冰和防冰策略正成为必不可少的。


胡辉是爱荷华州立大学航空航天工程教授。本文最初发表于谈话并在创建共用许可证下在此重新发布。

2评论

  1. 弗雷德弗罗斯||#1

    很有意思。感谢您提供此信息。我们有风车溺爱我们的阿巴拉契亚山脊,我注意到冬天的停滞涡轮机增加了。现在我知道为什么。为什么我们不经常在这里看到霜冰。酷的东西!

  2. Van Tol约书亚||#2

    许多轻型飞机使用充气靴子除冰。这也适用于风力涡轮机吗?

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