冷冻风力涡轮机后面的科学 - 以及如何让他们在冬天旋转

3月8日,2021年

经过 惠胡, 爱荷华州立大学 

–冬季应该是风力发电的最佳季节 - 风较强,因为空气密度随着温度下降而增加,更多的力是推动刀片。但冬天也会出现问题:天气冻结。

甚至光冰也会在风力涡轮机叶片上产生足够的表面粗糙度,以降低它们的空气动力学效率,这减少了他们可以生产的能量,因为德州2月份的德克萨斯州。

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 更快地磨损。它还可以诱导导致涡轮机关闭的振动。在极端结冰的情况下,重新启动涡轮机 几个小时可能是不可能的.

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 保持冰块 风力涡轮机刀片来自航空。和飞机翼和风力涡轮机的建造不同,并在非常不同的条件下运行。


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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,探索 更好的涡轮锦冰保护解决方案.

并非所有的冰都是一样的

冰在任何地方都不一样。它可能来自降水,云或霜冻。它也在不同的气候中以不同的方式冻结。

例如, 霜冰当微小的过冷水滴形成时形成的,通常发生在具有相对干燥空气和较冷的温度的区域中,低于20 f。这就是我们通常在爱荷华州和其他中西部的冬季看到的。

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,刘和胡,2021, cc by-nd

釉锦冰 与大量湿润的空气和温暖的温度有关,并且在东北沿岸常见。这是风力涡轮机叶片最糟糕的冰。它由于其湿润性质而形成复杂的冰形状,这导致更能的功率损失。当来自北部的冷空气与来自海湾海岸的潮湿的空气相撞时,它也可能在德克萨斯州2月2021年在德克萨斯州。虽然风暴的大多数力量关闭了 天然气,煤炭或核,风力涡轮机也挣扎着。

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,我们使用特殊的风洞,可以展示冰箱叶片样本的冰,以及配备相机的无人机。

使用 结冰研究隧道 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 they can produce.

空气流动分离的例证
冰块改变涡轮叶片周围的空气流动,这可以减慢它。顶级照片显示在风研究隧道的不同温度下10分钟后形成冰。较低的测量显示冰累积时气流分离。
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 因为他们面临着他们最艰难的条件。

使用配备高分辨率数码相机的无人机,我们可以将悬停在80米高的风力涡轮机面前,并在刀片上形成冰块。与涡轮机的生产数据配对向我们展示了冰是如何影响电力生产的。

虽然冰可以在整个刀片的整个跨度形成,但在尖端附近找到了更多的冰。经过一个30小时的结冰事件,我们发现冰厚厚。尽管风高,但冰重型涡轮机旋转得多,甚至关闭。涡轮机生产 只有20%的正常力量 over that period.

在刀片提示的冰形成图
冰是如何在涡轮刀片的尖端上积聚。
高,刘和胡,2021, cc 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。虽然飞机翼通常由铝合金如铝合金制成,但公用尺度的风力涡轮机由聚合物基复合材料制成。金属更有效地传导热量,因此在飞机翼循环热的基于热的系统更有效。基于聚合物的涡轮叶片也更有可能被覆盖 灰尘和昆虫碰撞,这可以改变叶片表面的平滑度和 慢散水从刀片上跑,促进冰形成.

风力涡轮机也更容易遇到冻结雨水和其他低水平,高水分环境,例如海洋喷雾器,用于海上风力涡轮机。

大多数电流风力涡轮机防冰和去冰的方法通过 电热 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。

寒冷天气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。

一个更好的解决方案

我的团队一直在开发一种使用两种技术的要素的新方法。通过加热临界区域 - 特别是叶片的领先边缘 - 以及使用水和冰排斥的涂层,我们能够减少所需的热量和运行后水的风险,以在叶片表面上再冷却。结果有效地防止了冰块 整个表面 of turbine blades.

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。

全世界, 近800千兆瓦 到目前为止已经安装了风力发电,包括 Upse的110多个千兆瓦。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。谈话

关于作者:

惠胡,航空航天工程教授, 爱荷华州立大学

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