实地研究表明,结冰会使风力涡轮机的发电量损失高达80%

Ridgetop风电场中国

研究人员采取了该领域,在中国东部地区的驰族风电场锦上添花。图片由爱荷华州立大学胡慧提供

由爱荷华州立大学的胡辉(Hui Hu)领导的研究人员将他们对风力涡轮机结冰的研究带出实验室,带到野外,了解冰在旋转叶片上是如何以及在哪里积聚的。他们了解到,在叶片上加冰可以减少多达80%的发电量。现场研究也验证了他们的实验发现、理论和预测。

在寒冷潮湿的环境中旋转的风力涡轮机叶片可以在一码宽的叶片顶端收集近一英尺厚的冰。

这会破坏叶片的空气动力学。这会破坏整个涡轮机的平衡。根据爱荷华州立大学(Iowa State University)航空航天工程教授、飞机结冰物理和反/除冰技术实验室主任胡辉(Hui Hu)最近发表的一项实地研究,这可能会破坏高达80%的能源生产。

胡锦涛一直在进行涡轮机 - 叶片锦绣大约10年的实验室研究,包括在独特的ISU结冰研究隧道中进行实验。爱荷华能源中心和国家科学基金会的赠款支持大部分工作。

“但我们总是对我们在实验室所做的是什么代表了该领域的发生,”胡锦涛说。“在大型公用尺寸风力涡轮机的刀片表面上发生了什么?”

我们都知道最近发生在该领域的一件事。在上个月的冬季风暴期间,风力和其他能源在德克萨斯州冻结和失败。

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胡想要量化在冬季天气下风力发电场会发生什么,因此几年前开始组织实地研究。但这比他预期的要复杂得多。根据美国能源信息协会(U.S. Energy Information Association)的数据,爱荷华州约有5100台风力涡轮机,发电量占该州总发电量的40%以上,但即便如此,他也无法使用涡轮机。能源公司通常不希望他们的涡轮机性能数据公开。

所以胡 - 北京市华北电力大学可再生能源学院的研究人员建立了联系,是国家科学基金会资助的学生计划的国际研究经验的一部分 - 问中国风电场是否会合作。

风轮机叶片上的冰

这张无人机拍摄的风力涡轮机结冰的现场研究照片显示了在冬季风暴期间,涡轮机叶片顶部的冰是如何积聚的。图片由爱荷华州立大学胡慧提供

在中国东部的山地骑马队的34个涡轮机场的运营商在2019年1月同意野外研究。胡锦涛表示,大多数涡轮机产生1.5兆瓦的电力,与实用规模涡轮机非常相似在美国运营。

因为研究人员研究的风电场离东海不远,所以风力涡轮机认为,风力涡轮机面临锦绣条件,比德克萨斯州更像是爱荷华州。爱荷华州风电场暴露在寒冷,干燥的冬季条件下;当冬天的冷水下降到德克萨斯州时,由于附近的墨西哥湾,风电场有更多的水分。

测量冰

作为其现场工作的一部分,研究人员使用无人机在暴露于最多30小时的冰冷冬季条件后拍摄50米长的涡轮机刀片,包括冻雨,冷冻毛毛雨,湿雪和冷冻雾。

照片允许在涡轮机叶片上收集的冰和冰的详细测量和分析。胡锦涛表示,这张照片还允许研究人员比较自然锦冰到实验室结冰,并在很大程度上验证了他们的实验结果,理论和预测。

研究人员在《可再生能源》杂志最近在线发表的一篇论文中写道,“尽管冰在整个桨叶范围内积聚,但在外侧桨叶上发现了更多的冰,桨叶尖端附近的冰厚度达到了0.3米(近1英尺)。”(完整的研究团队参见侧栏。)

研究人员利用涡轮机内置的控制和数据采集系统,将叶片上有冰的情况下的运行状态和发电量与更典型的无冰情况进行了比较。

“这告诉我们什么是大问题,对电力生产有什么影响,”胡说。

研究人员发现,糖霜有一个主要的影响:

研究人员写道:“尽管风很大,但被冰覆盖的风力涡轮机的旋转速度要慢得多,甚至在结冰期间经常关闭,结冰导致的电力损失高达80%。”

这意味着胡将继续研究风力涡轮机的另一个领域——寻找有效的方法来除冰叶片,使它们在整个冬天都保持旋转,电力持续流动。

参考文献:高林月,陶涛,刘永谦,胡辉《冰积及其对公用事业规模风力发电影响的现场研究》,2020年12月7日再生能源
DOI: 10.1016 / j.renene.2020.12.014

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