风力发电机结冰后将损失高达80%发电量

由爱荷华州立大学的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了实验室，并到现场了解旋转叶片上的冰是如何以及在哪里积聚的。他们了解到，叶片上的冰会使发电量降低80%。现场研究也验证了他们的实验结果、理论和预测。

风力涡轮机叶片在寒冷、潮湿的环境中旋转，会在其叶片的尖端聚集近一英尺厚的冰，这就破坏了叶片的空气动力学以及整个涡轮机的平衡。爱荷华州立大学航空航天工程系Martin C. Jischke教授和该校航空器结冰物理和防/除冰技术实验室主任Hui Hu领导的一项最新发表的现场研究表明，这可能会使能源生产剧降80%。

Hui Hu在实验室从事涡轮叶片结冰的研究已经有10年左右的时间，包括在ISU独特的结冰研究隧道中进行实验。这些工作大多得到了爱荷华能源中心和国家科学基金会的资助。

“但我们总是有疑问，我们在实验室里做的事情是否代表了现实世界发生的事情，”胡说。“在大型、公用事业规模的风力涡轮机的叶片表面上会发生什么？”

我们都知道在上个月的冬季风暴中，德克萨斯州的风力发电和其他能源被冻结，几乎无法使用。

Hui Hu想量化冬季天气下风电场的情况，所以几年前就开始组织实地调研。但这比他预想的要复杂得多。即使是在爱荷华州，大约5100台风力涡轮机生产了该州40%以上的电力（根据美国能源信息协会的数据），他们没有直接在生产环境中获得接触涡轮机的机会，能源公司通常不希望他们的涡轮机性能数据公开。

因此，作为国家科学基金会资助的学生国际研究体验项目的一部分，Hui Hu与中国的华北电力大学可再生能源学院的研究人员建立了联系，他询问中国的风电场是否愿意合作。中国东部一个山脊上的34台涡轮机，50兆瓦的风电场的运营商同意在2019年1月进行实地研究。Hu说，大多数涡轮机的发电量为1.5兆瓦，与在美国运营的公用事业规模的涡轮机非常相似。

由于研究人员所研究的风电场距离东海不远，Hu表示，那里的风力涡轮机所面临的结冰条件更像德克萨斯州的情况而不是爱荷华州的情况。爱荷华州的风电场暴露在更寒冷、更干燥的冬季条件下；当冬季寒冷降至德克萨斯州时，由于附近有墨西哥湾，那里的风电场会暴露在更多的水分中。

作为实地工作的一部分，研究人员使用无人机拍摄了50米长的涡轮叶片在暴露于长达30小时的冬季冰雪条件下的照片，包括冻雨、冻雨、湿雪和冻雾。

这些照片可以详细测量和分析冰块如何以及在哪里聚集在涡轮叶片上。Hu说，这些照片还使研究人员能够将自然结冰和实验室结冰进行比较，并在很大程度上验证了他们的实验结果、理论和预测。

照片显示，“虽然冰块在整个叶片跨度上都有积聚，但发现更多的冰块积聚在外侧叶片上，叶片尖端附近的冰层厚度高达0.3米（近1英尺），”研究人员在最近在线发表于《可再生能源》杂志的一篇论文中写道。研究人员使用涡轮机内置的控制和数据采集系统，将叶片上有冰的运行状态和发电量与更典型的无冰条件进行比较。

研究人员发现，结冰会有风力发电机的表现有重大影响：“尽管风力很大，但发现结冰的风力涡轮机旋转速度更慢，甚至在结冰事件中频繁关闭，结冰引起的功率损失高达80%。”

这意味着Hu将继续致力于另一个领域的风力涡轮机研究--寻找有效的方法来为叶片除冰，使它们在整个冬季都能保持旋转，以便于电力持续流动。
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