寒冷气候下的风电机组结冰影响与防治系统

风电机组叶片的冰冻问题会影响叶片的空气动力学轮廓，引起风电机组的附加载荷与额外振动，降低叶片及机组的使用寿命，导致机组故障，影响风电场的发电量，甚至会造成风电机组局部破损或整体坍塌。可见，冰冻问题已成为制约冰冻地区风电市场开发建设的重要因素。 本书旨在解决在寒冷气候下风电机组运行的关键问题，着重阐述结冰机理，分析其影响，并介绍防治措施。主要内容包括寒冷气候对风电机组设计和运行的影响、风电机组结冰的机理、结冰过程、防冰系统和热除冰系统的设计等。本书包含了丰富且细致的科学分析以及与流体动力学和热力学有关的计算和实例，还给出了实用的分析模型和数值模型，用于计算结冰影响和设计评估。

第1章寒冷气候对风电机组设计和运行的影响111引言1 12寒冷地区的风电机组3 121阿尔卑斯山地区的风电机组4 122潜在可开发区域5 13寒冷气候下风电机组的运行6 131大雨6 132雷击7 133寒冷气候辅助设备8 14山地区域风电机组的运行10 141高海拔的影响10 142山地环境的特点10 143风能资源11 144空气密度随海拔的变化16 145风机在不同空气密度下的功率和推力18 146非标准空气密度下的功率曲线20 147低空气密度的对策24 15覆冰期间风电机组的运行27 16海上结冰31 参考文献32 第2章风电机组结冰的相关特点3421结冰对风电机组的影响34 22风电机组上的覆冰生长37 23覆冰的前提条件40 24结冰过程相关参数43 25结冰事件的定义45 26结冰检测47 261机电系统48 262电子系统48 263光学系统48 264风机参数49 265噪声测量49 266叶片表面的热力学状态49 寒冷气候下的风电机组结冰影响与防治系统目录267加热和未加热风速计的读数差异50 268风机结冰检测系统综合评价50 269测量现场的结冰情况51 27冰冻气候下测风仪的运行情况54 28覆冰预测模型57 281短期覆冰预测57 282超短期覆冰预测60 283缺乏相关信息的场址覆冰风险评估61 29甩冰和结冰风险67 291场址参数72 292甩冰质量74 293脱离半径和方位角分布74 294阻力和升力分布76 295冰击事件76 296地面上的冰块76 210覆冰的经济风险81 211防冰系统盈亏平衡分析82 参考文献85 第3章覆冰叶片的气动性能8731翼型周围的流态87 32叶片翼型的空气动力学概述91 321对称翼型91 322非对称翼型91 33覆冰翼型的空气动力学概述92 34覆冰对气动性能的影响97 35数值模拟100 36航空领域的试验测试101 361识别覆冰的几何形状101 362拟合冰的真实几何形状107 37覆冰的类型和边界层107 371离散粗糙度108 372角状冰110 373顺流冰111 374翼向脊状冰112 375失速行为118 376平稳空气动力学，三维和旋转效应118 38覆冰对发电量的影响119 39覆冰对风机气动性能的影响123 391气动弹性模型124 392叶片覆冰的物理模型125 393物理模型敏感性分析128 39420年疲劳寿命评估128 310覆冰叶轮不平衡的简化分析133 参考文献135 第4章结冰过程13841冰的形成机理138 42结冰/防冰条件模拟139 43外部流场和温度场141 44表面润湿度建模143 441液滴撞击固定圆柱体146 442驻点撞击率的确定149 443粒子轨迹二维计算方法154 444固定圆柱体的求解157 445零攻角翼型前缘的撞击率161 446非零攻角和尺度效应的撞击率163 447示例165 448旋转翼型169 45质量守恒方程174 451基本质量流量分析175 452水膜连续性和破裂178 46冻结系数和Messinger模型180 47能量守恒方程181 471表面传热系数182 472长波辐射183 473短波辐射183 48问题的求解184 481情况A：结冰表面Tw482情况B：无冰表面Ts>0℃186 483叶片结冰实例187 49冰面的热流体动力学过程192 491表面微观物理学193 492一般结冰过程中的回流水动力学和扩展的Messinger模型193 参考文献198 第5章防冰系统20051引言200 52防冰系统评估流程203 53防冰系统概述与讨论206 54防冰系统分类206 541基于运行原理的防冰系统分类206 542机械防冰系统和热力防冰系统206 543其他防冰系统207 55基于持续时间的防冰系统分类208 56基于能量需求的防冰系统分类208 57防冰系统在风电机组中的应用208 571电加热防冰系统209 572管道内热空气循环加热系统 211 58管道内热空气防冰系统的设计217 581几何建模218 582热流体动力分析 218 583共轭传热分析219 584截水率221 585设计结果221 59防冰系统的能量效率229 510估算防冰所需功率的简化方法229 511防冰系统新技术238 5111机械防冰238 5112热力防冰239 5113低附着力涂层材料255 512海上防冰系统257 参考文献257参考阅读259物理量表267