冬天应该是风力发电的最佳季节。风更强，由于空气密度随着温度下降而增加，推动叶片的力量更大。但是冬天也带来了一个问题:寒冷的天气。

即使是轻微的结冰也会在风力涡轮机叶片上产生足够的表面粗糙度，从而降低它们的空气动力学效率，从而降低它们可以产生的电量，正如德克萨斯州2月份所经历的那样。

频繁的严重结冰会使风电场的年发电量减少50%超过20%导致该行业损失数亿美元。电力损失也不是结冰造成的唯一问题。叶片上结冰的不均匀方式会造成不平衡，导致涡轮机的部件磨损更快。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个小时甚至几天都不可能。

解决办法很明显:除去叶片上的冰，或者首先找到一种防止冰形成的方法。然而，到目前为止，大多数策略防止结冰风力涡轮机的叶片来自航空业。飞机机翼和风力涡轮机的构造不同，在不同的条件下运行。

我是一个航空航天与机械工程师我和我的同事一直在研究风力涡轮机结冰物理在过去的10年里不断探索更好的涡轮结冰保护解决方案。

不是所有的冰都是一样的

冰在哪里都不一样。它可能来自降水、云或霜。它在不同的气候条件下也以不同的方式冻结。

例如,霜结冰它是由微小的过冷水滴撞击表面形成的，通常发生在空气相对干燥、温度较低(低于20华氏度)的地区。这就是我们在爱荷华州和其他中西部州冬季通常看到的情况。

釉粉与潮湿的空气和温暖的温度有关，在东北海岸很常见。这是风力涡轮机叶片最糟糕的冰类型。由于它的湿性，它形成了复杂的冰形，这导致了更多的能量损失。这也可能是2月份德克萨斯州北部冷空气与墨西哥湾沿岸潮湿空气相撞时形成的。而被风暴关闭的大部分电力来自天然气、煤炭或核能在美国，风力涡轮机也举步维艰。

风洞里的暴风雨

建立一个能在结冰条件下运行的风力发电系统需要对潜在的物理原理有敏锐的理解，包括冰是如何形成的，以及由于在涡轮机叶片上结冰而导致的性能下降。

为了探索这些力量，我们使用了一个特殊的风洞，可以展示冰是如何在涡轮机叶片样本上形成的，并飞行配备摄像头的无人机。

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下的涡轮机叶片模型上复制复杂的三维结冰形状，以研究它们如何影响风和叶片。冰可以产生巨大的气流分离。在飞机上，这是一种危险的情况，会导致飞机失速。在风力涡轮机中，它减少了它们的转速和功率的大小他们可以生产。

我们也研究全国各地运行的风力涡轮机因为他们面临着最艰难的条件。

利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，并在叶片上形成冰后立即拍照。将其与涡轮机的生产数据相结合，我们可以看到冰是如何影响发电的。

虽然冰可以形成在整个叶片的跨度，更多的冰被发现在尖端附近。经过30个小时的结冰事件，我们发现了厚达一英尺的冰。尽管风很大，但重冰的涡轮机旋转速度要慢得多，甚至会关闭。产生的涡轮机只有正常功率的20%在此期间。

防止冰刀结冰

有几个原因可以有效地防止飞机机翼结冰的策略对风力涡轮机叶片不那么有效。

一个是它们的制作材料。虽然飞机机翼通常由铝合金等金属制成，但公用事业规模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，因此基于热循环的系统在飞机机翼上更有效。聚合物基涡轮叶片也更容易被灰尘和昆虫的碰撞，这可以改变叶片表面的光洁度和缓慢的水流离开叶片，促进冰的形成。

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

目前大多数风力涡轮机的防冰和除冰方法都是通过电加热或者在室内吹热空气。加热这些比飞机机翼大很多倍的大面积区域，会增加涡轮机的成本，而且效率低下，耗能大。复合材料涡轮叶片也容易因过热而损坏。还有另一个问题:冰融化的水可能会回流到其他地方重新冻结。

在寒冷地区的另一个策略是使用表面涂层可以防止水或冰粘住。然而，没有一种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使用这两种技术元素的新方法。通过只加热关键区域，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，并减少水回流到叶片表面重新冻结的风险。其结果有效地防止了冰的形成整个表面涡轮叶片。

与传统的强力表面加热方法相比，我们的混合策略也使用更少的功率，从而节省高达80%的能源。没有冰的减速，涡轮机可以在整个冬天产生更多的电力。

在世界范围内,将近800千兆瓦到目前为止，风力发电已经安装，包括仅在美国就超过110千兆瓦。随着市场的快速增长和风力发电取代高污染能源，除冰和防冰战略变得至关重要。

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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享许可协议下在此重新发布。