随着低碳型电力系统建设的发展，风力发电系统的发展速度进一步提升。山地风能资源丰富，然而建设于此的风力发电机在冬季极易覆冰。为减少覆冰造成的风机出力损失，保证风电场电力调度稳定，对风力发电机应用防/除冰技术十分重要。输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学）的于周、舒立春、胡琴、蒋兴良、李汉湘，在《电工技术学报》上撰文，提出一种适用于风机叶片的气动脉冲除冰结构，并基于此结构建立相关脱冰计算模型。
他们的研究结果表明：随着冰层厚度的增加和覆冰温度的降低，平均除冰气压呈现增加趋势，脱冰面积比出现减小趋势；经验证，该文建立的脱冰计算模型可信度高，基于该模型可知，适当提高变形层的弹性模量和厚度可以增加脱冰面积比。
随着世界各国对能源安全、生态环境以及气候变化等问题的日益重视，加快发展绿色新能源发电已经成为国际社会推动能源转型发展、应对全球气候变化的普遍共识。风能作为清洁可再生能源，在实现化石能源体系向低碳能源体系的转变过程中扮演重要角色。随着电力规划设计总院对关于“十三五”时期能源、电力发展的相关报告进行发布，未来风电对“建设清洁低碳、安全高效的能源体系”起着至关重要的作用。
我国疆域广阔，地势多变，风电场的建设主要集中在东北、华北、西北等山地以及部分近海岸区域。在这些区域中每年将近有四分之一的时间处于寒冷、潮湿气候条件，风力发电机覆冰现象十分普遍。
冰层的存在改变了风机叶片原有的气动结构，导致升力减小，阻力增加，从而降低风力发电机输出功率。同时，风力机叶片的不均匀覆冰会使自身结构的固有频率发生改变，导致风机叶片在运行中产生共振响应。因此，对覆冰区域工作的风机叶片安装防/除冰设施十分重要。
风机的防/除冰方法分为主动式与被动式。被动式方法主要包括光热涂层[11]、超疏水涂层；主动式方法主要包括电加热、热空气加热和电脉冲除冰。光热涂层仅能在阳光充足的白天进行覆冰防护，应用受限；超疏水涂层在覆冰前期具有良好的防冰效果，然而一旦表面结冰，其特性将完全丧失；电加热和热空气加热方法虽然防/除冰效果显著，但是能耗相对较大；电脉冲除冰方法则存在引雷问题。因此，提出一种能耗低、除冰效率高的除冰方法对于维护风电场在冬季的安全稳定运行和提高经济效益方面意义重大。
目前，机械式除冰方法效果最为显著，气动除冰方法就是其中之一。该方法是在20世纪末由GoodRich公司提出，其主要是用于除掉飞机机翼前缘冰层，保证飞机安全飞行。
该技术是将聚氨酯等有机高分子材料做成的弹性管状气囊粘贴在机翼前缘或防冰部位，其除冰原理是当防冰部位覆冰达到一定厚度时，通过向气囊内部充入高压气体，使气囊表面产生较大形变，表面冰层将在弯曲力和剪切应力的作用下破裂和脱落，并被高速气流带走。然而，由于气囊变形产生的挠度在6～10 mm，所以该方法更多地应用于小型飞机，鲜有应用于风机除冰的相关报道。
输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学）的研究人员，以传统的气动除冰方法为基础，摒弃了将气囊粘贴在外表面的结构布置，取而代之的是将充气管道设计在被保护表面内部，并用弹性材料将其包裹，形成新型的气动脉冲除冰结构。
图1 除冰样板示意图
图2 除冰样板的工作原理
同时，他们基于此结构提出脱冰计算模型，用于指导后续除冰结构的参数优化与设计工作。为了验证该结构的除冰效果和脱冰计算模型的可信度，在人工气候试验室开展了不同工况下的覆冰与除冰试验。
图3 除冰设备示意图
图4 除冰试验过程
图5理论与试验脱冰面积比对比
试验结果表明：
1）随着冰层厚度的增加，除冰样板所需平均除冰气压明显增加，但是脱冰面积比有所降低。平均气压增加的原因主要是冰层与铝合金蒙皮的粘接力增加，以及复合梁中性层向冰层与铝合金蒙皮交界面偏移。脱冰面积比降低的原因除了冰层粘接力增大外，还可能由于变厚冰层断裂不彻底。
2）随着覆冰温度的降低，除冰样板所需平均除冰气压呈现增加趋势，脱冰面积比呈现减小趋势。造成该结果的原因：一是温度的降低导致冰层弹性模量增大，中性层向冰层与铝合金蒙皮交界面偏移；二是冰层与铝合金蒙皮的粘接力随温度的降低明显增加。
3）通过对比脱冰面积比的理论计算结果和实际试验结果发现，脱冰理论模型能够较为准确地计算冰层脱落范围。但对于温度较低且冰层较厚的除冰工况进行计算时，相对误差可能会有所增大，其主要原因：一是冰层太厚导致的冰层不完全断裂，使得除冰面积减小；二是温度较低导致的冰层局部粘接力大于平均水平，使得在平均除冰气压下的除冰面积减小；三是气压在该工况能量损耗较大，气压衰减过快，导致边角冰层无法脱落。
4）根据验证后的脱冰理论模型发现，适当地提高变形层的弹性模量或提高变形层的整体厚度可以提高脱冰面积比。但是二者数值不能盲目提高，这可能会导致除冰的平均气压增大，从而增加能量的消耗。
本工作成果发表在《电工技术学报》，论文标题为“风机叶片气动脉冲除冰结构脱冰计算模型及试验验证”。本课题得到国家自然科学基金资助项目的支持。
