冬天应该是风力发电的最佳季节。风较强，由于温度下降，空气密度增加，因此在叶片上推动更多的力。但冬天也会出现问题：天气冻结。

就像德克萨斯州2月份所经历的那样，即使是轻微的结冰也会使风力涡轮机叶片表面产生足够的粗糙度，从而降低它们的空气动力学效率，从而减少它们能产生的功率。

频繁的严重结冰可以通过削减风电场的年度能源生产超过20%，成本耗费数亿美元的行业。功率损失不是冰的唯一问题。刀片上的不均匀方式可以产生不平衡，导致涡轮机的零件磨损更快。它还可以引起振动，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。

该解决方案很明显：刀片脱冰，或找到一种方法，以便首先将冰块保持成形。然而，到目前为止，大部分策略防止结冰风力涡轮机的叶片来自航空。飞机机翼和风力涡轮机的制造方式和运行环境也大不相同。

我是一个航空航天和机械工程师，我的同事和我一直在学习风力涡轮机结冰物理学在过去的10年里探索更好的涡轮锦冰保护解决方案。

并非所有的冰都是一样的

各地的冰都不一样。它可能来自降水，云或霜。它在不同的气候下结冰的方式也不同。

例如,霜冰通常发生在空气相对干燥、温度较低的地区，温度低于20华氏度。这是我们在爱荷华州和其他中西部州冬季通常看到的情况。

釉锦冰与更湿润的空气和更温暖的温度有关，常见于东北海岸。这是风力涡轮机叶片中最糟糕的一种冰。由于其潮湿的性质，它形成了复杂的冰形状，这导致了更多的能量损失。这也可能是二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，风力涡轮机也在挣扎。

风洞里的风暴

建立一个可以在冰冷条件下茁壮成长的风力运行需要对底层物理学的敏锐理解，既有冰文如何以及由涡轮机叶片的冰建设的冰块的性能下降。

为了探索这些力量，我们使用了一个特殊的风洞，可以演示在涡轮机叶片的样本上冰是如何形成的，并让装有摄像头的无人机飞行。

使用研究隧道粉在爱荷华州立大学，我的团队一直在不同环境中的涡轮机叶片模型上复制复杂的3D形状，以研究它们如何影响风和刀片。冰可以创造巨大的气流分离。在飞机中，这是一个危险的局面，可能会导致他们失速。在风力涡轮机中，它减少了他们的转速和功率量他们可以生产。

我们也研究围绕该国运营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，在叶片上结冰后立即拍摄照片。将这些数据与涡轮机的生产数据相结合，我们就可以看到冰是如何影响发电量的。

虽然冰可以形成整个跨度的刀片，更多的冰发现附近的尖端。经过30小时的结冰，我们发现了一英尺厚的冰。尽管风力很大，这些覆满冰的涡轮机的旋转速度要慢得多，甚至还会关闭。生产的涡轮机只有20％的正常力量在此期间。

保持冰块

有效地保持冰飞离飞机翼的策略对风力涡轮机叶片的原因有一些原因。

一个是制作它们的材料。飞机机翼通常是由铝合金等金属制成的，而公用事业规模的风力涡轮机是由聚合物基复合材料制成的。金属传热更有效，因此热循环系统在飞机机翼上更有效。聚合物涡轮叶片也更有可能被覆盖灰尘和昆虫碰撞，可改变叶片表面的光滑度缓慢的水从叶片上流出，促进冰的形成。

风力涡轮机也更容易遭遇冻雨和其他低海拔、高含水量的环境，比如海上风力涡轮机的海洋喷雾。

大多数电流风力涡轮机防冰和去冰的方法通过电加热或在里面吹空气。加热这些大量区域，这些区域比飞机翼大多倍，增加了涡轮机的成本，并且效率低下，能耗。基于复合的涡轮叶片也可以通过过热易于损坏。并且还有另一个问题：熔化冰的水可能只是跑回并刷新其他地方。

寒冷地区的另一个策略是使用表面涂料击退水或防止冰块。然而，没有任何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。通过加热关键区域——尤其是叶片前缘——并使用防水和防冰涂层，我们能够减少所需的热量和回流水在叶片表面重新结冰的风险。结果有效地防止了冰的形成整个表面涡轮叶片。

与传统的暴力表面加热方法相比，我们的混合策略也使用了更小的功率，从而节省了高达80％的能量。没有冰块来减慢它，涡轮机可以通过冬天产生更多的力量。

在世界范围内,近800千兆瓦风力发电已经安装，包括仅在美国就有超过1.1千兆瓦。随着市场迅速增长，风电供应商更高污染的能源，脱冰和防冰策略正成为必不可少的。

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胡辉(Hui Hu)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用许可下在此重新发布。