葉片結冰對風場有多傷?實地研究發現發電量下降 80%

作者 | 發布日期 2021 年 03 月 05 日 17:47 | 分類 能源科技 , 風力 Telegram share ! follow us in feedly


風力發電機組怕不怕冷?葉片結冰會有什麼影響嗎?上月的美國德州冰風暴衝擊風力發電廠與火力發電廠,釀成德州最嚴重的大斷電,讓人不禁好奇天寒地凍的天氣對風機會造成什麼衝擊,其中的緣由又是什麼。最近科學家稍稍回應疑問,結冰的葉片會降低風機轉速,發電量大打折扣並減少 80%。

若進一步觀察世界上風力發電場址,其實也不乏坐落在寒冷、溫差極大的區域,尤其風電更是從北歐起家,而世界上最冷的風力發電場或許位於南極,紐西蘭與美國團隊在平均零下幾十度的低溫環境下,共同於羅斯島火山口 Crater Hill 打造羅斯島風力發電場(Ross Island Wind Farm,RIWF)容量達 0.99MW,為紐西蘭斯科特基地及美國麥克默多站 11% 電力,從 2010 年營運至今。

顯然風力發電場在寒冷如南極的地方也可以運作,只不過該區域為羅斯島少數的無冰區。那麼結冰對風機會帶來怎樣的挑戰?根據美國愛荷華州立大學航太教授 Martin C. Jischke 與愛荷華州立大學飛機結冰物理和除冰科技實驗室 Hui Hu 的實地研究,發現在濕冷環境條件下,風機葉片尖端會累積 30 公分厚的冰,不僅破壞風機葉片設計之初的空氣動力學造型,還會影響風機的平衡。

實地觀察是種眼見為憑的研究方法,但過程也頗為複雜,一來沒有研究權限,二來廠商也不想讓人研究並公布風機的發電表現,因此團隊透過美國國家科學基金會(NSF)計畫案與中國華北電力大學合作,最後在中國東部山區 50MW 風場展開研究。

這座不具名的風場坐落在山脊上,由 34 支容量約 1.5MW 風機組成,團隊認為,使用的風機與美國國營的風電場差不多。且由於該風場靠近東海,水氣偏多,結冰條件與靠近墨西哥灣的德州相似,若冷鋒帶來的冷氣團遇上墨西哥灣的水氣,德州就會開始降雪,相較之下愛荷華州的冬季偏向乾冷。

緯度高、位於山頂又近海,愛荷華州立大學團隊的研究環境相當濕冷,他們透過用無人機捕捉 50 公尺長的風機在冰雨、凍毛雨、溼雪、霧淞等環境條件 30 小時的變化。

無人機照片顯示,整片風機葉片全都結冰,葉片外側更有層層堆疊的冰,尤其是葉片尖端,厚度接近 30 公分,最後團隊再透過風機內建的控制與資料收集系統,比對有無結冰的環境。團隊指出,縱使外頭吹著狂風,但葉片上厚厚的結冰會降低風機轉速,甚至頻頻發生停機的狀況,導致 80% 發電損失。

雖然每座風場的條件不一樣,這項結果或許不能複製到其他風場,但仍可以表是結冰對風機的影響,未來還需要研究更有效的除冰方法,好讓風機葉片可以一直轉阿轉。

(首圖來源:愛荷華州立大學

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