由愛荷華州立大學(xué)的Hui Hu領(lǐng)導(dǎo)的研究人員將他們對(duì)風(fēng)力渦輪機(jī)結(jié)冰的研究帶出了實(shí)驗(yàn)室，并到現(xiàn)場(chǎng)了解旋轉(zhuǎn)葉片上的冰是如何以及在哪里積聚的。他們了解到，葉片上的冰會(huì)使發(fā)電量降低80%。現(xiàn)場(chǎng)研究也驗(yàn)證了他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果、理論和預(yù)測(cè)。
風(fēng)力渦輪機(jī)葉片在寒冷、潮濕的環(huán)境中旋轉(zhuǎn)，會(huì)在其葉片的尖端聚集近一英尺厚的冰，這就破壞了葉片的空氣動(dòng)力學(xué)以及整個(gè)渦輪機(jī)的平衡。愛荷華州立大學(xué)航空航天工程系Martin C. Jischke教授和該校航空器結(jié)冰物理和防/除冰技術(shù)實(shí)驗(yàn)室主任Hui Hu領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)最新發(fā)表的現(xiàn)場(chǎng)研究表明，這可能會(huì)使能源生產(chǎn)劇降80%。
Hui Hu在實(shí)驗(yàn)室從事渦輪葉片結(jié)冰的研究已經(jīng)有10年左右的時(shí)間，包括在ISU獨(dú)特的結(jié)冰研究隧道中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。這些工作大多得到了愛荷華能源中心和國家科學(xué)基金會(huì)的資助。
"但我們總是有疑問，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里做的事情是否代表了現(xiàn)實(shí)世界發(fā)生的事情，"胡說。"在大型、公用事業(yè)規(guī)模的風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片表面上會(huì)發(fā)生什么？"
我們都知道在上個(gè)月的冬季風(fēng)暴中，德克薩斯州的風(fēng)力發(fā)電和其他能源被凍結(jié)，幾乎無法使用。
Hui Hu想量化冬季天氣下風(fēng)電場(chǎng)的情況，所以幾年前就開始組織實(shí)地調(diào)研。但這比他預(yù)想的要復(fù)雜得多。即使是在愛荷華州，大約5100臺(tái)風(fēng)力渦輪機(jī)生產(chǎn)了該州40%以上的電力(根據(jù)美國能源信息協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù))，他們沒有直接在生產(chǎn)環(huán)境中獲得接觸渦輪機(jī)的機(jī)會(huì)，能源公司通常不希望他們的渦輪機(jī)性能數(shù)據(jù)公開。
因此，作為國家科學(xué)基金會(huì)資助的學(xué)生國際研究體驗(yàn)項(xiàng)目的一部分，Hui Hu與中國的華北電力大學(xué)可再生能源學(xué)院的研究人員建立了聯(lián)系，他詢問中國的風(fēng)電場(chǎng)是否愿意合作。中國東部一個(gè)山脊上的34臺(tái)渦輪機(jī)，50兆瓦的風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)營商同意在2019年1月進(jìn)行實(shí)地研究。Hu說，大多數(shù)渦輪機(jī)的發(fā)電量為1.5兆瓦，與在美國運(yùn)營的公用事業(yè)規(guī)模的渦輪機(jī)非常相似。
由于研究人員所研究的風(fēng)電場(chǎng)距離東海不遠(yuǎn)，Hu表示，那里的風(fēng)力渦輪機(jī)所面臨的結(jié)冰條件更像德克薩斯州的情況而不是愛荷華州的情況。愛荷華州的風(fēng)電場(chǎng)暴露在更寒冷、更干燥的冬季條件下；當(dāng)冬季寒冷降至德克薩斯州時(shí)，由于附近有墨西哥灣，那里的風(fēng)電場(chǎng)會(huì)暴露在更多的水分中。
作為實(shí)地工作的一部分，研究人員使用無人機(jī)拍攝了50米長(zhǎng)的渦輪葉片在暴露于長(zhǎng)達(dá)30小時(shí)的冬季冰雪條件下的照片，包括凍雨、凍雨、濕雪和凍霧。
這些照片可以詳細(xì)測(cè)量和分析冰塊如何以及在哪里聚集在渦輪葉片上。Hu說，這些照片還使研究人員能夠?qū)⒆匀唤Y(jié)冰和實(shí)驗(yàn)室結(jié)冰進(jìn)行比較，并在很大程度上驗(yàn)證了他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果、理論和預(yù)測(cè)。
照片顯示，"雖然冰塊在整個(gè)葉片跨度上都有積聚，但發(fā)現(xiàn)更多的冰塊積聚在外側(cè)葉片上，葉片尖端附近的冰層厚度高達(dá)0.3米（近1英尺），"研究人員在最近在線發(fā)表于《可再生能源》雜志的一篇論文中寫道。研究人員使用渦輪機(jī)內(nèi)置的控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將葉片上有冰的運(yùn)行狀態(tài)和發(fā)電量與更典型的無冰條件進(jìn)行比較。
研究人員發(fā)現(xiàn)，結(jié)冰會(huì)有風(fēng)力發(fā)電機(jī)的表現(xiàn)有重大影響："盡管風(fēng)力很大，但發(fā)現(xiàn)結(jié)冰的風(fēng)力渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)速度更慢，甚至在結(jié)冰事件中頻繁關(guān)閉，結(jié)冰引起的功率損失高達(dá)80%。"
這意味著Hu將繼續(xù)致力于另一個(gè)領(lǐng)域的風(fēng)力渦輪機(jī)研究--尋找有效的方法來為葉片除冰，使它們?cè)谡麄€(gè)冬季都能保持旋轉(zhuǎn)，以便于電力持續(xù)流動(dòng)。
