风电机组叶片的冰冻问题会影响叶片的空气动力学轮廓，引起风电机组的附加载荷与额外振动，降低叶片及机组的使用寿命，导致机组故障，影响风电场的发电量，甚至会造成风电机组局部破损或整体坍塌。可见，冰冻问题已成为制约冰冻地区风电市场开发建设的重要因素。
本书旨在解决在寒冷气候下风电机组运行的关键问题，着重阐述结冰机理，分析其影响，并介绍防治措施。主要内容包括寒冷气候对风电机组设计和运行的影响、风电机组结冰的机理、结冰过程、防冰系统和热除冰系统的设计等。本书包含了丰富且细致的科学分析以及与流体动力学和热力学有关的计算和实例，还给出了实用的分析模型和数值模型，用于计算结冰影响和设计评估。

第1章 寒冷气候对风电机组设计和运行的影响
1.1 引言
1.2 寒冷地区的风电机组
1.2.1 阿尔卑斯山地区的风电机组
1.2.2 潜在可开发区域
1.3 寒冷气候下风电机组的运行
1.3.1 大雨
1.3.2 雷击
1.3.3 寒冷气候辅助设备
1.4 山地区域风电机组的运行
1.4.1 高海拔的影响
1.4.2 山地环境的特点
1.4.3 风能资源
1.4.4 空气密度随海拔的变化
1.4.5 风机在不同空气密度下的功率和推力
1.4.6 非标准空气密度下的功率曲线
1.4.7 低空气密度的对策
1.5 覆冰期间风电机组的运行
1.6 海上结冰
参考文献
第2章 风电机组结冰的相关特点342.1结冰对风电机组的影响
2.2 风电机组上的覆冰生长
2.3 覆冰的前提条件
2.4 结冰过程相关参数
2.5 结冰事件的定义
2.6 结冰检测
2.6.1 机电系统
2.6.2 电子系统
2.6.3 光学系统
2.6.4 风机参数
2.6.5 噪声测量
2.6.6 叶片表面的热力学状态
寒冷气候下的风电机组结冰影响与防治系统目录2.6.7 加热和未加热风速计的读数差异
2.6.8 风机结冰检测系统综合评价
2.6.9 测量现场的结冰情况
2.7 冰冻气候下测风仪的运行情况
2.8 覆冰预测模型
2.8.1 短期覆冰预测
2.8.2 超短期覆冰预测
2.8.3 缺乏相关信息的场址覆冰风险评估
2.9 甩冰和结冰风险
2.9.1 场址参数
2.9.2 甩冰质量
2.9.3 脱离半径和方位角分布
2.9.4 阻力和升力分布
2.9.5 冰击事件
2.9.6 地面上的冰块
2.10 覆冰的经济风险
2.11 防冰系统盈亏平衡分析
参考文献
第3章 覆冰叶片的气动性能873.1翼型周围的流态
3.2 叶片翼型的空气动力学概述
3.2.1 对称翼型
3.2.2 非对称翼型
3.3 覆冰翼型的空气动力学概述
3.4 覆冰对气动性能的影响
3.5 数值模拟
3.6 航空领域的试验测试
3.6.1 识别覆冰的几何形状
3.6.2 拟合冰的真实几何形状
3.7 覆冰的类型和边界层
3.7.1 离散粗糙度
3.7.2 角状冰
3.7.3 顺流冰
3.7.4 翼向脊状冰
3.7.5 失速行为
3.7.6 平稳空气动力学，三维和旋转效应
3.8 覆冰对发电量的影响
3.9 覆冰对风机气动性能的影响
3.9.1 气动弹性模型
3.9.2 叶片覆冰的物理模型
3.9.3 物理模型敏感性分析
3.9.42 0年疲劳寿命评估
3.10 覆冰叶轮不平衡的简化分析
参考文献
第4章 结冰过程1384.1冰的形成机理
4.2 结冰/防冰条件模拟
4.3 外部流场和温度场
4.4 表面润湿度建模
4.4.1 液滴撞击固定圆柱体
4.4.2 驻点撞击率的确定
4.4.3 粒子轨迹二维计算方法
4.4.4 固定圆柱体的求解
4.4.5 零攻角翼型前缘的撞击率
4.4.6 非零攻角和尺度效应的撞击率
4.4.7 示例
4.4.8 旋转翼型
4.5 质量守恒方程
4.5.1 基本质量流量分析
4.5.2 水膜连续性和破裂
4.6 冻结系数和Messinger模型
4.7 能量守恒方程
4.7.1 表面传热系数
4.7.2 长波辐射
4.7.3 短波辐射
4.8 问题的求解
4.8.1情况A：结冰表面Tw4.8.2情况B：无冰表面Ts>0℃
4.8.3 叶片结冰实例
4.9 冰面的热流体动力学过程
4.9.1 表面微观物理学
4.9.2 一般结冰过程中的回流水动力学和扩展的Messinger模型
参考文献
第5章 防冰系统2005.1引言
5.2 防冰系统评估流程
5.3 防冰系统概述与讨论
5.4 防冰系统分类
5.4.1 基于运行原理的防冰系统分类
5.4.2 机械防冰系统和热力防冰系统
5.4.3 其他防冰系统
5.5 基于持续时间的防冰系统分类
5.6 基于能量需求的防冰系统分类
5.7 防冰系统在风电机组中的应用
5.7.1 电加热防冰系统
5.7.2 管道内热空气循环加热系统
5.8 管道内热空气防冰系统的设计
5.8.1 几何建模
5.8.2 热流体动力分析
5.8.3 共轭传热分析
5.8.4 截水率
5.8.5 设计结果
5.9 防冰系统的能量效率
5.10 估算防冰所需功率的简化方法
5.11 防冰系统新技术
5.11.1 机械防冰
5.11.2 热力防冰
5.11.3 低附着力涂层材料
5.12 海上防冰系统
参考文献257参考阅读259物理量表

本书涵盖了寒冷气候下风电机组的大部分
工程问题，尤其是针对结冰的分析及其缓解方法
进行了介绍。近年来，风电机组结冰以及预测其
对载荷、控制系统、电力生产等方面影响的研究
正日益得到重视。结冰分析和防冰、除冰系统的
研究和开发是典型的多学科交叉领域，它涉及气
象学、空气动力学、传热学和冰物理学、风电机
组运维、经济学、制造产业链以及相关规范和法
规等。
寒冷气候下的恶劣环境可能降低风电机组
的可利用率。极端事件会造成附加载荷、损坏和
突发故障。空气密度的变化(低温、高海拔)会影
响风能利用率，并对控制策略产生重大影响。低
温同样会影响材料的物理性能和电子元器件的正
常工作。结冰还能引起更高的载荷、疲劳、振动
和能量损失。为了减轻这些影响，通常需要增设
相关辅助设备(防冰和除冰系统)。
尽管航空业对结冰的危害进行了大量的研
究工作，但是关于风电机组结冰的研究却很少。
大多数情况下，研究人员不得不使用当初为飞机
开发的相关方法来处理这些问题。风电机组结冰
问题现场观测和公开报告的缺乏使得这些模型的
确定和调整收效甚微。风电机组通常不会受到严
密监控，而且很难将偶尔的电力损失或一般故障
与结冰事件联系起来。结冰情况下功率曲线的衰
减虽偶见报道，但很难从业主或制造商那里获得
与结冰有关的气象数据，更别说获取与导致功率
下降有关的叶片冰粗糙度的信息了。
如本书第3章中案例所示，有关飞机典型机
翼（也用于风电机组叶片）的经验表明，大约1m
的弦翼前缘有2~5mm的覆冰，会导致最大升力系
数下降20%～50%，空气动力效率降至80%。类似
情况也会导致风电机组气动效率的大幅下降。
另一个问题是对失速的预测，这不利于控
制系统的控制计划，以及覆冰在叶片上不均匀生
长导致的质量不平衡。然而，从经济性角度来看
，为风电机组安装防冰、除冰系统并不总是经济
的。轻微的覆冰对风电机组的影响通常较小，当
覆冰较严重时可以选择停机。这些控制策略对可
靠而有效的覆冰检测提出了新的要求，这是当前
技术发展中一个新的、颇具挑战性的领域。
为阐释这些涉及面较广的问题，作者决定
从系统说明的角度来介绍，并提供必要的工程工
具。在各个章节中提出的理论已经被简化为易于
实施的模型和方法，而不是指向单个问题的详细
的数值解决方案。
尽管如此，在必要时对某些环节使用有限
元和有限差分模型进行处理，这可以作为更复杂
分析的基础。尽管进行了这些数值分析，但仍注
重于提供有助于工程实践的相关工程结论。
作者以该领域近十余年的研究为基础，收
集了在相关会议演讲、论文、博士课题和相关课
程中介绍的一些相关成果编写本书。并且，本书
是作者在2004年至2009年期间在位于Lyngby
（DK）的丹麦技术大学开设的风能硕士课程的扩
展和补充。
Lorenzo Battisti
2014年8月于特伦托

本书对于我国有非常现实的意义：我国风能资源主要集中在气候寒冷的三北（东北、西北、华北）地区和湿度较大的东南沿海地区，其中云贵、两广、两湖、江浙等地区为我国风电发展较快的地区。低温潮湿的环境下，这些地区的风电机组叶片存在严重的冰冻问题，风电机组叶片的冰冻问题会影响叶片的空气动力学轮廓，引起风电机组的附加载荷与额外振动，降低叶片及机组的使用寿命，导致机组故障，影响风力发电场的发电量。风电机组叶片挂冰运转，将使风电机组的发电量减少10%-20%，使得许多在役机组发电量低于投资预期，造成低效资产。冰冻往往造成风力发电机组过载运行，甚至会造成风电机组局部破损或整体坍塌。由此可见，冰冻问题已成为制约冰冻地区风电市场开发建设的重要因素。