汪根勝，石陽春，蔣立波，劉亮

（1.江西中電投新能源發(fā)電有限公司，南昌330096；2.長沙理工大學可再生能源電力技術湖南省重點實驗室，長沙410076）

環(huán)境效應與防護

風力機葉片防除冰技術研究現狀

汪根勝1，石陽春2，蔣立波2，劉亮2

（1.江西中電投新能源發(fā)電有限公司，南昌330096；2.長沙理工大學可再生能源電力技術湖南省重點實驗室，長沙410076）

提出了風力機防除冰的關鍵部件是葉片，并介紹了風力機葉片覆冰的影響，葉片防冰的主動與被動型方法及其各自的優(yōu)缺點。重點闡述了憎水涂料防冰法的研究現狀，并總結了憎水性涂料防冰的三大主要效果。對目前風力機葉片防除冰技術的主流方法進行了綜合評價，并指出了其日后的發(fā)展方向。

風力機葉片；覆冰；憎水性涂料；防除冰技術

隨著PM2.5等環(huán)境污染問題的出現，傳統(tǒng)能源已逐漸引起了人們的擔憂；另一方面，傳統(tǒng)能源也面臨著日益枯竭問題，因此大力開發(fā)新能源是當今社會的發(fā)展趨勢。風能作為一種清潔可再生能源，目前已成為新能源的主流之一。風能豐富的地區(qū)多分布在高原及山區(qū)地帶，在冬季期間，這些地區(qū)通常溫度低、濕度大，風電機組很容易發(fā)生結冰現象[1—4]。

機艙內部、導流罩內部通常都會安裝加熱器，并且機艙內齒輪箱在運行時也會釋放一定熱量，因而一般不會結冰，但風力機葉片、風速風向儀等部件由于長期暴露在濕度大、溫度低的環(huán)境下，極可能結冰[5—6]。風速風向儀結冰后會導致機組無法正常測量風速和風向，使得機組控制系統(tǒng)無法接收精準的風向信號，從而影響機組的效率。當結冰嚴重時，風速風向儀會因冰凍而不能運行，并引起機組停機。對于該問題，一般采取的措施是安置大功率加熱器來防止風速風向儀結冰，但耗能較大。目前國內有一種PC-5A型超聲波氣象站，該氣象站表面有防冰護體，內部裝有加熱器，且傳感器的旋轉部件導熱系數高。在-50℃的環(huán)境下，該氣象站的測量信號仍然精準可靠，適合在嚴寒條件下的風電場中使用。

當葉片結冰時會影響葉片的氣動特性，加強氣體在葉片表面的分流，使葉片升力減小、阻力增大，從而使得葉輪獲取的風能減小，導致機組出力下降。覆冰嚴重時會造成20%～50%的發(fā)電量損失，并且當葉片上的覆冰脫落時，還可能會造成潛在的安全隱患[7—12]。鑒于葉片結冰問題的嚴重性，文中將重點討論葉片結冰的處理方法。

1 風力機葉片防除冰方法

風力機葉片防覆冰按處理的時機可分為被動型和主動型兩大類。被動型是指待葉片覆冰到一定程度時，通過物理或化學方法將冰除去。該方法通常包括溶液除冰、機械除冰、氣囊式除冰。主動型一般是通過某些方法來防止積冰的產生，常見的有熱能防冰與涂料防冰。

1.1 溶液除冰

溶液除冰通常是將融冰液體噴灑在已結冰的表面，使冰層逐漸融化。常見的融冰液一般是氯鹽融冰劑（氯化鈉、氯化鈣等），但這些融冰劑會造成一定的污染。胡輝等[13]總結了融雪劑性能的表征方法以及合成原材料，并提出了正交試驗方法、控制變量法、對比實驗法等作為新型融雪劑研發(fā)過程中的實用表征方法，給融冰技術領域提供了最基礎的實驗指導。東北林業(yè)大學周密[14]研制了一種以氯化鈣為主要原料的顯色型環(huán)保融雪劑，該融雪劑可以根據冰雪融化后溶液的顏色變化來控制其用量，從而避免浪費，并通過實驗證明了該融雪劑的融冰能力大于氯化鈣，且對基底腐蝕極小。許英梅等[15]研發(fā)出了CMA（醋酸鈣鎂鹽）環(huán)保型融冰劑，與普通的氯鹽融冰劑相比，該融冰劑具有毒性低、融冰能力強、冰熔點低、綠色環(huán)保等特點。研究發(fā)現，當融冰劑中的氯化鎂、醋酸鎂、醋酸鈣的體積比為7∶2∶1時，融冰劑的融冰效率可高達114%，明顯高于國家標準的90%，是一種具有廣闊前景的環(huán)保型融冰劑。

1.2 機械除冰

機械除冰一般是通過人工利用工具將冰除碎，然后利用離心力振動，或氣流吹除等方法把冰除去。該方法除冰簡捷徹底，但是需要耗費大量的人力。人工除冰還需要部分停機，在損失發(fā)電量的同時還可能破壞機組。陳科全等[16]通過ABAQUS軟件對沖擊載荷作用下導線的機械除冰過程進行了模擬。研究表明，較小的溫度波動對機械式沖擊除冰裝置影響很小，而覆冰孔隙率、沖擊載荷大小、不同檔數、檔距等因素對除冰效果的影響較大。王超等[17]設計了一種新型的除冰機器人，該機器人工作時通過旋轉的圓柱形除冰裝置在推進移動的過程中能將冰層切削成粉末，從而達到高效簡便除冰的效果。目前還有一種較新穎的機械除冰法——超聲波除冰。該方法是利用超聲波在冰層與玻璃鋼葉片基板中傳播時產生的剪切力來減小冰層與葉片的粘附力，從而達到除冰目的。該方法不影響機組的運行，但需要消耗部分能量。譚海輝等[18]利用Lamb波和SH波在玻璃鋼葉片中的傳播特性，將超聲波除冰技術成功應用在風機葉片除冰上，并總結出了超聲波除冰技術在風機葉片上的最佳除冰頻率和最優(yōu)安裝距離。

1.3 氣囊式除冰

氣囊式除冰是在葉片的表面貼一層柔性條狀氣囊，在未結冰時氣囊處于平整的狀態(tài)。當附著的冰層達到一定厚度時，通過引氣裝置迅速沖入大量的氣體，并使之周期性地膨脹和收縮，破壞冰層與表面的結合，從而逐步使冰層爆裂，再通過氣動力的作用實現除冰目的。該除冰方式最初應用在飛機葉片上，能耗較低，使用壽命長。在風電場中應用較少，主要考慮到使用時可能影響葉片的氣動特性，而且會產生噪聲，運行維護費用較高。目前，提供該產品技術的代表主要是美國BFGoodrich公司[19]，氣囊式除冰原理如圖1所示。

圖1 氣囊式除冰原理Fig.1 Schematic of airbag deicing

1.4 熱能防冰

熱能防冰是利用一些裝置提供熱能來加熱物件表面，使物件表面溫度超過冰熔點，從而達到防除冰的效果，熱能防冰分為電熱防冰和熱風防冰。電熱防冰是在風機葉片制作時預埋電熱防冰系統(tǒng)裝置，或是在葉片表面貼上導電膜，通過加熱葉片來防冰。電熱防冰加熱裝置的功率通常在20～30 kW，長期使用必然消耗較多的電能。為了減少電能損失，陳棋[20]等對加熱裝置增設了報警及主動除冰系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過分析實際功率與機組功率曲線的偏差來判斷機組是否結冰，當確認結冰時，加熱元件才開始工作。

熱風防冰通常是利用機艙里的余熱或是在輪毅內安裝加熱裝置，通過鼓風機和管道將熱風送入葉片內部并保持管道內暖氣循環(huán)。德國Enercon公司近年開發(fā)了一套較成熟的熱風除冰系統(tǒng)，并且在瑞典的兩個地點進行了測試。經過兩個冬季的試驗，結果表明，該防冰系統(tǒng)能有效改善機組的出力[21]。Hudecz A[22]指出，近年來由于風力機葉片壁面的厚度逐漸增加，并且葉片材料導熱性能欠佳，因此熱風法很難達到有效的防冰效果。如果將具有高導熱性能的非傳統(tǒng)材料替代葉片材料，那么該方法的效果會大大改善。

1.5 涂料防冰

涂料防冰是利用涂料的物理或化學作用來達到防冰的目的。涂料防冰能耗較低，并且不會造成污染，是一種較理想的防冰方法。涂料防冰的途徑主要有兩種，一種是通過涂料中的某些材料獲取熱源來對被涂覆的物件表面進行加熱，以防止過冷卻水結冰；另一種思路則是最大限度地減小冰與物件襯底的粘附力，再借助氣流或離心力等作用，使得冰容易脫除。從原理上講，防冰涂料大致可分為電熱型、光熱型和憎水性三大類。

1）電熱型涂料。電熱型涂料中包含導電物質，使得涂料層形成一種半導體材料，并通過微小的泄流電流作用于物件表面所產生的電熱來防冰[23]。現有的電熱型防冰涂料通常用于絕緣體防冰，使用范圍較窄。涂川俊等[24]研制出了一種具有優(yōu)良電熱性能的復合型無機炭系電熱涂料，該涂料在溫度為（19±2）℃、電壓為36 V時，通電18 min后，其涂層表面溫度可達299℃，解決了傳統(tǒng)電熱型涂層表面發(fā)熱溫度較低、升溫較慢、耐熱性較差等問題。艾曉龍等[25]研究了不同導電填料對電熱型涂料電熱性能的影響，并通過電熱性能測試和SEM分析表明：對于炭系電熱涂料而言，石墨是一種優(yōu)良的導電填料。炭黑能有效地提高炭系電熱涂料的電熱性能，與碳化硅相比，炭黑對炭系電熱涂料具有更重要的影響。電熱涂料防冰法不夠穩(wěn)定，若物件表面的電流過小，則無法滿足防冰需要的熱量；電流較大時，又會造成較多的損失。風電機組在雷雨天氣還容易受到破壞，因此電熱涂料并不適用于風電機組。

2）光熱型涂料。光熱型防冰涂料主要由能吸收光熱的顏料及具有高疏水性的基料組成，利用吸收的光熱來達到防除冰目的[26]。光熱型涂料不僅需要具備穩(wěn)定性與良好的光學選擇性，還要具有節(jié)能環(huán)保、耐氣候性強、經濟性等特性。在實際應用中，光熱型涂料還存在某些問題。如采用PbS作為顏料，雖然制作簡單，且光學性優(yōu)異，但PbS會隨著使用時間的增長逐漸被氧化為PbSO4，從而失去吸熱的功能[27—28]。胡小華等[29]以改性的硅溶膠-苯丙乳液為基料，具有優(yōu)良吸光性能的FeMnCuOx為顏料，研制出了一種新型光熱性涂料。通過實驗發(fā)現，該涂料在-20～0℃的環(huán)境下，對未通電的鋁導線具有較好的防冰效果。吳桂初等[30]利用粉末火焰噴涂法研制出了黑鉻太陽能選擇性吸收涂層，該涂層在可見光譜區(qū)的吸收率可高達0.91。該涂料具有工藝簡單、成本較低、穩(wěn)定性較好等優(yōu)點，但是對環(huán)境會造成一定污染。光熱型涂料的效果主要取決于天氣條件，若在光照強烈的晴天，光熱型防冰涂料具有良好的防冰效果，但在陰雨天氣，該涂料的效果便會大打折扣。

3）憎水性涂料。憎水性涂料是利用憎水基團的作用（一般為C—H鍵），使得物件在空氣中與水接觸時避免被水潤濕，它反映了材料被水滴浸潤的難易程度，通常用接觸角（CA）來衡量其憎水能力。接觸角越大，水滴與表面接觸面積越小。當涂料的接觸角大于150°時，就認為該涂料具有憎水性能；若達到150°以上，則具有超疏水性能[31]。憎水性涂料具有優(yōu)異的憎水性和遷移性，價格低廉，既無能耗也無污染，還可以實現葉片全面防冰，是目前防冰技術的主流，因此有必要著重介紹憎水性涂料防冰技術。

2 憎水性涂料防冰技術發(fā)展現狀

2.1 憎水性涂料防冰原理

1997年，德國Barthlott和Neinhuis研究發(fā)現，荷葉表面上存在著許多微小的粗糙乳突，乳突的大小平均約10 μm，平均間距約為12 nm。每個乳突是由許多直徑在200 nm左右的突起組成的，這樣使得許多空氣充斥到水與固體表面之間，大大減小了水與固體的接觸面積，荷葉表面結構如圖2所示。普通的灰塵和雨水的尺寸遠大于這種結構的間隙，只能在面上的凸頂形成很少的接觸點。水在自身的表面張力作用下形成球狀，水球在滾動中吸附灰塵，并滾出葉面，實現了憎水效果。有研究發(fā)現，荷葉的接觸角為160°時滾動角僅約為20°，這項發(fā)現揭示了荷葉憎水的奧妙，為憎水涂料的發(fā)展奠定了基礎。

圖2 荷葉表面微元結構Fig.2 Micro cell structure of lotus leaf surface

2.2 國內外研究進展

憎水涂層一般都具有低表面能，表面能越低則涂層的附著力越小。目前科學所了解的表面能最低的材料是氟基聚合物和硅基聚合物。含氟材料由于碳氟鍵（C—F）的鍵能高、難極化，使得其表面能極低。馬茜[27]等通過實驗研究氟改性丙烯酸樹脂中含氟單體量與接觸角的關系。研究發(fā)現，當含氟單體量為7%（質量分數）時，F—C鍵接近飽和，涂層表面的接觸角達到最大值100°，表現出最強的憎水性。

肖春華[32]等通過風洞實驗對4種不同硅橡膠憎水涂層的防冰性能進行了研究。結果表明，憎水涂層只能降低結冰速率，無法完全阻止物件表面結冰，在高分子涂層中添加小分子材料可以增強涂層的憎水性能。該成果對于防冰涂料的研發(fā)具有參考價值。2012年，中遠關西公司研發(fā)了一種由氟碳樹脂和脂肪族多異氰酸酯組成的FC面漆。該產品通過納米防冰添加劑，降低了冰與物件表面的粘附力。試驗證明，該涂料具有優(yōu)異的抗冰性能、良好的柔韌性以及優(yōu)異的耐磨性，并在青海風電場項目應用中取得了良好的效果。FC面漆的出現，標志著中國在風電葉片防冰涂料領域中實現了重大突破。2013年，株洲時代新材公司研發(fā)出了一種以C—H樹脂為主劑的雙組分新型聚氨酯涂料。通過多地的試驗，結果表明，該涂料不僅具有超強的耐磨與抗疲勞性能，并且能極大地阻止水滴在葉片上的滯留，具有明顯的防冰性能，在嚴寒環(huán)境下能夠給風電葉片戴上“防凍手套”[33]。

國外學者對憎水涂料研究較多，技術相對成熟。L.Cao[34]等對憎水涂料進行了結冰實驗。實驗結果表明，憎水涂層的防冰性能不僅取決于表面的憎水性能，還與暴露在疏水表面上顆粒的尺寸大小有密切的關系[35]。該項研究成果進一步揭示了疏水涂層抗結冰的機理。S.A.Kulinich[36]課題組研究了4種微/納米級粗糙憎水涂層的防冰持久性問題。研究發(fā)現，憎水涂層的防冰性能隨著結冰/除冰次數的增加而逐漸降低，不同除冰次數下憎水表面的形貌如圖3所示。據他們解釋，這是因為結冰和除冰的過程會破壞憎水表面的粗糙度。此外，該課題組還發(fā)現憎水性涂料的防冰能力在潮濕的環(huán)境中會顯著降低。這意味著在潮濕的環(huán)境下，憎水涂料的作用會受到限制。

圖3 冰在不同試驗次數下憎水表面的形貌Fig.3 Hydrophobic surface morphology of ice after different number of trials

Wilson P W等[37]研發(fā)了一種光滑液體注入式多孔表面（SLIPS）。研究發(fā)現，該涂層可以降低水滴的結冰溫度，且在多次結冰/融冰后其防冰性能并未降低。SLIPS憎水涂層的研發(fā)，解決了傳統(tǒng)憎水涂料的粗糙結構易受到破壞等問題。Dou R等[38]研制了一種具有水潤滑性的防冰涂料，該防冰涂料可以直接應用于各種基板。和裸基板相比，該涂料可以大大降低基板表面與冰層的粘附強度。該課題組首次證明，在涂層表面上所形成的冰可以被給定的溫度和風速條件下的風吹走。此外，該涂層的低粘附性能甚至可以在-53℃的低溫下維持，有較好的穩(wěn)定性和耐久性，具有廣闊的應用價值。

2.3 憎水性涂料防冰三大效果

目前雖然有許多國內外學者致力于憎水涂料的研發(fā)，但迄今還沒有一種涂料能完全防止葉片結冰。憎水性涂料具有疏水性能，從而也表現出一定的防冰特性。將憎水涂料涂覆在葉片表面，主要有三大防冰效果。

1）延緩結冰時間。憎水涂料具有高滾動角，低表面能。水滴落在其表面，往往很容易滾落，使得水滴很難沾附在其表面，從而能大大延遲結冰時間點。如果葉片上涂有憎水涂料，那么將顯著增大結冰的難度，甚至在環(huán)境不太惡劣的情況下，還可能不結冰。Wang Hong等[39]觀察了超疏水基底與原基底的過冷水滴在-8℃環(huán)境下的結冰過程。研究發(fā)現，原基底在冰凍220 s時，水滴完全凍結，而涂覆微納米涂料的基底在520 s才完全結冰。該課題組研究表明，涂有微納米的涂料能延緩水滴結冰的時間。近日，某課題組對有機硅憎水性涂料的防冰性能進行了研究。在冰凍環(huán)境下，涂覆有機硅涂料的風力機葉片與未涂涂料的原葉片結冰情況對比如圖4所示。從圖4可以發(fā)現，當原葉片已經完全結冰時，涂覆有機硅涂料葉片上面的過冷水珠仍未結冰，且該葉片上留滯的水珠較少，原因是具有高滾動角的有機硅憎水涂料使得過冷水珠很容易從葉片上滾落。該實驗進一步驗證了憎水性涂料具有延遲結冰的效果。

圖4 有機硅涂料延遲結冰效果Fig.4 Delay of icing by silicone coating

2）降低冰層附著力。憎水涂料在較惡劣的環(huán)境下，并不能防止葉片結冰，但是卻能大大降低冰層與基底的附著力。如果結合葉片的離心與振動，將使得冰層更容易脫落。2011年，R.Menini等[40]研制了一種PTFE憎水涂層，并將涂覆該涂層的鋁基底與原裸鋁基底樣品置于風速為9.3 m/s、溫度為-10℃的風洞實驗室中進行實驗。實驗結果表明，冰層在涂覆PTFE涂層表面上的附著力僅為原鋁基底的1/4。該課題組分析其原因是，PTFE涂層微粗糙結構中存在大量的間隙，導致結冰后冰層與涂層基底表面間存在許多小空隙，這些空隙中充滿著空氣，因此冰層的附著力會大大降低。為了驗證憎水涂料降低冰層附著力的性能是否具有普遍性，畢茂強等[41]選用了A1，A2，B，C四種憎水涂料，以及鐵板、鋁板、玻璃板三種不同的基底，來研究憎水涂料表面附著力的特性。該實驗進一步證明，憎水性越強，冰層與基底的附著力越小。

3）減少結冰量。憎水涂料能阻止水滴的沾附，從而能大大減少結冰量，使得覆冰對機組輸出功率的影響降低到最小。胡小華[42]分別研究了裸導線、涂覆憎水涂料的導線、涂覆改進型憎水涂料（即憎水性更強）導線的結冰情況，并依次在-5，-10，-15，-20℃的溫度環(huán)境下，分別測量三根導線的結冰質量。結果表明，裸導線在以上四個溫度的結冰量分別為：2%，4.3%，5.3%，5.4%；涂覆涂料的導線為：1.2%，1.7%，1.3%，1.5%；涂覆改進涂料的導線為：0.8%，1.2%，0.79%，1.0%。這說明憎水性越強，減少的結冰量越多。盧津強[43]分別研究了普通和涂覆氟碳涂料以及涂覆氟硅烷涂料的三種不銹鋼基底的靜態(tài)原位冷凝結冰量。研究發(fā)現，普通不銹鋼基底表面的結冰量為0.026 g，涂覆氟碳涂料的為0.018 g，而涂覆氟硅烷涂料的僅為0.01 g。其中，氟碳涂料是一種憎水涂料，而氟硅烷涂料則是一種超疏水涂料。該實驗進一步證明憎水涂料具有抑制結冰的特性。

3 結語

文中指出了風電機組防冰的關鍵部件是風機葉片和風速風向儀，并提出了用PC-5A超聲波氣象站替換風速風向儀以防結冰的方案。闡述了目前國內外風機葉片常用的防除冰方法，并重點介紹了憎水涂料的研究現狀及三大防冰效果，主要結論有以下幾點。

1）被動型除冰法較麻煩，且耗能大，一般是起到輔助作用，不具有廣闊的發(fā)展空間。

2）主動型防冰法中的電熱型涂料有一定的安全隱患，光熱型涂料具有局限性，而憎水性涂料使用范圍廣且安全無污染，防冰能力較強，具有良好的發(fā)展前景。

3）憎水性涂料主要有延遲表面結冰時間點、減小基底附著力、有效減少結冰量等諸多特性，但在較惡劣的條件下（如相對濕度過大時），并不能防止基底結冰。

4）綜合考慮，風機葉片防除冰方法目前最佳的還是憎水涂料法。關于葉片防除冰技術，日后主要有兩個發(fā)展方向：進一步研發(fā)更具耐候性的憎水涂料，減少憎水涂料本身的局限；可以通過與熱能法的有效結合，來彌補憎水涂料的缺陷，實現兩者的優(yōu)勢互補，從而實現更好的防冰效果。

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Research Status of Wind Turbine Blade Deicing Technology

WANG Gen-sheng1，SHI Yang-chun2，JIANG Li-bo2，LIU Liang2
（1.China Power Investment of Jiangxi New Energy Power Generation Company，Nanchang 330096，China；2.Key Laboratory of Renewable Energy Electric-Technology of Hunan Province，Changsha 410076，China）

This paper put forward that the key components of wind turbine deicing was the blade,and introduced the effect of ice covering of the blade,the active and passive methods for wind turbine blade deicing together with their merits and defects.The review focused on the research status of hydrophobic deicing coating method,and summarized three main effects of the hydrophobic deicing coating.Finally,a comprehensive evaluation of the current mainstream method of wind turbine blade deicing technology was conducted,and its future development direction was pointed out.

wind turbine blades；ice coating；hydrophobic coating；deicing technology

SHI Yang-chun（1963—），Male，Ph.D.，Research focus：wind resource assessment.

10.7643/issn.1672-9242.2016.02.019

TJ07；TM315

：A

1672－9242（2016）02－0103-07

2015-10-17；

2015-11-17

Received：2015-10-17；Revised：2015-11-17

湖南省科技計劃資助項目（2013FJ6015）；江西中電投新能源發(fā)電有限公司資助項目（CPIXNY-AS-14-01）

Fund：Supported by Hunan Province Science and Technology Program（2013FJ6015）and China Power Investment of Jiangxi New Energy Power Generation Company（CPIXNY-AS-14-01）

汪根勝（1969—），男，江西婺源人，碩士，高級工程師，主要研究方向為風能開發(fā)與利用。

Biography：WANG Gen-sheng（1969—）,Male，from Wuyuan，Jiangxi，Master，Senior engineer，Research focus：development and utilization of wind energy.

石陽春（1963—），男，博士，主要研究方向為風資源評估。