陳 陽，薛浩鵬，郝志勇

(天津東汽風(fēng)電葉片工程有限公司 天津 300480)

人類的生存和發(fā)展離不開能源，而常規(guī)的化石能源儲量有限，再加上日益嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題，加快發(fā)展綠色可再生能源就顯得十分重要。風(fēng)能作為一種清潔安全的可再生能源，近幾年來發(fā)展非常迅速。

1 葉片結(jié)冰的原因及影響

我國雖然風(fēng)能儲備豐富，但風(fēng)資源基本分布在寒冷的北方及濕度非常大的西南和沿海地區(qū)。運(yùn)行在高濕地區(qū)的風(fēng)機(jī)，當(dāng)環(huán)境溫度降到 0,℃左右，濕空氣中的水滴撞擊到葉片外殼體表面(葉片殼體表面溫度不大于環(huán)境溫度)時，就會釋放潛熱，發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象(即凍雨結(jié)冰)，此種環(huán)境下葉片結(jié)冰，冰種多為明冰。而運(yùn)行在寒冷區(qū)域，因降雪而在葉片上發(fā)生積冰，此種冰種多為松冰(霜冰)。

葉片表面一旦結(jié)冰，一方面會影響葉片的氣動性能進(jìn)而降低機(jī)組發(fā)電效率，甚至還會縮短葉片的使用壽命；另一方面葉片運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，當(dāng)冰層粘附力下降時極易出現(xiàn)冰塊脫落，在重力和離心力的作用下，碎冰會被拋出很遠(yuǎn)，對機(jī)組四周的人員設(shè)備等造成傷害。因此，研究葉片除冰方法是非常有必要的。[1]

2 葉片除冰技術(shù)

目前，國內(nèi)各大風(fēng)機(jī)設(shè)備制造廠商，結(jié)合各自風(fēng)場實(shí)際情況，并參照國外同行的除冰方法和其他行業(yè)對戶外設(shè)備結(jié)冰后的處理方式，積極探索出了一些適合自身的葉片除冰方法。

2.1 防結(jié)冰涂料

每當(dāng)下雨后，可以發(fā)現(xiàn)雨水落在荷葉上時會自動聚集成水珠，水珠滾動過程中會將荷葉表面的灰塵雜物粘吸滾出葉面，使葉面始終保持干凈，這就是著名的“荷葉自潔效應(yīng)”。

固體界面的潤濕性可以用界面上水的接觸角來衡量，通常將接觸角小于 90,°的固體表面稱親水表面(hydrophilic surface)，大于90,°稱疏水表面(hydrophobic surface)，而荷葉表面就是典型的疏水表面。我們可以通過改性油漆，提高油漆涂層表面水的接觸角，讓雨水無法在葉片表面富集，這樣就可以大大降低葉片表面結(jié)冰的可能性。

研究表明，超疏水表面一般可以通過兩類技術(shù)路線來制備：一類是在低表面能的疏水材料表面上構(gòu)建微米-納米級粗糙結(jié)構(gòu)；另外一類是用低表面能物質(zhì)在微米-納米級粗糙結(jié)構(gòu)上進(jìn)行修飾處理。也就是說，如果能將葉片油漆在不改變自身耐沖擊、耐腐蝕、抗紫外等正常性能下，再使其擁有低表面能和粗糙的微觀結(jié)構(gòu)，就可以起到葉片防結(jié)冰的效果。這也是目前國內(nèi)一些廠家的研究方向之一，但這種防結(jié)冰涂料有較大的局限性，它并不能真正阻止葉片表面結(jié)冰，而是減少水與涂層之間的附著力，使水在外力的作用下迅速從葉片上脫離，因此這種涂料并不適用于那些存在連續(xù)低溫雨水天氣的風(fēng)場葉片。

2.2 熱力除冰

熱力除冰就是利用熱能間接或直接加熱葉片殼體，使物體表面溫度超過 0,℃，以達(dá)到防冰或除冰的目的，較為常見的方式有葉片表面電阻直接加熱和葉片腔體內(nèi)間接加熱兩種。[2]

2.2.1 葉片表面直接加熱除冰

經(jīng)研究，風(fēng)電葉片殼體表面結(jié)冰主要發(fā)生在葉片前緣區(qū)域，結(jié)冰程度從葉尖到葉跟逐漸減弱。因此我們可以在葉片前緣側(cè)鋪設(shè)加熱電阻，然后在葉片內(nèi)部鋪設(shè)動力電纜和通訊電纜，并與葉片表面的加熱元件連接成回路。葉片在運(yùn)行過程中，葉片表面加熱元件上的傳感器會收集葉片表面及四周的溫濕度等參數(shù)，通過通訊電纜將參數(shù)信號傳到葉根的控制柜，收到信號后根據(jù)情況，控制柜向加熱元件輸入電流，對葉片前緣進(jìn)行加熱，以此來達(dá)到葉片除冰效果。

這種除冰方式，需要在玻璃鋼表面額外鋪一層加熱元件。加熱材料與玻璃鋼本身的延展性不一致，在葉片運(yùn)行時，葉片發(fā)生形變，容易使加熱元件與玻璃鋼分離，使這種直接加熱除冰系統(tǒng)使用壽命降低，因此需要定期維護(hù)。此外，葉片表面安裝的傳感器等電子元器件存在被雷電擊毀的風(fēng)險，一旦這些電子元件損壞，整個除冰系統(tǒng)也就失去作用，如何避免這些缺點(diǎn)，還需要更加深入的研究。

2.2.2 葉片腔體內(nèi)間接加熱除冰

間接加熱除冰系統(tǒng)是利用傳熱學(xué)原理，在葉片內(nèi)腔通熱風(fēng)，依靠熱空氣和葉片內(nèi)腔殼體表面的對流換熱和殼體的熱傳導(dǎo)方式，提升葉片外表面溫度，達(dá)到防結(jié)冰與除冰的目的。

利用鼓風(fēng)機(jī)和空氣加熱器將熱空氣通過輸送管輸送到前緣加熱區(qū)域，熱空氣由葉根流向葉尖逐漸與葉片殼體發(fā)生熱交換，熱交換后的空氣再通過葉片后緣與主梁間的空腔回流到葉根，繼續(xù)被加熱利用。

考慮到葉片運(yùn)行時，它是具有一定的轉(zhuǎn)速，且葉片內(nèi)腔的空間是有限的，所以鼓風(fēng)機(jī)和空氣加熱器的幾何尺寸不能過大，重量不能過重。因此根據(jù)葉片型號的不同，選擇一種尺寸合適并且工作功率、加熱設(shè)備出口風(fēng)壓和出口溫度、加熱時間既能滿足葉片除冰需要，又不影響葉片正常運(yùn)行的空氣加熱器，就顯得非常重要。

2.3 其他除冰方式

據(jù)報道，國內(nèi)有人根據(jù)超聲波在玻璃鋼中的傳播形式，及其對葉片表面冰層的作用機(jī)理，建立葉片除冰的物理模型與有限元模型，通過數(shù)值計算確定出了超聲波除冰的最佳頻率。[3]

3 總 結(jié)

葉片表面結(jié)冰嚴(yán)重影響了葉片機(jī)組的發(fā)電效率，長期困擾北方和高濕地區(qū)風(fēng)場冬季風(fēng)電機(jī)組的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。目前國內(nèi)外應(yīng)用的這些除冰技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，需要業(yè)主和風(fēng)電設(shè)備制造商依據(jù)不同風(fēng)場各自的氣候條件來選擇合適的除冰方法，在葉片運(yùn)行過程中逐漸摸索完善這些除冰技術(shù)?！?/p>

［1］王偉，侯學(xué)杰，管曉穎，等.風(fēng)電葉片除冰技術(shù)的研究進(jìn)展[J].玻璃鋼復(fù)合材料，2014(1)：90-93.

［2］何玉林，侯海波，王磊，等.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組熱交換除冰系統(tǒng)[P].中國專利：CN 102003354A，2011.

［3］譚海輝，李錄平，靳攀科，等.風(fēng)力機(jī)葉片超聲波除冰理論與方法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2010(35)：112-117.