內(nèi)蒙古龍源新能源發(fā)展有限公司 李向小

可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略體系下，全球市場對可再生能源的應(yīng)用需求與日俱增。風(fēng)能利用系統(tǒng)以能量轉(zhuǎn)化為核心，形成風(fēng)能、機械功及電力輸出的完整轉(zhuǎn)化鏈，成為應(yīng)用最為廣泛的清潔、無污染、可再生能源之一。我國近93%的風(fēng)力發(fā)電機集中于西部、北部高緯度寒冷地區(qū)，以及西南部分濕度較大地區(qū)，風(fēng)力發(fā)電機葉片表面覆冰問題成為影響風(fēng)電場能源使用效能的主要因素。為從技術(shù)上解決風(fēng)電機葉片覆冰、防冰及除冰問題，可耐極端天氣成為風(fēng)能源應(yīng)用技術(shù)的主要發(fā)展方向。

本文通過我國北部內(nèi)蒙古低溫地區(qū)的現(xiàn)實環(huán)境因素，剖析低溫地區(qū)風(fēng)電機葉片覆冰問題的機理及類型；并結(jié)合當(dāng)下主要的覆冰除冰系統(tǒng)進行分析比較，闡明優(yōu)劣；最后以彈性除冰涂層方案為例，呈現(xiàn)詳細(xì)的覆冰問題解決試驗研究流程。

1 風(fēng)力發(fā)電機葉片表面覆冰機理及類型

1.1 內(nèi)蒙古地區(qū)風(fēng)電機葉片覆冰機理

內(nèi)蒙古自治區(qū)南起北緯37°，北至北緯53°，處高緯度地區(qū)。整體地勢較高，為平均海拔1000m的高原型地貌。以溫帶大陸性季風(fēng)氣候為主，降水少而不均，寒暑溫差較大；春季多大風(fēng)，夏季短促、降水集中，秋季氣溫驟降、易生霜凍，冬季則多寒潮天氣。內(nèi)蒙古高原日照充足，平均日照時數(shù)大于2700h，光能資源豐富；全年大風(fēng)日數(shù)多發(fā)生于春季，平均持續(xù)10至40天不等。基于自身地理氣候條件，內(nèi)蒙古自治區(qū)成為我國主要的風(fēng)能發(fā)電場。

風(fēng)電機葉片覆冰受到地形、氣候等多重條件影響。當(dāng)環(huán)境溫度降至-1℃至-8℃，且空氣濕度處于85%以上時，空氣中的液態(tài)水附著于葉片，此時葉片表溫相較水汽更低，受耦合相變的復(fù)雜傳熱效應(yīng)影響，水汽迅速釋放熱量，繼而于葉片表面凝結(jié)成冰。內(nèi)蒙古高原地形復(fù)雜，四周多山，風(fēng)電場多設(shè)于冷熱氣流交匯地區(qū)，如山頂、埡口及迎風(fēng)坡，風(fēng)力帶來的水汽使空氣濕度升高，易在換季氣溫變化時形成覆冰區(qū)。

1.2 風(fēng)電機葉片覆冰類型

風(fēng)電機葉片覆冰主要呈以下三種形態(tài)。一為雨凇，即大直徑冷水滴與葉片發(fā)生碰撞，水滴擴散成水膜后凝為冰層；通常發(fā)生于0至5℃，空氣濕度較大情況下，葉片表面覆冰透明度較高，硬度及密度較大，附著力更強。二為霧凇，形成時環(huán)境氣溫通常低于-5℃且空氣濕度較低，因此相較于雨凇凝結(jié)水滴更小，呈干增長方式，晶體多形成于不光滑的葉片表面，晶體質(zhì)地疏松，形狀不規(guī)則，粘附力較小[1]。三為混合凇，形成時環(huán)境氣溫為-10至-3℃，多出現(xiàn)于山區(qū)風(fēng)速較高區(qū)域內(nèi)，地面霧過冷水滴直徑大小不一，凝于葉片迎水面，附著力強，除冰難度較大。此外，葉片表面因積攢污漬、前緣腐蝕等原因產(chǎn)生的凹凸與粗糙化，也會使覆冰現(xiàn)象更加嚴(yán)重。

2 風(fēng)力發(fā)電機葉片表面覆冰除冰系統(tǒng)

2.1 葉片氣熱除冰方案

此方案對葉片內(nèi)部進行動能裝置，加熱葉片內(nèi)部空氣并將熱量傳至葉片表面，降低表溫，以達到除冰效果。氣熱裝置能夠?qū)θ~尖、葉片后緣及葉根部位同時加熱，形成內(nèi)部循環(huán)氣流，在防冰方面有效預(yù)防水汽觸及葉片冷凝成冰；而在除冰方面，氣流熱度則能在葉表與覆冰層間融化出一層水膜，進而通過葉片轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的離心力使冰層脫離，以此實現(xiàn)除冰。通常，該裝置氣熱輸出溫度處于60～80℃，根據(jù)外界環(huán)境溫度將葉片表溫控制在0～10℃。氣熱除冰方案不會對風(fēng)電機動力及防雷性能產(chǎn)生影響，但其作用受外環(huán)境溫度限制，對于低溫情況下的霧凇及混合凇，其除冰效果僅能保留50%。

2.2 微波除冰方案

微波除冰法即通過動能裝置加快葉片表面的分子運動，運動摩擦致使葉表溫度升高，進而融化表面冰層。該方案須在風(fēng)電機葉片表面安裝動能裝置的相關(guān)金屬元件，與放置于外部的微波發(fā)射器進行信號連結(jié)，并通過附著于葉表的吸波材料實現(xiàn)分子高速運動。金屬元件及吸波材料會在一定程度上改變?nèi)~片運作時原有的氣動性，使葉片運轉(zhuǎn)負(fù)荷加重，且具有雷電隱患，因而并未廣泛投入使用。

2.3 超聲波技術(shù)除冰方案

此方案技術(shù)原理為，以超聲波機械振動裝置同時振動葉片及覆冰，于冰層與葉表之間形成剪應(yīng)力，當(dāng)合力大于冰層附著力時，二者即會分離。其運作僅需于葉片內(nèi)壁安裝輕質(zhì)傳感器，不會影響葉片本身的氣動性能；且冰層直接脫落，能夠避免冰層融水回流以致葉片二次結(jié)冰。超聲波除冰系統(tǒng)多應(yīng)用于直升機旋翼槳葉的除冰工作，近年來開始逐漸遷移至風(fēng)電機葉片覆冰除冰領(lǐng)域，但技術(shù)尚不成熟，仍須進一步的功能完善。

2.4 彈性除冰涂層方案

彈性除冰涂層則是出于防冰角度，直接將與冰體結(jié)合力較低的材料涂于葉片表面，有效降低覆冰層的黏附強度，使其更易在扇葉旋轉(zhuǎn)的離心力作用下脫落。相較于潤滑表面型、疏水型及柔性抗結(jié)冰型涂層而言，高彈體涂層能夠?qū)⒈鶎羽じ綇姸冉抵?.2kPa，由此成為解決風(fēng)電機葉片覆冰問題的新興方案。彈性涂層成分以聚二甲基硅氧烷（PDMS）為主，表層存在微孔，能夠在葉片運動時，于冰層與涂層之間形成空隙；而在與煙灰、氣溶膠等彈性模量物質(zhì)混合后，則會形成兩種彈性涂料，因此類涂層材質(zhì)剛度不均勻，其所產(chǎn)生的局部應(yīng)力能夠進一步降低冰層的附著力，使除冰效果更勝一籌[2]。

3 以彈性除冰涂層技術(shù)解決葉片覆冰問題的試驗研究

盡管彈性涂層在研究中展現(xiàn)出極好的脫冰性能，但其尚未在更加復(fù)雜的自然環(huán)境中進行真實的脫冰模擬試驗，因此其在實際應(yīng)用中的防覆冰及除冰能力還有待確定。本節(jié)則將以彈性除冰涂層技術(shù)的自然環(huán)境試驗研究，探尋其在現(xiàn)實風(fēng)電機發(fā)電環(huán)境中所具備的實際性能與應(yīng)用價值。

3.1 除冰涂層制備及特性說明

本次研究所選用的彈性涂層材料以硅酮橡膠為彈性主體，六甲基二硅氧烷作為溶劑對其進行稀釋，降低黏度，便于涂刷。試驗中，分別將硅酮橡膠與六甲基二硅氧烷以2:3、1:2、1:3、1：4比例混合，逐層降低涂層濃度，攪拌至完全溶解后形成試驗用彈性涂層。

試驗過程中，選用視頻接觸角測量分析儀（型號為德國Data physics OCA20），對彈性涂層與水的接觸角進行測定。分別將水滴至上述四組不同濃度的涂層表面，在投影出的滴液外輪廓上選取多個試點，計算其接觸角并取平均值，以此作為最終靜態(tài)測量值。而后將掃描電子顯微鏡（型號為日立SEM SU3500）放大倍數(shù)設(shè)置為1000，觀察葉片、涂層及水滴凝結(jié)后的冰層之間的微觀分子形貌。

彈性涂層對冰的黏附力測試，須應(yīng)用到半導(dǎo)體快速降溫板、測力計及測溫?zé)犭娕嫉认嚓P(guān)試驗器材。用透明保溫盒穩(wěn)定制冷平臺的垂直方向溫度，并將風(fēng)力發(fā)電機葉片材料--玻璃鋼進行水平剪切，形成薄片。試驗開始后，分別將四組涂層材料涂至玻璃鋼切片上，并置于制冷臺上，將底部帶有2mm小孔方形模具留置于切片表面，孔中穿金屬絲，與100N 數(shù)顯測力計相連[3]。隨后開啟熱電偶，將空間內(nèi)環(huán)境溫度保持至-2±0.1℃，向模具內(nèi)注水直至結(jié)冰，待其穩(wěn)定后以恒定速度拉動測力計，至冰層與涂層材料分離，記錄脫冰過程中的壓力峰值，以此作為二者間黏附力的表征。

試驗結(jié)果表明，冰對未置涂層的玻璃鋼切片黏附力為303.1kPa，而對彈性涂層的黏附力均保持在25kPa 以下。同時，硅酮橡膠與六甲基二硅氧烷的材料配比在由2:3降至1:4過程中，冰的黏附力呈現(xiàn)平緩遞增趨勢；在降至1:3后黏附力陡升。因此可以得出，混合材料形成涂層具備光滑表面特性，能夠降低冰黏附力。且冰層脫除的表面機理與涂層的剛性表面，能夠在水平剪切力的作用下產(chǎn)生相互作用的張力，使其黏附局部產(chǎn)生空隙；空氣進入后，冰層與涂層在范德華力作用下重新貼合，產(chǎn)生接觸空腔；空腔在扇葉運動的脈沖傳播下逐漸擴大，直至冰塊整體脫離。

3.2 彈性涂層黏附葉片甩脫冰層的力學(xué)特性分析

在實際應(yīng)用中，冰層不僅會與葉片表層涂料產(chǎn)生黏附力，同時會受到葉片轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的相關(guān)力的作用。為更加貼合實際作用效果，還須對運動中的風(fēng)力發(fā)電機葉片進行受力分析，并探尋覆冰厚度與冰黏附力的數(shù)量關(guān)系。

風(fēng)力發(fā)電機葉片覆冰情況呈現(xiàn)出一定規(guī)律。一方面葉尖部位的覆冰厚度會大于扇葉內(nèi)側(cè)及根部；葉片外尖運動線速度更大，與水汽接觸碰撞更加頻繁，因此靠近尖部1/3部位覆冰情況最為嚴(yán)重。另一方面，葉尖部位同樣是冰層受到離心力作用脫落時的集中滑落點，因此在進行試驗受力分析時，會將由此處脫落的冰層視為同一整體。

當(dāng)旋轉(zhuǎn)葉片與水汽觸碰并形成覆冰時，冰層與葉片表面存在切向黏附力，冰層同時會受到葉片旋轉(zhuǎn)運動的向心力影響?；诖耍O(shè)覆冰層厚度δ 沿葉片旋轉(zhuǎn)半徑的附著分布滿足線性關(guān)系，即可得到公式：

其中：x 為半徑，m 與a 為系數(shù)。

據(jù)上文可知，葉尖處覆冰層厚度為整體峰值，因此得式：

其中：l 為葉片長度，即旋轉(zhuǎn)半徑長度。

已知冰黏附力與其接觸材料性質(zhì)相關(guān)，因此將黏附力視為恒定常量σs。設(shè)x0到l 的冰層在旋轉(zhuǎn)運動中被整體甩脫，此時冰層受到的旋轉(zhuǎn)離心力F 為：

其中：ρ 為冰塊密度，單位kg/m3，ω 為葉片旋轉(zhuǎn)角速度，單位為rad/s。

運動中冰塊受到的總黏附力Fs為：

當(dāng)覆冰層恰好在旋轉(zhuǎn)中脫離扇葉時，有：

由式（6）可知，冰黏附力與覆冰厚度成正相關(guān)變化，冰黏附力σs值越大，則覆冰厚度δmax越大，反之則越小。覆冰厚度越小，則更易在葉片旋轉(zhuǎn)中受離心力影響而脫落，由此可起到有效的除冰作用。

3.3 自然環(huán)境中彈性除冰涂層的性能測試試驗

3.3.1 風(fēng)力發(fā)電機葉片不同位置的結(jié)冰變化

自然環(huán)境下的彈性除冰涂層性能試驗中，須將小風(fēng)機置于距大風(fēng)機上游15m 處，以還原真實風(fēng)力發(fā)電環(huán)境，同時減少兩臺風(fēng)機之間的干擾作用。試驗中，風(fēng)機葉尖1/3處覆冰厚度最大，形成冰柱最長可達22.5mm，越靠近葉片旋轉(zhuǎn)中心，覆冰厚度及冰柱長度越小，僅有0.8mm。由此可知，相近的環(huán)境溫度及濕度條件下，風(fēng)電機葉片外尖部迎風(fēng)面覆冰程度最重，并在向中心蔓延過程中呈現(xiàn)單調(diào)遞減趨勢。

3.2.2 彈性涂層對葉片覆冰效果的影響

為模擬真實環(huán)境中的葉片覆冰狀況，試驗組將彈性涂料集中刷于葉尖部分。將測試環(huán)境溫度控制在-10℃，平均風(fēng)速設(shè)為15m/s。由此可知，彈性涂層首先具有較強的防冰效果，能夠延遲水汽凝結(jié)，當(dāng)無涂層葉片覆冰層厚度達到22mm 時，涂層葉片覆冰厚度僅1mm，效果差距明顯。其次，當(dāng)涂層葉片旋轉(zhuǎn)覆冰長度達到4mm 后，又降低至2mm，表明旋轉(zhuǎn)過程中曾有覆冰層被甩脫；而無涂層葉片旋轉(zhuǎn)覆冰即使已達51mm，也依舊附著于表面，未被甩脫。說明上文對彈性涂料的防冰及除冰效果猜測準(zhǔn)確，其在自然環(huán)境中依舊保持著良好的抗黏附性。

4 結(jié)語

葉片覆冰是低溫地區(qū)風(fēng)力發(fā)電機在運行過程中的主要問題點，葉片表面附著的冰層將會降低風(fēng)電機的發(fā)電效率，并帶來設(shè)備損耗。為保持風(fēng)能利用新能源系統(tǒng)的高效性、穩(wěn)定性與可持續(xù)性，須不斷探究解決風(fēng)電機葉片覆冰問題的有效方法。當(dāng)下存在著多種風(fēng)力發(fā)電機葉片表面覆冰除冰方案，包括氣熱除冰、微波除冰、超聲波除冰及彈性涂層除冰等。其中，彈性涂層除冰方案對風(fēng)電及葉片運轉(zhuǎn)影響較小，不會干擾風(fēng)電機自身的動力及排雷性能，且材料環(huán)保，成本較低，效果顯著。