1、第13卷第2期 2016年4月 装备环境工程 EQUIPMENT ENVIRONMENTAL ENGINEERING 103 风力机叶片防除冰技术研究现状 汪根胜 ，石阳春 ，蒋立波 ，刘亮 (1江西中电投新能源发电有限公司，南昌330096； 2长沙理工大学可再生能源电力技术湖南省重点实验室，长沙4 1 0076) 摘要：提出了风力机防除冰的关键部件是叶片，并介绍了风力机叶片覆冰的影响，叶片防冰的主动 与被动型方法及其各自的优缺点。重点阐述了憎水涂料防冰法的研究现状，并总结了憎水性涂料 防冰的三大主要效果。对目前风力机叶片防除冰技术的主流方法进行了综合评价，并指出了其日 后的发展方向。 关键
2、词：风力机叶片；覆冰；憎抽生涂料；防除冰技术 D0I：107643issn1672-9242201602019 中图分类号：TJ07；TM315 文献标识码：A 文章编号：16729242(2016)02010307 Research Status of Wind Turbine Blade Deicing Technology WANG Gensheng ，SHI Yangchun ，JIANG Li-bo ，LIU Liang (1China Power Investment ofJiangxi New Energy Power Generation Company，Nanchang 33
3、0096，China； 2Key Laboratory of Renewable Energy Electric-Technology of Hunan Province，Changsha 410076，China) ABSTRACT：This paper put forward that the key components of wind turbine deicing was the blade，and introduced the effect of ice coveting of the blade，the active and passive methods for wind tu
4、rbine blade deicing together with their merits and defectsThe review focused on the research status of hydrophobic deicing coating method，and summarized three main effects of the hydrophobic deicing coatingFinally，a comprehensive evaluation of the current mainstream method of wind turbine blade deic
5、ing technology was conducted，and its future development direction was pointed out KEY WORDS：wind turbine blades；ice coating；hydrophobic coating；deicing technology 随着PM25等环境污染问题的出现，传统能源已 逐渐引起了人们的担忧；另一方面，传统能源也面临 着日益枯竭问题，因此大力开发新能源是当今社会的 发展趋势。风能作为一种清洁可再生能源，目前已成 收稿日期：2015-1017；修订日期：20151117 Received：2015
6、1017；Revised：20151117 基金项目：湖南省科技计划资助项目(201 3FJ601 5)；江西中电投新能源发电有限公司资助项目(CPIXNYAS一1 4-01) Fund：Supposed by Hunan Province Science and Technology Program(2013FJ6015)and China Power Investment of Jiangxi New Energy Power Generation Company(CPIXNYAs一14一o1) 作者简介：汪根胜(1969一)，男，江西婺源人，硕士，高级工程师，主要研究方向为风能开发与利用
7、。 Biography：WANG Gensheng(1969-)，Male，from Wuyuan，Jiangxi，Master，Senior engineer，Research focus：development and utilization of wind energY 通讯作者：石阳春(1 963一)，男，博士，主要研究方向为风资源评估。 Corresponding author：SHI Yang-chun(1963-)，Male，PhD，Research focus：wind resource assessment 104 装备环境工程 2016年4月 为新能源的主流之一。风能丰富的
8、地区多分布在高 原及山区地带，在冬季期间，这些地区通常温度低、湿 度大，风电机组很容易发生结冰现象 。 机舱内部、导流罩内部通常都会安装加热器，并且 机舱内齿轮箱在运行时也会释放一定热量，因而一般 不会结冰，但风力机叶片、风速风向仪等部件由于长期 暴露在湿度大、温度低的环境下，极可能结冰 。风速 风向仪结冰后会导致机组无法正常测量风速和风向， 使得机组控制系统无法接收精准的风向信号，从而影 响机组的效率。当结冰严重时，风速风向仪会因冰冻 而不能运行，并引起机组停机。对于该问题，一般采 取的措施是安置大功率加热器来防止风速风向仪结 冰，但耗能较大。目前国内有一种PC一5A型超声波气 象站，该气象
9、站表面有防冰护体，内部装有加热器，且 传感器的旋转部件导热系数高。在一50的环境下， 该气象站的测量信号仍然精准可靠，适合在严寒条件 下的风电场中使用。 当叶片结冰时会影响叶片的气动特性，加强气体 在叶片表面的分流，使叶片升力减小、阻力增大，从而 使得叶轮获取的风能减小，导致机组出力下降。覆冰 严重时会造成2050的发电量损失，并且当叶片上 的覆冰脱落时，还可能会造成潜在的安全隐患 。 鉴于叶片结冰问题的严重性，文中将重点讨论叶片结 冰的处理方法。 1风力机叶片防除冰方法 风力机叶片防覆冰按处理的时机可分为被动型 和主动型两大类。被动型是指待叶片覆冰到一定程 度时，通过物理或化学方法将冰除去。
10、该方法通常包 括溶液除冰、机械除冰、气囊式除冰。主动型一般是 通过某些方法来防止积冰的产生，常见的有热能防冰 与涂料防冰。 11溶液除冰 溶液除冰通常是将融冰液体喷洒在已结冰的表 面，使冰层逐渐融化。常见的融冰液一般是氯盐融冰 剂(氯化钠、氯化钙等)，但这些融冰剂会造成一定的 污染。胡辉等 总结了融雪剂性能的表征方法以及合 成原材料，并提出了正交试验方法、控制变量法、对比 实验法等作为新型融雪剂研发过程中的实用表征方 法，给融冰技术领域提供了最基础的实验指导。东北 林业大学周密 研制了一种以氯化钙为主要原料的显 色型环保融雪剂，该融雪剂可以根据冰雪融化后溶液 的颜色变化来控制其用量，从而避免浪
11、费，并通过实 验证明了该融雪剂的融冰能力大于氯化钙，且对基底 腐蚀极小。许英梅等u 研发出了CMA(醋酸钙镁盐) 环保型融冰剂，与普通的氯盐融冰剂相比，该融冰剂 具有毒性低、融冰能力强、冰熔点低、绿色环保等特 点。研究发现，当融冰剂中的氯化镁、醋酸镁、醋酸钙 的体积比为7：2：1时，融冰剂的融冰效率可高达114， 明显高于国家标准的90，是一种具有广阔前景的环 保型融冰剂。 12机械除冰 机械除冰一般是通过人工利用工具将冰除碎，然 后利用离心力振动，或气流吹除等方法把冰除去。该 方法除冰简捷彻底，但是需要耗费大量的人力。人工 除冰还需要部分停机，在损失发电量的同时还可能破 坏机组。陈科全等 通
12、过ABAQUS软件对冲击载荷作 用下导线的机械除冰过程进行了模拟。研究表明，较 小的温度波动对机械式冲击除冰装置影响很小，而覆 冰孔隙率、冲击载荷大小、不同档数、档距等因素对除 冰效果的影响较大。王超等171设计了一种新型的除冰 机器人，该机器人工作时通过旋转的圆柱形除冰装置 在推进移动的过程中能将冰层切削成粉末，从而达到 高效简便除冰的效果。目前还有一种较新颖的机械 除冰法超声波除冰。该方法是利用超声波在冰 层与玻璃钢叶片基板中传播时产生的剪切力来减小 冰层与叶片的粘附力，从而达到除冰目的。该方法不 影响机组的运行，但需要消耗部分能量。谭海辉等1 利用Lamb波和SH波在玻璃钢叶片中的传播特
13、性，将 超声波除冰技术成功应用在风机叶片除冰上，并总结 出了超声波除冰技术在风机叶片上的最佳除冰频率 和最优安装距离。 13气囊式除冰 气囊式除冰是在叶片的表面贴一层柔性条状气 囊，在未结冰时气囊处于平整的状态。当附着的冰层 达到一定厚度时，通过引气装置迅速冲人大量的气 体，并使之周期性地膨胀和收缩，破坏冰层与表面的 结合，从而逐步使冰层爆裂，再通过气动力的作用实 现除冰目的。该除冰方式最初应用在飞机叶片上，能 耗较低，使用寿命长。在风电场中应用较少，主要考 虑到使用时可能影响叶片的气动特性，而且会产生噪 声，运行维护费用较高。目前，提供该产品技术的代 表主要是美国BFGoodrich公司 ，
14、气囊式除冰原理如 图1所示。 第13卷第2期 汪根胜等：风力机叶片防除冰技术研究现状 105 a膨胀前 蒜 图1气囊式除冰原理 Fig1 Schematic of airbag deicing 14热能防冰 热能防冰是利用一些装置提供热能来加热物件 表面，使物件表面温度超过冰熔点，从而达到防除冰 的效果，热能防冰分为电热防冰和热风防冰。电热防 冰是在风机叶片制作时预埋电热防冰系统装置，或是 在叶片表面贴上导电膜，通过加热叶片来防冰。电热 防冰加热装置的功率通常在2030 kW，长期使用必然 消耗较多的电能。为了减少电能损失，陈棋 u-等对加 热装置增设了报警及主动除冰系统。该系统通过分 析实际
15、功率与机组功率曲线的偏差来判断机组是否 结冰，当确认结冰时，加热元件才开始工作。 热风防冰通常是利用机舱里的余热或是在轮毅 内安装加热装置，通过鼓风机和管道将热风送人叶 片内部并保持管道内暖气循环。德国Enercon公司 近年开发了一套较成熟的热风除冰系统，并且在瑞 典的两个地点进行了测试。经过两个冬季的试验， 结果表明，该防冰系统能有效改善机组的出力21o Hudecz A22指出，近年来由于风力机叶片壁面的厚度 逐渐增加，并且叶片材料导热性能欠佳，因此热风法 很难达到有效的防冰效果。如果将具有高导热性能 的非传统材料替代叶片材料，那么该方法的效果会大 大改善 15涂料防冰 涂料防冰是利用涂
16、料的物理或化学作用来达到 防冰的目的。涂料防冰能耗较低，并且不会造成污 染，是一种较理想的防冰方法。涂料防冰的途径主要 有两种，一种是通过涂料中的某些材料获取热源来对 被涂覆的物件表面进行加热，以防止过冷却水结冰； 另一种思路则是最大限度地减小冰与物件衬底的粘 附力，再借助气流或离心力等作用，使得冰容易脱 除。从原理上讲，防冰涂料大致可分为电热型、光热 型和憎水性三大类。 1)电热型涂料。电热型涂料中包含导电物质，使 得涂料层形成一种半导体材料，并通过微小的泄流电 流作用于物件表面所产生的电热来防冰 。现有的电 热型防冰涂料通常用于绝缘体防冰，使用范围较窄。 涂川俊等 研制出了一种具有优良电热
17、性能的复合型 无机炭系电热涂料，该涂料在温度为(192)oC、电压 为36 V时，通电18 min后，其涂层表面温度可达 299，解决了传统电热型涂层表面发热温度较低、升 温较慢、耐热性较差等问题。艾晓龙等-z 研究了不同导 电填料对电热型涂料电热性能的影响，并通过电热性 能测试和SEM分析表明：对于炭系电热涂料而言，石墨 是一种优良的导电填料。炭黑能有效地提高炭系电热 涂料的电热性能，与碳化硅相比，炭黑对炭系电热涂料 具有更重要的影响。电热涂料防冰法不够稳定，若物 件表面的电流过小，则无法满足防冰需要的热量；电流 较大时，又会造成较多的损失。风电机组在雷雨天气 还容易受到破坏，因此电热涂料并
18、不适用于风电机组。 2)光热型涂料。光热型防冰涂料主要由能吸收 光热的颜料及具有高疏水性的基料组成，利用吸收的 光热来达到防除冰目的 。光热型涂料不仅需要具备 稳定性与良好的光学选择性，还要具有节能环保、耐 气候性强、经济性等特性。在实际应用中，光热型涂 料还存在某些问题。如采用PbS作为颜料，虽然制作 简单，且光学性优异，但PbS会随着使用时间的增长逐 渐被氧化为PbSO ，从而失去吸热的功能 -勰 。胡小华 等 以改性的硅溶胶一苯丙乳液为基料，具有优良吸光 性能的FeMnCuO 为颜料，研制出了一种新型光热性 涂料。通过实验发现，该涂料在一200的环境下，对 未通电的铝导线具有较好的防冰效
19、果。吴桂初等 。-利 用粉末火焰喷涂法研制出了黑铬太阳能选择性吸收 涂层，该涂层在可见光谱区的吸收率可高达091。该 涂料具有工艺简单、成本较低、稳定性较好等优点，但 是对环境会造成一定污染。光热型涂料的效果主要 取决于天气条件，若在光照强烈的晴天，光热型防冰 涂料具有良好的防冰效果，但在阴雨天气，该涂料的 效果便会大打折扣。 3)憎水性涂料。憎水性涂料是利用憎水基团的 作用(一般为cH键)，使得物件在空气中与水接触 时避免被水润湿，它反映了材料被水滴浸润的难易程 度，通常用接触角(CA)来衡量其憎水能力。接触角越 大，水滴与表面接触面积越小。当涂料的接触角大于 150。时，就认为该涂料具有憎
20、水性能；若达到150。 以上，则具有超疏水性能 ”。憎水性涂料具有优异的 憎水性和迁移性，价格低廉，既无能耗也无污染，还可 以实现叶片全面防冰，是目前防冰技术的主流，因此 有必要着重介绍憎水性涂料防冰技术。 108 装备环境工程 2016年4月 风机叶片常用的防除冰方法，并重点介绍了憎水涂料 的研究现状及三大防冰效果，主要结论有以下几点。 1)被动型除冰法较麻烦，且耗能大，一般是起到 辅助作用，不具有广阔的发展空间。 2)主动型防冰法中的电热型涂料有一定的安全 隐患，光热型涂料具有局限性，而憎水性涂料使用范 围广且安全无污染，防冰能力较强，具有良好的发展 前景。 3)憎水性涂料主要有延迟表面结
21、冰时间点、减小 基底附着力、有效减少结冰量等诸多特性，但在较恶劣 的条件下(如相对湿度过大时)，并不能防止基底结冰。 4)综合考虑，风机叶片防除冰方法目前最佳的还 是憎水涂料法。关于叶片防除冰技术，日后主要有两 个发展方向：进一步研发更具耐候性的憎水涂料，减 少憎水涂料本身的局限；可以通过与热能法的有效结 合，来弥补憎水涂料的缺陷，实现两者的优势互补，从 而实现更好的防冰效果。 8】 9 【10 参考文献： fl11 1】王伟，侯学杰，管晓颖，等风电叶片除冰技术的研究进展 fJ】玻璃钢复合材料，2014(1)：9O一93 WANG Wei，HOU Xuejie，GUAN Xiaoying，et
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