風電機組葉片防覆冰技術研究分析

文 | 吳光軍，孫志禹，朱亞偉，吳建華

風電機組葉片防覆冰技術研究分析

文 | 吳光軍，孫志禹，朱亞偉，吳建華

風能是一種清潔可再生能源，風力發電是最具商業化利用價值的新能源項目。截至2015年年底，全球風電累計裝機容量達到432419MW，累計年增長率達到17%，中國累計裝機容量達到145.1GW。

風電場風電機組葉片覆冰問題的提出

風電機組多安裝在高山及草原、沙漠、戈壁灘、沿海灘涂或近海區域，受冬季氣候變化影響，機組的葉片表面會發生覆冰現象，導致葉片工作性能異常和機組輸出功率無法達到保證功率曲線要求而停機。南方高海拔地區的風電場由于空氣濕度相對較大，當空氣中較冷的潮濕空氣、凍雨、冰雪所含的水汽，達到 0℃或以下氣溫時，這些水分子顆粒便形成了冰晶，當遇到同樣處在較低溫度的機組葉片時，這些水分子顆粒便在機組葉片表面、風速計和風向標處形成較為嚴重的覆冰。

經過對葉片覆冰的跟蹤觀察和模擬試驗，葉片前緣附近由于撞擊到葉片表面的水滴較多，并在葉片翼型前沿形成水滴繞流，大部分水滴凝結在翼型的下部，很容易凍結成冰。覆冰區域從葉片前緣翼型下沿的迎風面區域開始，大部分覆冰集中在葉片前緣，在輪轂附近的葉片根部位與葉尖到葉片中部近3米區域的覆冰相對嚴重，在整個葉片覆冰中該區域內的覆冰層的面積和厚度最大。

表1為2015年度某風電場一期機組（48臺）運行的實測數據。由表1可知，電量損失主要包括機組葉片覆冰引起的覆冰損失、電網的限電損失及機組檢修和維修等的故障損失。一期機組的平均風速分別為5.76 m/s，總發電量為83185.3MWh；其中，因機組葉片覆冰的總停機天數為42天，發電損失占總發電量的8.74%；因限電損失的總停機時間為605.5小時，發電損失占總發電量的10.51%；因機組故障損失總停機時間為4310.5小時，發電損失占總發電量的3.06%。綜上，機組葉片由覆冰導致的發電量損失較為嚴重，由此產生的電費損失1053.8萬元，平均每臺機組損失電費21.95萬元。因此，分析并解決機組葉片防抗覆冰問題是十分必要的。

國內外風電機組葉片防覆冰技術研究動態

常用的除覆冰方法有：被動除冰（如機械除冰、液體防除冰、涂層防除冰等）和主動除冰（熱氣除冰、微波除冰、電熱除冰等）兩大類，各種除冰方法的優劣性能比較見表2。

由于風電機組葉片的表面積大，材質、形狀、環境位置等相對特殊，對防抗覆冰的材料性質性能和工藝有著特殊嚴格的要求。表2中的幾種除冰措施、方法及其除冰效果，基本達不到防抗葉片覆冰的功能要求，進而也難以具有實際的應用價值。通過將聚四氟乙烯和功能納米材料制備成具有“自潔效應”的表面改性膜材料，是有望解決風電機組葉片防抗覆冰材料的最有效措施和方法。

納米改性PTFE與聚酯基復合膜防覆冰技術分析

隨著新材料技術的飛速進步，超級疏水表面材料的涂層已成為研究熱點；如通過噴砂和熱液處理，在葉片表面涂層FAS-17（Ti6Al4V合金和氟烷基硅），表面接觸角達161°，摩擦角3°。又如采用原子轉移自由基引發聚合，將含氟/硅單體制備成超級疏水性材料，接觸角為170.3°，滯后接觸角低于3°，降低了水的結晶點達6.8℃，結冰時間從196s延長至10054s?；诜鷺渲膬灝愋阅埽鬯姆蚁≒TFE）、聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚氟乙烯（PVF）的涂層最具有實用價值，已成為防冰/除冰領域的研究主流，是解決防/去覆冰問題的有效的、公認的材料，其優異的性能能滿足戶外復雜氣候變化的要求。

聚四氟乙烯樹脂如PVDF或PTFE樹脂，雖然有耐溶劑、耐熱性、耐氣候性等優點，但其固化需要高溫（360℃）處理。FEVE樹脂（氟烯烴和乙烯基醚的共聚物），降低了固化溫度（僅170℃×20min），且可以與異氰酸樹脂和三聚氰胺樹脂混合使用，目前基于含氟涂料的改性產品已成功用于飛機防冰領域。

附著納米制造技術的迅速發展，功能性無機納米材料層出不窮，如抗靜電的銻摻雜二氧化錫、自清潔和光催化的摻雜氧化鈦等，采用共混改性方法，能制備出功能可控、表面粗糙度可控的功能性聚氟材料膜。相對于自潔性良好的PTFE膜材料，表面含二氧化鈦改性的PTFE膜材料不僅具有優良的防污垢現象，還具有分解有機物污染的功能。

與防抗覆冰的聚氟材料的選擇相比，工程化的風電葉片的施工更為困難，特別是對已安裝風電葉片的施工顯得特別困難。

聚氟材料（PTFE、PVDF、PVF）有粉末狀、乳液狀、膜狀、織物狀等形式，其工程施加方法或固化方法各有優缺點。

聚氟粉末固化：因聚氟的結晶度高，溶于有機溶劑，需高溫（360℃）烘烤成膜；顯然，采用熱噴涂法或熔接法不能直接在風電葉片上（如環氧玻璃鋼或不飽和聚酯玻璃鋼）施工的。

聚氟乳液固化：氟烯烴和乙烯基醚的共聚樹脂（FEVE）解決了氟樹脂在常規溶劑中難以溶解的難題，實現了中溫（170℃）固化。隨著高反應活性網狀乙烯基單體新材料的商業化，如（2）丙氧化新戊二醇二丙烯酸酯、季戊四醇四丙烯酸酯、雙-三羥甲基丙烷四丙烯酸酯、（2）乙氧化雙酚A二甲基丙烯酸酯、（4）乙氧化雙酚A二甲基丙烯酸酯和三羥甲基丙烷三甲基丙烯酸酯等。研究聚氟材料（PTFE、PVDF、PVF）與高反應活性乙烯基單體的低溫固化技術，考察其對防除冰和抗老化等技術指標的影響，探索出中溫固化施工工藝的可行性，是值得深入研究的課題。

聚氟材料膜：PTFE、PVDF和PVF膜材料已是成熟的技術，其厚度可控制，已大量用于紡織品層壓復合、給水凈化處理、廢水處理等。在紡織領域，將聚氟材料膜粘合在其他基質（織物）上的復合技術已是成熟技術；但將聚氟材料膜粘接在風電葉片上，仍存在一些困難，表現在：（1）風電葉片的體積巨大（如風電場2MW風電機組，葉片長51.38m，表面積235.7 m2），且表面呈多曲率的變化；（2）粘接牢度及粘接使用壽命的研究缺乏經驗數據；（3）對風電葉片的表面要求（如雜質、靜電等）較高，否則容易產生因氣泡及長期曝曬引起脫落的現象。因此，對風電葉片基質的前處理及粘接牢度的大幅度提高，是研究的主要內容之一。

聚氟材料纖維及制品（聚酯基無紡布或針織物）：PTFE纖維的工業化生產始于1954年， PTFE纖維的紡絲經歷了載體紡絲、糊狀擠壓紡絲及膜裂紡絲等的發展歷程，現公認膜裂紡絲是提高PTFE纖維（短纖維，制作無紡布）性能和產量的最先進的技術，而擠壓紡絲仍是提高PTFE纖維（長纖維，制作針織物）性能的最佳技術。

目前，我國氟樹脂的聚合技術和PTFE纖維制品的應用技術已達到國外先進水平。聚氟材料短纖，可采用共混擠條和膜牽伸法制備，即先將PTFE粉末和潤滑介質（如異構烷烴油、潤滑劑、航空煤油）調成糊狀物，然后在高壓（15 MPa —20MPa）作用下擠壓和多次牽伸制備；同樣，功能納米材料的PTFE短纖可采用共混擠條和膜牽伸法制備，將PTFE膜表面噴涂納米材料溶液，烘干后經機械熱軋壓處理，制得納米改性PTFE膜。

但將納米改性PTFE膜直接粘貼在風電葉片上，粘接膠及其粘接牢度與壽命都存在問題。所以，通過在熱壓復合工藝作用下，將納米改性PTFE膜與聚酯基織物進行高溫粘接復合，制得納米改性PTFE膜與聚酯織物復合膜。在納米改性PTFE膜與聚酯基織物復合膜的聚酯基織物上，再進行光交聯粘結膠的涂層并且烘干，制得[納米改性PTFE膜－聚酯基織物－光交聯粘結膠]復合膜；將含光交聯粘結膠的一面直接粘貼在風電葉片的表面，粘接完成后，光交聯粘結膠在紫外光作用下，光引發劑產生自由基，光交聯粘結膠中各組份能形成共聚和交聯反應，生成網狀結構的丙烯酸酯樹脂，大幅度提高了聚酯基織物與機組葉片的粘結強度。有望從本質上解決PTFE膜與聚酯基復合膜在機組葉片表面牢固粘接的技術難題。

結語

風能是一種清潔可再生能源，但風電機組葉片的冬季覆冰現象，造成的電力損失較大；雖然低表面能的聚氟材料是機組葉片防覆冰的理想材料，但是仍存在施工較困難的技術難點。

針對聚氟材料與機組葉片粘接及對抗覆冰效果和耐老化性能的研究，是減少和防止機組葉片冬季覆冰的有效方法。

聚氟材料的粘接有較大困難，尤其是針對已安裝運行的機組葉片，選擇何種粘接方法，仍需要研究和工程評價。但是，采用聚酯基織物作為中間粘結層的復合粘結技術，替代聚氟材料與機組葉片的直接粘接或施加，能兼顧工程施工的特殊性要求，有望成為能解決風電葉片覆冰這一世界難題的新一代防抗覆冰新材料和新技術。

（作者單位：吳光軍：湖北能源集團新能源發展有限公司；孫志禹：中國長江三峽集團公司；朱亞偉：蘇州大學現代絲綢國家工程實驗室；吳建華：南京浩暉自動化系統有限公司）