低溫地區風力發電機葉片表面覆冰問題的試驗研究

內蒙古龍源新能源發展有限公司 李向小

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

本文通過我國北部內蒙古低溫地區的現實環境因素，剖析低溫地區風電機葉片覆冰問題的機理及類型；并結合當下主要的覆冰除冰系統進行分析比較，闡明優劣；最后以彈性除冰涂層方案為例，呈現詳細的覆冰問題解決試驗研究流程。

1 風力發電機葉片表面覆冰機理及類型

1.1 內蒙古地區風電機葉片覆冰機理

內蒙古自治區南起北緯37°，北至北緯53°，處高緯度地區。整體地勢較高，為平均海拔1000m的高原型地貌。以溫帶大陸性季風氣候為主，降水少而不均，寒暑溫差較大；春季多大風，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。內蒙古高原日照充足，平均日照時數大于2700h，光能資源豐富；全年大風日數多發生于春季，平均持續10至40天不等。基于自身地理氣候條件，內蒙古自治區成為我國主要的風能發電場。

風電機葉片覆冰受到地形、氣候等多重條件影響。當環境溫度降至-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，受耦合相變的復雜傳熱效應影響，水汽迅速釋放熱量，繼而于葉片表面凝結成冰。內蒙古高原地形復雜，四周多山，風電場多設于冷熱氣流交匯地區，如山頂、埡口及迎風坡，風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。

1.2 風電機葉片覆冰類型

風電機葉片覆冰主要呈以下三種形態。一為雨凇，即大直徑冷水滴與葉片發生碰撞，水滴擴散成水膜后凝為冰層；通常發生于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，形成時環境氣溫通常低于-5℃且空氣濕度較低，因此相較于雨凇凝結水滴更小，呈干增長方式，晶體多形成于不光滑的葉片表面，晶體質地疏松，形狀不規則，粘附力較小[1]。三為混合凇，形成時環境氣溫為-10至-3℃，多出現于山區風速較高區域內，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、前緣腐蝕等原因產生的凹凸與粗糙化，也會使覆冰現象更加嚴重。

2 風力發電機葉片表面覆冰除冰系統

2.1 葉片氣熱除冰方案

此方案對葉片內部進行動能裝置，加熱葉片內部空氣并將熱量傳至葉片表面，降低表溫，以達到除冰效果。氣熱裝置能夠對葉尖、葉片后緣及葉根部位同時加熱，形成內部循環氣流，在防冰方面有效預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，進而通過葉片轉動產生的離心力使冰層脫離，以此實現除冰。通常，該裝置氣熱輸出溫度處于60～80℃，根據外界環境溫度將葉片表溫控制在0～10℃。氣熱除冰方案不會對風電機動力及防雷性能產生影響，但其作用受外環境溫度限制，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。該方案須在風電機葉片表面安裝動能裝置的相關金屬元件，與放置于外部的微波發射器進行信號連結，并通過附著于葉表的吸波材料實現分子高速運動。金屬元件及吸波材料會在一定程度上改變葉片運作時原有的氣動性，使葉片運轉負荷加重，且具有雷電隱患，因而并未廣泛投入使用。

2.3 超聲波技術除冰方案

此方案技術原理為，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力，當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壁安裝輕質傳感器，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冰。超聲波除冰系統多應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電機葉片覆冰除冰領域，但技術尚不成熟，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、疏水型及柔性抗結冰型涂層而言，高彈體涂層能夠將冰層黏附強度降至0.2kPa，由此成為解決風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混合后，則會形成兩種彈性涂料，因此類涂層材質剛度不均勻，其所產生的局部應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出極好的脫冰性能，但其尚未在更加復雜的自然環境中進行真實的脫冰模擬試驗，因此其在實際應用中的防覆冰及除冰能力還有待確定。本節則將以彈性除冰涂層技術的自然環境試驗研究，探尋其在現實風電機發電環境中所具備的實際性能與應用價值。

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，以此作為最終靜態測量值。而后將掃描電子顯微鏡（型號為日立SEM SU3500）放大倍數設置為1000，觀察葉片、涂層及水滴凝結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，須應用到半導體快速降溫板、測力計及測溫熱電偶等相關試驗器材。用透明保溫盒穩定制冷平臺的垂直方向溫度，并將風力發電機葉片材料--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 數顯測力計相連[3]。隨后開啟熱電偶，將空間內環境溫度保持至-2±0.1℃，向模具內注水直至結冰，待其穩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生相互作用的張力，使其黏附局部產生空隙；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特性分析

在實際應用中，冰層不僅會與葉片表層涂料產生黏附力，同時會受到葉片轉動產生的相關力的作用。為更加貼合實際作用效果，還須對運動中的風力發電機葉片進行受力分析，并探尋覆冰厚度與冰黏附力的數量關系。

風力發電機葉片覆冰情況呈現出一定規律。一方面葉尖部位的覆冰厚度會大于扇葉內側及根部；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。

當旋轉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運動的向心力影響。基于此，設覆冰層厚度δ 沿葉片旋轉半徑的附著分布滿足線性關系，即可得到公式：

其中：x 為半徑，m 與a 為系數。

據上文可知，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，即旋轉半徑長度。

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

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

運動中冰塊受到的總黏附力Fs為：

當覆冰層恰好在旋轉中脫離扇葉時，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 自然環境中彈性除冰涂層的性能測試試驗

3.3.1 風力發電機葉片不同位置的結冰變化

自然環境下的彈性除冰涂層性能試驗中，須將小風機置于距大風機上游15m 處，以還原真實風力發電環境，同時減少兩臺風機之間的干擾作用。試驗中，風機葉尖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，相近的環境溫度及濕度條件下，風電機葉片外尖部迎風面覆冰程度最重，并在向中心蔓延過程中呈現單調遞減趨勢。

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。將測試環境溫度控制在-10℃，平均風速設為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，當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，當涂層葉片旋轉覆冰長度達到4mm 后，又降低至2mm，表明旋轉過程中曾有覆冰層被甩脫；而無涂層葉片旋轉覆冰即使已達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確，其在自然環境中依舊保持著良好的抗黏附性。

4 結語

葉片覆冰是低溫地區風力發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電機的發電效率，并帶來設備損耗。為保持風能利用新能源系統的高效性、穩定性與可持續性，須不斷探究解決風電機葉片覆冰問題的有效方法。當下存在著多種風力發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電及葉片運轉影響較小，不會干擾風電機自身的動力及排雷性能，且材料環保，成本較低，效果顯著。