葉片結冰特性及疏水彈性涂層的脫冰試驗

應宇翔, 楊柳晶, 金崇會, 李 珂, 李亞斌, 周永剛

(1.國電寧波風電開發有限公司,浙江寧波 315000;2.浙江大學 能源清潔利用國家重點實驗室,杭州 310027;3.浙江科技學院 能源與環境系統工程系,杭州 310023)

由于風能的分布特性,我國風電廠多建于高山寒冷地區,并且冬季與春季的風能資源豐富[1-2],但此時風機葉片易發生結冰現象,影響設備的氣動特性,造成發電量損失,且會降低機組壽命,產生安全問題。

葉片結冰特性的主要研究方法有數值模擬[3]、風洞試驗[4]以及室內的相似模型試驗[5],而現場實測則較少。現有的風機葉片除冰技術可分為主動除冰和被動除冰2種。主動除冰方法包括加熱[6-7]、超聲波[8]和電磁脈沖[9]等,需要改變風機原有結構,這會帶來噪聲和振動等不良影響,且能耗較大[10]。被動除冰主要是在風機葉片上進行材料涂敷,通過改變葉片表面特性以達到防冰、除冰的目的,不影響風機結構且能耗少。其中,疏水涂層[11]、超疏水涂層[12]和光熱涂層[13]等是通過減少液滴在表面停留時間來實現防冰的,但在低溫下除冰作用有限。疏水彈性涂層在疏水防冰的基礎上,利用表層微尺度的形變來降低冰黏附強度,通過離心力等力的作用可以有效甩脫覆冰。

筆者通過搭建小型試驗風機進行了實地結冰特性研究,對疏水彈性涂層的除冰效果進行了驗證。在周期性切向力的作用下,疏水彈性涂層能夠有效降低冰塊的黏附強度,對霜冰和明冰都具有脫除效果,手涂涂層的脫冰效果優于噴涂涂層,且具有脫冰的耐久性,這為涂層在大風機上的應用奠定了基礎。

1 試驗裝置和測試方法

1.1 試驗風機參數

試驗風機如圖1所示,位于寧波某風電廠海拔700 m的山頂風口處。試驗系統主要由試驗風機、轉速表、風速儀、溫濕度傳感器和數據采集儀組成,其中試驗風機為小型風力發電機組,額定功率300 W,包括3個葉片、發電機、尾翼、超速剎車、照明和蓄電池。葉片直徑2 m,材質為玻璃纖維復合材料,設計轉速為400 r/min(風速為8 m/s)。為了減少爬坡風及近地附面層的影響,風機立柱高2.2 m,同時風機布置在山頂的邊緣。試驗過程中尾翼保證風機對準風來流方向,風速過高會吹起剎車板,以降低葉片轉速避免葉片超速運行。采用激光轉速表(型號SW-6234C)對葉片轉速進行監測,現場的風速、氣溫和濕度數據分別由風速儀(型號PG-510FSC)和溫濕度傳感器(型號FK-TH800)監測,并用數據采集儀(型號Agilent 34970A)記錄。在試驗風機左后方15 m處有1臺1.5 MW的風力發電機(型號UP77-1500),輪轂高度65 m,葉片直徑77 m,葉片材料為玻璃纖維復合材料,額定轉速17.4 r/min。

1.2 涂層的制備及性能測試方法

利用硅酮橡膠的高彈性和疏水性,配以六甲基二硅氧烷溶劑制備疏水彈性涂層。選取硅酮橡膠和六甲基二硅氧烷的質量比分別為1∶2和1∶3來制作手涂涂層和噴涂涂層。為了表征涂層的疏水性,采用視頻接觸角測試儀(型號OCA20)對涂層與水的接觸角進行測量,每個樣品取3 個試點,重復測量3 次取平均值。利用日立SU3500型號的臺式掃描電子顯微鏡(SEM)觀察葉片和涂層表面的微觀形貌,分析疏水彈性涂層的脫冰機理。

采用直接切拉法測試冰的黏附強度,測試系統如圖2所示,包括半導體制冷板、拉力計、結冰模具、玻璃罩、熱電偶和采集儀。具體測試過程如下:將測試樣品放置在半導體制冷板上,在樣品上放置結冰模具(長×寬×高為7 mm×7 mm×7 mm,壁厚2 mm);然后向模具內注入純凈水,打開電源開始制冷,監測制冷表面、模具內水和玻璃罩內環境溫度;待模具內水達到設定溫度,調整拉力計位置,水平緩慢勻速地拉結冰模具,直至結冰模具與樣品表面分離;最后取測試過程中拉力計的最大值與結冰面積比作為樣品的冰黏附強度。

圖2 冰黏附強度測試系統

1.3 涂層脫冰現場試驗方案

對試驗風機葉片進行編號,分別為1號、2號和3號。在整個1號葉片上手工涂刷疏水彈性涂層,在整個2號葉片上利用噴槍噴涂疏水彈性涂層,涂層厚度約為1 mm,3號葉片無涂層。在結霜冰和結明冰的氣象條件下觀測有無涂層條件下葉片的結冰參數,記錄試驗過程中的環境溫度、濕度、風速等。對于某1.5 MW的風力發電機(即大風機),記錄風速和功率參數,分析結冰對風機功率的影響。

2 風機葉片結冰特性

2.1 風機葉片霜冰覆冰特性

試驗風機結霜冰試驗期間的環境參數及大風機功率如圖3所示。環境相對濕度100%,試驗當天環境溫度從20:45開始降到0 ℃以下,21:00風速達到切出風速20 m/s,大風機降負荷停機,22:00啟動大風機時發現葉片結冰,覆冰導致風機未啟動運行。在機艙位置拍攝大風機葉根處的結冰圖像,如圖4所示,發現覆冰主要在葉片前緣位置[14],結冰形狀為羽毛形。從前緣位置到后緣,“羽毛”長度逐漸變短,分枝減少,濃度降低,同時“羽毛”根部小,呈小角度扇形展開。從結冰形態分布看,當葉片表面形成結冰點后(羽毛根部),其表面粗糙度增加,對水滴的捕獲能力增強,結冰量增加的幅度會慢慢增大。葉片結冰會影響空氣流過葉片流線,結冰嚴重時,葉片氣動外形改變,風機的輸出功率降低。然而,由于技術原因,大風機葉片葉尖處的覆冰情況圖像卻難以捕捉,因此在大風機附近設置小型試驗風機,以研究風機葉片不同位置的覆冰情況。

(a) 溫度

圖4 大風機葉根處覆蓋的霜冰圖像

從22:00開始每隔1 h測量試驗風機的結冰厚度并拍照記錄葉片的結冰圖像。不同時刻無涂層葉片結冰圖像如圖5所示,其中r為葉片旋轉半徑。

(a) 葉身處結冰圖像

可以看出,與大風機類似,試驗風機葉片結冰為白色,主要分布在葉片前緣,形狀為鋸齒狀。距離旋轉中心越遠,霜冰結冰量越多。葉片迎風面有少量的結冰,而在背風側基本沒有結冰。葉片不同位置結冰厚度隨時間的變化如圖6所示。從圖6可以看出,隨著時間的增加,葉片各位置結冰量增多,越靠近葉尖,增幅越明顯。從22:00—2:00,葉片結冰厚度隨時間延長呈線性增加。結冰厚度隨葉片位置變化增速不同,距離葉尖越近,結冰厚度增速越大。葉尖(r=800 mm)霜冰平均增速為10.8 mm/h,而近旋轉中心處(r=400 mm)的霜冰平均增速僅為4.4 mm/h。2:00—3:00風速約為15 m/s,溫度為-5 ℃,較2:00前溫度略有降低,但山上霧氣消散,空氣液態水含量降低,結冰量基本不變。從葉尖(r=800 mm)到近旋轉中心(r=400 mm),最大霜冰量由49.8 mm降低至20.8 mm,說明隨著旋轉半徑的增加,霜冰的結冰量也隨之增加。過冷云滴或霧滴在撞擊葉片的瞬間凝結成冰,粒狀冰塊累積而成霜冰[15]。葉片在風力推動下的旋轉過程中,空氣中的水滴在慣性作用下與葉片前緣碰撞的概率最高(相對速度大),葉片旋轉一圈半徑r處前緣單位面積捕捉的水滴量Mr可由式(1)表示:

圖6 無涂層試驗風機葉片不同位置霜冰厚度隨時間的變化

(1)

式中:Lwc為空氣的液態水含量;l為半徑r處葉片前緣弧長;dr為徑向微元。

可以看出,葉片前緣結冰量與液態水含量和半徑成正比。

2.2 風機葉片明冰覆冰特性

在環境溫度-2～0 ℃,風速6～10 m/s,相對濕度100%的條件下,風機葉片覆冰類型為明冰。相較于風機葉片覆霜冰時的氣象條件,環境風速和溫度均較低。由于環境溫度接近0 ℃,撞擊到葉片表面的水滴并不能立即凍結,而是在液態水滴掃掠過葉片過程中發生結冰[16]。在風和重力的作用下,表面液態水可以繞葉片流動[17],因此相比霜冰,葉片前緣明冰覆冰范圍有所擴大。試驗風機結明冰的圖像如圖7(a)所示,主要結冰位置與霜冰一致,且隨著旋轉半徑的增大,前緣結冰厚度增加,附著的明冰表面較光滑,冰體內無氣泡,比較透明。大風機葉片上掉落的冰塊圖像如圖7(b)和圖7(c)所示,大風機葉片上明冰的外形和小風機相似,小的冰塊前端呈鋸齒狀(前緣外側結的冰塊掉落),大的冰塊呈山峰狀,底部為弧面(與葉片的接觸面)。掉落冰塊厚度如圖7(d)所示,厚度有45 mm,明顯大于試驗風機的結冰厚度(2～6 mm)。

圖7 試驗風機明冰覆冰圖像及大風機掉落的明冰

3 疏水彈性涂層對不同類型覆冰的脫冰效果

3.1 涂層特性對結冰及脫冰的影響

3.1.1 涂層疏水性對結冰的影響

對風機廠家提供的葉片材料樣本、手涂涂層和噴涂涂層的接觸角進行測量,結果如圖8所示。由圖8可知,玻璃纖維復合板的接觸角平均值為70.2°,而涂層的接觸角在115°左右(疏水表面),增加了約45°,增幅約64%,手涂涂層的接觸角略大于噴涂涂層。材料表面微觀形貌是其疏水性的影響因素之一。利用掃描電子顯微鏡對葉片材料樣本、手涂涂層和噴涂涂層的微觀形貌進行觀測,放大倍率為1 000倍,如圖8所示?？梢钥闯?手涂涂層和噴涂涂層的微觀表面連續光滑,略有起伏,而葉片材料樣本表面凹凸不平,存在微米級的孔狀結構,從而導致葉片的潤濕性增強,接觸角減小。同時,當水滴在葉片表面結冰時,冰塊與葉片表面凹坑相互勾連,提高了冰塊脫落的難度。

圖8 風機葉片材料及涂層的接觸角與微觀形貌

研究表明,疏水表面在延緩結冰和脫冰方面具有明顯優勢。首先,涂層的接觸角越大,水滴在涂層表面的接觸面積越小,傳熱較慢,導致液膜達到成核條件(液滴發生核化產生冰晶)的速度減慢,從而有利于延緩水滴在葉片表面結冰[18]。其次,大的接觸角不利于水滴在涂層表面附著聚集,從而減小結冰厚度。液滴撞擊冷表面后,會經歷鋪展、回縮、黏附和反彈等動力學過程,由于疏水性的提高,液滴在撞擊疏水彈性涂層過程中動能損耗減小,回縮速率增大,回縮時間減小,液滴快速彈離表面,從而降低了結冰量[18-19]。最后,冰塊在疏水表面的附著力降低,在外力作用下容易脫落。

3.1.2 涂層彈性對脫冰的影響

采用冰黏附強度測試系統對葉片材料樣本和涂層的冰黏附強度進行測量,此時控制制冷表面溫度為-25 ℃,保持20 min,玻璃罩內環境溫度為-2 ℃,結果如圖9所示。5次試驗葉片的平均冰黏附強度為285 kPa,手涂涂層和噴涂涂層的冰黏附強度分別為17 kPa和22 kPa,降幅達93%。說明相比于葉片,涂層脫冰能力顯著,這主要得益于涂層光滑的表面特性以及彈性特征。一方面,光滑的涂層表面減小了涂層和冰塊的接觸面積,緩解了冰與粗糙葉片表面的勾連作用。另一方面,當涂層表面結冰時,冰塊在離心力、氣流擾動和周期性重力的作用下使彈性涂層發生微尺度形變,由于涂層厚度略有不同,形變量存在差異,此時局部區域涂層和冰塊分離產生空氣間隙,這有效降低了冰塊的黏附強度[20]。當冰塊質量較大時,周期性切向力引起的涂層形變勢能部分轉化成內能,提高了結冰界面的溫度。

圖9 不同材料的冰黏附強度

3.2 疏水彈性涂層的壽命測試

對于大風機而言,涂層的涂覆成本較高,提高涂層的壽命,可以降低運行成本。對疏水彈性涂層開展多次結冰-脫冰試驗,測量反復脫冰后涂層的接觸角和冰黏附強度,結果如圖10所示。試驗過程中手涂涂層的接觸角都高于噴涂涂層,其冰黏附強度要略低于噴涂涂層。這主要是由于手涂涂層和噴涂涂層的組成不同所致。作為防覆冰主要作用成分的硅酮橡膠的黏度可達175 830 mPa·s,不便于涂刷在葉片上,需用六甲基二硅氧烷稀釋。手涂涂層要易涂覆,因此要求黏度較高,而噴涂要能夠霧化,有利于均勻分散,因此要求黏度較低,故噴涂涂層的冰黏附強度略高于手涂涂層。然而,由于手涂涂層受操作者主觀影響較大,不利于標準化加工,因此建議采用噴涂方式作為涂層加工方式?？赏ㄟ^優化硅酮橡膠和六甲基二硅氧烷的比例,采用加壓噴涂高濃度硅酮橡膠的方式進一步提高噴涂涂層的防覆冰性能。

(a) 接觸角

隨著結冰-脫冰次數的增加,涂層的接觸角和冰黏附強度變化不明顯,5次試驗后手涂涂層和噴涂涂層的接觸角分別為117.5°和114.5°,冰黏附強度分別為16 kPa和25 kPa。可以看出多次結冰-脫冰試驗后,涂層的疏水特性和彈性沒有顯著變化,說明疏水彈性涂層具有良好的耐久性,其應用于風機葉片防覆冰具有可行性。

3.3 疏水彈性涂層對霜冰和明冰的脫除效果

分別在霜冰和明冰的氣象條件下開展涂層的脫冰試驗,如圖11所示。根據式(2)計算涂層的冰黏附強度σr:

(a) 手涂涂層(霜冰)

(2)

式中:F為冰塊的黏附力;s為冰塊與葉片的接觸面積;m為冰塊質量;δ為結冰厚度;ρ為冰塊的密度;ω為葉片轉速。

從表1可以看出,涂層上結霜冰時,手涂涂層的脫冰效果比噴涂涂層好,手涂涂層葉片冰塊脫落處的厚度為8.2 mm,對應的冰黏附強度為8.5 kPa,而噴涂涂層冰塊脫落處的厚度為11.2 mm,對應的冰黏附強度為14.1 kPa。涂層結明冰的脫冰圖像如圖11(c)和圖11(d)所示,其手涂涂層的脫冰厚度為3.1 mm,要小于噴涂涂層的脫冰厚度5.7 mm,對應的冰黏附強度分別為3.8 kPa和9.5 kPa。試驗過程中觀察到涂層結冰脫落時,無涂層葉片葉尖處的結冰沒有脫落。從表1還可以看出,霜冰的冰黏附強度要明顯大于明冰的冰黏附強度,這與結冰的環境溫度有關,冰黏附強度隨著環境溫度的降低而增強。

表1 疏水彈性涂層對試驗風機葉片不同類型覆冰的脫除效果

根據現場試驗風機脫冰處的結冰厚度和轉速計算得到的冰黏附強度(表1)要低于實驗室試驗結果,這主要是因為葉片上結的冰會和葉片一起旋轉,當葉片豎直向上或豎直向下時,冰塊的離心力和重力的方向分別為異向和同向,冰塊受到的力作周期性變化,容易使冰塊和涂層間產生空氣間隙,減小冰塊和涂層的接觸面積,降低了冰塊的冰黏附強度。根據試驗風機冰黏附強度測試結果,估算大風機的脫冰厚度,以大風機結冰較嚴重的葉尖r=28.9 m處為例,霜冰和明冰的脫冰厚度分別為104 mm和47 mm,基于前期大風機掉落的冰塊來判斷,能夠滿足風機運行的要求。

4 結 論

(1) 試驗風機和大風機的結冰形態相近,結冰主要分布在葉片前緣,相比霜冰,明冰在葉片前緣分布的范圍較大;葉片結冰形狀為鋸齒狀,隨著旋轉半徑的增大,葉片結冰量增多,基本呈線性關系。

(2) 疏水彈性涂層的接觸角要遠大于葉片材料,不利于水滴在涂層表面附著聚集,延緩了水滴在葉片表面結冰。這得益于涂層連續光滑的表面特征和微尺度的形變能力,有效降低了冰塊的黏附強度,多次結冰-脫冰試驗后,涂層的性能變化不大,說明涂層具有除冰的耐久性。

(3) 涂層對霜冰和明冰都具有脫除效果。相比于明冰,霜冰的冰黏附強度更大,脫冰厚度也大于明冰。同時受周期性切向力的影響,冰塊和涂層間易產生空氣間隙,降低了冰塊的冰黏附強度,有利于冰塊脫落。

(4) 手涂涂層和噴涂涂層均具有良好的脫冰性能,噴涂涂層的冰黏附強度略高于手涂涂層,然而從標準化操作以及易操作性考慮,建議采用噴涂工藝加工防覆冰葉片,但噴涂涂層組分和噴涂工藝還需進一步優化。