風力發電機葉片除冰技術及相關材料研究進展

摘" 要：風力發電機葉片在低溫環境下極易結冰，會嚴重影響風電機組發電效率。針對風電葉片的除冰，分析風電葉片表面覆冰的原因及類型，綜述目前國內外主要的風電葉片除冰技術，包括涂層除冰、機械除冰、氣熱除冰及電熱除冰，其中電熱除冰技術具有可觀的發展前景。傳統電熱除冰技術能耗高，尋找新型的低能耗、高效率電熱除冰技術已成為目前重點研發之一。石墨烯具有優異的力學性能和導電升溫性能，在電熱除冰領域具有發展潛力。

關鍵詞：風機葉片;電熱除冰;石墨烯;電熱膜;能耗

中圖分類號：TM614" " " 文獻標志碼：A" " " " "文章編號：2095-2945（2024）09-0183-06

Abstract： The blade of wind turbine is easy to freeze in low temperature environment， which will seriously affect the power generation efficiency of wind turbine. Aiming at the deicing of wind power blades， the causes and types of icing on the surface of wind power blades are analyzed， and the main deicing technologies of wind power blades at home and abroad are summarized， including coating deicing， mechanical deicing， air-thermal deicing and electrothermal deicing. Among them， the electrothermal deicing technology has a considerable development prospect. The traditional electrothermal deicing technology has high energy consumption， so looking for a new type of low energy consumption and high efficiency electrothermal deicing technology has become one of the key research and development. Graphene has excellent mechanical properties and conductive heating properties， so it has development potential in the field of electrothermal deicing.

Keywords： wind turbine blade; electrothermal deicing; graphene; electrothermal film; energy consumption

化石能源作為一種有限的能源，已不能滿足當前人們的生活需求以及科技發展。風能來源于大氣的運動，是一種可再生的清潔能源。我國地貌復雜，海岸線長，風能資源豐富，具有大規模化發展潛力和商業化應用前景。風力發電機主要分布在沿海地區及高海拔地區，環境溫度常低于0 ℃，風力發電機組葉片在此條件下極易結冰。葉片結冰后，不僅會造成風速和風向的測量誤差，影響風電機組的功率控制，還會導致葉片產生不可逆形變，增大表面粗糙度，降低扭矩和功率輸出，影響空氣動力學特性[1-3]。葉片結冰嚴重，還會導致風電場大規模停工，造成巨大的電力和經濟損失，故對風電葉片除冰技術進行探索具有實際意義。現有的風電葉片除冰技術主要為主動除冰技術和被動除冰技術[4]，其中電熱除冰技術除冰效果最好。石墨烯具有優異的力學性能和導電發熱性能，將其作為導電填料加入樹脂基質制備的復合電熱膜用于風電葉片除冰，可實現低能耗、高效率的除冰目標。

1" 風電葉片表面結冰分析

1.1" 風電葉片覆冰原因

水的狀態與環境溫度和大氣壓有關，在標準大氣壓下，水會在0 ℃發生相變，由液態轉變為固態。水的液-固相變溫度會隨環境氣壓增大而降低，故在低于0 ℃的條件下，仍然會存在液態水。在低于0 ℃的條件下以液態形式存在的水滴稱為過冷水滴。過冷水滴穩定性差，易隨環境改變而快速凝結成冰[5-6]。

風電葉片表面結冰現象：當風電葉片的環境溫度低于0 ℃時，空氣中的過冷水滴與風電葉片表面發生碰撞，導致過冷水滴內部平衡被破壞，結冰溫度變高，在葉片表面凝結成冰[7]。

風電葉片前緣迎風面更易與過冷水滴發生碰撞，故此區域為重點除冰區域。風電葉片表面覆冰的過程是耦合相變復雜傳熱的階段，因為過冷水滴的溫度要高于葉片表面溫度，所以在過冷水滴撞擊葉片時，會快速地吸收水分，而經過凝固之后釋放熱量，然后過冷水滴在葉片表面迅速成冰。環境中過冷水滴的含量、尺寸不同，葉片表面的結冰形式也不同[1，4-6]。

1.2" 風電葉片覆冰類型

葉片表面覆冰類型根據空氣中過冷水滴的含量、尺寸的不同可分為雨凇、霧凇和混合凇[8]。

雨凇：過冷水滴與風電葉片發生碰撞，導致水滴分散成水膜，水膜在低溫環境下會凝結成均勻、透明的冰層。雨凇產生條件：低環境溫度（一般為-5～0 ℃）;空氣濕度較大（過冷水滴含量多，中等或偏大尺寸）。由雨凇形成的透明冰層附著力強，硬度較高，密度較大，可達900 kg/m3，如圖 1所示。

霧凇：在空氣中浮動的過冷水滴與葉片發生撞擊后，立即在葉片表面凝結成冰（不會形成水膜），如圖 2所示。霧凇分為硬凇和軟凇。

硬凇：當空氣中過冷水滴含量較高，尺寸較大時，則會在葉片表面形成白色或半透明的冰層，此類冰層附著力強，密度為600～900 kg/m3，較難清除。軟凇：當過冷水滴含量較少，尺寸較小時，則會在葉片表面凝結形成針狀或者雪花狀的冰層，結構松散，附著力低，密度一般為200～600 kg/m3，較易清除。

混合凇：由于結冰氣候復雜，空氣中的過冷水滴的含量和尺寸會發生變化，覆冰形式會交替出現或混合出現，形成混合凇。

此外，風電葉片表面覆冰也與地形地貌存在關系，在高海拔地區、沿海地區、平原高地和迎風山坡等區域，葉片覆冰情況較為嚴重。葉片在運行一段時間后，表面將會存在腐蝕、孔隙、老化和粗糙度增大等問題，導致葉片更易覆冰。

2" 風電葉片被動除冰技術

風電葉片被動除冰技術指改變葉片表面的物理屬性從而阻止或防止冰的積聚[4，9]。改變葉片表面的物理屬性通常是選用在葉片表面覆蓋涂層的方法來實現，此方法為涂層除冰[10-12]。

2.1" 疏水涂層除冰技術

在風電葉片表面覆蓋疏水涂層，增大葉片表面的接觸角，減少與過冷水滴的接觸時間，延緩冰層的積聚。顧光成等[13]采用硅酮橡膠和六甲基二硅氧烷制備一種彈性涂層，測其接觸角約為120°，大大縮短了過冷水滴在葉片表面的停留時間，疏水性能良好。通過掃描電鏡對彈性涂層進行表征，涂層表面結構致密光滑，能有效降低葉片表層與冰層的機械互鎖效應，減小了冰層的附著力。在實際風電場環境中，涂有彈性涂層的葉片能控制表面冰層厚度低于4 mm（厚度為無涂層葉片的8%），經反復覆冰-除冰后，除冰性能良好。李彬等[14]在風機葉片樣板表面涂覆吸能超雙疏防覆冰涂層，測試其接觸角、冰層附著力、表面溫升，并與空白樣板作對比：涂層樣板疏水性優異;冰層水平附著力和垂直附著力分別減少99%和89%;環境溫度-2 ℃、無降水條件下，涂層表面溫升為1.7～4.2 ℃。

2.2" 疏水涂層的改性

通過降低涂層表面能增強涂層疏水性，從而增強涂層除冰性能。鮑江涌[15]在葉片表面涂覆納米ZnO/SiO2復合涂層，并采用十七氟癸基三乙氧基硅烷（FAS-17）對ZnO進行表面改性，降低了ZnO顆粒的表面能，增強了涂層的疏水性。Zeng等[16]采用氟化改性法制備了一種超疏水防冰涂料，研究了全氟聚醚（PFPE）的加入對涂料性能的影響。研究結果表明，PFPE的加入使涂層的表面能從0%時的18.12 mJ/m2降低到15%時的13.22 mJ/m2。隨著PFPE用量的增加，涂層的接觸角增大，滑動角減小，延遲結冰性能得到改善。

通過改善涂層的粗糙度增強涂層疏水性。Li等[17]在生物炭表面合成獲得了一種大表面積的生物炭/聚吡咯涂層。通過掃描電子顯微鏡（SEM）分析，涂層表面呈多孔結構，具有不規則凹痕，有助于形成典型超疏水納米粗糙度結構。利用接觸角測量儀測定涂層的接觸角為151°，表明涂層疏水性良好。通過結冰風洞試驗，生物炭/聚吡啶包衣葉片與無包衣相比，結冰面積大大減小。He等[18]制備了一種交聯固體潤滑劑SLIPS（Slippery liquid-infused porous surfaces），并研究了其抗沖擊性、凍結時間和冰附著強度等特性。結果表明，該固體潤滑劑SLIPS具有良好的延遲結冰性和耐候性;在雨水沖擊8 h后幾乎無潤滑劑損失;經過15次結冰/除冰實驗后，冰的黏度強度仍維持在一個較低數值44.1 kPa。Zeng等[16]研究發現在涂層中添加納米粒子，可改善涂層的微觀結構，增強涂層疏水性。

涂層除冰相比于其他除冰技術，施工方便，且成本低。存在問題：涂層所用材質多為高分子材料，耐磨性、老化性需要給予重視;涂層通常在使用一段時間后，表面會產生空點、孔隙甚至裂紋等缺陷，過冷水滴流入涂層內部，凝結成冰，破壞內部質密結構，減少涂層使用壽命;涂層除冰技術只能延緩葉片表面冰層的積聚，很難阻止覆冰的形成，不能滿足高效率除冰要求。

3" 風電葉片主動除冰技術

主動除冰技術指利用加熱、機械敲打、物理振動等方式除去葉片表面已覆冰層。主要包括機械除冰、氣熱除冰、電熱除冰。

3.1" 機械除冰

機械除冰指通過敲擊、振動等物理方法破碎風電葉片表面冰層，破碎冰層在重力或風力發電機組運行時的離心力的作用下從葉片表層脫落[19-21]。

于周等[22]將充氣管道設計在除冰樣板表面保護層內部，再用彈性材料包裹，形成新型氣動脈沖除冰結構。在氣候箱內進行不同低溫不同冰層厚度的覆冰與除冰實驗，結果表明，隨著樣板環境溫度的降低、冰層厚度的增加，平均除冰氣壓呈現上升趨勢，脫冰面積比呈現下降趨勢。Zeng等[23]提出表面聲波可以通過同時減少靜電力和機械聯鎖及產生界面加熱效應來減少冰黏附。隨著聲波功率的增加，表面納米級振動增強，偶極子間距增加，從而減小靜電力。界面熱效應導致局部界面接觸相由固-固過渡到固-液，從而減少了冰的機械聯鎖。Awada等[24]提出了一種在惡劣氣象條件和不良振動條件下優化風力發電機組性能的解決方案，利用壓電片控制葉片的振動并對其表面進行修整，當產生的橫向應力超過冰鋁結合力時，該除冰系統能夠高效破碎葉片表面黏附冰層。殷紅[25]探究了一種適用于風電葉片的氣囊除冰技術，除冰過程中，剪切力破壞冰層與氣囊之間的黏附，當氣囊縱向加速度對冰層產生的慣性力大于冰層被削弱的黏附力時，冰層成功脫落。

機械除冰中，人工敲打冰層形式具有安全風險問題，且易造成風電葉片的形變，減少風電葉片壽命。其他除冰形式，如氣動脈沖除冰、聲波除冰、氣囊除冰等技術，技術成本較高，仍然會對風電葉片本身造成一定程度的形變。

3.2" 氣熱除冰

氣熱除冰技術指在風電葉片內部通入熱空氣，循環流動的熱空氣將熱量傳導到葉片表面進行除冰[26]。氣熱除冰系統主要組成部件包括鼓風機、加熱器、導風管及擋風板，如圖3所示[27]。

陳中亞等[28]在風電葉片環境溫度為-5 ℃，葉片前緣迎風風速為10 m/s的條件下，設計鼓風機風量高于2 500 m3/h，加熱器功率高于25 kW將熱空氣送入葉片內腔，可使葉片除冰區域外壁平均溫度約為2 ℃，最高溫度達14 ℃。楊博等[29]對熱風傳熱過程中的對流換熱以及導熱進行理論計算，得出不同傳熱過程的傳熱量，并以此分析出空氣加熱器的最小輸出熱量，最后通過仿真實例計算出風電葉片理論除冰時間。侯彬彬等[30]建立了一種適用于MW級風機葉片氣熱融冰過程的熱力學模型，并計算出葉片表層除冰時間，該結果與有限元仿真計算結果偏差低于7%。對風力發電場運行的2 MW機型葉片進行除冰實驗，氣熱除冰系統可在-10 ℃的環境溫度下除去葉片表面積冰。呂慶等[31]提出一種基于氣熱法原理設計的葉片除冰系統，通過風電場現場試驗，結果顯示，所設計的氣熱除冰系統具有良好的運行穩定性，能在-10 ℃的環境溫度下成功除去葉片表面覆冰。

氣熱除冰不涉及化學物質，有利于環保，無雷擊風險，結構簡單，維修成本低。存在問題：風電葉片原材質大多為玻纖增強環氧樹脂，導熱系數低，不利于熱空氣的熱量傳遞，除冰效果較弱;高效率氣熱除冰技術仍處于初期研發階段。

3.3" 電熱除冰

電熱除冰技術指在葉片上布置電熱元件，進行通電后，電熱元件將電能轉化為熱能，使得葉片表面與冰層之間形成一層水膜，降低了冰的黏附力，導致冰層在重力或風機運轉時的離心力的作用下從葉片表面脫落。

3.3.1" 電熱元件的應用現狀

傳統電熱元件通常采用金屬電阻絲，但其存在柔韌性差，易斷裂，線狀傳熱形式易導致發熱不均勻，電熱轉化效率低等問題，已不滿足低成本、低能耗除冰要求[32]。新型的電熱元件有碳纖維、高分子電熱膜、石墨，以及納米碳材料。

碳纖維具有高模量、高強度特點，且在其長絲方向上具有良好導電性和導熱性，Xu等[33]在風機葉片表面貼裝連續碳纖維片，并在葉片靜態和旋轉兩種工況下進行除冰實驗，結果表明，該方法能成功除去葉片表面覆冰，在風電葉片電熱除冰領域具有一定的發展潛力。

高分子電熱膜制作工藝簡單，發熱均勻性好，牟書香等[34]采用真空輔助灌注成型工藝在室溫下制備出含高分子電熱膜的夾層結構玻璃鋼樣板，并研究了樣板在低溫環境下的除冰性能，結果顯示，在環境溫度約為-15 ℃、功率密度為200～600 W/m2的條件下，樣板表面1 cm覆冰冰層可在1～3 h內除去。王延明[35]針對高分子電熱膜發熱技術設計出電熱除冰功率密度計算模型，基于此模型分析出葉片除冰功率密度的影響因素為環境溫度、冰層厚度與除冰時間，對此除冰技術具有實際的指導意義。Sabatier等[36]在葉片冰面形成區涂覆導電聚合物涂料，對涂料固化后涂層進行通電加熱進行除冰，除冰效果顯著。

石墨烯是碳原子以sp2雜化鍵合形成的單層六元環蜂窩狀結構的二維納米材料，厚度最低，強度是鋼的100多倍，高達130 GPa，熱導率是金剛石的3倍，載流子遷移率是高遷移率材料銻化銦的2倍，同時具有室溫量子霍爾效應、室溫鐵磁性等特性[37-39]，可形成一維的碳納米管和三維的石墨。王仕東等[40]采用超臨界二氧化碳剝離的方法剝離石墨制備石墨烯，并分別以石墨、石墨烯制備導電薄膜，測試其電熱特性，結果表明，石墨烯導電薄膜升溫速率遠高于石墨導電薄膜，傳熱效率更高，綜合傳熱系數增大。Fan等[41]采用環氧/鍍銀銅（Ag-Cu）和環氧/多壁碳納米管（MWCNTs）納米復合材料制備電熱膜。環氧/Ag-Cu涂層具有高導電性，在電壓作用下能快速發熱。環氧/MWCNTs涂層表現出高導熱性，將熱量傳導到整個表面。Zhao[42]等采用噴涂法制備了以多壁碳納米管為導電填料、丙烯酸樹脂為基體的電熱涂層，再于電熱涂層上覆蓋超疏水涂層。該除冰技術與傳統電加熱（金屬電阻絲嵌入葉片內部）技術相比，減少了58%的能耗，具有高效電加熱性能。朱茂林[43]采用溶液共混法制備了碳納米管超疏水涂層，并測試涂層性能指標，其體積電導率為2.17～5.28 S/m，接觸角為153～158°，具有較好的導電性與疏水性，但存在易開裂、與基底附著力低的問題。Chen等[44]將氧化石墨烯摻入葉片傳熱層可改善其傳熱性能，當摻量為0.1 wt%時，傳熱能耗降低5.4%。在葉片環境溫度為-10℃，風速為15 m/s的條件下，控制氧化石墨烯摻量為0.06 wt%，傳熱層功率密度為3 195.02 W/m2，風機葉片具有最好的除冰性能。黃坤等[45]將3%的石墨烯粉體加入到環氧有機硅樹脂中，通過攪拌混合均勻后，加入分散劑、消泡劑等助劑，再充分攪拌加入催化劑、固化劑，適度熟化后制備出導電涂料，并通過噴涂方式將涂料均勻布置于PET板材上制得電熱涂層。測試其電熱特性，涂層在25 ℃的環境溫度下，以20 V低電壓通電2 min，表層溫度可維持為61 ℃，電功率12.5 W/dm2。

石墨烯具有優異的力學性能和導電發熱性能，將其作為導電填料加入樹脂基質制備的復合電熱膜導電發熱性能優異。基于石墨烯制備的復合電熱膜作為電熱元件用于風電葉片除冰，能夠滿足高效率除冰的應用要求。

3.3.2" 石墨烯復合電熱膜除冰性能的影響因素及改善方法

石墨烯片層之間具有較大的吸引力，在溶液或膠乳中經常會發生團聚，不能均勻地分散在樹脂基質中，使得樹脂基質與導電填料的界面結合強度不理想，導致電熱膜易產生空點、孔隙、裂紋等缺陷，力學性能減弱，界面熱阻增大，影響除冰性能。故石墨烯在樹脂基質中的分散性是制備優異除冰性能電熱膜的關鍵。

1）石墨烯的表面功能化。將石墨烯表面功能化處理可改善填料在基體中的分散性，以及填料與樹脂基質之間的界面性能。劉默耕等[46]研究了螺旋狀石墨烯表面官能化對環氧樹脂基界面材料的性能影響，在20%的氧化度下處理螺旋石墨烯得到氧化螺旋石墨烯，引入了極性基團，由于極性基團的作用，石墨烯填料與環氧基體之間擁有更高的界面結合強度，使得體系呈現出優異的物理機械性能和電熱性能。黃東輝等[47]通過氧化石墨烯與脂肪二胺反應，在氧化石墨烯表面引入了氨基，再負載于玻璃纖維，最后通過真空輔助樹脂灌注工業制備出了環氧基復合材料，改善了體系的界面黏合性，提高了玻璃化轉變溫度，獲得了優異的物理機械性能。魏虹等[48]在氧化石墨烯中加入γ-氨丙基三乙氧基硅烷和辛基縮水甘油醚，通過機械攪拌和超聲分散的方法制備了改性氧化石墨烯增強環氧界面材料，表征后發現烷基化氧化石墨烯表面成功引入含氧活性基團和烷基分子鏈，使得填料在基體中擁有優異的浸潤分散性，改善了填料與基體的界面結合性。田泳等[49]利用表面改性劑烷基化氧化石墨烯，可改性填料在基體中的分散性，增強基體與填料界面之間的附著力。

2）納米粒子對石墨烯的改性。在石墨烯中加入碳納米管，碳納米管支架作用能阻止石墨烯片層之間重新堆疊，增強分散性，同時橋連石墨烯各個片層，構建穩定的導電網絡，提高導電發熱性能[50-54]。Yang等[50]將石墨烯與碳納米管共混對環氧樹脂進行改性，碳納米管在石墨烯片層間起到橋梁作用，在基體中形成網絡，增大了接觸面積，減少了界面熱阻和聲子散射，故當石墨烯碳納米管混合填料質量分數僅為1%，界面熱傳導率相對于純環氧樹脂熱導率提高了147%。Zheng等[52]采用卷對卷縫涂覆（R2R）和熱壓工藝制備了碳納米管（CNT）/水性聚氨酯（WPU）薄膜。CNT/WPU薄膜承受10萬組240次彎曲后，電阻波動僅為3.17%，在長度方向上重復拉伸2.0%應變而不影響其溫度分布，甚至可以承受10%應變的微弱沖擊。Raji等[55]制備了一種石墨烯納米帶與環氧樹脂的導電復合材料。石墨烯納米帶的平均厚度為30 nm，寬度為250 nm，長度為30 μm。在石墨烯納米帶含量為5 wt%時，環氧復合材料的電導率大于100 S/m。通電功率密度為0.5 W/cm2，可在-20 ℃環境下從靜態直升機旋翼葉片表面去除1 cm厚（14 g）的積冰。姜雄峰等[56]采用改進的Hummers方法制備氧化石墨烯（GO），再選用對苯二胺（PPD）還原GO制出rGO-PPD，再與多壁碳納米管（MWCNT）進行接枝（rGO-PPD∶MWCNT=1∶3）制得rGO-PPD-MWCNT復合導電填料，以環氧樹脂為基質制得電熱涂料。測定電熱膜的體積電阻率為1.90×10-4 Ω·m，導熱性能得到顯著改善。

4" 結束語

風電葉片電熱除冰技術在所有除冰技術中應用最為廣泛、除冰效果最好，具有可觀的發展前景。傳統電熱元件除冰能耗較高，發熱不均勻。石墨烯具有優異的力學性能和導電發熱性能，將其作為填料加入樹脂基質制備的復合電熱膜用于風電葉片除冰，可實現低能耗、高效率的除冰目標。

基于石墨烯復合電熱膜的風電葉片電熱除冰技術已經取得了一定進展，后續研發還需對以下問題進行探討：①簡化石墨烯復合電熱膜的制備工藝，降低成本，促進其工業規模化生產;②探究其在低溫環境下的老化性、疲勞性和穩定性，延長使用壽命。

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基金項目：重慶交通大學-國電投重慶能源研究院有限公司合作項目（130699JX0120220030）;重慶市研究生導師團隊建設項目（JDDSTD2022006）

第一作者簡介：趙磊（1992-），男，碩士，工程師。研究方向為電熱材料的制備及應用。

通信作者：袁小亞（1979-），男，博士，教授。研究方向為功能納米材料。