低温地区风力发电机叶片表面覆冰问题的试验研究

内蒙古龙源新能源发展有限公司 李向小

可持续发展战略体系下，全球市场对可再生能源的应用需求与日俱增。风能利用系统以能量转化为核心，形成风能、机械功及电力输出的完整转化链，成为应用最为广泛的清洁、无污染、可再生能源之一。我国近93%的风力发电机集中于西部、北部高纬度寒冷地区，以及西南部分湿度较大地区，风力发电机叶片表面覆冰问题成为影响风电场能源使用效能的主要因素。为从技术上解决风电机叶片覆冰、防冰及除冰问题，可耐极端天气成为风能源应用技术的主要发展方向。

本文通过我国北部内蒙古低温地区的现实环境因素，剖析低温地区风电机叶片覆冰问题的机理及类型；并结合当下主要的覆冰除冰系统进行分析比较，阐明优劣；最后以弹性除冰涂层方案为例，呈现详细的覆冰问题解决试验研究流程。

1 风力发电机叶片表面覆冰机理及类型

1.1 内蒙古地区风电机叶片覆冰机理

内蒙古自治区南起北纬37°，北至北纬53°，处高纬度地区。整体地势较高，为平均海拔1000m的高原型地貌。以温带大陆性季风气候为主，降水少而不均，寒暑温差较大；春季多大风，夏季短促、降水集中，秋季气温骤降、易生霜冻，冬季则多寒潮天气。内蒙古高原日照充足，平均日照时数大于2700h，光能资源丰富；全年大风日数多发生于春季，平均持续10至40天不等。基于自身地理气候条件，内蒙古自治区成为我国主要的风能发电场。

风电机叶片覆冰受到地形、气候等多重条件影响。当环境温度降至-1℃至-8℃，且空气湿度处于85%以上时，空气中的液态水附着于叶片，此时叶片表温相较水汽更低，受耦合相变的复杂传热效应影响，水汽迅速释放热量，继而于叶片表面凝结成冰。内蒙古高原地形复杂，四周多山，风电场多设于冷热气流交汇地区，如山顶、垭口及迎风坡，风力带来的水汽使空气湿度升高，易在换季气温变化时形成覆冰区。

1.2 风电机叶片覆冰类型

风电机叶片覆冰主要呈以下三种形态。一为雨凇，即大直径冷水滴与叶片发生碰撞，水滴扩散成水膜后凝为冰层；通常发生于0至5℃，空气湿度较大情况下，叶片表面覆冰透明度较高，硬度及密度较大，附着力更强。二为雾凇，形成时环境气温通常低于-5℃且空气湿度较低，因此相较于雨凇凝结水滴更小，呈干增长方式，晶体多形成于不光滑的叶片表面，晶体质地疏松，形状不规则，粘附力较小[1]。三为混合凇，形成时环境气温为-10至-3℃，多出现于山区风速较高区域内，地面雾过冷水滴直径大小不一，凝于叶片迎水面，附着力强，除冰难度较大。此外，叶片表面因积攒污渍、前缘腐蚀等原因产生的凹凸与粗糙化，也会使覆冰现象更加严重。

2 风力发电机叶片表面覆冰除冰系统

2.1 叶片气热除冰方案

此方案对叶片内部进行动能装置，加热叶片内部空气并将热量传至叶片表面，降低表温，以达到除冰效果。气热装置能够对叶尖、叶片后缘及叶根部位同时加热，形成内部循环气流，在防冰方面有效预防水汽触及叶片冷凝成冰；而在除冰方面，气流热度则能在叶表与覆冰层间融化出一层水膜，进而通过叶片转动产生的离心力使冰层脱离，以此实现除冰。通常，该装置气热输出温度处于60～80℃，根据外界环境温度将叶片表温控制在0～10℃。气热除冰方案不会对风电机动力及防雷性能产生影响，但其作用受外环境温度限制，对于低温情况下的雾凇及混合凇，其除冰效果仅能保留50%。

2.2 微波除冰方案

微波除冰法即通过动能装置加快叶片表面的分子运动，运动摩擦致使叶表温度升高，进而融化表面冰层。该方案须在风电机叶片表面安装动能装置的相关金属元件，与放置于外部的微波发射器进行信号连结，并通过附着于叶表的吸波材料实现分子高速运动。金属元件及吸波材料会在一定程度上改变叶片运作时原有的气动性，使叶片运转负荷加重，且具有雷电隐患，因而并未广泛投入使用。

2.3 超声波技术除冰方案

此方案技术原理为，以超声波机械振动装置同时振动叶片及覆冰，于冰层与叶表之间形成剪应力，当合力大于冰层附着力时，二者即会分离。其运作仅需于叶片内壁安装轻质传感器，不会影响叶片本身的气动性能；且冰层直接脱落，能够避免冰层融水回流以致叶片二次结冰。超声波除冰系统多应用于直升机旋翼桨叶的除冰工作，近年来开始逐渐迁移至风电机叶片覆冰除冰领域，但技术尚不成熟，仍须进一步的功能完善。

2.4 弹性除冰涂层方案

弹性除冰涂层则是出于防冰角度，直接将与冰体结合力较低的材料涂于叶片表面，有效降低覆冰层的黏附强度，使其更易在扇叶旋转的离心力作用下脱落。相较于润滑表面型、疏水型及柔性抗结冰型涂层而言，高弹体涂层能够将冰层黏附强度降至0.2kPa，由此成为解决风电机叶片覆冰问题的新兴方案。弹性涂层成分以聚二甲基硅氧烷（PDMS）为主，表层存在微孔，能够在叶片运动时，于冰层与涂层之间形成空隙；而在与烟灰、气溶胶等弹性模量物质混合后，则会形成两种弹性涂料，因此类涂层材质刚度不均匀，其所产生的局部应力能够进一步降低冰层的附着力，使除冰效果更胜一筹[2]。

3 以弹性除冰涂层技术解决叶片覆冰问题的试验研究

尽管弹性涂层在研究中展现出极好的脱冰性能，但其尚未在更加复杂的自然环境中进行真实的脱冰模拟试验，因此其在实际应用中的防覆冰及除冰能力还有待确定。本节则将以弹性除冰涂层技术的自然环境试验研究，探寻其在现实风电机发电环境中所具备的实际性能与应用价值。

3.1 除冰涂层制备及特性说明

本次研究所选用的弹性涂层材料以硅酮橡胶为弹性主体，六甲基二硅氧烷作为溶剂对其进行稀释，降低黏度，便于涂刷。试验中，分别将硅酮橡胶与六甲基二硅氧烷以2:3、1:2、1:3、1：4比例混合，逐层降低涂层浓度，搅拌至完全溶解后形成试验用弹性涂层。

试验过程中，选用视频接触角测量分析仪（型号为德国Data physics OCA20），对弹性涂层与水的接触角进行测定。分别将水滴至上述四组不同浓度的涂层表面，在投影出的滴液外轮廓上选取多个试点，计算其接触角并取平均值，以此作为最终静态测量值。而后将扫描电子显微镜（型号为日立SEM SU3500）放大倍数设置为1000，观察叶片、涂层及水滴凝结后的冰层之间的微观分子形貌。

弹性涂层对冰的黏附力测试，须应用到半导体快速降温板、测力计及测温热电偶等相关试验器材。用透明保温盒稳定制冷平台的垂直方向温度，并将风力发电机叶片材料--玻璃钢进行水平剪切，形成薄片。试验开始后，分别将四组涂层材料涂至玻璃钢切片上，并置于制冷台上，将底部带有2mm小孔方形模具留置于切片表面，孔中穿金属丝，与100N 数显测力计相连[3]。随后开启热电偶，将空间内环境温度保持至-2±0.1℃，向模具内注水直至结冰，待其稳定后以恒定速度拉动测力计，至冰层与涂层材料分离，记录脱冰过程中的压力峰值，以此作为二者间黏附力的表征。

试验结果表明，冰对未置涂层的玻璃钢切片黏附力为303.1kPa，而对弹性涂层的黏附力均保持在25kPa 以下。同时，硅酮橡胶与六甲基二硅氧烷的材料配比在由2:3降至1:4过程中，冰的黏附力呈现平缓递增趋势；在降至1:3后黏附力陡升。因此可以得出，混合材料形成涂层具备光滑表面特性，能够降低冰黏附力。且冰层脱除的表面机理与涂层的刚性表面，能够在水平剪切力的作用下产生相互作用的张力，使其黏附局部产生空隙；空气进入后，冰层与涂层在范德华力作用下重新贴合，产生接触空腔；空腔在扇叶运动的脉冲传播下逐渐扩大，直至冰块整体脱离。

3.2 弹性涂层黏附叶片甩脱冰层的力学特性分析

在实际应用中，冰层不仅会与叶片表层涂料产生黏附力，同时会受到叶片转动产生的相关力的作用。为更加贴合实际作用效果，还须对运动中的风力发电机叶片进行受力分析，并探寻覆冰厚度与冰黏附力的数量关系。

风力发电机叶片覆冰情况呈现出一定规律。一方面叶尖部位的覆冰厚度会大于扇叶内侧及根部；叶片外尖运动线速度更大，与水汽接触碰撞更加频繁，因此靠近尖部1/3部位覆冰情况最为严重。另一方面，叶尖部位同样是冰层受到离心力作用脱落时的集中滑落点，因此在进行试验受力分析时，会将由此处脱落的冰层视为同一整体。

当旋转叶片与水汽触碰并形成覆冰时，冰层与叶片表面存在切向黏附力，冰层同时会受到叶片旋转运动的向心力影响。基于此，设覆冰层厚度δ 沿叶片旋转半径的附着分布满足线性关系，即可得到公式：

其中：x 为半径，m 与a 为系数。

据上文可知，叶尖处覆冰层厚度为整体峰值，因此得式：

其中：l 为叶片长度，即旋转半径长度。

已知冰黏附力与其接触材料性质相关，因此将黏附力视为恒定常量σs。设x0到l 的冰层在旋转运动中被整体甩脱，此时冰层受到的旋转离心力F 为：

其中：ρ 为冰块密度，单位kg/m3，ω 为叶片旋转角速度，单位为rad/s。

运动中冰块受到的总黏附力Fs为：

当覆冰层恰好在旋转中脱离扇叶时，有：

由式（6）可知，冰黏附力与覆冰厚度成正相关变化，冰黏附力σs值越大，则覆冰厚度δmax越大，反之则越小。覆冰厚度越小，则更易在叶片旋转中受离心力影响而脱落，由此可起到有效的除冰作用。

3.3 自然环境中弹性除冰涂层的性能测试试验

3.3.1 风力发电机叶片不同位置的结冰变化

自然环境下的弹性除冰涂层性能试验中，须将小风机置于距大风机上游15m 处，以还原真实风力发电环境，同时减少两台风机之间的干扰作用。试验中，风机叶尖1/3处覆冰厚度最大，形成冰柱最长可达22.5mm，越靠近叶片旋转中心，覆冰厚度及冰柱长度越小，仅有0.8mm。由此可知，相近的环境温度及湿度条件下，风电机叶片外尖部迎风面覆冰程度最重，并在向中心蔓延过程中呈现单调递减趋势。

3.2.2 弹性涂层对叶片覆冰效果的影响

为模拟真实环境中的叶片覆冰状况，试验组将弹性涂料集中刷于叶尖部分。将测试环境温度控制在-10℃，平均风速设为15m/s。由此可知，弹性涂层首先具有较强的防冰效果，能够延迟水汽凝结，当无涂层叶片覆冰层厚度达到22mm 时，涂层叶片覆冰厚度仅1mm，效果差距明显。其次，当涂层叶片旋转覆冰长度达到4mm 后，又降低至2mm，表明旋转过程中曾有覆冰层被甩脱；而无涂层叶片旋转覆冰即使已达51mm，也依旧附着于表面，未被甩脱。说明上文对弹性涂料的防冰及除冰效果猜测准确，其在自然环境中依旧保持着良好的抗黏附性。

4 结语

叶片覆冰是低温地区风力发电机在运行过程中的主要问题点，叶片表面附着的冰层将会降低风电机的发电效率，并带来设备损耗。为保持风能利用新能源系统的高效性、稳定性与可持续性，须不断探究解决风电机叶片覆冰问题的有效方法。当下存在着多种风力发电机叶片表面覆冰除冰方案，包括气热除冰、微波除冰、超声波除冰及弹性涂层除冰等。其中，弹性涂层除冰方案对风电及叶片运转影响较小，不会干扰风电机自身的动力及排雷性能，且材料环保，成本较低，效果显著。