风力发电机叶片防覆冰涂层研究进展

摘 要：【目的】风力发电机叶片在低温下容易发生结冰、覆冰，对防覆冰涂层技术进行研究具有重要意义。【方法】通过对涉及风力发电机叶片防覆冰涂层技术的文献进行检索、标引，综述了国内外现有防覆冰涂层文献技术，列举了现有防覆冰涂层的类型、原理。【结果】在疏水型涂层、发热型涂层及其他功能涂层中，疏水型涂层是现有研究的重点。【结论】采用疏水型涂层结合电热涂层进行除冰是未来风力发电机叶片防覆冰的主要解决方案。

关键词：风机叶片；防覆冰；疏水涂层；光热涂层；电热涂层

中图分类号：TM315 文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2024）15-0076-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.15.017

Research Progress in Anti-icing Coating for Wind Turbine Blades

AN Xiangfei CHU Yanfeng

（Patent Examination Cooperation （Henan） Center of the Patent Office， CNIPA， Zhengzhou 450000，China）

Abstract： [Purposes] Wind turbine blades are prone to icing and ice accretion at low temperatures， making the analysis and research of anti-icing coating technology of significant importance. [Methods] This paper conducts a literature search and indexing on the anti-icing coating technology for wind turbine blades， reviewing the existing anti-icing coating literature and technologies both domestically and internationally， and lists the types and principles of existing anti-icing coatings. [Findings] Current research includes hydrophobic coatings， heating-type coatings， and other functional coatings， with hydrophobic coatings being the focus of research. [Conclusions] Using hydrophobic coatings combined with electrothermal coatings for de-icing will become the main solution for anti-icing of wind turbine blades in the future.

Keywords： wind turbine blades; anti-icing; hydrophobic coatings; photothermal coatings; electrothermal coatings

0 引言

风力发电作为清洁能源的重要组成部分，在全球能源结构中的比重持续增长。根据国家能源局数据统计，截至2024年3月，我国风电累计并网容量达到4.57亿kW，同比增长22%，其中陆上风电4.19亿kW，海上风电3 803万kW。叶片作为风力发电机的重要组成部件，其气动性能直接影响风力发电机转换风能的效率。由于风力发电机大多建在高纬度山区或沿海地区，环境温度较低，风力发电机叶片在此条件下极易结冰。叶片覆冰后，不仅会造成风速和风向的测量误差，影响风电机组的功率控制，还会破坏叶片的形状和结构，影响空气动力学特性。结冰引起的叶片振动和不平衡会影响转子结构载荷，进而导致扭矩和功率输出的降低，严重时甚至会导致风电场大规模停工，造成巨大的电力和经济损失［1-3］。另外，覆冰在融化时会随着高速旋转的叶片甩出，可能会威胁周边人员、设备的安全。因此对风力发电机叶片除冰技术进行研究具有重要意义。

覆冰形成的原因是气温低于零度时空气中过冷水滴与风力发电机叶片撞击，破坏过冷水滴内部平衡，从而在叶片表面迅速结冰［4-5］。现有的风力发电机叶片除冰技术主要分为主动除冰技术和被动除冰技术。主动除冰聚焦于冰层形成后覆冰的除去，包括溶液防冰、机械除冰、热力除冰等。被动除冰一般是通过对基材表面进行处理，从而减缓或阻止冰层的形成，主要是利用特殊涂料减小冰与物件表面的黏附力或者加快覆冰融化从而把冰从表面除去［6-8］。相对来说，采用涂层防覆冰具有成本低、免维护、布置方便等一系列优点，更受研究者的关注。

1 风力发电机防覆冰涂层研究趋势及分类

本研究以风力发电机叶片防覆冰涂层相关研究作为检索范围，分别在专利数据库（Himmpat）和非专利数据库中国知网、Web of Sciences中进行了检索并进行数据统计分析，其文献量全球逐年变化趋势如图1所示。从图1可以看出，无论是在专利数据库还是非专利数据库中，防覆冰涂层的文献量均呈现增长趋势，这与全球风力发电机市场逐年增长的态势是一致的，也说明了防覆冰涂层技术持续受到关注。

为更好地了解防覆冰涂层技术研究现状，本研究基于已有的防覆冰涂层的除冰机理，对检索到的防覆冰涂层文献中涉及的技术方案进行分析归纳，（见表1），以期对风力发电机叶片防冻除冰涂层策略的选择提供技术参考。下文将对各个类型的涂层相关技术研究进展进行具体说明。

2 疏水型涂层

疏水型涂层用于防覆冰一直都是研究的热点和重点。利用涂料在叶片表面构建低表面能疏水涂层，使液滴与基材的接触角变大，防止水汽或者水滴在叶片上润湿、附着（如图2所示）［9］，使水滴难以滞留叶片表面阻止形成覆冰，同时低表面能可以减弱覆冰层与涂层之间的附着力，使得覆冰易于去除疏水型涂层。疏水型涂层通常以有机氟、有机硅等低表面能材料为基料制备得到，还可以采用加入纳米微粒或人工刻蚀等手段增加表面粗糙度、构建纳米阵列结构等，以进一步提高涂层疏水性［10-11］。

2.1 疏水树脂型

由于氟树脂、有机硅类树脂本身具有较低的表面能，以及优异的耐候性、防覆冰性能，常被作为风电叶片涂料的主要成膜物。Qin等［12］将纳米PTFE颗粒分散到有机溶剂中，然后喷涂到环氧树脂基材上用于风力发电机叶片，成膜后涂层的静态接触角为154° ，水滚动角度低于 2°，在−10 °C 和16%的相对湿度下冰层的附着强度约为30 kPa ，施工方便且成本较低。CN117903641 B将由特定粒径的PTFE乳液与PFA乳液按比例混合所得的氟树脂分散液刮涂到基体上，并采用特殊的烧结工艺处理得到超疏水含氟涂层。该涂层以互相联结的蠕虫状聚四氟乙烯为网络结构，PFA填充网络空隙的表面形貌形成微纳米结构，PFA可以吸收PTFE结晶时产生的内应力避免了涂层裂纹的出现制备得到的涂层静态疏水角可达到150°以上，滚动角1°～4°，而且添加的增稠剂在烧结时通过碳化形成导热通路，为后期叶片中安装加热部件提供有利条件。CN114213972 B提出一种应用于风力发电机叶片除冰的弹性涂层，由刚性基底和微变形弹性层组成，弹性层接触角115°～125°，在离心力和周期性重力的作用下，涂层上的弹性层发生形变，弹性层与冰层间产生气穴，冰层的黏附力减少，在离心力的作用下脱落。

2.2 改性疏水树脂型

虽然氟、硅类有机树脂自身具有疏水性，但也存在涂层与基材的结合力较差、机械性能较差、成本高等问题。而聚氨酯、聚脲、丙烯酸、环氧树脂等本身具有较好的耐磨性和高低温柔韧性，是现有风力发电机叶片防护涂料采用较多的树脂［13］，但其不具备防覆冰性。因此，将氟、硅类树脂与聚氨酯、聚脲、丙烯酸树脂等进行接枝或混合改性，可以结合多种树脂的优点，克服单一树脂性能的不足，拓宽其应用范围。Xu等［14］采用有机硅改性丙烯酸树脂作为疏水涂层对风力发电机叶片进行涂覆，涂层表面水接触角可达130°，具有较好的防冰性能。CN115678396 B制备了一种双组份聚脲涂层材料，固化后涂层主结构为聚脲结构，其含氟结构具有较低的表面能，水接触角为165°、脱冰率为94%，防覆冰效果显著。JP6566238 B利用含氟聚合物、聚醚酯多元醇、多官能型聚醚多元醇的改性剂和未封端的多异氰酸酯固化剂为成膜组分，制备了一种叶片表面形成涂膜的涂料组合物，水接触角在90°以上，具有较好的防结冰性能。

2.3 纳米微粒型

利用疏水填料构建微纳米结构增加涂层粗糙度，可以进一步提高疏水性能。纳米微粒形成的微纳米乳突结构是的液体与超疏水表面之间形成一层气垫层，使得液滴的接触面积减小，附着力下降 ［15］。

王宇辰等［3］以风力发电机叶片为基底，在其表面涂覆由环氧树脂、聚二甲基硅氧烷和改性的SiO2等配制的无氟悬浮液。纳米微粒形成的微纳米乳突结构使得液体与超疏水表面之间形成一层气垫层，进一步减小了液滴的接触面积，降低了液滴的附着力，得到的涂层超疏水涂层的接触角为166.65°，滚动角为2.5°，涂层在-10℃和-15℃延长结冰时间40%左右，同时，具有较好的耐磨性能。EP2987824 B1公开了一种用于风力发电机的抗冰涂层：将疏水性耐冰官能化纳米颗粒二甲基二氯硅烷或六甲基二硅氮烷功能化的热解二氧化硅纳米颗粒用表面活性剂、溶剂分散均匀得到浆液，然后加入高固体涂料如常规的合成聚氨酯树脂的黏合组分得到抗冰涂料，固化后的涂层具有102～120 ℃的水接触角，而且-10 ℃下无冰黏附。CN116200119 B公开了一种速干型风力机叶片用超疏水涂料：将超纯水加入十八烷基三氯硅烷中水解形成十八烷基三氯硅烷水解液，将有机溶剂加入十八烷基三氯硅烷水解液中搅拌均匀制成超疏水涂料。由于形成的纳米颗粒中含有两亲基团，能和风力发电机叶片表面产生较强的作用力，这种化学作用力和叶片表面形成微米/纳米结构，风力发电机叶片水接触角可达163°，且放置一年后叶片水接触角仍有151°。

2.4 超润滑涂层

超润滑涂层最早是由哈佛大学学者基于猪笼草边缘润滑效应构建的一种仿生涂层［5］。超润滑涂层由于特殊的结构和性能表现出优异的疏水、疏冰性能，也有研究者尝试将其用于风力发电机叶片上。Ma等［16］使用Sterlitech公司的疏水性纳米纤维聚四氟乙烯（PTFE）膜作为多孔层，在制备浆料时添加过量的润滑油，过量油膜的厚度为60～80 μm，由于蒸发速率低，能将蒸发引起的油消耗的影响最小化，最终得到的接触角为110°，冰的附着力为35 kPa。

3 发热型涂层

发热型涂层是利用涂层产生热量，提高叶片表面温度，使叶片表面的冰层融化，在叶片和基材之间产生液态水膜，从而降低冰层附着力，便于冰层及时脱落，主要包括光热涂料、电热涂料和微波涂料等。发热型涂层直接涂覆在叶片表面，制备工艺更简单、成本更低，而且可以对已安装的风力发电机进行防冰、除冰改造。

3.1 光热涂层

光热涂层是在涂料中加入深色吸热材料或光热效应材料，利用光热材料吸收太阳光从而提高叶片表面温度，融化覆冰层。但由于受太阳光线强度影响较大，一般单独采用光热涂层往往达不到除冰要求，更多研究是将光热涂层与疏水类涂层相结合以提高除冰效率［8］。CN116376430 B公开了一种拥有光热效应的柔性有机凝胶基磁性微针阵列的抗冰涂层。该涂层通过光热效应利用自然界太阳能实现涂层表面升温延缓结冰，同时柔性微针阵列涂层的拒水、低冰黏附特性可以在很大程度上延缓结冰时间。

3.2 电热涂层

电加热除冰技术是目前风电行业较为有效的方式。传统的电加热是提前在叶片内设置金属丝线圈等加热元件，但叶片表面直接与电源相连的金属电阻丝存在遭受雷击的安全隐患。电热涂层主要是在涂料中加入导电填料，通过电流产生热量，施工更加方便。CN108250898 B提供了一种风电叶片电热防冰和除冰系统。该系统包括发热涂料层、绝缘导热层和绝缘隔热层，发热涂料层包括石墨烯和高分子材料。试验验证，将覆盖有3～4 mm厚冰层的石墨烯/环氧树脂涂层（尺寸为5×8 cm2）放置在低温恒温箱中，在电极两端施加28 V电压，通电10 s后，冰层与涂层脱落，此时涂层表面的温度为150 ℃左右，证明了石墨烯/环氧树脂涂层快速除冰的可行性。

同时，把疏水涂层和电热涂层相结合更能有效地阻止冰的形成，与仅使用电加热装置的涂层相比，该复合涂层所需的能量更低。Fan等［17］开发了一种由电热层和超疏水层组成的双层环氧基纳米复合涂层。电热层由环氧/镀银铜（Ag-Cu）和环氧/多壁碳纳米管（MWCNTs）纳米复合材料组成，环氧树脂/SiO2/十六烷基三甲氧基硅烷（HDTMS）纳米复合材料在电热层的顶部形成超疏水层，设计的双层环氧纳米复合涂层具有电耗低（0.2 W）、超疏水性（静态和动态水接触角分别为156.3°和3°）、低冰黏附性（0.01 MPa）、结冰时间长（312 s）、除冰时间短（41 s），以及良好的耐磨性、耐酸碱性、耐盐性等优点，使其在风力涡轮机叶片上具有良好的工业应用前景。

Chen等［18］采用一步喷涂法制备了以聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚偏氟乙烯（PVDF）为有机键合骨架，以GPE、多壁碳纳米管（MWCNT）和改性SiO2纳米粒子为功能掺杂相的防冻涂层。该涂层具有良好的超疏水性和光热、电热性能，可以快速加热至68.4 ℃左右（81 s）和48.5 ℃左右（61 s）。静态水滴结冰试验表明该涂料能有效地延缓结冰时间，降低冰的结冰强度；冻雨试验进一步表明，在光热和电热协同作用下，冻雨滴不会在涂料上结冰，表现出优异的防冰能力，同时在光热和电热协同作用下，该涂料也表现出优异的除冰能力。此外，还进行了其他各种性能试验，包括酸碱浸渍、摩擦磨损和冲击试验，试验结果均证明了该涂层的优异性能。

3.3 微波涂层

微波除冰技术一般是在叶片内部设置微波发射装置，利用微波直接加热冰层中的水分子，但是该方法的微波利用率低，除冰能耗高。微波涂层即在涂料中加入可以吸收微波转化为热能的填料，以此来加热覆冰层。CN114085609 B提供了一种用于叶片融冰的吸波生热涂层。该涂层协同微波除冰，能更好地吸收微波能量，转变成热能，快速融化界面处的冰，使冰面松动脱离，具有微波吸收强、频带宽、附着力强、热稳定性好等优势。

4 其他功能涂层

在现有的文献研究中，还可以利用涂层的其他性能来实现防覆冰，例如通过亲水性涂料，亲水性涂料中具有亲水基团，可以与水分子结合延缓结冰从而在表面形成一层水润滑层，减少冰层的附着或是利用弹性涂料基于“相变膨胀”实现防覆冰［10］，但目前该技术处于前期研究阶段，并未大规模使用。还可以通过在涂料中加入功能性成分（如抗冻鱼蛋白），来降低水的冰点阻止冰晶生长。EP2276836B1公开了一种向物体的空气动力或流体动力活性表面提供防冻涂层，其中抗冰蛋白经由间隔物固定在所述表面上并且至少部分地涂覆在基材表面。抗冰蛋白选自人工或天然来源的抗冻蛋白，可以避免物体在表面（如风力发电机叶片）上形成冰。还有研究通过加入相变微胶囊来进行除冰。Wang等［19］将十四烷相变微胶囊（PCMS）与聚氨酯涂料（PUR）混合后涂覆在风力机叶片上，经5 min的风洞试验，该涂料能显著延缓叶片表面的结冰，最高防冰率达60.41%，表明该涂料具有良好的防冰效果。

5 结论

风力发电机叶片防覆冰涂层作为研究热点越来越受到关注。在现有研究中，疏水型涂层防覆冰是广泛使用的方案，但仍需要提高疏水涂层表面的稳定性和耐久性。发热型涂层中电热涂层的除冰效率更高，需要进一步提高电热涂层的稳定性和耐老化性等。未来高性能导电材料如石墨烯、碳纳米管等将是重要的研究方向。单一功能的防覆冰涂层可能无法满足当前的应用需求，采用疏水涂层结合电热涂层或者加热元件进行除冰，将成为未来风力发电机叶片防覆冰的主要解决方案。

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