風(fēng)電機(jī)組葉片防覆冰技術(shù)研究分析

文 | 吳光軍，孫志禹，朱亞偉，吳建華

風(fēng)電機(jī)組葉片防覆冰技術(shù)研究分析

文 | 吳光軍，孫志禹，朱亞偉，吳建華

風(fēng)能是一種清潔可再生能源，風(fēng)力發(fā)電是最具商業(yè)化利用價(jià)值的新能源項(xiàng)目。截至2015年年底，全球風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到432419MW，累計(jì)年增長(zhǎng)率達(dá)到17%，中國(guó)累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到145.1GW。

風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組葉片覆冰問(wèn)題的提出

風(fēng)電機(jī)組多安裝在高山及草原、沙漠、戈壁灘、沿海灘涂或近海區(qū)域，受冬季氣候變化影響，機(jī)組的葉片表面會(huì)發(fā)生覆冰現(xiàn)象，導(dǎo)致葉片工作性能異常和機(jī)組輸出功率無(wú)法達(dá)到保證功率曲線要求而停機(jī)。南方高海拔地區(qū)的風(fēng)電場(chǎng)由于空氣濕度相對(duì)較大，當(dāng)空氣中較冷的潮濕空氣、凍雨、冰雪所含的水汽，達(dá)到 0℃或以下氣溫時(shí)，這些水分子顆粒便形成了冰晶，當(dāng)遇到同樣處在較低溫度的機(jī)組葉片時(shí)，這些水分子顆粒便在機(jī)組葉片表面、風(fēng)速計(jì)和風(fēng)向標(biāo)處形成較為嚴(yán)重的覆冰。

經(jīng)過(guò)對(duì)葉片覆冰的跟蹤觀察和模擬試驗(yàn)，葉片前緣附近由于撞擊到葉片表面的水滴較多，并在葉片翼型前沿形成水滴繞流，大部分水滴凝結(jié)在翼型的下部，很容易凍結(jié)成冰。覆冰區(qū)域從葉片前緣翼型下沿的迎風(fēng)面區(qū)域開(kāi)始，大部分覆冰集中在葉片前緣，在輪轂附近的葉片根部位與葉尖到葉片中部近3米區(qū)域的覆冰相對(duì)嚴(yán)重，在整個(gè)葉片覆冰中該區(qū)域內(nèi)的覆冰層的面積和厚度最大。

表1為2015年度某風(fēng)電場(chǎng)一期機(jī)組（48臺(tái)）運(yùn)行的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。由表1可知，電量損失主要包括機(jī)組葉片覆冰引起的覆冰損失、電網(wǎng)的限電損失及機(jī)組檢修和維修等的故障損失。一期機(jī)組的平均風(fēng)速分別為5.76 m/s，總發(fā)電量為83185.3MWh；其中，因機(jī)組葉片覆冰的總停機(jī)天數(shù)為42天，發(fā)電損失占總發(fā)電量的8.74%；因限電損失的總停機(jī)時(shí)間為605.5小時(shí)，發(fā)電損失占總發(fā)電量的10.51%；因機(jī)組故障損失總停機(jī)時(shí)間為4310.5小時(shí)，發(fā)電損失占總發(fā)電量的3.06%。綜上，機(jī)組葉片由覆冰導(dǎo)致的發(fā)電量損失較為嚴(yán)重，由此產(chǎn)生的電費(fèi)損失1053.8萬(wàn)元，平均每臺(tái)機(jī)組損失電費(fèi)21.95萬(wàn)元。因此，分析并解決機(jī)組葉片防抗覆冰問(wèn)題是十分必要的。

國(guó)內(nèi)外風(fēng)電機(jī)組葉片防覆冰技術(shù)研究動(dòng)態(tài)

常用的除覆冰方法有：被動(dòng)除冰（如機(jī)械除冰、液體防除冰、涂層防除冰等）和主動(dòng)除冰（熱氣除冰、微波除冰、電熱除冰等）兩大類(lèi)，各種除冰方法的優(yōu)劣性能比較見(jiàn)表2。

由于風(fēng)電機(jī)組葉片的表面積大，材質(zhì)、形狀、環(huán)境位置等相對(duì)特殊，對(duì)防抗覆冰的材料性質(zhì)性能和工藝有著特殊嚴(yán)格的要求。表2中的幾種除冰措施、方法及其除冰效果，基本達(dá)不到防抗葉片覆冰的功能要求，進(jìn)而也難以具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)將聚四氟乙烯和功能納米材料制備成具有“自潔效應(yīng)”的表面改性膜材料，是有望解決風(fēng)電機(jī)組葉片防抗覆冰材料的最有效措施和方法。

納米改性PTFE與聚酯基復(fù)合膜防覆冰技術(shù)分析

隨著新材料技術(shù)的飛速進(jìn)步，超級(jí)疏水表面材料的涂層已成為研究熱點(diǎn)；如通過(guò)噴砂和熱液處理，在葉片表面涂層FAS-17（Ti6Al4V合金和氟烷基硅），表面接觸角達(dá)161°，摩擦角3°。又如采用原子轉(zhuǎn)移自由基引發(fā)聚合，將含氟/硅單體制備成超級(jí)疏水性材料，接觸角為170.3°，滯后接觸角低于3°，降低了水的結(jié)晶點(diǎn)達(dá)6.8℃，結(jié)冰時(shí)間從196s延長(zhǎng)至10054s?；诜鷺?shù)脂的優(yōu)異性能，聚四氟乙烯（PTFE）、聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚氟乙烯（PVF）的涂層最具有實(shí)用價(jià)值，已成為防冰/除冰領(lǐng)域的研究主流，是解決防/去覆冰問(wèn)題的有效的、公認(rèn)的材料，其優(yōu)異的性能能滿足戶外復(fù)雜氣候變化的要求。

聚四氟乙烯樹(shù)脂如PVDF或PTFE樹(shù)脂，雖然有耐溶劑、耐熱性、耐氣候性等優(yōu)點(diǎn)，但其固化需要高溫（360℃）處理。FEVE樹(shù)脂（氟烯烴和乙烯基醚的共聚物），降低了固化溫度（僅170℃×20min），且可以與異氰酸樹(shù)脂和三聚氰胺樹(shù)脂混合使用，目前基于含氟涂料的改性產(chǎn)品已成功用于飛機(jī)防冰領(lǐng)域。

附著納米制造技術(shù)的迅速發(fā)展，功能性無(wú)機(jī)納米材料層出不窮，如抗靜電的銻摻雜二氧化錫、自清潔和光催化的摻雜氧化鈦等，采用共混改性方法，能制備出功能可控、表面粗糙度可控的功能性聚氟材料膜。相對(duì)于自潔性良好的PTFE膜材料，表面含二氧化鈦改性的PTFE膜材料不僅具有優(yōu)良的防污垢現(xiàn)象，還具有分解有機(jī)物污染的功能。

與防抗覆冰的聚氟材料的選擇相比，工程化的風(fēng)電葉片的施工更為困難，特別是對(duì)已安裝風(fēng)電葉片的施工顯得特別困難。

聚氟材料（PTFE、PVDF、PVF）有粉末狀、乳液狀、膜狀、織物狀等形式，其工程施加方法或固化方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。

聚氟粉末固化：因聚氟的結(jié)晶度高，溶于有機(jī)溶劑，需高溫（360℃）烘烤成膜；顯然，采用熱噴涂法或熔接法不能直接在風(fēng)電葉片上（如環(huán)氧玻璃鋼或不飽和聚酯玻璃鋼）施工的。

聚氟乳液固化：氟烯烴和乙烯基醚的共聚樹(shù)脂（FEVE）解決了氟樹(shù)脂在常規(guī)溶劑中難以溶解的難題，實(shí)現(xiàn)了中溫（170℃）固化。隨著高反應(yīng)活性網(wǎng)狀乙烯基單體新材料的商業(yè)化，如（2）丙氧化新戊二醇二丙烯酸酯、季戊四醇四丙烯酸酯、雙-三羥甲基丙烷四丙烯酸酯、（2）乙氧化雙酚A二甲基丙烯酸酯、（4）乙氧化雙酚A二甲基丙烯酸酯和三羥甲基丙烷三甲基丙烯酸酯等。研究聚氟材料（PTFE、PVDF、PVF）與高反應(yīng)活性乙烯基單體的低溫固化技術(shù)，考察其對(duì)防除冰和抗老化等技術(shù)指標(biāo)的影響，探索出中溫固化施工工藝的可行性，是值得深入研究的課題。

聚氟材料膜：PTFE、PVDF和PVF膜材料已是成熟的技術(shù)，其厚度可控制，已大量用于紡織品層壓復(fù)合、給水凈化處理、廢水處理等。在紡織領(lǐng)域，將聚氟材料膜粘合在其他基質(zhì)（織物）上的復(fù)合技術(shù)已是成熟技術(shù)；但將聚氟材料膜粘接在風(fēng)電葉片上，仍存在一些困難，表現(xiàn)在：（1）風(fēng)電葉片的體積巨大（如風(fēng)電場(chǎng)2MW風(fēng)電機(jī)組，葉片長(zhǎng)51.38m，表面積235.7 m2），且表面呈多曲率的變化；（2）粘接牢度及粘接使用壽命的研究缺乏經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)；（3）對(duì)風(fēng)電葉片的表面要求（如雜質(zhì)、靜電等）較高，否則容易產(chǎn)生因氣泡及長(zhǎng)期曝曬引起脫落的現(xiàn)象。因此，對(duì)風(fēng)電葉片基質(zhì)的前處理及粘接牢度的大幅度提高，是研究的主要內(nèi)容之一。

聚氟材料纖維及制品（聚酯基無(wú)紡布或針織物）：PTFE纖維的工業(yè)化生產(chǎn)始于1954年， PTFE纖維的紡絲經(jīng)歷了載體紡絲、糊狀擠壓紡絲及膜裂紡絲等的發(fā)展歷程，現(xiàn)公認(rèn)膜裂紡絲是提高PTFE纖維（短纖維，制作無(wú)紡布）性能和產(chǎn)量的最先進(jìn)的技術(shù)，而擠壓紡絲仍是提高PTFE纖維（長(zhǎng)纖維，制作針織物）性能的最佳技術(shù)。

目前，我國(guó)氟樹(shù)脂的聚合技術(shù)和PTFE纖維制品的應(yīng)用技術(shù)已達(dá)到國(guó)外先進(jìn)水平。聚氟材料短纖，可采用共混擠條和膜牽伸法制備，即先將PTFE粉末和潤(rùn)滑介質(zhì)（如異構(gòu)烷烴油、潤(rùn)滑劑、航空煤油）調(diào)成糊狀物，然后在高壓（15 MPa —20MPa）作用下擠壓和多次牽伸制備；同樣，功能納米材料的PTFE短纖可采用共混擠條和膜牽伸法制備，將PTFE膜表面噴涂納米材料溶液，烘干后經(jīng)機(jī)械熱軋壓處理，制得納米改性PTFE膜。

但將納米改性PTFE膜直接粘貼在風(fēng)電葉片上，粘接膠及其粘接牢度與壽命都存在問(wèn)題。所以，通過(guò)在熱壓復(fù)合工藝作用下，將納米改性PTFE膜與聚酯基織物進(jìn)行高溫粘接復(fù)合，制得納米改性PTFE膜與聚酯織物復(fù)合膜。在納米改性PTFE膜與聚酯基織物復(fù)合膜的聚酯基織物上，再進(jìn)行光交聯(lián)粘結(jié)膠的涂層并且烘干，制得[納米改性PTFE膜－聚酯基織物－光交聯(lián)粘結(jié)膠]復(fù)合膜；將含光交聯(lián)粘結(jié)膠的一面直接粘貼在風(fēng)電葉片的表面，粘接完成后，光交聯(lián)粘結(jié)膠在紫外光作用下，光引發(fā)劑產(chǎn)生自由基，光交聯(lián)粘結(jié)膠中各組份能形成共聚和交聯(lián)反應(yīng)，生成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的丙烯酸酯樹(shù)脂，大幅度提高了聚酯基織物與機(jī)組葉片的粘結(jié)強(qiáng)度。有望從本質(zhì)上解決PTFE膜與聚酯基復(fù)合膜在機(jī)組葉片表面牢固粘接的技術(shù)難題。

結(jié)語(yǔ)

風(fēng)能是一種清潔可再生能源，但風(fēng)電機(jī)組葉片的冬季覆冰現(xiàn)象，造成的電力損失較大；雖然低表面能的聚氟材料是機(jī)組葉片防覆冰的理想材料，但是仍存在施工較困難的技術(shù)難點(diǎn)。

針對(duì)聚氟材料與機(jī)組葉片粘接及對(duì)抗覆冰效果和耐老化性能的研究，是減少和防止機(jī)組葉片冬季覆冰的有效方法。

聚氟材料的粘接有較大困難，尤其是針對(duì)已安裝運(yùn)行的機(jī)組葉片，選擇何種粘接方法，仍需要研究和工程評(píng)價(jià)。但是，采用聚酯基織物作為中間粘結(jié)層的復(fù)合粘結(jié)技術(shù)，替代聚氟材料與機(jī)組葉片的直接粘接或施加，能兼顧工程施工的特殊性要求，有望成為能解決風(fēng)電葉片覆冰這一世界難題的新一代防抗覆冰新材料和新技術(shù)。

（作者單位：吳光軍：湖北能源集團(tuán)新能源發(fā)展有限公司；孫志禹：中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)公司；朱亞偉：蘇州大學(xué)現(xiàn)代絲綢國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室；吳建華：南京浩暉自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司）