低溫地區(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片表面覆冰問(wèn)題的試驗(yàn)研究

內(nèi)蒙古龍?jiān)葱履茉窗l(fā)展有限公司 李向小

可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略體系下，全球市場(chǎng)對(duì)可再生能源的應(yīng)用需求與日俱增。風(fēng)能利用系統(tǒng)以能量轉(zhuǎn)化為核心，形成風(fēng)能、機(jī)械功及電力輸出的完整轉(zhuǎn)化鏈，成為應(yīng)用最為廣泛的清潔、無(wú)污染、可再生能源之一。我國(guó)近93%的風(fēng)力發(fā)電機(jī)集中于西部、北部高緯度寒冷地區(qū)，以及西南部分濕度較大地區(qū)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片表面覆冰問(wèn)題成為影響風(fēng)電場(chǎng)能源使用效能的主要因素。為從技術(shù)上解決風(fēng)電機(jī)葉片覆冰、防冰及除冰問(wèn)題，可耐極端天氣成為風(fēng)能源應(yīng)用技術(shù)的主要發(fā)展方向。

本文通過(guò)我國(guó)北部?jī)?nèi)蒙古低溫地區(qū)的現(xiàn)實(shí)環(huán)境因素，剖析低溫地區(qū)風(fēng)電機(jī)葉片覆冰問(wèn)題的機(jī)理及類(lèi)型；并結(jié)合當(dāng)下主要的覆冰除冰系統(tǒng)進(jìn)行分析比較，闡明優(yōu)劣；最后以彈性除冰涂層方案為例，呈現(xiàn)詳細(xì)的覆冰問(wèn)題解決試驗(yàn)研究流程。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片表面覆冰機(jī)理及類(lèi)型

1.1 內(nèi)蒙古地區(qū)風(fēng)電機(jī)葉片覆冰機(jī)理

內(nèi)蒙古自治區(qū)南起北緯37°，北至北緯53°，處高緯度地區(qū)。整體地勢(shì)較高，為平均海拔1000m的高原型地貌。以溫帶大陸性季風(fēng)氣候?yàn)橹?，降水少而不均，寒暑溫差較大；春季多大風(fēng)，夏季短促、降水集中，秋季氣溫驟降、易生霜凍，冬季則多寒潮天氣。內(nèi)蒙古高原日照充足，平均日照時(shí)數(shù)大于2700h，光能資源豐富；全年大風(fēng)日數(shù)多發(fā)生于春季，平均持續(xù)10至40天不等。基于自身地理氣候條件，內(nèi)蒙古自治區(qū)成為我國(guó)主要的風(fēng)能發(fā)電場(chǎng)。

風(fēng)電機(jī)葉片覆冰受到地形、氣候等多重條件影響。當(dāng)環(huán)境溫度降至-1℃至-8℃，且空氣濕度處于85%以上時(shí)，空氣中的液態(tài)水附著于葉片，此時(shí)葉片表溫相較水汽更低，受耦合相變的復(fù)雜傳熱效應(yīng)影響，水汽迅速釋放熱量，繼而于葉片表面凝結(jié)成冰。內(nèi)蒙古高原地形復(fù)雜，四周多山，風(fēng)電場(chǎng)多設(shè)于冷熱氣流交匯地區(qū)，如山頂、埡口及迎風(fēng)坡，風(fēng)力帶來(lái)的水汽使空氣濕度升高，易在換季氣溫變化時(shí)形成覆冰區(qū)。

1.2 風(fēng)電機(jī)葉片覆冰類(lèi)型

風(fēng)電機(jī)葉片覆冰主要呈以下三種形態(tài)。一為雨凇，即大直徑冷水滴與葉片發(fā)生碰撞，水滴擴(kuò)散成水膜后凝為冰層；通常發(fā)生于0至5℃，空氣濕度較大情況下，葉片表面覆冰透明度較高，硬度及密度較大，附著力更強(qiáng)。二為霧凇，形成時(shí)環(huán)境氣溫通常低于-5℃且空氣濕度較低，因此相較于雨凇凝結(jié)水滴更小，呈干增長(zhǎng)方式，晶體多形成于不光滑的葉片表面，晶體質(zhì)地疏松，形狀不規(guī)則，粘附力較小[1]。三為混合凇，形成時(shí)環(huán)境氣溫為-10至-3℃，多出現(xiàn)于山區(qū)風(fēng)速較高區(qū)域內(nèi)，地面霧過(guò)冷水滴直徑大小不一，凝于葉片迎水面，附著力強(qiáng)，除冰難度較大。此外，葉片表面因積攢污漬、前緣腐蝕等原因產(chǎn)生的凹凸與粗糙化，也會(huì)使覆冰現(xiàn)象更加嚴(yán)重。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片表面覆冰除冰系統(tǒng)

2.1 葉片氣熱除冰方案

此方案對(duì)葉片內(nèi)部進(jìn)行動(dòng)能裝置，加熱葉片內(nèi)部空氣并將熱量傳至葉片表面，降低表溫，以達(dá)到除冰效果。氣熱裝置能夠?qū)θ~尖、葉片后緣及葉根部位同時(shí)加熱，形成內(nèi)部循環(huán)氣流，在防冰方面有效預(yù)防水汽觸及葉片冷凝成冰；而在除冰方面，氣流熱度則能在葉表與覆冰層間融化出一層水膜，進(jìn)而通過(guò)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力使冰層脫離，以此實(shí)現(xiàn)除冰。通常，該裝置氣熱輸出溫度處于60～80℃，根據(jù)外界環(huán)境溫度將葉片表溫控制在0～10℃。氣熱除冰方案不會(huì)對(duì)風(fēng)電機(jī)動(dòng)力及防雷性能產(chǎn)生影響，但其作用受外環(huán)境溫度限制，對(duì)于低溫情況下的霧凇及混合凇，其除冰效果僅能保留50%。

2.2 微波除冰方案

微波除冰法即通過(guò)動(dòng)能裝置加快葉片表面的分子運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)摩擦致使葉表溫度升高，進(jìn)而融化表面冰層。該方案須在風(fēng)電機(jī)葉片表面安裝動(dòng)能裝置的相關(guān)金屬元件，與放置于外部的微波發(fā)射器進(jìn)行信號(hào)連結(jié)，并通過(guò)附著于葉表的吸波材料實(shí)現(xiàn)分子高速運(yùn)動(dòng)。金屬元件及吸波材料會(huì)在一定程度上改變?nèi)~片運(yùn)作時(shí)原有的氣動(dòng)性，使葉片運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷加重，且具有雷電隱患，因而并未廣泛投入使用。

2.3 超聲波技術(shù)除冰方案

此方案技術(shù)原理為，以超聲波機(jī)械振動(dòng)裝置同時(shí)振動(dòng)葉片及覆冰，于冰層與葉表之間形成剪應(yīng)力，當(dāng)合力大于冰層附著力時(shí)，二者即會(huì)分離。其運(yùn)作僅需于葉片內(nèi)壁安裝輕質(zhì)傳感器，不會(huì)影響葉片本身的氣動(dòng)性能；且冰層直接脫落，能夠避免冰層融水回流以致葉片二次結(jié)冰。超聲波除冰系統(tǒng)多應(yīng)用于直升機(jī)旋翼槳葉的除冰工作，近年來(lái)開(kāi)始逐漸遷移至風(fēng)電機(jī)葉片覆冰除冰領(lǐng)域，但技術(shù)尚不成熟，仍須進(jìn)一步的功能完善。

2.4 彈性除冰涂層方案

彈性除冰涂層則是出于防冰角度，直接將與冰體結(jié)合力較低的材料涂于葉片表面，有效降低覆冰層的黏附強(qiáng)度，使其更易在扇葉旋轉(zhuǎn)的離心力作用下脫落。相較于潤(rùn)滑表面型、疏水型及柔性抗結(jié)冰型涂層而言，高彈體涂層能夠?qū)⒈鶎羽じ綇?qiáng)度降至0.2kPa，由此成為解決風(fēng)電機(jī)葉片覆冰問(wèn)題的新興方案。彈性涂層成分以聚二甲基硅氧烷（PDMS）為主，表層存在微孔，能夠在葉片運(yùn)動(dòng)時(shí)，于冰層與涂層之間形成空隙；而在與煙灰、氣溶膠等彈性模量物質(zhì)混合后，則會(huì)形成兩種彈性涂料，因此類(lèi)涂層材質(zhì)剛度不均勻，其所產(chǎn)生的局部應(yīng)力能夠進(jìn)一步降低冰層的附著力，使除冰效果更勝一籌[2]。

3 以彈性除冰涂層技術(shù)解決葉片覆冰問(wèn)題的試驗(yàn)研究

盡管彈性涂層在研究中展現(xiàn)出極好的脫冰性能，但其尚未在更加復(fù)雜的自然環(huán)境中進(jìn)行真實(shí)的脫冰模擬試驗(yàn)，因此其在實(shí)際應(yīng)用中的防覆冰及除冰能力還有待確定。本節(jié)則將以彈性除冰涂層技術(shù)的自然環(huán)境試驗(yàn)研究，探尋其在現(xiàn)實(shí)風(fēng)電機(jī)發(fā)電環(huán)境中所具備的實(shí)際性能與應(yīng)用價(jià)值。

3.1 除冰涂層制備及特性說(shuō)明

本次研究所選用的彈性涂層材料以硅酮橡膠為彈性主體，六甲基二硅氧烷作為溶劑對(duì)其進(jìn)行稀釋?zhuān)档宛ざ?，便于涂刷。試?yàn)中，分別將硅酮橡膠與六甲基二硅氧烷以2:3、1:2、1:3、1：4比例混合，逐層降低涂層濃度，攪拌至完全溶解后形成試驗(yàn)用彈性涂層。

試驗(yàn)過(guò)程中，選用視頻接觸角測(cè)量分析儀（型號(hào)為德國(guó)Data physics OCA20），對(duì)彈性涂層與水的接觸角進(jìn)行測(cè)定。分別將水滴至上述四組不同濃度的涂層表面，在投影出的滴液外輪廓上選取多個(gè)試點(diǎn)，計(jì)算其接觸角并取平均值，以此作為最終靜態(tài)測(cè)量值。而后將掃描電子顯微鏡（型號(hào)為日立SEM SU3500）放大倍數(shù)設(shè)置為1000，觀察葉片、涂層及水滴凝結(jié)后的冰層之間的微觀分子形貌。

彈性涂層對(duì)冰的黏附力測(cè)試，須應(yīng)用到半導(dǎo)體快速降溫板、測(cè)力計(jì)及測(cè)溫?zé)犭娕嫉认嚓P(guān)試驗(yàn)器材。用透明保溫盒穩(wěn)定制冷平臺(tái)的垂直方向溫度，并將風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片材料--玻璃鋼進(jìn)行水平剪切，形成薄片。試驗(yàn)開(kāi)始后，分別將四組涂層材料涂至玻璃鋼切片上，并置于制冷臺(tái)上，將底部帶有2mm小孔方形模具留置于切片表面，孔中穿金屬絲，與100N 數(shù)顯測(cè)力計(jì)相連[3]。隨后開(kāi)啟熱電偶，將空間內(nèi)環(huán)境溫度保持至-2±0.1℃，向模具內(nèi)注水直至結(jié)冰，待其穩(wěn)定后以恒定速度拉動(dòng)測(cè)力計(jì)，至冰層與涂層材料分離，記錄脫冰過(guò)程中的壓力峰值，以此作為二者間黏附力的表征。

試驗(yàn)結(jié)果表明，冰對(duì)未置涂層的玻璃鋼切片黏附力為303.1kPa，而對(duì)彈性涂層的黏附力均保持在25kPa 以下。同時(shí)，硅酮橡膠與六甲基二硅氧烷的材料配比在由2:3降至1:4過(guò)程中，冰的黏附力呈現(xiàn)平緩遞增趨勢(shì)；在降至1:3后黏附力陡升。因此可以得出，混合材料形成涂層具備光滑表面特性，能夠降低冰黏附力。且冰層脫除的表面機(jī)理與涂層的剛性表面，能夠在水平剪切力的作用下產(chǎn)生相互作用的張力，使其黏附局部產(chǎn)生空隙；空氣進(jìn)入后，冰層與涂層在范德華力作用下重新貼合，產(chǎn)生接觸空腔；空腔在扇葉運(yùn)動(dòng)的脈沖傳播下逐漸擴(kuò)大，直至冰塊整體脫離。

3.2 彈性涂層黏附葉片甩脫冰層的力學(xué)特性分析

在實(shí)際應(yīng)用中，冰層不僅會(huì)與葉片表層涂料產(chǎn)生黏附力，同時(shí)會(huì)受到葉片轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的相關(guān)力的作用。為更加貼合實(shí)際作用效果，還須對(duì)運(yùn)動(dòng)中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片進(jìn)行受力分析，并探尋覆冰厚度與冰黏附力的數(shù)量關(guān)系。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片覆冰情況呈現(xiàn)出一定規(guī)律。一方面葉尖部位的覆冰厚度會(huì)大于扇葉內(nèi)側(cè)及根部；葉片外尖運(yùn)動(dòng)線速度更大，與水汽接觸碰撞更加頻繁，因此靠近尖部1/3部位覆冰情況最為嚴(yán)重。另一方面，葉尖部位同樣是冰層受到離心力作用脫落時(shí)的集中滑落點(diǎn)，因此在進(jìn)行試驗(yàn)受力分析時(shí)，會(huì)將由此處脫落的冰層視為同一整體。

當(dāng)旋轉(zhuǎn)葉片與水汽觸碰并形成覆冰時(shí)，冰層與葉片表面存在切向黏附力，冰層同時(shí)會(huì)受到葉片旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的向心力影響。基于此，設(shè)覆冰層厚度δ 沿葉片旋轉(zhuǎn)半徑的附著分布滿(mǎn)足線性關(guān)系，即可得到公式：

其中：x 為半徑，m 與a 為系數(shù)。

據(jù)上文可知，葉尖處覆冰層厚度為整體峰值，因此得式：

其中：l 為葉片長(zhǎng)度，即旋轉(zhuǎn)半徑長(zhǎng)度。

已知冰黏附力與其接觸材料性質(zhì)相關(guān)，因此將黏附力視為恒定常量σs。設(shè)x0到l 的冰層在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中被整體甩脫，此時(shí)冰層受到的旋轉(zhuǎn)離心力F 為：

其中：ρ 為冰塊密度，單位kg/m3，ω 為葉片旋轉(zhuǎn)角速度，單位為rad/s。

運(yùn)動(dòng)中冰塊受到的總黏附力Fs為：

當(dāng)覆冰層恰好在旋轉(zhuǎn)中脫離扇葉時(shí)，有：

由式（6）可知，冰黏附力與覆冰厚度成正相關(guān)變化，冰黏附力σs值越大，則覆冰厚度δmax越大，反之則越小。覆冰厚度越小，則更易在葉片旋轉(zhuǎn)中受離心力影響而脫落，由此可起到有效的除冰作用。

3.3 自然環(huán)境中彈性除冰涂層的性能測(cè)試試驗(yàn)

3.3.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片不同位置的結(jié)冰變化

自然環(huán)境下的彈性除冰涂層性能試驗(yàn)中，須將小風(fēng)機(jī)置于距大風(fēng)機(jī)上游15m 處，以還原真實(shí)風(fēng)力發(fā)電環(huán)境，同時(shí)減少兩臺(tái)風(fēng)機(jī)之間的干擾作用。試驗(yàn)中，風(fēng)機(jī)葉尖1/3處覆冰厚度最大，形成冰柱最長(zhǎng)可達(dá)22.5mm，越靠近葉片旋轉(zhuǎn)中心，覆冰厚度及冰柱長(zhǎng)度越小，僅有0.8mm。由此可知，相近的環(huán)境溫度及濕度條件下，風(fēng)電機(jī)葉片外尖部迎風(fēng)面覆冰程度最重，并在向中心蔓延過(guò)程中呈現(xiàn)單調(diào)遞減趨勢(shì)。

3.2.2 彈性涂層對(duì)葉片覆冰效果的影響

為模擬真實(shí)環(huán)境中的葉片覆冰狀況，試驗(yàn)組將彈性涂料集中刷于葉尖部分。將測(cè)試環(huán)境溫度控制在-10℃，平均風(fēng)速設(shè)為15m/s。由此可知，彈性涂層首先具有較強(qiáng)的防冰效果，能夠延遲水汽凝結(jié)，當(dāng)無(wú)涂層葉片覆冰層厚度達(dá)到22mm 時(shí)，涂層葉片覆冰厚度僅1mm，效果差距明顯。其次，當(dāng)涂層葉片旋轉(zhuǎn)覆冰長(zhǎng)度達(dá)到4mm 后，又降低至2mm，表明旋轉(zhuǎn)過(guò)程中曾有覆冰層被甩脫；而無(wú)涂層葉片旋轉(zhuǎn)覆冰即使已達(dá)51mm，也依舊附著于表面，未被甩脫。說(shuō)明上文對(duì)彈性涂料的防冰及除冰效果猜測(cè)準(zhǔn)確，其在自然環(huán)境中依舊保持著良好的抗黏附性。

4 結(jié)語(yǔ)

葉片覆冰是低溫地區(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的主要問(wèn)題點(diǎn)，葉片表面附著的冰層將會(huì)降低風(fēng)電機(jī)的發(fā)電效率，并帶來(lái)設(shè)備損耗。為保持風(fēng)能利用新能源系統(tǒng)的高效性、穩(wěn)定性與可持續(xù)性，須不斷探究解決風(fēng)電機(jī)葉片覆冰問(wèn)題的有效方法。當(dāng)下存在著多種風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片表面覆冰除冰方案，包括氣熱除冰、微波除冰、超聲波除冰及彈性涂層除冰等。其中，彈性涂層除冰方案對(duì)風(fēng)電及葉片運(yùn)轉(zhuǎn)影響較小，不會(huì)干擾風(fēng)電機(jī)自身的動(dòng)力及排雷性能，且材料環(huán)保，成本較低，效果顯著。