應(yīng)宇翔, 楊柳晶, 金崇會(huì), 李 珂, 李亞斌, 周永剛
(1.國(guó)電寧波風(fēng)電開發(fā)有限公司,浙江寧波 315000;2.浙江大學(xué) 能源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,杭州 310027;3.浙江科技學(xué)院 能源與環(huán)境系統(tǒng)工程系,杭州 310023)
由于風(fēng)能的分布特性,我國(guó)風(fēng)電廠多建于高山寒冷地區(qū),并且冬季與春季的風(fēng)能資源豐富[1-2],但此時(shí)風(fēng)機(jī)葉片易發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象,影響設(shè)備的氣動(dòng)特性,造成發(fā)電量損失,且會(huì)降低機(jī)組壽命,產(chǎn)生安全問題。
葉片結(jié)冰特性的主要研究方法有數(shù)值模擬[3]、風(fēng)洞試驗(yàn)[4]以及室內(nèi)的相似模型試驗(yàn)[5],而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)則較少。現(xiàn)有的風(fēng)機(jī)葉片除冰技術(shù)可分為主動(dòng)除冰和被動(dòng)除冰2種。主動(dòng)除冰方法包括加熱[6-7]、超聲波[8]和電磁脈沖[9]等,需要改變風(fēng)機(jī)原有結(jié)構(gòu),這會(huì)帶來噪聲和振動(dòng)等不良影響,且能耗較大[10]。被動(dòng)除冰主要是在風(fēng)機(jī)葉片上進(jìn)行材料涂敷,通過改變?nèi)~片表面特性以達(dá)到防冰、除冰的目的,不影響風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)且能耗少。其中,疏水涂層[11]、超疏水涂層[12]和光熱涂層[13]等是通過減少液滴在表面停留時(shí)間來實(shí)現(xiàn)防冰的,但在低溫下除冰作用有限。疏水彈性涂層在疏水防冰的基礎(chǔ)上,利用表層微尺度的形變來降低冰黏附強(qiáng)度,通過離心力等力的作用可以有效甩脫覆冰。
筆者通過搭建小型試驗(yàn)風(fēng)機(jī)進(jìn)行了實(shí)地結(jié)冰特性研究,對(duì)疏水彈性涂層的除冰效果進(jìn)行了驗(yàn)證。在周期性切向力的作用下,疏水彈性涂層能夠有效降低冰塊的黏附強(qiáng)度,對(duì)霜冰和明冰都具有脫除效果,手涂涂層的脫冰效果優(yōu)于噴涂涂層,且具有脫冰的耐久性,這為涂層在大風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
試驗(yàn)風(fēng)機(jī)如圖1所示,位于寧波某風(fēng)電廠海拔700 m的山頂風(fēng)口處。試驗(yàn)系統(tǒng)主要由試驗(yàn)風(fēng)機(jī)、轉(zhuǎn)速表、風(fēng)速儀、溫濕度傳感器和數(shù)據(jù)采集儀組成,其中試驗(yàn)風(fēng)機(jī)為小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,額定功率300 W,包括3個(gè)葉片、發(fā)電機(jī)、尾翼、超速剎車、照明和蓄電池。葉片直徑2 m,材質(zhì)為玻璃纖維復(fù)合材料,設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為400 r/min(風(fēng)速為8 m/s)。為了減少爬坡風(fēng)及近地附面層的影響,風(fēng)機(jī)立柱高2.2 m,同時(shí)風(fēng)機(jī)布置在山頂?shù)倪吘?。試?yàn)過程中尾翼保證風(fēng)機(jī)對(duì)準(zhǔn)風(fēng)來流方向,風(fēng)速過高會(huì)吹起剎車板,以降低葉片轉(zhuǎn)速避免葉片超速運(yùn)行。采用激光轉(zhuǎn)速表(型號(hào)SW-6234C)對(duì)葉片轉(zhuǎn)速進(jìn)行監(jiān)測(cè),現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)速、氣溫和濕度數(shù)據(jù)分別由風(fēng)速儀(型號(hào)PG-510FSC)和溫濕度傳感器(型號(hào)FK-TH800)監(jiān)測(cè),并用數(shù)據(jù)采集儀(型號(hào)Agilent 34970A)記錄。在試驗(yàn)風(fēng)機(jī)左后方15 m處有1臺(tái)1.5 MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)(型號(hào)UP77-1500),輪轂高度65 m,葉片直徑77 m,葉片材料為玻璃纖維復(fù)合材料,額定轉(zhuǎn)速17.4 r/min。
利用硅酮橡膠的高彈性和疏水性,配以六甲基二硅氧烷溶劑制備疏水彈性涂層。選取硅酮橡膠和六甲基二硅氧烷的質(zhì)量比分別為1∶2和1∶3來制作手涂涂層和噴涂涂層。為了表征涂層的疏水性,采用視頻接觸角測(cè)試儀(型號(hào)OCA20)對(duì)涂層與水的接觸角進(jìn)行測(cè)量,每個(gè)樣品取3 個(gè)試點(diǎn),重復(fù)測(cè)量3 次取平均值。利用日立SU3500型號(hào)的臺(tái)式掃描電子顯微鏡(SEM)觀察葉片和涂層表面的微觀形貌,分析疏水彈性涂層的脫冰機(jī)理。
采用直接切拉法測(cè)試冰的黏附強(qiáng)度,測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示,包括半導(dǎo)體制冷板、拉力計(jì)、結(jié)冰模具、玻璃罩、熱電偶和采集儀。具體測(cè)試過程如下:將測(cè)試樣品放置在半導(dǎo)體制冷板上,在樣品上放置結(jié)冰模具(長(zhǎng)×寬×高為7 mm×7 mm×7 mm,壁厚2 mm);然后向模具內(nèi)注入純凈水,打開電源開始制冷,監(jiān)測(cè)制冷表面、模具內(nèi)水和玻璃罩內(nèi)環(huán)境溫度;待模具內(nèi)水達(dá)到設(shè)定溫度,調(diào)整拉力計(jì)位置,水平緩慢勻速地拉結(jié)冰模具,直至結(jié)冰模具與樣品表面分離;最后取測(cè)試過程中拉力計(jì)的最大值與結(jié)冰面積比作為樣品的冰黏附強(qiáng)度。
圖2 冰黏附強(qiáng)度測(cè)試系統(tǒng)
對(duì)試驗(yàn)風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行編號(hào),分別為1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)。在整個(gè)1號(hào)葉片上手工涂刷疏水彈性涂層,在整個(gè)2號(hào)葉片上利用噴槍噴涂疏水彈性涂層,涂層厚度約為1 mm,3號(hào)葉片無(wú)涂層。在結(jié)霜冰和結(jié)明冰的氣象條件下觀測(cè)有無(wú)涂層條件下葉片的結(jié)冰參數(shù),記錄試驗(yàn)過程中的環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速等。對(duì)于某1.5 MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)(即大風(fēng)機(jī)),記錄風(fēng)速和功率參數(shù),分析結(jié)冰對(duì)風(fēng)機(jī)功率的影響。
試驗(yàn)風(fēng)機(jī)結(jié)霜冰試驗(yàn)期間的環(huán)境參數(shù)及大風(fēng)機(jī)功率如圖3所示。環(huán)境相對(duì)濕度100%,試驗(yàn)當(dāng)天環(huán)境溫度從20:45開始降到0 ℃以下,21:00風(fēng)速達(dá)到切出風(fēng)速20 m/s,大風(fēng)機(jī)降負(fù)荷停機(jī),22:00啟動(dòng)大風(fēng)機(jī)時(shí)發(fā)現(xiàn)葉片結(jié)冰,覆冰導(dǎo)致風(fēng)機(jī)未啟動(dòng)運(yùn)行。在機(jī)艙位置拍攝大風(fēng)機(jī)葉根處的結(jié)冰圖像,如圖4所示,發(fā)現(xiàn)覆冰主要在葉片前緣位置[14],結(jié)冰形狀為羽毛形。從前緣位置到后緣,“羽毛”長(zhǎng)度逐漸變短,分枝減少,濃度降低,同時(shí)“羽毛”根部小,呈小角度扇形展開。從結(jié)冰形態(tài)分布看,當(dāng)葉片表面形成結(jié)冰點(diǎn)后(羽毛根部),其表面粗糙度增加,對(duì)水滴的捕獲能力增強(qiáng),結(jié)冰量增加的幅度會(huì)慢慢增大。葉片結(jié)冰會(huì)影響空氣流過葉片流線,結(jié)冰嚴(yán)重時(shí),葉片氣動(dòng)外形改變,風(fēng)機(jī)的輸出功率降低。然而,由于技術(shù)原因,大風(fēng)機(jī)葉片葉尖處的覆冰情況圖像卻難以捕捉,因此在大風(fēng)機(jī)附近設(shè)置小型試驗(yàn)風(fēng)機(jī),以研究風(fēng)機(jī)葉片不同位置的覆冰情況。
(a) 溫度
圖4 大風(fēng)機(jī)葉根處覆蓋的霜冰圖像
從22:00開始每隔1 h測(cè)量試驗(yàn)風(fēng)機(jī)的結(jié)冰厚度并拍照記錄葉片的結(jié)冰圖像。不同時(shí)刻無(wú)涂層葉片結(jié)冰圖像如圖5所示,其中r為葉片旋轉(zhuǎn)半徑。
(a) 葉身處結(jié)冰圖像
可以看出,與大風(fēng)機(jī)類似,試驗(yàn)風(fēng)機(jī)葉片結(jié)冰為白色,主要分布在葉片前緣,形狀為鋸齒狀。距離旋轉(zhuǎn)中心越遠(yuǎn),霜冰結(jié)冰量越多。葉片迎風(fēng)面有少量的結(jié)冰,而在背風(fēng)側(cè)基本沒有結(jié)冰。葉片不同位置結(jié)冰厚度隨時(shí)間的變化如圖6所示。從圖6可以看出,隨著時(shí)間的增加,葉片各位置結(jié)冰量增多,越靠近葉尖,增幅越明顯。從22:00—2:00,葉片結(jié)冰厚度隨時(shí)間延長(zhǎng)呈線性增加。結(jié)冰厚度隨葉片位置變化增速不同,距離葉尖越近,結(jié)冰厚度增速越大。葉尖(r=800 mm)霜冰平均增速為10.8 mm/h,而近旋轉(zhuǎn)中心處(r=400 mm)的霜冰平均增速僅為4.4 mm/h。2:00—3:00風(fēng)速約為15 m/s,溫度為-5 ℃,較2:00前溫度略有降低,但山上霧氣消散,空氣液態(tài)水含量降低,結(jié)冰量基本不變。從葉尖(r=800 mm)到近旋轉(zhuǎn)中心(r=400 mm),最大霜冰量由49.8 mm降低至20.8 mm,說明隨著旋轉(zhuǎn)半徑的增加,霜冰的結(jié)冰量也隨之增加。過冷云滴或霧滴在撞擊葉片的瞬間凝結(jié)成冰,粒狀冰塊累積而成霜冰[15]。葉片在風(fēng)力推動(dòng)下的旋轉(zhuǎn)過程中,空氣中的水滴在慣性作用下與葉片前緣碰撞的概率最高(相對(duì)速度大),葉片旋轉(zhuǎn)一圈半徑r處前緣單位面積捕捉的水滴量Mr可由式(1)表示:
圖6 無(wú)涂層試驗(yàn)風(fēng)機(jī)葉片不同位置霜冰厚度隨時(shí)間的變化
(1)
式中:Lwc為空氣的液態(tài)水含量;l為半徑r處葉片前緣弧長(zhǎng);dr為徑向微元。
可以看出,葉片前緣結(jié)冰量與液態(tài)水含量和半徑成正比。
在環(huán)境溫度-2~0 ℃,風(fēng)速6~10 m/s,相對(duì)濕度100%的條件下,風(fēng)機(jī)葉片覆冰類型為明冰。相較于風(fēng)機(jī)葉片覆霜冰時(shí)的氣象條件,環(huán)境風(fēng)速和溫度均較低。由于環(huán)境溫度接近0 ℃,撞擊到葉片表面的水滴并不能立即凍結(jié),而是在液態(tài)水滴掃掠過葉片過程中發(fā)生結(jié)冰[16]。在風(fēng)和重力的作用下,表面液態(tài)水可以繞葉片流動(dòng)[17],因此相比霜冰,葉片前緣明冰覆冰范圍有所擴(kuò)大。試驗(yàn)風(fēng)機(jī)結(jié)明冰的圖像如圖7(a)所示,主要結(jié)冰位置與霜冰一致,且隨著旋轉(zhuǎn)半徑的增大,前緣結(jié)冰厚度增加,附著的明冰表面較光滑,冰體內(nèi)無(wú)氣泡,比較透明。大風(fēng)機(jī)葉片上掉落的冰塊圖像如圖7(b)和圖7(c)所示,大風(fēng)機(jī)葉片上明冰的外形和小風(fēng)機(jī)相似,小的冰塊前端呈鋸齒狀(前緣外側(cè)結(jié)的冰塊掉落),大的冰塊呈山峰狀,底部為弧面(與葉片的接觸面)。掉落冰塊厚度如圖7(d)所示,厚度有45 mm,明顯大于試驗(yàn)風(fēng)機(jī)的結(jié)冰厚度(2~6 mm)。
圖7 試驗(yàn)風(fēng)機(jī)明冰覆冰圖像及大風(fēng)機(jī)掉落的明冰
3.1.1 涂層疏水性對(duì)結(jié)冰的影響
對(duì)風(fēng)機(jī)廠家提供的葉片材料樣本、手涂涂層和噴涂涂層的接觸角進(jìn)行測(cè)量,結(jié)果如圖8所示。由圖8可知,玻璃纖維復(fù)合板的接觸角平均值為70.2°,而涂層的接觸角在115°左右(疏水表面),增加了約45°,增幅約64%,手涂涂層的接觸角略大于噴涂涂層。材料表面微觀形貌是其疏水性的影響因素之一。利用掃描電子顯微鏡對(duì)葉片材料樣本、手涂涂層和噴涂涂層的微觀形貌進(jìn)行觀測(cè),放大倍率為1 000倍,如圖8所示。可以看出,手涂涂層和噴涂涂層的微觀表面連續(xù)光滑,略有起伏,而葉片材料樣本表面凹凸不平,存在微米級(jí)的孔狀結(jié)構(gòu),從而導(dǎo)致葉片的潤(rùn)濕性增強(qiáng),接觸角減小。同時(shí),當(dāng)水滴在葉片表面結(jié)冰時(shí),冰塊與葉片表面凹坑相互勾連,提高了冰塊脫落的難度。
圖8 風(fēng)機(jī)葉片材料及涂層的接觸角與微觀形貌
研究表明,疏水表面在延緩結(jié)冰和脫冰方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。首先,涂層的接觸角越大,水滴在涂層表面的接觸面積越小,傳熱較慢,導(dǎo)致液膜達(dá)到成核條件(液滴發(fā)生核化產(chǎn)生冰晶)的速度減慢,從而有利于延緩水滴在葉片表面結(jié)冰[18]。其次,大的接觸角不利于水滴在涂層表面附著聚集,從而減小結(jié)冰厚度。液滴撞擊冷表面后,會(huì)經(jīng)歷鋪展、回縮、黏附和反彈等動(dòng)力學(xué)過程,由于疏水性的提高,液滴在撞擊疏水彈性涂層過程中動(dòng)能損耗減小,回縮速率增大,回縮時(shí)間減小,液滴快速?gòu)楇x表面,從而降低了結(jié)冰量[18-19]。最后,冰塊在疏水表面的附著力降低,在外力作用下容易脫落。
3.1.2 涂層彈性對(duì)脫冰的影響
采用冰黏附強(qiáng)度測(cè)試系統(tǒng)對(duì)葉片材料樣本和涂層的冰黏附強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量,此時(shí)控制制冷表面溫度為-25 ℃,保持20 min,玻璃罩內(nèi)環(huán)境溫度為-2 ℃,結(jié)果如圖9所示。5次試驗(yàn)葉片的平均冰黏附強(qiáng)度為285 kPa,手涂涂層和噴涂涂層的冰黏附強(qiáng)度分別為17 kPa和22 kPa,降幅達(dá)93%。說明相比于葉片,涂層脫冰能力顯著,這主要得益于涂層光滑的表面特性以及彈性特征。一方面,光滑的涂層表面減小了涂層和冰塊的接觸面積,緩解了冰與粗糙葉片表面的勾連作用。另一方面,當(dāng)涂層表面結(jié)冰時(shí),冰塊在離心力、氣流擾動(dòng)和周期性重力的作用下使彈性涂層發(fā)生微尺度形變,由于涂層厚度略有不同,形變量存在差異,此時(shí)局部區(qū)域涂層和冰塊分離產(chǎn)生空氣間隙,這有效降低了冰塊的黏附強(qiáng)度[20]。當(dāng)冰塊質(zhì)量較大時(shí),周期性切向力引起的涂層形變勢(shì)能部分轉(zhuǎn)化成內(nèi)能,提高了結(jié)冰界面的溫度。
圖9 不同材料的冰黏附強(qiáng)度
對(duì)于大風(fēng)機(jī)而言,涂層的涂覆成本較高,提高涂層的壽命,可以降低運(yùn)行成本。對(duì)疏水彈性涂層開展多次結(jié)冰-脫冰試驗(yàn),測(cè)量反復(fù)脫冰后涂層的接觸角和冰黏附強(qiáng)度,結(jié)果如圖10所示。試驗(yàn)過程中手涂涂層的接觸角都高于噴涂涂層,其冰黏附強(qiáng)度要略低于噴涂涂層。這主要是由于手涂涂層和噴涂涂層的組成不同所致。作為防覆冰主要作用成分的硅酮橡膠的黏度可達(dá)175 830 mPa·s,不便于涂刷在葉片上,需用六甲基二硅氧烷稀釋。手涂涂層要易涂覆,因此要求黏度較高,而噴涂要能夠霧化,有利于均勻分散,因此要求黏度較低,故噴涂涂層的冰黏附強(qiáng)度略高于手涂涂層。然而,由于手涂涂層受操作者主觀影響較大,不利于標(biāo)準(zhǔn)化加工,因此建議采用噴涂方式作為涂層加工方式??赏ㄟ^優(yōu)化硅酮橡膠和六甲基二硅氧烷的比例,采用加壓噴涂高濃度硅酮橡膠的方式進(jìn)一步提高噴涂涂層的防覆冰性能。
(a) 接觸角
隨著結(jié)冰-脫冰次數(shù)的增加,涂層的接觸角和冰黏附強(qiáng)度變化不明顯,5次試驗(yàn)后手涂涂層和噴涂涂層的接觸角分別為117.5°和114.5°,冰黏附強(qiáng)度分別為16 kPa和25 kPa。可以看出多次結(jié)冰-脫冰試驗(yàn)后,涂層的疏水特性和彈性沒有顯著變化,說明疏水彈性涂層具有良好的耐久性,其應(yīng)用于風(fēng)機(jī)葉片防覆冰具有可行性。
分別在霜冰和明冰的氣象條件下開展涂層的脫冰試驗(yàn),如圖11所示。根據(jù)式(2)計(jì)算涂層的冰黏附強(qiáng)度σr:
(a) 手涂涂層(霜冰)
(2)
式中:F為冰塊的黏附力;s為冰塊與葉片的接觸面積;m為冰塊質(zhì)量;δ為結(jié)冰厚度;ρ為冰塊的密度;ω為葉片轉(zhuǎn)速。
從表1可以看出,涂層上結(jié)霜冰時(shí),手涂涂層的脫冰效果比噴涂涂層好,手涂涂層葉片冰塊脫落處的厚度為8.2 mm,對(duì)應(yīng)的冰黏附強(qiáng)度為8.5 kPa,而噴涂涂層冰塊脫落處的厚度為11.2 mm,對(duì)應(yīng)的冰黏附強(qiáng)度為14.1 kPa。涂層結(jié)明冰的脫冰圖像如圖11(c)和圖11(d)所示,其手涂涂層的脫冰厚度為3.1 mm,要小于噴涂涂層的脫冰厚度5.7 mm,對(duì)應(yīng)的冰黏附強(qiáng)度分別為3.8 kPa和9.5 kPa。試驗(yàn)過程中觀察到涂層結(jié)冰脫落時(shí),無(wú)涂層葉片葉尖處的結(jié)冰沒有脫落。從表1還可以看出,霜冰的冰黏附強(qiáng)度要明顯大于明冰的冰黏附強(qiáng)度,這與結(jié)冰的環(huán)境溫度有關(guān),冰黏附強(qiáng)度隨著環(huán)境溫度的降低而增強(qiáng)。
表1 疏水彈性涂層對(duì)試驗(yàn)風(fēng)機(jī)葉片不同類型覆冰的脫除效果
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)風(fēng)機(jī)脫冰處的結(jié)冰厚度和轉(zhuǎn)速計(jì)算得到的冰黏附強(qiáng)度(表1)要低于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果,這主要是因?yàn)槿~片上結(jié)的冰會(huì)和葉片一起旋轉(zhuǎn),當(dāng)葉片豎直向上或豎直向下時(shí),冰塊的離心力和重力的方向分別為異向和同向,冰塊受到的力作周期性變化,容易使冰塊和涂層間產(chǎn)生空氣間隙,減小冰塊和涂層的接觸面積,降低了冰塊的冰黏附強(qiáng)度。根據(jù)試驗(yàn)風(fēng)機(jī)冰黏附強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果,估算大風(fēng)機(jī)的脫冰厚度,以大風(fēng)機(jī)結(jié)冰較嚴(yán)重的葉尖r=28.9 m處為例,霜冰和明冰的脫冰厚度分別為104 mm和47 mm,基于前期大風(fēng)機(jī)掉落的冰塊來判斷,能夠滿足風(fēng)機(jī)運(yùn)行的要求。
(1) 試驗(yàn)風(fēng)機(jī)和大風(fēng)機(jī)的結(jié)冰形態(tài)相近,結(jié)冰主要分布在葉片前緣,相比霜冰,明冰在葉片前緣分布的范圍較大;葉片結(jié)冰形狀為鋸齒狀,隨著旋轉(zhuǎn)半徑的增大,葉片結(jié)冰量增多,基本呈線性關(guān)系。
(2) 疏水彈性涂層的接觸角要遠(yuǎn)大于葉片材料,不利于水滴在涂層表面附著聚集,延緩了水滴在葉片表面結(jié)冰。這得益于涂層連續(xù)光滑的表面特征和微尺度的形變能力,有效降低了冰塊的黏附強(qiáng)度,多次結(jié)冰-脫冰試驗(yàn)后,涂層的性能變化不大,說明涂層具有除冰的耐久性。
(3) 涂層對(duì)霜冰和明冰都具有脫除效果。相比于明冰,霜冰的冰黏附強(qiáng)度更大,脫冰厚度也大于明冰。同時(shí)受周期性切向力的影響,冰塊和涂層間易產(chǎn)生空氣間隙,降低了冰塊的冰黏附強(qiáng)度,有利于冰塊脫落。
(4) 手涂涂層和噴涂涂層均具有良好的脫冰性能,噴涂涂層的冰黏附強(qiáng)度略高于手涂涂層,然而從標(biāo)準(zhǔn)化操作以及易操作性考慮,建議采用噴涂工藝加工防覆冰葉片,但噴涂涂層組分和噴涂工藝還需進(jìn)一步優(yōu)化。