1.結冰的種類

中國幅員遼闊，高低落差大，結冰種類多，在我國整個區域除華南區域外，都會遭受結冰損失。風力發電機因為結冰、覆冰產生的功率損失、機械故障、覆冰拋落等問題已經成為影響風力發電機安全運行的嚴重隱患之一，所以分析各個區域的結冰機理，是防冰除冰的關鍵。因為水的有液態、氣態、固態三相特征。液態可以轉為固態，氣態也可以直接轉為固態。因此在實際風力發電機相關的結冰就會出現幾種結冰類型。

圖1.1 水的三相點

1.1 結冰的種類

（1）霧凇

霧凇是指針狀和雪花狀的薄冰。多形成在溫度為-20℃左右的云中，水滴尺寸及含水量都較小的情況下。這種積冰的密度很小，通常在200~600kg/m3之間，并且在葉片上的附著力小，比較容易清除。

圖1.2 霧凇

（2）霜凇/雪凇

霜凇是在-10℃~-15℃溫度下，云中水滴尺寸較大，含水量較高的寒冷環境下將會出現高密度的不透明狀白色積冰，一般密度在600~900kg/m3。也就是說霜凍積冰的附著力比較強。

圖1.3 霜凇/雪凇

圖1.4 霜凇/雪凇

（3）明冰/雨凇

明冰/雨凇結冰現象是冰光滑透明、結構堅實。水滴尺寸非常大，含水量較高，該型積冰是指部分液滴沒有在撞擊葉片表面瞬間結冰，而是沿著表面流動隨后結冰。這種狀況下積冰的密度較高，達到900kg/m3，而且與葉片的表面附著力很強，通常出現在溫度為在0～-10℃之間時的降水過程中在過冷雨中或大水滴組成的云中形成。

圖1.5 明冰/雨凇

（4）混合冰/毛冰

由于空氣中水滴尺寸大小、水滴的數量（含水量）、風速、水滴溫度不斷變化，天氣氣候的持續時間、積累速度以及葉片的速度、弦長等的不同，在發生積冰的在0℃～-20℃范圍內，可能存在多種冰凇混合狀態，稱為毛冰。這種積冰起初很容易清除，但在葉片表面結成冰后就難于清除。

圖1.6 混合冰/毛冰

1.2 小結

結冰在不同天氣情況下有不同的結冰類型，有的比較較輕較少容易去除，有的較多較厚容易發生風險。通過2018年1月10日的氣溫與濕度云圖可以再做一下簡單分類。

圖1.7 2018.1.10濕度/溫度

圖1.8 2018.1.10濕度/溫度混合圖

結冰與相對濕度/露點共同相關，所以溫度較低露點變大，液態水滴會變小，所以濕度相當情況下，1、3、4區為霜凇工況；5區為雪凇工況；2區西北部為混合冰/明冰工況；2區中南部為多為明冰工況。

2. 固體表面潤濕情況

潤濕現象涉及液態、氣態、固態三相特征。

2.1楊氏模型

介紹了固體表面潤濕與三相界面表面張力的基本關系，其中固-氣的界面張力為γsg，固-液的界面張力為γsl，固-液的界面張力γlg，則界面的接觸角為：

圖2.1 楊氏接觸角關系圖

2.2 Wenzel模型（潤濕模型）

由于楊氏模型為理想表面方程模型，所以考慮引入粗糙度r的Wenzel模型。

圖2.2 Wenzel態潤濕圖

當r=1時為平整表面，r粗糙度會使親水性的表面更加親水，而疏水性的表面更加疏水。由于液滴潤濕了固體的粗糙結構，導致液滴滾動角變大不容易滾動脫落。

2.3 Cassie-Baxter模型

粗糙不均勻的固體表面設想為一個復合表面，由于表面的粗糙度因子存在一個臨界值，超過這一臨界值，固體的表面浸潤性會從疏水態轉變為潤濕態。表面粗糙度越大，疏水態和潤濕態之間的能壘越高，疏水態越穩定。

圖2.3 Wenzel態與Cassie-Baxter態混合潤濕圖

無論在疏水或潤濕狀態下，液滴的存在形式都只是一種局部能量最小化的狀態，如果這兩者狀態在轉變中存在能壘，那么髙能態也不能自發地轉變成低能態。在外力（比如電壓、光照、振動等）作用下，這種過渡態才會被打破，向更穩定的狀態轉變。

2.4 固體表面的動態潤濕性

（1）液滴在固體表面的動態行為

可分為3種：滑動，滾動和粘滯，在傾斜面上，可以看到液體的前進角和后退角。前進接觸角與后退接觸角之差稱為接觸角滯后（θa-θr）。滾動角α為可以讓液體滾動的斜面角度。固體表面的滾動角越小，表示液滴越容易發生滾（滑）動，自清潔效果越好，越不容易覆冰。

圖2.4 接觸角、滾動角、滯后

（2）液滴撞擊固體表面的動態行為

由于不同表面對水的排斥性不同，液滴撞擊到固體表面會經歷迅速而復雜的變形過程。對于接觸角極小的表面，沖擊液滴在表面鋪展后完全浸潤表面。而對于其他潤濕性表面，受到液滴動能和黏度的影響，撞擊的動態過程可分為：

1）液滴較低速度撞擊表面，經過一系列垂直方向上的振動之后，在表面停留。

2）液滴定速度撞擊表面，經過鋪展、回縮等過程后反彈。

3）液滴較大速度撞擊表面，鋪展成中間薄兩邊厚的扁平圓盤，回縮反彈過程中液滴破碎在上撞擊過程中，液滴在固體表面可能仍然保持疏水狀態，也可能發生由疏水態到潤濕態的轉變。

決定這種轉變的主要因素是液體撞擊表面時的水擊壓力Pwh、伯努利壓力Pb和表面粗趟結構具有的毛細壓力Pc之間的關系。當Pc

2.5 小結

在風力發電的防冰領域，我們不希望水汽、液滴向風機葉片潤濕、附著、結冰，所以我們更希望水滴在葉片上能處疏水態，或者從疏水態潤濕態的有很高的能壘，或者處在潤濕態很容易被打破。

同樣，動態潤濕理論應用到風力發電領域，Pwh代表風機葉片以某一線速度V去撞擊空氣中的水汽所產生的壓力，Pb代表空氣及所含的液滴在葉片上產生的伯努利壓力（即風機旋轉的動力，葉片平面所產生的壓力就是風能轉化風機的功率與轉矩）。由于風力發電機槳葉角度與轉速都是可調節、可控制的，所以在某一轉速下、某一槳葉角度下，可以通過用轉矩與槳距角宏觀控制來達到葉片一定范圍的Pb

3. 葉片的結冰影響因子

葉片表面上的積冰過程，從積冰相變、冰層表面的水膜流動以及兩相流動、水滴撞擊、對流換熱都具有明顯的非穩態性，液態水含量LWC、水滴平均體積MVD、溫度、來流速度/轉速、攻角/變槳角度、弦長、持續時間與水膜滑動這些物理過程之間又相互影響。

3.1 液態水含量LWC/濕度

溫度決定絕對濕度并決定絕對水含量，所以實際工況的相對濕度則代表液態水含量大小。研究表明-15℃、0.8g/m?（50%濕度）開始出現載荷快速增加，說明在此工況下結冰迅速。-10℃、1g/m?（43%濕度）開始出現載荷快速增加。-20℃、1.2g/m?（113%以上的濕度，積雨的過冷水云團）開始出現載荷快速增加。

3.2 溫度與水滴平均體積MVD

液態水含量0.75g/m?溫度在-10℃到-14℃出現快速結冰，液態水含量0.75g/m?平均水直徑MVD在20um情況下-12℃出現快速結冰

3.3 來流速度/轉速

來流速度代表葉片與空氣的相對速度，代表葉片線速度，從仿真上可以觀察到兩個折點70m/s與110m/s，尤其是110m/s到達增加載荷的頂點，按照120m葉輪直徑折算葉尖在滿發的線速度為106.8m/s。可以推斷在液態水含量0.75g/m?平均水直徑MVD在20um情況下，風力發電機滿發轉速，葉尖前三分之一積冰嚴重，葉尖積冰最大。如果降速至并網轉速結冰載荷會降低到15%以下。

3.4 攻角/槳葉角度

攻角不同對應風力發電機的槳葉角度不同則迎風面會變化，造成積冰位置下移NACA23012翼型攻角2°時積冰最大。各個風機廠家翼型不同所以什么變槳角度對積冰的范圍最大不能確定，但是保持積冰在某個角度最小是可行的。

3.5 弦長

弦長不同可以使迎風面氣流變化，弦長越長結冰載荷影響越小，所以對于風機葉片越靠近葉片根部結冰對載荷影響越小。

3.6 持續時間

液態水含量0.3g/m?平均水直徑MVD在20um-200um，-5℃情況下5min即可發生積冰，隨時間延長而不斷增加。

3.7 水膜滑動

當平均水滴體積MVD=900um很大時，撞擊迎風界面，水不會立即結冰會發生水膜滑動。

3.8 小結

葉片表面的結冰宏觀過程可以分解為葉片界面撞擊液態水滴而發生的層層吸附、流動、凍結過程，這個過程受到濕度（液態水含量/水滴的體積大小）、溫度（過冷水溫/冰點/露點）、轉速（來流速度/水撞擊壓力）、變槳角度（攻角/伯努利壓力）、持續時間的影響，這些參數從宏觀到微觀都有相互的聯系。

4. 疏水/憎冰特性

4.1 超疏水定義

楊氏方程解釋了表面張力越大接觸角越大，亦解釋為表面自由能越小接觸角越大，例如：在固體表面水銀比水接觸角大。滾動角的大小表征了固體表面的滯后現象，所以只有擁有較大的接觸角和較小的滾動角才是真正意義上的超疏水表面接觸角。接觸角θ>150°,滾動角θ<10°的表面叫做超疏水表面。

4.2 超疏水表面模型

對荷葉結構效應從理論上進行了模擬，以粗糙表面的Wenzel方程和Cassie方程為理論基礎構建了一種具有二級復合結構的柱形溝槽模型，分級的復合結構可増大表面接觸角，更為重要的是能夠使滾動角大大降低，即能降低液滴在表面的粘附力，具備優異都超疏水性能。

圖4.1 二級粗糙表面模型超疏水的憎冰

超疏水表面由于較低的表面能，與固體較小的接觸面積，在相同的溫度下，能有效的延長液滴結冰的時間。以下是-10℃/7uL液滴在不同接觸角的結冰情況

圖4.2 四種接觸角結冰過程

但是根據潤濕機理，氣溫變低，濕度較大，到達露點范圍，水汽液化時，當冷凝水滴較小時，水滴會直接進入超疏水材料的微/納米米突觸間隙，即Wenzel態冷凝。氣溫繼續降低至冰點，冷凝的Wenzel態液體是經過固化的結冰，通常把這種冷凝固化作用稱為錨固現象。這種結冰情況十分牢固，界面已經被凝結成冰錨，疏水表面失去疏水特性。錨固作用所產生的凝冰是目前電力行業絕緣子RTV硅膠涂料產生結冰的主要原因。

5. 超疏水與超聲波的防冰方法

超疏水表面能有效的延長結冰時間，但是在某種工況下仍然不可避免會產生結冰問題。

目前通用可行的方法是加熱法（包括固體表面加熱、紅外加熱）是將表面溫度提高至冰點以上防結冰。由于葉片表面面積非常大200㎡以上，在不同風速、水滴直徑、液態水含量等不同工況下的仿真，所需要的熱載荷在30kW-40kW/㎡，這種方法的改造、施工成本較大，要加熱的冰點以上會消耗大量的電能，對于風場生產來說是非常大的成本。

超聲波是大于20kHZ的空氣振動，利用超聲波造成液體內部的應力負壓或者熱毛細現象可以改變液滴的潤濕狀態，避免潤濕態粗糙表面導致超疏水疏水性降低、滾動角變大甚至結冰出現錨固現象。

有實驗表明，當對表面外加超聲振動后，表面能克服能壘由潤濕狀態回到疏水狀態，同時超聲振動可以促進液滴的自遷移并盡可能多的發生合并跳走。我們上訴描述機理是冷凝開始前，在4℃露點液化時，通過空氣振動填充固體粗糙縫隙使得固體表面能變低，回到超疏水特性，使得液滴由潤濕狀態回到疏水狀態，液滴滾落憎水防冰，這種方法需要的能量很低而且便于實現。

所以在葉片界面的施加超聲能量使得超疏水涂層恢復超疏水性能，是涂層法防覆冰的有效措施。

6. 間隔涂層法控冰

間隔涂層法主要目的不是防冰、除冰而是控冰，即控制冰的生長方式，但是間隔涂層方法不操作超疏水或親水的的微觀粗糙表面，而是通過間隔涂層控制宏觀的冰層生長。

楊氏方程決定疏水親水特性，小于90°為親水，大于90°為疏水

那么兩個相鄰間隔且接觸角差異較大的界面表面會形成不同的表面張力產生的“勢能”。

圖6.1 不同表面接觸角

利用疏水、親水特性，疏水界面為微小液滴的遷移、合并、無序滾動的表面，親水界面為匯集、引流、傳輸的液流表面。

圖6.2 不同接觸角液滴合并

利用疏水、親水特性，疏水界面為微小液滴的遷移、合并、無序滾動的表面，親水界面為匯集、引流、傳輸的液流表面。

間隔條可以有多種組合方式，本文提出一種可行的涂覆方式，轉捩點附近是空氣紊亂起點，是覆冰的起初生長點，可以將親水導條引入轉捩點，通過親水張力引導后續冰層生長。

圖6.3 葉片涂覆示意圖

7. 風機在間隔涂層法的控制改進

通過經驗仿真，可以得出通過控制轉速、槳角等條件可以降低結冰。當結冰不多時，剪切力相對較小，當結冰到一定范圍時，對于變槳控制風電機組，通過控制氣動力和離心力增大到一定程度可以控制冰層斷裂以減少覆冰。

圖7.1 冰層生長受力

圖7.2 冰層生長受力實際情況

左圖分別是低風速下空轉與正常運行下的葉片橫截面前緣結冰圖。由于葉輪轉速接近于0，葉片表面的冰和葉片表面見的剪力很小，因此，葉片表面能夠沉積更多的冰。中圖三支葉片在運行中的結冰圖，靠近葉片的前緣處的冰被部分甩掉，同時也造成了葉片空氣動力學和質量上的不平衡。在第八章通過間隔涂層，將結冰生長引入親水間隔帶，親水帶被設置在轉捩點（影響風機氣動最小位置），在同一結冰工況條件下，保持葉片氣動上結冰統一而不是隨機。

8. 總結

本文從微觀的表面討論潤濕機理，使用超疏水涂層防水進而達到防冰的目的。在超疏水涂層也有可能結冰的情況下，采取超聲波振動方式維持表面超疏水性能。同時考慮到宏觀超疏水涂層的磨損老化，采用間隔涂層來引導冰層生長，通過風機的轉速與變槳控制，在微觀的表面撞擊與宏觀的冰層受力斷裂兩種方式除冰。