摘要：防結冰涂料是國內外普遍采用的防止或減輕葉片結冰的有效方法之一，該技術目前還不夠成熟，對涂料的防結冰性能評判暫無統一標準，缺失對防結冰涂料系統、全面的測試與評價方法。本項目通過收集與分析國內結冰地區氣候條件、結冰機理等資料，征詢涂料企業和風電企業建議，開發了一種模擬自然環境下風電葉片涂料結冰的環境模擬設備，并通過水接觸角測試、結冰環境模擬測試、結冰附著力測試3 種手段綜合評價葉片涂料防結冰性能。 

關鍵詞: 風電葉片; 防結冰涂料; 防結冰性能; 測試評價

 

隨著我國風電場的大面積開發，風電機組葉片表面冰凍問題日益突出。葉片表面結冰引起風電機組葉片氣動性能的變化: 一方面會導致葉片過載、葉片冰載荷分布不均，進而造成風電機組出力下降; 另一方面在葉片旋轉過程中，當冰層附著力下降時極易出現冰塊脫落，造成運營事故［1］。葉片覆冰后很難脫落，沒有防冰、除冰功能的葉片只能等待太陽照射，待葉片上的冰融化脫落后，風電機組才能重啟運行［2］。涂層除冰是通過減弱覆冰與涂層表面之間的粘結力來實現葉片除冰。然而研究發現疏水性只是目前可預見的抗冰屬性的決定因素之一，而且這種涂層未必是防結冰涂層，涂料具有強疏水性并不代表涂層表面不易結冰、結霜。目前國內多采用水接觸角測試來表征防結冰涂料性能優劣，該方法具有局限性，真實環境下葉片結冰情況復雜，水接觸角一個因素無法全面評價葉片涂料耐結冰性能。　

 

結冰類型

 

ISO 12494 ∶ 2001 中對大氣的各類覆冰形式、等級、機理等進行詳細定義和說明。根據冰的形成機理，大氣環境下的冰凍氣候可以分為降水覆冰、云中覆冰和凝華覆三 大類。降水覆冰是指在降水過程中在物體表面形成的覆冰過程。降水覆冰主要包括凍雨和濕雪2 種降水形式［4］。本文主要研究南方典型風電場環境下危害較大的凍雨結冰。

 

凍雨為大尺寸的過冷液滴在下落過程中未遇到凝結核，以雨滴的形式穿過靠近地表且氣溫略低于0 ℃的大氣層，與位于地表之上的表面溫度略低于0℃的物體發生碰撞，碰撞過程中雨滴先形成水層，少部分水層立即凝結成冰，而大部分水層在風和重力的作用下在物體表面發生流動并凝結成冰。凍雨形成的覆冰為相對透明的冰體，質地堅硬、孔隙率低、附著力大、不易破碎或脫落。

 

葉片為大尺寸物體，是風電機組部件中相對海拔最高的部件，易于與云層發生碰撞。葉片在運行過程中高速旋轉，葉尖速度達到100 m/s，低溫下葉片與云霧中的過冷液滴發生碰撞就會發生覆冰。因此，葉片是風電機組中最易于覆冰的部件。

 

我國典型風電場結冰地區

 

云貴、兩廣、兩湖、江浙等地的風電項目容量巨大，而這些地區的風電機組普遍面臨冬季結冰問題，曾出現過大面積的風電機組覆冰停機事故，嚴重影響風場的開發和盈利。以云貴地區為例，貴州葉片覆冰的氣象條件是: 氣溫下降至-5-0 ℃，相對濕度大于90%，風速1-8 m/s，多數地區持續時間10 d 以上。大氣系統靜穩時，由于低溫會產生低于0 ℃但仍未結冰的水滴，這種過冷水掉落在葉片表面上會馬上結冰，這就是凍雨。隨著凝凍天氣的持續，葉片積冰會越裹越厚，完全無消融脫冰機會，因而形成大冰凌。

 

葉片涂料結冰模擬試驗裝置

 

根據調研結果，并向風電整機企業及風電葉片防結冰涂料企業征求意見，開發設計出一臺風電機組葉片涂料環境模擬試驗裝置。該試驗裝置包括試驗箱體、制冷系統、控制系統、噴淋系統、制風系統、試驗平臺6 部分，如圖1 所示。試驗過程中將涂層樣板用夾具固定在試驗平臺上，通過控制系統開啟試驗裝備，對試驗箱體進行制冷，開啟噴淋系統和制風系統對試驗涂層樣板進行噴淋和吹風，通過過冷水模擬雨水環境，通過控制風速大小改變葉片樣板表面所受的作用力及調整葉片樣板測試角度，來模擬真實環境下葉片表面所受的自然風作用和葉片自身轉動的離心作用等。

 

      圖2 所示為該裝置內部結構設計圖。

如圖2 所示，該裝置可有效模擬降水覆冰的葉片表面結冰情況，通過風作用方向和速度的調節來模擬實際環境中葉片各個部位所受的力。可使樣板表面實時風速在0～40 m/s，樣板表面可受5 ℃水噴淋，試驗箱體溫度可實現最低-30 ℃，樣板表面所受風向、噴淋角度可調。

 

葉片防結冰性能評價

 

采用德國Dataphysics OCA15，對某企業一種防結冰葉片涂料標準樣板( 樣品2) 和一種常規涂料標準樣板( 樣品1) 進行水接觸角測試，測試結果如表1所示，測試圖片如圖3 所示。

 

 

由表1 可見，防結冰涂料樣品2 的水接觸角明顯高于普通葉片涂料樣品1。然而，疏水性只能表明涂膜表面是否易于水的附著，超疏水表面能否抗結冰，取決于其表面微結構的類型，某些超疏水表面的微結構在結冰——融冰過程中易遭到破壞，其防覆冰性能不穩定，而且水蒸汽在超疏水粗糙表面原位冷凝結冰，導致冰的附著力反而更大，難于脫落［7］。對葉片涂料樣板表面結冰附著力進行測試，測試原理如圖3 所示，可以分別對涂層樣板表面結冰附著力的垂直方向和水平方向力進行測量。先將樣板按如圖3——a 中所示用夾具固定，并向圓筒5 中注入水后，將裝置放入冷凍室冷凍，但水結冰完全后取出，將夾具取下，通過拉力計如圖3——b 所示進行拉力測試。測試結果如表2 所示。

 

從表2 可見，葉片防結冰涂料樣板表面結冰附著力遠低于普通涂料表面的結冰附著力。

 

采用葉片防結冰性能測試模擬實驗裝置，模擬風電機組葉片表面結冰環境條件，改變試驗溫度及風速，試驗時間為5 min，試驗結束后葉片涂料樣板表面結冰情況如表3 所示。樣品1 在——30 ℃下表面結冰情況如圖4 所示。
 

在高風速作用下，防結冰表面不會有水附著，只有在溫度極低的情況下，表面會存在瞬時結冰附著，防結冰涂料相對于普通涂料表面更難于結冰。該環境裝備只能夠模擬葉片表面降水覆冰的情況，無法模擬云中覆冰情況，通過降水覆冰的測試試驗，發現防結冰涂層表面的云中覆冰情況仍然存在，有待進一步研究。

 

葉片涂料耐老化及耐磨性等比較

 

 對初始樣板進行拉開法附著力測試，參考標準GB /T 5210—2006，采用Positest AT——M 數顯液壓拉拔式附著力檢測儀，LOCTITE E——120HP 膠粘劑，直徑為20 mm 試柱，每塊樣板至少穩定測量3 次，測試結果如表4 所示。

 

 

從表4 可以看出，葉片涂層附著力均在5 MPa 以上，且樣板差異較小。可見，防結冰葉片涂料與普通葉片涂料在附著力方面性能差異較小。參考GB /T 23987—2009 中方法A 進行試驗，試驗后參考標準GB /T 1766—2008 對涂層進行評定。樣品光澤、色差變化平均值如表5 所示。

 

從表5 可以看出，經過1 000 h光老化試驗，3 塊樣板表面均未出現明顯的破壞、失光、變色、粉化、開裂、起泡、剝落。

 

參考標準ASTM D968—1993，采用落砂磨耗儀，砂量為40 L，所有樣板均未發生磨穿，落砂試驗后葉片涂層樣板照片如圖5 所示。
 

 從上述測試可見，防結冰涂料樣板與普通涂料樣板在耐光老化、附著力、耐磨性等葉片涂料關鍵考核性能中差異較小。

 

 

結語

 

本項目根據風電葉片結冰的環境條件及形成機理，開發出相應的葉片防結冰涂料防結冰性能測試環境試驗裝備，并進行初步應用。對風電機組葉片防結冰涂料開展一系列檢測評價。項目中開展了包括水接觸角、結冰附著力和環境模擬結冰試驗對葉片涂料的防結冰性能進行綜合評價，同時對風電機組葉片涂料較為重要的耐老化、附著力和耐磨性能進行考核，對風電葉片防結冰涂料的開發及評價方法及標準的制定具有一定的指導意義。

 

　　參考文獻

 

　　［1］ 王聰，黃潔婷，張勇，等． 風電機組葉片結冰研究現狀與進展［J］． 電力建設，2014，35( 2) : 70——75．

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　    ［4］ ISO 12494． Atmospheric icing structures［S］．Switzerland:HIS，2001．

　　［5］ 白宏偉，代海濤，劉偉超，等． 冰凍氣候下的風電葉片及其抗冰凍技術［J］． 風能產業，2015( 3) : 22——29．

　　［6］ 李小軍，潘華，韓爽，等． 貴州地區風電機組覆冰原因及甩冰風險分析［J］． 風能，2014( 9) : 96——99．

　　［7］ 馮杰，盧津強，秦兆倩． 超疏水表面抗結冰性能研究［J］． 材料研究學報，2012，26( 4) : 337——343．

 

       作者：陳川，王俊，黃海軍，王受和

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