風力發電機葉片的防覆冰技術

賈士一 岳粉慶

1.國電三門峽后地新能源有限公司 河南 三門峽 472000;2.三門峽黃河明珠集團(有限)公司 河南 三門峽 472000

1 風力發電機葉片防覆冰技術

1.1 利用有機試劑進行防冰 在風力發電機葉片的防覆冰技術中，常會使用到一些有機試劑作為防凍液，例如異丙醇、乙醇等，將其噴灑在發電機葉片表面，使之與表面的水分進行充分混合后，能有效降低冰點。這種方式雖然較為簡便，但是它的缺點也較多，比如一般需要利用大量有機試劑污染環境，防結冰時間也比較短，只能臨時使用不能大規模使用，在比較嚴重的凍冰情況下無法適用[1]。

1.2 機械法進行除冰 機械方式對發電機葉片進行除冰應該是目前使用頻率較高的方式。一般會先進行人工碎冰，然后再由機器運轉時利用離心機力、振動將破碎的冰除去[1]。這種碎冰方式較為費時費力，目前還有一種，利用超聲波技術進行除冰[2]。超聲波在介質中傳播時產生LAMB波，在諧波振動影響下產生SH波，利用兩種波長速度差異，可以使葉片與冰層間產生剪切應力。如此當超聲波高頻振動能量達到最佳除冰的頻率時，就可以將葉片上的覆冰進行擊碎去除。這項技術應用效果極佳，但對工藝有較高要求，同時除冰的成本費用也較多。

1.3 加熱防冰、除冰法 通過對發電機葉片進行合理可行的加熱手段，提高葉片表面溫度，也可以除去凍冰。一般可以選擇熱氣、電能、微波等方式進行加熱。利用微波能對冰層表面進行加熱，降低其附著在葉片表面，然后再利用葉片運轉時的離心力將冰層去除。對于低溫地區一些發電機組設備而言，為保證儀器內各電子組件可正常作業，除了可以在發電機葉片內組裝相應的電熱原件。還可以在將加熱裝置安裝在風機輪毅內，有效保證管道內暖氣進行循環，葉片加熱從而起到防冰除冰的目的。這類除冰技術相對簡單，但卻需要耗費更多的電能。

目前還研發出兩種新的技術，新型磁熱材料防覆冰技術與碳纖維加熱除冰技術。前者主要利用“磁致熱效應”的原理，由北京科技大學材料科學與工程學院對低居里溫度FeNiCrSi合金磁熱材料進行改造，研究出新型的LaFe10.78Co0.92Al1.3合金磁熱材料，大大提升了放熱效果，將其應用于制備發電機葉片材料，可有效進行防覆冰。后者主要利用碳纖維具有耐高溫、腐蝕、抗性強的特點，將其制造成增強型的塑料復合材料。由此類材料制成覆冰控制系統，通過在發電機葉片下埋入整個系統，由電源所控制，利用碳纖維電加熱葉片能得到較好的除冰效果。此技術也對工藝有較高要求，實行投資成本大[2]。

1.4 利用防冰涂層 在發電機葉片防覆冰方法中，還可以在葉片表面涂防冰涂層，減小冰與葉片面的結合力，這些物質類型有丙烯酸、有機硅等。在實際應用中也發現此類方法防冰效率高，附著的冰量可以減少75%左右，較為理想。方法簡單可行，對葉片還具有抗腐蝕性保護。目前還有一項新的研究，超疏水納米材料涂層防覆冰的技術。該技術主要利用“荷葉效應”(“疏水效應”)的原理，在荷葉表面存在乳突，每個乳突上還附著許多蠟狀突起，由于這些蠟狀突起之間存在有排斥性，從而導致荷葉表面被有效保護，阻止外來液體的滲入。在航天航空、電力線路、高鐵等領域超輸水納米材料涂層都有相關的研究應用。據此，可利用納米材料研發出可以疏水防冰的材質應用于發電機葉片上[2]。

2 風機葉片防覆冰和除冰技術展望

發電機風機葉片形狀有平板型、流線型和弧板型，一般在應用中多選擇流線型設計，隨著風機發電技術的普及，技術也越來越成熟，所以為了提高發電功率，葉片也變得長而大。制造發電機葉片的材料主要有鋁、鋼、玻璃鋼等，較純金屬材質的葉片而言，玻璃鋼葉片的加工工藝簡單，工序周期短、性能穩定耐腐蝕性強，所以常應用于規模化的風力發電領域。目前國內外在對發電機葉片組進行設計的過程中，由于技術、成本的問題，很少將防凍技術進行考慮，這也就為葉片由于覆冰的影響從而導致設備損壞，降低發電量的效率。但據有關統計表明，在2020年度內，中國安裝了7167萬千瓦的風力發電機，風力發電量為4665億千瓦，與去年相比增長了15%。風力發電機的使用比重相對較大，所以為了維護設備的正常運轉，有效減少葉片的覆冰影響，結合上文提到的關于發電機葉片防覆冰和除冰技術的實際研發應用情況，總結了如下的解決策略:第一，需要繼續研究開發新的可以有效防防覆冰的設備材料，降低材料的應用成本，提高可實用性價值；第二，加大力度對風力發電機葉片進行改造，尤其在設計環節可以在內部增加電熱系統，并且開發設計外部加熱源，從而實現通過內外加熱的方式有效減少冰的產生。第三，節省人力，開發除冰機器人，利用人工智能技術，設計機器人進行線下除冰作業。

3 結束語

綜上所述，為了防止風力發電機葉片覆冰，可以采用在葉片表面噴灑有機防凍液或涂抹防凍層，當已經附著有較厚的冰層時，可以采用機械破碎、外源加熱融化的方式去冰。每種方法都有相對的優缺點，為了能夠實現更好的去冰性能，因此要結合于葉片的材料性質綜合考慮研究新的預防結冰的技術，例如研究疏水性能的納米材料應用于葉片材質中，或者將磁熱材料鋪設葉片內部。要積極學習引進國外先進技術，改善我們所已有的技術，降低工藝成本。同時結合我國地域特點，在節約資源實現環境保護的前提下，早日開發出能夠適合我國風力發電產業所需的性價比較高的設備技術，為我國電力行業做出一分貢獻。