隨著我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)的大面積開發(fā)，風(fēng)電機(jī)組葉片表面冰凍問(wèn)題日益突出。葉片表面結(jié)冰引起風(fēng)電機(jī)組葉片氣動(dòng)性能的變化： 一方面會(huì)導(dǎo)致葉片過(guò)載、葉片冰載荷分布不均，進(jìn)而造成風(fēng)電機(jī)組出力下降； 另一方面在葉片旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，當(dāng)冰層附著力下降時(shí)極易出現(xiàn)冰塊脫落，造成運(yùn)營(yíng)事故。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(yáng)照射，待葉片上的冰融化脫落后，風(fēng)電機(jī)組才能重啟運(yùn)行。涂層除冰是通過(guò)減弱覆冰與涂層表面之間的粘結(jié)力來(lái)實(shí)現(xiàn)葉片除冰。然而研究發(fā)現(xiàn)疏水性只是目前可預(yù)見的抗冰屬性的決定因素之一，而且這種涂層未必是防結(jié)冰涂層，涂料具有強(qiáng)疏水性并不代表涂層表面不易結(jié)冰、結(jié)霜。目前國(guó)內(nèi)多采用水接觸角測(cè)試來(lái)表征防結(jié)冰涂料性能優(yōu)劣，該方法具有局限性，真實(shí)環(huán)境下葉片結(jié)冰情況復(fù)雜，水接觸角一個(gè)因素?zé)o法全面評(píng)價(jià)葉片涂料耐結(jié)冰性能。

    結(jié)冰類型

    ISO 12494 ∶ 2001 中對(duì)大氣的各類覆冰形式、等級(jí)、機(jī)理等進(jìn)行詳細(xì)定義和說(shuō)明。根據(jù)冰的形成機(jī)理，大氣環(huán)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(guò)程中在物體表面形成的覆冰過(guò)程。降水覆冰主要包括凍雨和濕雪2 種降水形式。本文主要研究南方典型風(fēng)電場(chǎng)環(huán)境下危害較大的凍雨結(jié)冰。

    凍雨為大尺寸的過(guò)冷液滴在下落過(guò)程中未遇到凝結(jié)核，以雨滴的形式穿過(guò)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(fā)生碰撞，碰撞過(guò)程中雨滴先形成水層，少部分水層立即凝結(jié)成冰，而大部分水層在風(fēng)和重力的作用下在物體表面發(fā)生流動(dòng)并凝結(jié)成冰。凍雨形成的覆冰為相對(duì)透明的冰體，質(zhì)地堅(jiān)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(fēng)電機(jī)組部件中相對(duì)海拔最高的部件，易于與云層發(fā)生碰撞。葉片在運(yùn)行過(guò)程中高速旋轉(zhuǎn)，葉尖速度達(dá)到100 m/s，低溫下葉片與云霧中的過(guò)冷液滴發(fā)生碰撞就會(huì)發(fā)生覆冰。因此，葉片是風(fēng)電機(jī)組中最易于覆冰的部件。

    我國(guó)典型風(fēng)電場(chǎng)結(jié)冰地區(qū)

    云貴、兩廣、兩湖、江浙等地的風(fēng)電項(xiàng)目容量巨大，而這些地區(qū)的風(fēng)電機(jī)組普遍面臨冬季結(jié)冰問(wèn)題，曾出現(xiàn)過(guò)大面積的風(fēng)電機(jī)組覆冰停機(jī)事故，嚴(yán)重影響風(fēng)場(chǎng)的開發(fā)和盈利。以云貴地區(qū)為例，貴州葉片覆冰的氣象條件是： 氣溫下降至-5-0 ℃，相對(duì)濕度大于90%，風(fēng)速1-8 m/s，多數(shù)地區(qū)持續(xù)時(shí)間10 d 以上。大氣系統(tǒng)靜穩(wěn)時(shí)，由于低溫會(huì)產(chǎn)生低于0 ℃但仍未結(jié)冰的水滴，這種過(guò)冷水掉落在葉片表面上會(huì)馬上結(jié)冰，這就是凍雨。隨著凝凍天氣的持續(xù)，葉片積冰會(huì)越裹越厚，完全無(wú)消融脫冰機(jī)會(huì)，因而形成大冰凌。

    葉片涂料結(jié)冰模擬試驗(yàn)裝置

    根據(jù)調(diào)研結(jié)果，并向風(fēng)電整機(jī)企業(yè)及風(fēng)電葉片防結(jié)冰涂料企業(yè)征求意見，開發(fā)設(shè)計(jì)出一臺(tái)風(fēng)電機(jī)組葉片涂料環(huán)境模擬試驗(yàn)裝置。該試驗(yàn)裝置包括試驗(yàn)箱體、制冷系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)、制風(fēng)系統(tǒng)、試驗(yàn)平臺(tái)6 部分，如圖1 所示。試驗(yàn)過(guò)程中將涂層樣板用夾具固定在試驗(yàn)平臺(tái)上，通過(guò)控制系統(tǒng)開啟試驗(yàn)裝備，對(duì)試驗(yàn)箱體進(jìn)行制冷，開啟噴淋系統(tǒng)和制風(fēng)系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)涂層樣板進(jìn)行噴淋和吹風(fēng)，通過(guò)過(guò)冷水模擬雨水環(huán)境，通過(guò)控制風(fēng)速大小改變?nèi)~片樣板表面所受的作用力及調(diào)整葉片樣板測(cè)試角度，來(lái)模擬真實(shí)環(huán)境下葉片表面所受的自然風(fēng)作用和葉片自身轉(zhuǎn)動(dòng)的離心作用等。

    圖2 所示為該裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。

    如圖2 所示，該裝置可有效模擬降水覆冰的葉片表面結(jié)冰情況，通過(guò)風(fēng)作用方向和速度的調(diào)節(jié)來(lái)模擬實(shí)際環(huán)境中葉片各個(gè)部位所受的力。可使樣板表面實(shí)時(shí)風(fēng)速在0～40 m/s，樣板表面可受5 ℃水噴淋，試驗(yàn)箱體溫度可實(shí)現(xiàn)最低-30 ℃，樣板表面所受風(fēng)向、噴淋角度可調(diào)。

    葉片防結(jié)冰性能評(píng)價(jià)

    采用德國(guó)Dataphysics OCA15，對(duì)某企業(yè)一種防結(jié)冰葉片涂料標(biāo)準(zhǔn)樣板（ 樣品2） 和一種常規(guī)涂料標(biāo)準(zhǔn)樣板（ 樣品1） 進(jìn)行水接觸角測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示，測(cè)試圖片如圖3 所示。

    由表1 可見，防結(jié)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(jié)冰，取決于其表面微結(jié)構(gòu)的類型，某些超疏水表面的微結(jié)構(gòu)在結(jié)冰——融冰過(guò)程中易遭到破壞，其防覆冰性能不穩(wěn)定，而且水蒸汽在超疏水粗糙表面原位冷凝結(jié)冰，導(dǎo)致冰的附著力反而更大，難于脫落。對(duì)葉片涂料樣板表面結(jié)冰附著力進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試原理如圖3 所示，可以分別對(duì)涂層樣板表面結(jié)冰附著力的垂直方向和水平方向力進(jìn)行測(cè)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(jié)冰完全后取出，將夾具取下，通過(guò)拉力計(jì)如圖3——b 所示進(jìn)行拉力測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如表2 所示。

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

    采用葉片防結(jié)冰性能測(cè)試模擬實(shí)驗(yàn)裝置，模擬風(fēng)電機(jī)組葉片表面結(jié)冰環(huán)境條件，改變?cè)囼?yàn)溫度及風(fēng)速，試驗(yàn)時(shí)間為5 min，試驗(yàn)結(jié)束后葉片涂料樣板表面結(jié)冰情況如表3 所示。樣品1 在——30 ℃下表面結(jié)冰情況如圖4 所示。

    在高風(fēng)速作用下，防結(jié)冰表面不會(huì)有水附著，只有在溫度極低的情況下，表面會(huì)存在瞬時(shí)結(jié)冰附著，防結(jié)冰涂料相對(duì)于普通涂料表面更難于結(jié)冰。該環(huán)境裝備只能夠模擬葉片表面降水覆冰的情況，無(wú)法模擬云中覆冰情況，通過(guò)降水覆冰的測(cè)試試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)防結(jié)冰涂層表面的云中覆冰情況仍然存在，有待進(jìn)一步研究。

    葉片涂料耐老化及耐磨性等比較

    對(duì)初始樣板進(jìn)行拉開法附著力測(cè)試，參考標(biāo)準(zhǔn)GB /T 5210—2006，采用Positest AT——M 數(shù)顯液壓拉拔式附著力檢測(cè)儀，LOCTITE E——120HP 膠粘劑，直徑為20 mm 試柱，每塊樣板至少穩(wěn)定測(cè)量3 次，測(cè)試結(jié)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(jié)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(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)后參考標(biāo)準(zhǔn)GB /T 1766—2008 對(duì)涂層進(jìn)行評(píng)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(jīng)過(guò)1 000 h光老化試驗(yàn)，3 塊樣板表面均未出現(xiàn)明顯的破壞、失光、變色、粉化、開裂、起泡、剝落。

    參考標(biāo)準(zhǔn)ASTM D968—1993，采用落砂磨耗儀，砂量為40 L，所有樣板均未發(fā)生磨穿，落砂試驗(yàn)后葉片涂層樣板照片如圖5 所示。

    從上述測(cè)試可見，防結(jié)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(guān)鍵考核性能中差異較小。

    結(jié)語(yǔ)

    本項(xiàng)目根據(jù)風(fēng)電葉片結(jié)冰的環(huán)境條件及形成機(jī)理，開發(fā)出相應(yīng)的葉片防結(jié)冰涂料防結(jié)冰性能測(cè)試環(huán)境試驗(yàn)裝備，并進(jìn)行初步應(yīng)用。對(duì)風(fēng)電機(jī)組葉片防結(jié)冰涂料開展一系列檢測(cè)評(píng)價(jià)。項(xiàng)目中開展了包括水接觸角、結(jié)冰附著力和環(huán)境模擬結(jié)冰試驗(yàn)對(duì)葉片涂料的防結(jié)冰性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，同時(shí)對(duì)風(fēng)電機(jī)組葉片涂料較為重要的耐老化、附著力和耐磨性能進(jìn)行考核，對(duì)風(fēng)電葉片防結(jié)冰涂料的開發(fā)及評(píng)價(jià)方法及標(biāo)準(zhǔn)的制定具有一定的指導(dǎo)意義。

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責(zé)任編輯：龐雪潔

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