作者：陈川，王俊，黄海军，王受和
中国电器科学研究院有限公司工业产品环境适应性国家重点实验室
摘要：防结冰涂料是国内外普遍采用的防止或减轻叶片结冰的有效方法之一，该技术目前还不够成熟，对涂料的防结冰性能评判暂无统一标准，缺失对防结冰涂料系统、全面的测试与评价方法。本项目通过收集与分析国内结冰地区气候条件、结冰机理等资料，征询涂料企业和风电企业建议，开发了一种模拟自然环境下风电叶片涂料结冰的环境模拟设备，并通过水接触角测试、结冰环境模拟测试、结冰附着力测试3 种手段综合评价叶片涂料防结冰性能。
关键词: 风电叶片; 防结冰涂料; 防结冰性能; 测试评价
随着我国风电场的大面积开发，风电机组叶片表面冰冻问题日益突出。叶片表面结冰引起风电机组叶片气动性能的变化: 一方面会导致叶片过载、叶片冰载荷分布不均，进而造成风电机组出力下降; 另一方面在叶片旋转过程中，当冰层附着力下降时极易出现冰块脱落，造成运营事故［1］。叶片覆冰后很难脱落，没有防冰、除冰功能的叶片只能等待太阳照射，待叶片上的冰融化脱落后，风电机组才能重启运行［2］。涂层除冰是通过减弱覆冰与涂层表面之间的粘结力来实现叶片除冰。然而研究发现疏水性只是目前可预见的抗冰属性的决定因素之一，而且这种涂层未必是防结冰涂层，涂料具有强疏水性并不代表涂层表面不易结冰、结霜。目前国内多采用水接触角测试来表征防结冰涂料性能优劣，该方法具有局限性，真实环境下叶片结冰情况复杂，水接触角一个因素无法全面评价叶片涂料耐结冰性能。
结冰类型
ISO 12494 ∶ 2001 中对大气的各类覆冰形式、等级、机理等进行详细定义和说明。根据冰的形成机理，大气环境下的冰冻气候可以分为降水覆冰、云中覆冰和凝华覆三 大类。降水覆冰是指在降水过程中在物体表面形成的覆冰过程。降水覆冰主要包括冻雨和湿雪2 种降水形式［4］。本文主要研究南方典型风电场环境下危害较大的冻雨结冰。
冻雨为大尺寸的过冷液滴在下落过程中未遇到凝结核，以雨滴的形式穿过靠近地表且气温略低于0 ℃的大气层，与位于地表之上的表面温度略低于0℃的物体发生碰撞，碰撞过程中雨滴先形成水层，少部分水层立即凝结成冰，而大部分水层在风和重力的作用下在物体表面发生流动并凝结成冰。冻雨形成的覆冰为相对透明的冰体，质地坚硬、孔隙率低、附着力大、不易破碎或脱落。
叶片为大尺寸物体，是风电机组部件中相对海拔最高的部件，易于与云层发生碰撞。叶片在运行过程中高速旋转，叶尖速度达到100 m/s，低温下叶片与云雾中的过冷液滴发生碰撞就会发生覆冰。因此，叶片是风电机组中最易于覆冰的部件。
我国典型风电场结冰地区
云贵、两广、两湖、江浙等地的风电项目容量巨大，而这些地区的风电机组普遍面临冬季结冰问题，曾出现过大面积的风电机组覆冰停机事故，严重影响风场的开发和盈利。以云贵地区为例，贵州叶片覆冰的气象条件是: 气温下降至-5-0 ℃，相对湿度大于90%，风速1-8 m/s，多数地区持续时间10 d 以上。大气系统静稳时，由于低温会产生低于0 ℃但仍未结冰的水滴，这种过冷水掉落在叶片表面上会马上结冰，这就是冻雨。随着凝冻天气的持续，叶片积冰会越裹越厚，完全无消融脱冰机会，因而形成大冰凌。
叶片涂料结冰模拟试验装置
根据调研结果，并向风电整机企业及风电叶片防结冰涂料企业征求意见，开发设计出一台风电机组叶片涂料环境模拟试验装置。该试验装置包括试验箱体、制冷系统、控制系统、喷淋系统、制风系统、试验平台6 部分，如图1 所示。试验过程中将涂层样板用夹具固定在试验平台上，通过控制系统开启试验装备，对试验箱体进行制冷，开启喷淋系统和制风系统对试验涂层样板进行喷淋和吹风，通过过冷水模拟雨水环境，通过控制风速大小改变叶片样板表面所受的作用力及调整叶片样板测试角度，来模拟真实环境下叶片表面所受的自然风作用和叶片自身转动的离心作用等。
图2 所示为该装置内部结构设计图。
如图2 所示，该装置可有效模拟降水覆冰的叶片表面结冰情况，通过风作用方向和速度的调节来模拟实际环境中叶片各个部位所受的力。可使样板表面实时风速在0～40 m/s，样板表面可受5 ℃水喷淋，试验箱体温度可实现最低-30 ℃，样板表面所受风向、喷淋角度可调。
叶片防结冰性能评价
采用德国Dataphysics OCA15，对某企业一种防结冰叶片涂料标准样板( 样品2) 和一种常规涂料标准样板( 样品1) 进行水接触角测试，测试结果如表1所示，测试图片如图3 所示。
由表1 可见，防结冰涂料样品2 的水接触角明显高于普通叶片涂料样品1。然而，疏水性只能表明涂膜表面是否易于水的附着，超疏水表面能否抗结冰，取决于其表面微结构的类型，某些超疏水表面的微结构在结冰——融冰过程中易遭到破坏，其防覆冰性能不稳定，而且水蒸汽在超疏水粗糙表面原位冷凝结冰，导致冰的附着力反而更大，难于脱落［7］。对叶片涂料样板表面结冰附着力进行测试，测试原理如图3 所示，可以分别对涂层样板表面结冰附着力的垂直方向和水平方向力进行测量。先将样板按如图3——a 中所示用夹具固定，并向圆筒5 中注入水后，将装置放入冷冻室冷冻，但水结冰完全后取出，将夹具取下，通过拉力计如图3——b 所示进行拉力测试。测试结果如表2 所示。
从表2 可见，叶片防结冰涂料样板表面结冰附着力远低于普通涂料表面的结冰附着力。
采用叶片防结冰性能测试模拟实验装置，模拟风电机组叶片表面结冰环境条件，改变试验温度及风速，试验时间为5 min，试验结束后叶片涂料样板表面结冰情况如表3 所示。样品1 在——30 ℃下表面结冰情况如图4 所示。
在高风速作用下，防结冰表面不会有水附着，只有在温度极低的情况下，表面会存在瞬时结冰附着，防结冰涂料相对于普通涂料表面更难于结冰。该环境装备只能够模拟叶片表面降水覆冰的情况，无法模拟云中覆冰情况，通过降水覆冰的测试试验，发现防结冰涂层表面的云中覆冰情况仍然存在，有待进一步研究。
叶片涂料耐老化及耐磨性等比较
对初始样板进行拉开法附着力测试，参考标准GB /T 5210—2006，采用Positest AT——M 数显液压拉拔式附着力检测仪，LOCTITE E——120HP 胶粘剂，直径为20 mm 试柱，每块样板至少稳定测量3 次，测试结果如表4 所示。
从表4 可以看出，叶片涂层附着力均在5 MPa 以上，且样板差异较小。可见，防结冰叶片涂料与普通叶片涂料在附着力方面性能差异较小。参考GB /T 23987—2009 中方法A 进行试验，试验后参考标准GB /T 1766—2008 对涂层进行评定。样品光泽、色差变化平均值如表5 所示。
从表5 可以看出，经过1 000 h光老化试验，3 块样板表面均未出现明显的破坏、失光、变色、粉化、开裂、起泡、剥落。
参考标准ASTM D968—1993，采用落砂磨耗仪，砂量为40 L，所有样板均未发生磨穿，落砂试验后叶片涂层样板照片如图5 所示。
从上述测试可见，防结冰涂料样板与普通涂料样板在耐光老化、附着力、耐磨性等叶片涂料关键考核性能中差异较小。
结语
本项目根据风电叶片结冰的环境条件及形成机理，开发出相应的叶片防结冰涂料防结冰性能测试环境试验装备，并进行初步应用。对风电机组叶片防结冰涂料开展一系列检测评价。项目中开展了包括水接触角、结冰附着力和环境模拟结冰试验对叶片涂料的防结冰性能进行综合评价，同时对风电机组叶片涂料较为重要的耐老化、附着力和耐磨性能进行考核，对风电叶片防结冰涂料的开发及评价方法及标准的制定具有一定的指导意义。
参考文献
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文章发表于《涂料工业》2016年6月
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