莫秋云， 王國強*， 郭榮濱， 李樂， 劉艷艷

(1.桂林電子科技大學(xué)機電工程學(xué)院， 桂林 541004； 2. 廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點實驗室， 桂林 541004)

傳統(tǒng)發(fā)電方式需要消耗大量資源，排放的二氧化硫氣體會增加酸雨量。面對日益嚴(yán)重的環(huán)境問題，可再生、無污染、清潔可靠的風(fēng)能得到重視和大規(guī)模開發(fā)[1-3]。寒冷地區(qū)空氣密度大、風(fēng)能資源豐富，適合建立風(fēng)電系統(tǒng)開發(fā)風(fēng)能，但低溫潮濕的環(huán)境下，風(fēng)力發(fā)電機葉片極易覆冰[4]，影響葉片覆冰的因素可分為環(huán)境因素、葉片自身結(jié)構(gòu)以及風(fēng)力機運行狀態(tài)。環(huán)境因素中溫度、液態(tài)水含量(liquid water content，LWC)、來流速度、水滴中值直徑(median volumetric diameter，MVD)等參數(shù)變大時，都會增加葉片表面覆冰量；葉片自身結(jié)構(gòu)中翼型、葉片數(shù)量會改變風(fēng)力機覆冰總量，葉尖速比增大時，結(jié)冰逐漸向葉片前緣尖端聚集[5]。覆冰會改變?nèi)~片幾何外形，使氣體邊界層發(fā)生分離，增加流動阻力和流動損失，嚴(yán)重覆冰時會破壞葉片結(jié)構(gòu)[6]。其次，風(fēng)力機運行過程中甩落或融化掉落的冰塊也會對工作人員和附近居民造成威脅。

風(fēng)力機覆冰現(xiàn)象在-10～0 ℃范圍內(nèi)出現(xiàn)頻率最高[7]，此時過冷水滴撞擊到葉片表面形成水膜，在摩擦力和壓差力的作用下流動形成更加復(fù)雜的結(jié)冰形狀，溫度繼續(xù)降低反而會減少覆冰量。對于風(fēng)力機葉片覆冰的研究主要針對的是大型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(horizontal axis wind turbine，HAWT)[8]，一些學(xué)者對垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(vertical axis wind turbine，VAWT)進(jìn)行覆冰數(shù)值模擬，結(jié)果表明：覆冰導(dǎo)致VAWT功率損失高達(dá)60%[9]。目前還沒有針對VAWT葉片提出有效的防冰除冰措施，這是因為其應(yīng)用于覆冰環(huán)境的情況較少，且人工除冰的難度相較HAWT更低[10-13]。準(zhǔn)確可靠的結(jié)冰監(jiān)測與預(yù)報技術(shù)是應(yīng)對葉片覆冰的前提，通過風(fēng)力機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的生命周期成本(life cycle cost，LCC)的經(jīng)濟研究[14]，證明了準(zhǔn)確的風(fēng)力機葉片結(jié)冰監(jiān)測方法的可行性[15]?；诒O(jiān)測的運行數(shù)據(jù)建立灰色矩陣集，進(jìn)行灰色FTA分析出與葉片覆冰關(guān)聯(lián)度最大的故障特性，排查故障特性及時對覆冰做出反應(yīng)[16]。風(fēng)力機葉片覆冰評估模型對于提高風(fēng)機的安全與穩(wěn)定運行提供了一定的貢獻(xiàn)[17-18]，改進(jìn)的HMM-SVM覆冰狀態(tài)評估模型[19]對小樣本識別的準(zhǔn)確率可達(dá)90%，在葉片覆冰的非平穩(wěn)隨機過程中具有顯著優(yōu)勢。但最終還是要通過高效的防冰除冰技術(shù)來解決葉片覆冰問題。然而，不同風(fēng)電場中風(fēng)力發(fā)電機的工況不同，覆冰程度也不同[20-21]，并不是所有的防冰除冰系統(tǒng)都可以應(yīng)用到特定風(fēng)電場。

因此，現(xiàn)針對多因素協(xié)同作用下的風(fēng)力機葉片覆冰特性，通過對比現(xiàn)有的主動、被動和復(fù)合防冰除冰措施，包括已經(jīng)商業(yè)化和其他領(lǐng)域的防冰除冰技術(shù)，為風(fēng)力機葉片防冰除冰系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。

1 葉片覆冰及影響

霧凇(rime icing)、雨凇(glaze icing)和濕雪(wet snow)是常見的覆冰類型，物理特性對比如表1所示。

表1 覆冰類型對比Table 1 Comparison of icing types

雨凇形成過程中，撞擊到葉片表面未凍結(jié)的水滴形成水膜在葉片表面流動，產(chǎn)生更加復(fù)雜的覆冰形狀，且冰層的密度較霧凇大，不易脫落。覆冰類型對DU96翼型氣動性能的影響如圖1所示，雨凇情況產(chǎn)生較高的阻力系數(shù)導(dǎo)致更多的氣動性能損失[22-23]。因此，防冰除冰研究主要針對的是雨凇。

圖1 覆冰對DU96翼型的影響[22]Fig.1 Effect of icing on DU96 airfoil[22]

1.1 覆冰特性及流場變化

葉片覆冰形狀取決于表面水膜的流動，霧凇環(huán)境下，過冷水滴在葉片前緣瞬時凍結(jié)形成與翼型輪廓相似的流線形狀。角冰和脊冰是由于水膜在壓差力和摩擦力共同作用下回流結(jié)冰形成的，如圖2所示?；亓魉畞碜詢蓚€方面：①撞擊到葉片前緣未完全凍結(jié)的水滴；②葉片前緣加熱系統(tǒng)融冰形成的水滴。脊冰則根據(jù)水膜回流狀態(tài)呈現(xiàn)出半圓或1/4圓。

覆冰后葉片表面突增的粗糙度使邊界層提前發(fā)生分離，改變邊界層再附著點的位置，形成長分離泡[25]。嚴(yán)重時分離泡破裂，翼型后緣無法恢復(fù)至最初的壓力狀態(tài)，邊界層大面積脫離葉片表面，增加流動阻力和流動損失，翼型的升力下降，升力系數(shù)隨攻角增大而減小，最終導(dǎo)致翼型失速[26]。

實際上少量覆冰會略微提高葉片的升阻比[27]，類似克魯格襟翼，這是因為覆冰使翼型迎風(fēng)攻角減小，升力系數(shù)相比阻力系數(shù)增長更快。但隨著覆冰量的增加，覆冰對阻力系數(shù)影響較小，而對升力系數(shù)影響較大，升阻比下降并逐漸趨于穩(wěn)定，葉片氣動性能下降[28-30]。

k為角冰的高度；θ為相對弦線的角度；s/c為無量綱表面長度； U∞為來流風(fēng)速圖2 葉片覆冰形狀[24]Fig.2 Ice shape of wind turbine blade[24]

1.2 不同冰形對翼型氣動性能影響

角冰對NLF0414翼型氣動性能的影響如圖3所示[31]。覆冰降低了翼型升力系數(shù)，使翼型失速點提前，但前緣半徑不同的角冰對于翼型氣動性能影響變化不大。

流向冰相比角冰所形成的分離泡，除了大小不同之外，整體邊界層特性非常相似[32]。流向冰造成的分離不是從積冰頂部開始的，分離點也不固定，而是取決于迎角的大小，流向冰對流場的影響并不強烈。脊冰下游的邊界層再附著位置向下游偏移地更遠(yuǎn)甚至無法重新附著[33]，因此會造成翼型后緣失速，水膜在葉片展向的流動形成展向脊冰，對翼型氣動性能的影響較角冰和流向冰更大。

r為角冰頂部半徑；w為角冰底部寬度圖3 角冰對NLF0414翼型影響[31]Fig.3 Effect of horn ice on NLF0414 airfoil[31]

2 防冰除冰措施

風(fēng)力機葉片防冰除冰技術(shù)的難點體現(xiàn)在：①風(fēng)力機處于近地面，工作流場復(fù)雜[34]，各風(fēng)力機覆冰類型、分布以及覆冰量差異較大；②葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，葉片采用復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)低，加熱效率較低；③合理分配資源進(jìn)行防冰除冰，以最大化經(jīng)濟效益。目前的重點在于依據(jù)多工況葉片覆冰特性，設(shè)計集預(yù)測與防冰除冰一體，同時實現(xiàn)效率、能耗匹配動態(tài)調(diào)整，以達(dá)到機組發(fā)電與耗電最優(yōu)配比的系統(tǒng)，主要方法如表2所示。

2.1 主動防冰除冰

葉片前緣和葉尖位置線速度大[35-36]，對流換熱強烈，覆冰嚴(yán)重，加熱所需功耗將主要由葉片前緣和葉尖的覆冰情況決定[37-39]。采用等差分區(qū)加熱的方法[40]，葉尖相較葉根采用較長分區(qū)單元能夠明顯改善葉片表面的溫度分布，避免多余能量損失。

熱問題主要來自葉片壁的熱阻，加熱產(chǎn)生的冷熱交變沖擊以及較大的溫度梯度會降低葉片使用壽命，葉片表面防冰狀態(tài)隨著熱功率增大，由濕狀態(tài)防冰轉(zhuǎn)變?yōu)楦蔂顟B(tài)防冰[41]，未凍結(jié)的水滴全部蒸發(fā)或甩落，減少了回流水結(jié)冰。

2.1.1 內(nèi)部加熱

電加熱結(jié)構(gòu)需要在風(fēng)機葉片制造階段預(yù)埋電熱元件，存在問題為：①加熱需要消耗一部分能量；②葉片中加入的電阻絲和電源等電子器件，使得風(fēng)機葉片結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，在雷雨天氣易遭受雷擊，維護(hù)成本高、難度大。采用質(zhì)量輕、耐高溫、電熱性能優(yōu)良的碳纖維絲束為基礎(chǔ)材料時，可以有效提高傳熱效率，其網(wǎng)格尺寸越小，除冰效率越高[42]，但網(wǎng)格尺寸越小，帶來的是更多功率的損失以及復(fù)合材料中因電流過大導(dǎo)致的滑環(huán)發(fā)熱嚴(yán)重[43]。

氣熱為熱空氣通過管道輸送到風(fēng)機葉片部分，并繼續(xù)向前輸送到一個多孔管道中，從小孔中流出的熱空氣接觸葉片前緣蒙皮的內(nèi)表面[44]，并通過葉片將熱量傳遞到表面，單只葉片氣熱結(jié)構(gòu)如圖4所示[45]。存在問題為：①熱量輸送到葉尖位置過程中造成能量浪費；②高熱量氣體在葉片內(nèi)表面釋放熱量后，部分氣體冷卻液化，黏附于葉片內(nèi)表面上，這些冷卻液滴會吸收后續(xù)通入熱氣的熱量，即增大了熱阻，降低傳熱效率；通過合理布置氣道改變內(nèi)部流動模式來改變表面溫度分布，調(diào)整多孔管的噴射角度或改變排氣孔的位置，以將更多的熱量引向葉尖、翼型前緣等嚴(yán)重覆冰位置，或者引向翼型后緣，防止回流水結(jié)冰。但是，過高的溫度可能會使前緣存在過熱的風(fēng)險，需要動態(tài)調(diào)節(jié)熱流量，避免出現(xiàn)過沖或欠沖[46-47]。

表2 防冰除冰方法Table 2 Anti-icing method

圖4 單只葉片氣熱結(jié)構(gòu)[45]Fig.4 Gas-thermal structure of single blade[45]

2.1.2 外部加熱

電加熱涂層可以直接加熱，結(jié)構(gòu)更加簡單，聚氨酯具有較強的黏附力，作為基底材料增強涂層的穩(wěn)定性，缺點在于較低的導(dǎo)電率需要施加更高的電壓。在電加熱涂層中加入具有良好的導(dǎo)電性的多壁碳納米管(multi-wall carbon nanotubes，MWCNTs)，可以降低電阻。過高的溫度帶來的熱效應(yīng)仍然是一個問題，具有正溫度系數(shù)效應(yīng)(positive temperature coefficient，PTC)的涂層材料能夠在加熱過程中控制最高溫度，如圖5所示。當(dāng)溫度升高并超過一定值時，材料電阻會增大，從而降低加熱功率。將MWCNTs添加到石蠟/聚氨酯復(fù)合材料中開發(fā)的電加熱涂層具有良好的導(dǎo)電性和控溫能力[48]，其產(chǎn)生正溫度系數(shù)效應(yīng)是因為溫度升高到居里溫度以上時，石蠟會破壞MWCNTs的導(dǎo)電鏈，從而使得電阻增大，但融化的石蠟比固體狀態(tài)體積大10%，并且會產(chǎn)生不規(guī)則的表面形狀，因此，還要考慮電加熱涂層表面粗糙度對翼型氣動性能的影響。

圖5 電加熱涂層溫度變化[48]Fig.5 Temperature variation of electric heating coating[48]

紅外線加熱是一種用于從發(fā)射源向冰層輸送能量的技術(shù)，它的主要優(yōu)點是能量通過空氣散發(fā)，并且不需要在葉片上安裝任何類型的裝置。因此，該裝置沒有增加葉片的表面粗糙度，并且冰層是紅外輻射的強吸收體，但是要考慮紅外輻射對風(fēng)機其他部件的影響，例如，油可以吸收90%的輻射，潤滑油、機油和機艙中的許多其他部件會吸收大量的紅外輻射因而迅速過熱。

微波加熱即通過微波發(fā)生器產(chǎn)生微波，并傳輸微波電磁能量到冰層中，通過水分子的極化作用，加劇分子熱運動和相鄰分子間的摩擦，并由此產(chǎn)生熱量。該系統(tǒng)可以均勻地加熱冰層，易于維護(hù)，并且不受雷擊影響，但是微波發(fā)生器的能耗以及微波傳輸過程中的損耗巨大。

2.1.3 機械除冰

機械除冰方法引發(fā)葉片產(chǎn)生的模態(tài)使覆冰破碎，在多種力的作用下將覆冰從葉片表面清除。研究的重點在于葉片表面變形的幅度和最佳振動頻率，這需要根據(jù)覆冰情況以及金屬板或壓電元件的尺寸和分布位置決定。主要問題在于：①采用膨脹管除冰時，葉尖部分存在較大的離心力，充氣系統(tǒng)可能會從葉片表面上脫落，或者自動充氣，系統(tǒng)的可靠性較低，此外膨脹管膨脹后還會影響葉片的氣動性能，產(chǎn)生噪聲等；②電脈沖除冰使用的是鋁制蒙皮，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易安裝在風(fēng)力機葉片中。

超聲波除冰技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在飛機機翼前緣和直升機旋槳上，該裝置利用壓電換能器激發(fā)的超聲波傳播，并在冰和葉片表面之間的界面產(chǎn)生波速差，從而產(chǎn)生剪切應(yīng)力打破兩者之間的黏合[49]。這種技術(shù)的優(yōu)點在于水滴撞擊到葉片表面后，超聲振動使得水滴流動并均勻分布，即使結(jié)冰，結(jié)冰后均勻的表面粗糙度對葉片氣動性能的影響小。

2.2 被動防冰除冰

被動防冰除冰技術(shù)無需任何控制系統(tǒng)或防雷保護(hù)，使用疏水或超疏水涂層來改變?nèi)~片表面的物理化學(xué)特性，從而達(dá)到防冰除冰的目的。目前的研究主要在于提高涂層的防冰性能以及制備，涂層表面微/納米結(jié)構(gòu)可以減小液滴與涂層的接觸面積，即增大液滴與表面的接觸角，降低表面的冰黏附強度，涂層采用低表面能材料，可以減小冰成核率，進(jìn)而降低冰核的成形。

冰成核的過程分為均質(zhì)成核(homogeneous nucleation)和異質(zhì)成核(heterogeneous nucleation)。均質(zhì)成核的過程是過冷卻水滴中一個區(qū)域的水分子之間自發(fā)產(chǎn)生幾個持續(xù)時間較長的氫鍵，通過水分子緩慢的生長形成小冰核，然后形狀發(fā)生改變，直到更穩(wěn)定的氫鍵形成并迅速在整個系統(tǒng)中擴散[50]，此時，亞穩(wěn)態(tài)的過冷水轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)態(tài)相的冰，其所需要跨越的能壘被稱為自由能壘(free energy barrier)，也即亞穩(wěn)態(tài)的過冷水滴均質(zhì)成核需要的最低限度能量。異質(zhì)成核是水分子在基底表面或液滴中雜質(zhì)表面上成核的過程，異質(zhì)成核的臨界能壘表達(dá)式為

(1)

光滑的疏水表面是采用化學(xué)溶液侵蝕后形成的表面，比一般的表面具有低親水性，但水滴與涂層表面的接觸面積大，成核率高?；谖?納米結(jié)構(gòu)和疏水表面相結(jié)合的超疏水表面，具有超高的接觸角，一般大于150°，該表面是通過摻入低表面能材料并在傳統(tǒng)的疏水表面上，通過化學(xué)刻蝕技術(shù)在表面構(gòu)建微觀粗糙結(jié)構(gòu)，提高表面粗糙度來成功地排斥水滴并防止它們在固體表面上凍結(jié)而制備的。

粗糙的微觀結(jié)構(gòu)可以減小水與固體表面的接觸面積，降低成核率。微觀結(jié)構(gòu)中的空氣也可以阻止水與固體表面接觸，在一定傾斜角下，使得水滴易于從固體表面滑落[52]。表面粗糙的微觀結(jié)構(gòu)對卡西-巴克斯附著狀態(tài)(Cassie-Baxter state)有較好的防冰性能，對于文澤爾附著狀態(tài)(Wenzel state)則會使得水滴滑落所需的剪切力變大，不利于防冰，如圖6所示。含液光滑表面(slippery liguid-infused porous surface,SLIPS)表面是將潤滑劑滲透到超疏水表面微觀結(jié)構(gòu)中，形成光滑的液體覆蓋層，使得水滴附著的文澤爾狀態(tài)不易產(chǎn)生，剪切力減小，在一定的傾角下水滴易于滑落，防冰性能進(jìn)一步提高。

圖6 防冰涂層[53]Fig.6 Ice-phobic coating[53]

大多數(shù)現(xiàn)有的防冰除冰涂層在使用過程中，經(jīng)受多次磨損時不能保持其性能，隨著覆冰-脫冰循環(huán)進(jìn)行，風(fēng)機葉片涂層表面的冰層黏結(jié)強度、接觸角滯后逐漸增大，接觸角逐漸減少，通過18次覆冰-脫冰之后，其冰層黏結(jié)強度接近疏水性涂層[53]，SLIPS表面微觀結(jié)構(gòu)中的潤滑劑容易黏附于冰或融化后的液體中[54]，風(fēng)機葉片旋轉(zhuǎn)過程中隨著被甩落的冰或融化后的液體而減少，需要定期補充潤滑劑[55]，因此制備長效、耐久的防冰表面是十分重要的。

2.3 混合防冰除冰

采用電加熱或氣熱結(jié)構(gòu)并結(jié)合表面涂層的方法進(jìn)行防冰除冰[56]，減少防冰階段覆冰量以及除冰階段施加在葉片上的熱流量，從而避免高熱流量損傷葉片，融化的液體也因為表面涂層較低的表面能而難易凍結(jié)，微觀的表面結(jié)構(gòu)使得脫冰剪切力降低，更易將冰和融化的液體甩落，以此彌補加熱除冰的不足，且在5%～10%弦長布置熱防冰除冰結(jié)構(gòu)所消耗的能量最少[57]。

隨著納米材料的發(fā)展，具有光熱效應(yīng)的涂層被研制出來，單純的光熱型涂層并不能滿足目前防冰除冰的需求，因此，新型光熱涂層大多是在疏水或超疏水涂層的基礎(chǔ)上，加入具有光熱效應(yīng)的材料制作而成，這些涂層不僅具有被動防冰除冰方法中疏水或超疏水涂層超高的接觸角、較低的冰黏附力和抑制表面潤濕性轉(zhuǎn)變的優(yōu)點，同時在陽光照射下具有一定的主動加熱除冰性能，已知具有光熱效應(yīng)的材料是Fe3O4納米粒子和納米碳纖維，基于磁性Fe3O4納米粒子并注入各種廉價的多元醇作為潤滑液體制造的SLIPS涂層[58]，既減小了冰黏附強度，又考慮了經(jīng)濟效益。通過逆滲透工藝將Fe3O4納米粒子與氟化環(huán)氧樹脂復(fù)合，制備的超疏水涂層與未涂覆的基材相比，可以延遲結(jié)冰35 min[59]。

嵌入納米碳纖維的涂層不僅在陽光的照射下升溫快，而且可以顯著降低表面粗糙度，降低冰的黏附強度，通過將光熱均質(zhì)納米碳纖維與疏水性聚二甲基硅氧烷(PDMS)和親水性PVP鏈段的兩親性材料結(jié)合，設(shè)計了防冰涂層[60]。兩親性材料可以降低冰點，PDMS能夠提高納米粒子與纖維之間的界面附著力，這種分子涂層優(yōu)點在于光熱轉(zhuǎn)換快，在陽光的照射下升溫迅速，并且結(jié)構(gòu)牢固[61]，可以應(yīng)用于風(fēng)機葉片，但夜晚或陰天使得涂層防冰除冰效率低下，在夏季葉片上的溫度會較高，不僅影響涂層性能，并且會對葉片材料有所損傷。

3 結(jié)論與展望

對風(fēng)力發(fā)電機葉片覆冰狀況及防冰除冰措施進(jìn)行比較，得到以下結(jié)論。

(1)風(fēng)力機覆冰狀況與環(huán)境因素和自身結(jié)構(gòu)因素相關(guān)，眾多因素影響導(dǎo)致覆冰狀況難以預(yù)測和量化。目前已有的結(jié)冰理論或經(jīng)驗?zāi)Ｐ碗y以應(yīng)用在風(fēng)力機上。通過試驗進(jìn)行研究，需使用冰風(fēng)洞或人工氣候?qū)嶒炇?，試驗成本較高[62]，運用數(shù)值方法可以節(jié)約試驗成本，包括流場計算、水滴撞擊特性和表面積冰熱力學(xué)模型，每個過程計算誤差都會累積并對最終結(jié)果產(chǎn)生影響。因此，未來的工作中需要開發(fā)更多的理論模型，以模擬實際工況中復(fù)雜的流場，了解風(fēng)力機覆冰機理，才能針對不同風(fēng)電場的實際工況設(shè)計出高效的防冰除冰系統(tǒng)。

(2)高效的加熱防冰除冰系統(tǒng)與葉片基體材料的導(dǎo)熱率、水滴結(jié)冰釋放的潛熱以及葉片不同位置的覆冰情況相關(guān)。防冰涂層的研究集中在冰成核機理、熱轉(zhuǎn)換、表面潤濕性轉(zhuǎn)變、材料表面能以及表面張力等方面，應(yīng)用到風(fēng)力機葉片上時還要考慮對葉片氣動性能的影響以及防冰表面可靠性。雖然，防冰和除冰系統(tǒng)都不能完全有效地防止葉片覆冰，但覆冰過程中，減緩了角冰或脊冰的形成，減少了葉尖位置覆冰量，降低了風(fēng)機運行過程中的能量損失，提高了風(fēng)力機應(yīng)對極端條件的能力。

(3)防冰涂層與加熱系統(tǒng)相結(jié)合的混合防冰除冰方法具有顯著的優(yōu)勢，隨著納米材料技術(shù)的進(jìn)步，具有高熱導(dǎo)率和低電阻率的電加熱涂層會成為未來風(fēng)力發(fā)電機葉片應(yīng)對覆冰的重要措施，未來的研究還應(yīng)綜合考慮防冰除冰系統(tǒng)的安全性、材料的耐久性以及對環(huán)境的影響。