浅谈风电机组叶片防结冰涂料特点，以及理化性能

引言：防结冻建筑涂料是世界各国广泛采取的避免或缓解叶面结冻的有效的办法之一，该技术性现阶段还不够成熟，对建筑涂料的防结冻特性评定暂未统一标准，缺少对防结冻建筑涂料系统软件、全方位的检测与评价方法。本新项目根据搜集与剖析中国结冻地域气候条件、结冻原理等材料，征求建筑涂料公司和风电企业提议，开发设计了一种仿真模拟地理环境下风电叶片建筑涂料结冻的环境监控系统机器设备，并利用水表面张力检测、结冻环境监控系统检测、结冻附着力测试3 种方式综合考核叶面建筑涂料防结冻特性。 

关键字: 风电叶片; 防结冻建筑涂料; 防结冻特性; 检测点评

伴随着在我国风力发电场的大规模开发设计，风电机组叶面表层冷冻问题日益突显。叶面表层结冻造成风电机组叶面气动式特性的转变: 一方面会造成叶面负载、叶面冰负载分布图不均匀，从而导致风电机组出力降低; 另一方面在叶面转动全过程中，当冰面粘合力降低时非常容易发生冰块儿掉下来，导致经营安全事故［1］。叶面覆冰后难以掉下来，沒有防冰、融冰作用的叶面只有等候日光直射，待叶面上的冰融化掉下来后，风电机组才可以重新启动运作［2］。镀层融冰是根据变弱覆冰与涂膜表层间的粘结性来完成叶面融冰。殊不知研究发现疏水性仅仅现阶段可预料的抗冰特性的确定要素之一，并且这类镀层不一定是防结冻镀层，建筑涂料具备强疏水性并不意味着镀层表层不容易结冻、起霜。现阶段全国多选用水表面张力检测来表现防结冻建筑涂料特性好坏，该办法具备局限，真正条件下叶面结冻状况繁杂，水表面张力一个要素没法全方位点评叶面建筑涂料耐结冻特性。

结冻种类

ISO 12494 ∶ 2001 中对空气的各种覆冰方式、级别、原理等开展详尽界定和表明。依据冰的产生原理，环境空气下的冷冻气侯可以分成降雨覆冰、云间覆冰和凝华覆三 大类。降雨覆冰就是指在降雨全过程中在物件表层生成的覆冰全过程。降雨覆冰包括冻雨和湿雪2 种降雨方式［4］。文中关键科学研究南方地区典型性风力发电场自然环境下伤害很大的冻雨结冻。

冻雨为大容量的低温出液在降落全过程中未碰到液态水，以雨珠的方式越过挨近地表且温度略低0 ℃的地球大气层，与坐落于地表以上的外表温度略低0℃的物件产生撞击，撞击全过程中雨珠先产生隔水层，一小部分隔水层马上凝固结冰，而绝大多数隔水层在风和重能力的功效下到物件表层产生流动性并凝固结冰。冻雨产生的覆冰为相对性合理的冰体，材质硬实、孔隙率低、粘合力大、不易碎或掉下来。

叶面为大容量物件，是风电机组构件中相对性海拔高度最高的的构件，便于与云彩产生撞击。叶面在运转环节中高速运转，叶片速率做到100 m/s，超低温下叶面与云雾缭绕中的低温出液产生接触便会产生覆冰。因而，叶面是风电机组中最便于覆冰的构件。

在我国典型性风力发电场结冻地域

云贵、江浙、两湖、江浙沪等地的风电项目容积极大，而这种地方的风电机组广泛遭遇冬天结冻问题，曾产生过大规模的风电机组覆冰关机安全事故，严重影响风场的研发和赢利。以云贵地域为例子，贵州省叶面覆冰的气象要素是: 温度降低至-5-0 ℃，空气湿度超过90%，风力1-8 m/s，大部分地域延迟时间10 d 以上。空气系统软件静稳时，因为超低温会造成小于0 ℃但并未结冻的水珠，这类过凉坠落在叶面表层上面立刻结冻，这就是冻雨。伴随着凝冻气温的不断，叶面积雪会越裹越厚，彻底无消溶脱冰机遇，因此产生大冰棱。

叶面建筑涂料结冻仿真模拟试验设备

依据调查結果，并向风力发电整体公司及风电叶片防结冻建筑涂料公司征询建议，设计开发出一台风电机组叶面建筑涂料环境监控系统试验设备。该试验设备包含实验壳体、制冷机组、自动控制系统、自动喷淋系统、制风系统软件、试验平台6 一部分，如下图1 所显示。实验过程中将镀层样本用工装夹具固定不动在试验平台上，根据自动控制系统打开实验武器装备，对实验壳体开展致冷，打开自动喷淋系统和制风对系统实验镀层样本开展喷洒和吹风机，根据过凉仿真模拟降水自然环境，根据操纵风力尺寸更改叶面样本表层受到的相互作用力及调节叶面样本检测视角，来仿真模拟真正条件下叶面表层受到的吹风功效和叶面本身旋转的离心作用等。

图2 所显示为该设备内部构造设计图纸。

如下图2 所显示，该设备可合理仿真模拟降雨覆冰的叶面表层结冻状况，根据风功效方位和速率的调整来仿真模拟具体自然环境中叶面每个位置受到的力。可使样本表层即时风力在0～40 m/s，样本表层可受5 ℃水喷洒，实验壳体溫度可完成最少-30 ℃，样本表层所受风频、喷洒视角可调式。

叶面防结冻特性点评

选用法国Dataphysics OCA15，对某公司一种防结冻叶面建筑涂料规范样本( 试品2) 和一种基本建筑涂料规范样本( 试品1) 开展水表面张力检测，检测效果如表1所显示，测试图片如下图3 所显示。

由表1 由此可见，防结冻建筑涂料试品2 的水表面张力显著高过一般叶面建筑涂料试品1。殊不知，疏水性只有表明涂层外观是不是便于水的粘附，超疏水表层能不能抗结冻，在于其表层多孔结构的种类，一些超疏水表层的多孔结构在结冻——化冰全过程中容易遭受毁坏，其防覆冰特性不稳定，并且水蒸气在超疏水不光滑表层原点冷疑结冻，造成冰的粘合力反倒更高，难以掉下来［7］。对叶面建筑涂料样本表层结冻粘合力开展检测，检测基本原理如下图3 所显示，可以各自对镀层样本表层结冻粘合力的竖直方位和水平方向力开展精确测量。先将样本按如下图3——a 中所显示用工装夹具固定不动，并向圆桶5 中引入水时，将设备放进冷藏室冷藏，但水结冰彻底后取下，将工装夹具取下，根据拉力计如下图3——b 所显示开展抗拉力检测。检测效果如表2 所显示。

从表2 由此可见，叶面防结冻建筑涂料样本表层结冻粘合力远小于一般建筑涂料表层的结冻粘合力。

选用叶面防结冻功能测试实验设备，仿真模拟风电机组叶面表层结冻自然环境标准，更改实验溫度及风力，实验時间为5 min，实验完成后叶面建筑涂料样本表层结冻状况如表3 所显示。试品1 在——30 ℃下表层结冻状况如下图4 所显示。

在高风力功效下，防结冻表层不容易存水粘附，仅有在溫度非常低的情形下，表层会存有瞬间结冻粘附，防结冻建筑涂料相对性于一般建筑涂料表层更难以结冻。该自然环境武器装备只可以仿真模拟叶面表层降雨覆冰的状况，没法仿真模拟云间覆冰状况，根据降雨覆冰的检测实验，发觉防结冻镀层表层的云间覆冰状况依然存有，尚需进一步科学研究。

叶面建筑涂料抗老化及耐磨性能等较为

对原始样本开展拉下法附着力测试，参照规范GB /T 5210—2006，选用Positest AT——M 数显式液压机拉拨式粘合力检查仪，LOCTITE E——120HP 胶黏剂，直徑为20 mm 试柱，每片样本最少平稳精确测量3 次，检测效果如表4 所显示。

从表4 可以看得出，叶面镀层粘合力均在5 MPa 以上，且样本差别较小。由此可见，防结冻叶面建筑涂料与一般叶面建筑涂料在粘合力层面特性差别较小。参照GB /T 23987—2009 中方式A 开展实验，实验后参照规范GB /T 1766—2008 对镀层开展鉴定。试品光泽度、偏色转变均值如表5 所显示。

从表5 可以看得出，通过1 000 h光老化测试，3 块样本表层均未发生显著的毁坏、失光、掉色、脱层、裂开、出泡、脱落。

参照规范ASTM D968—1993，选用落砂磨损仪，沙量为40 L，全部样本均未产生磨坏，落砂实验后叶面镀层样本相片如同5 所显示。

从以上检测由此可见，防结冻建筑涂料样本与一般建筑涂料样本在耐老化、粘合力、耐磨性能等叶面建筑涂料重要考评特性中差别较小。

总结

本新项目依据风电叶片结冻的自然环境标准及生成原理，开发设计出对应的叶面防结冻建筑涂料防结冻特性接口测试实验武器装备，并完成基本运用。对风电机组叶面防结冻建筑涂料进行一系列检验点评。新项目中进行了包含水表面张力、结冻粘合力和环境监控系统结冻实验对叶面建筑涂料的防结冻特性开展综合考核，与此同时对风电机组叶面建筑涂料比较关键的抗老化、粘合力和耐磨性开展考评，对风电叶片防结冻建筑涂料的开发设计及评价方法及规范的制订都具有一定的现实意义。

　论文参考文献

［1］ 王聪，黄洁婷，张建军，等． 风电机组叶面结冻研究现状与进度［J］． 电力建设工程，2014，35( 2) : 70——75．

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［3］ EＲIK Ｒ． Modelling of icing for wind farms in cold climate——A comparison between measured and modelled data for reproducingand predicting ice accretion［D］． Sweden: UppsalaUniversity，2010．

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

［5］ 白宏伟，代洪涛，李军超，等． 冷冻气侯下的风电叶片以及抗冷冻技术性［J］． 风力产业链，2015( 3) : 22——29．

［6］ 李小军，潘华，韩爽，等． 贵州省地域风电机组覆冰缘故及甩冰风险评估［J］． 风力，2014( 9) : 96——99．

［7］ 冯杰，卢津强，秦兆倩． 超疏水表层抗结冻特性科学研究［J］． 材料研究学报，2012，26( 4) : 337——343．

创作者：陈川，王俊，黄海军，王受和

中国电器科学院有限责任公司工业品自然环境适应能力我国重点实验室

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