风电扇叶防覆冰涂料可行性说明

关于风力发电机扇叶防覆冰涂料
可行性说明
1. 绪论
图1 正在运行风力发电群
目前市面风电防覆冰涂料，依靠超疏水，表面水分初期不易凝结在材料表面，从而达到防结冰，防覆冰的目的。

但是，风力发电扇叶表面不均匀，结冰程度不一，并且涂料本身还存在低温寿命短，结冰无规律等问题。

目前市面上无一种涂料，可长期使用，保证解决风力发电防覆冰全部问题。

2.背景
随着我国可持续发展能源战略的实施，能源结构不断调整，风力发电作为绿色可再生能源在我国多个地区得到了快速的发展。

根据国家发改委的规划，我国到2020年风力发电总容量要达到3万MW。

随之而来风电覆冰问题严重影响风电发电计划，并且人工除冰成本及危险随风电规模扩大。

对此，市面上急需一种可以有效解决此类结冰问题的技术方案或新型涂料，市场前景广阔。

例如:天津金盛吉达新能源（运维单位），该公司的客户为中国人管理运营的在国外希腊的风电场，9台风机因覆冰一直停机，导致损失100万欧元，急需解决办法；天津明阳公司（风机扇叶生产商）之前介绍，该公司在云南的风场因扇叶覆冰问题导致很大的损失，运行地区雨雾较大、湿度大，具体情况见2019年研发会议记录。

2. 国内外技术情况
图2 不同攻角下各叶片的覆冰情况
国内防污闪涂料与防覆冰涂料性能相近，于是相关公司纷纷开发本公司的防覆冰涂料,如：北京志盛威华化工有限公司超憎水涂料，河北光被电力科技有限公司CAN-D(II)防覆冰涂料，广东东莞市金耐新材料有限公司防挂冰自干型纳米涂层等。

这些公司防覆冰原理均为超憎水原理，加入多氟树脂或助剂，改变表面憎水结构，此种方法好处是易于加工，效果明显。

但是随着敷冰表面损坏也导致寿命短等问题。

国外方面usil 公司将研发的产品送往某军队在寒冷地区的工程实验室进行涂料覆冰剪切力、接触角等性能测试，ＲTV 涂料的剪切力平均在 50 kPa左右，接触角在 106-117°而Teflon( 聚四氟乙烯) 表面剪切力为 238 kPa，可见ＲTV 涂料具有良好的防覆冰性能。

日本的 Nippon Paint 公司曾开发了防冰雪沉积的涂料，在有机硅-丙烯酸工具物基树脂中加入了 SiO2 粒料，涂料表面接触角可达160°。

此外将氟和硅有机地结合在同一物质中，发挥各自的长处，开发出综合性能优异的涂料，成为涂料领域新的热点课题。

国内外技术由于结冰原理，采用了超憎水防覆冰原理，只能缓解敷冰现象，不能根本解决敷冰现象。

3. 我公司研究情况
图3 不同流量风扇覆冰情况
之前与天津明阳风电合作开发防覆冰涂料，在白色油漆底面涂覆红色RTV涂料，水雾流量为10的情况下，扇叶白色油漆表面开始结冰，红色涂层无结冰现象。

水雾流量增大为60的情况下，涂层覆冰严重，但是红色覆冰面积小于白色覆冰面积。

此项实验表明：一般潮湿情况下，我公司涂料可有效缓解负冰敷冰情况。

但是在极度潮湿情况下的，效果一般。

我公司防覆冰涂料防覆冰涂层，采用超憎水防覆冰原理。

同时加强抑制或延缓冰晶在材料表面的形成、降低冰晶对基质的附着力，下一步控制材料表面结构，延缓成冰温度为研究的重点。

5.尚存技术问题与解决计划
5.1涂料寿命短问题
目前超疏水防覆冰是防覆冰涂层研究的热点，采用不同方法制备的超疏水涂层在测试时大都具有良好的疏水性能，但涂覆超疏水涂层的工业设备在不同的使用环境中经常发生的一些接触、刮擦等行为非常容易导致疏水涂层失效，使用一段时间后，在覆冰除冰的过程中，涂层疏水效果自动失效，在自然环境严酷地带，光照、昼夜温差及风霜雨雪等恶劣气候加速
了涂层的老化、锈蚀、剥落等。

一旦涂层出现粉化、开裂等现象，涂层将失去防覆冰效果，水滴将渗透进入涂层从而实现凝冰。

分析主要有两个原因，一是涂层与基底的结合力不强，导致涂层易随冰层掉落; 一是涂层内部的纳米粒子易发生团聚，导致超疏水性能失效。

中科院兰州化学物理研究所欧军飞博士通过化学方法在基底上形成的新的极性表面层与基体相结合，两者之间具有极强的结合力，为涂层耐久性研究提供了方向。

5.2硅橡胶结冰基础理论模型缺乏
人们熟知的过冷水结冰现象，其发生过程微观细节却一直未知。

近日，国科大、化学所及河北工业大学合作研究团队在《自然》杂志发表论文，简洁无疑地回答了水结冰发生微观机制这个人们期待已久的问题——过冷水先形成纳米尺寸的临界冰核，然后冰核快速增长成宏观冰。

目前对纳米粒子间发生团聚还没有统一的认识，涂层在传统上的缺陷也是一个亟需解决的问题，研究具备抗老化、耐磨、抗划伤等综合性能优异的防覆冰涂层势在必行。

6. 总论
我公司开发的防覆冰涂料对风电覆冰有缓解作用，但是也存在高湿度效果不佳的问题，现有理论的基础上，开发继续开发一种可有效缓解敷冰情况的RTV涂料是正确方向。

目前计划在超憎水上改变RTV表面结构，使涂料表面在低温寿命和结冰温度有比较大的提升。

但是也存在诸多困难，如憎水材料价格昂贵、表面结构改善实验复杂、低温环境模拟困难等问题。

瑕不掩瑜，防覆冰涂料无论在风电、变电设备、飞机结冰部位（机翼），均能大展身手，前景广阔。