中材科技牟书香：防除冰技术在叶片上的应用

由中国农业机械工业协会风力机械分会主办的“第五届中国风电后市场专题研讨会”，于2018年6月13-14日在上海市召开，能见App作为战略合作媒体全程直播本次大会。

中材科技风电叶片股份有限公司高级工程师牟书香出席“第五届中国风电后市场专题研讨会”， 在叶片改造修复与回收利用专题论坛，分享题为“防除冰技术在叶片上的应用”的主旨演讲。

以下为发言内容：

牟书香：大家好，我的汇报主要分为下面几个部分，首先我们来看一下全球的叶片覆冰的现状，从全球风场装机的情况看，欧美、北美、亚洲都存在结冰严重的切断，欧洲及北美面积一半的面积左右，每年有长达一半的冬季，预测2020年覆冰地区达123GW的强度。

根据气象结冰的时间占全年占比的情况，百分比以及对机组发电量的影响，将覆冰的等级分5个等级，最轻微的像一级对发电量的影响达到了0.5%，比较严重的等级发电量影响达到20%。这个是内陆、沿海以及高原地区在不同的低温情况下的结冰严重情况及大概的占比。

对于叶片的覆冰情况它主要是集中在叶片的前缘，而且是从叶根到叶间覆冰量有不断增大的趋势。叶片的覆冰类型主要有两种，一种是云内结冰，云内结冰分两种，一个是雾淞和雨淞，这种类型讲雨淞产生的冻雨比较严重，内部的强度和物体的粘接强度比较大，对机组的为企业比较大，雾淞造成的雨雪结冰的情况也稍微轻微一点。

叶片覆冰对机组产生了非常大的危害，首先发电量的影响，覆冰严重的是产生20%的发电量的影响，严重的要停机。

另外是对叶片和机组性能的影响，覆冰之会使机组的翼型升力下降，升组比较小，叶片提前进入失效区，另外是气动载荷分布不均匀，另外叶片灾面钢度增大，耐疲劳性降低，第三是机组脱落的时候对机组的人员和设施产生安全隐患。

第三个介绍一下目前主流叶片除冰技术的进展，目前商业化叶片除冰的技术有三种：

第一个是防覆冰涂层的技术，是在表面构成疏水表面和防冰的表面，降低冰的附着力。

这种特点是成本比较低，施工比较简单，不需要考虑防雷的问题，缺点是涂层来说初期对发电量的提升有轻微的影响，在除冰的初期发电量可以提升0.1%-0.2%，但是防护的性能是下降的，这种情况下说单一的涂层做防覆冰不太现实，应该是结合其他的防覆冰的方法实施。

第二种防覆冰的技术是在叶片的内腔当中形成热分的管道，通过热风的方式从叶中到叶间通过热气的循环，通过热量加热叶片的结构，将热量传递到叶片表面进行除冰。

第三种是电热防除冰的技术，这种特点是将各种电热元件嵌入叶片当中，除冰的效率比较高，像西门子这些都有防覆冰的策略，像其他的一些机构都有提供了防覆冰的一些方案。

VTT技术是采用碳纤维作为材料进行电热除冰，目前是装机量最多的技术，这个是Nordex的技术，声称发电量可以提升8%以上。这个是WinWinD的一个技术，技术的特点可以快速除冰，低温到高温的情况下只需要几分钟。

这个是Aerospace，通过电热腔的方式贴在叶片的表面，进行加热除冰的方式。这个是西门子的技术，采用碳粘膜的技术进行除冰，还有一些其他的防覆冰的技术，其中有气囊的除冰技术，在表面附着气囊，利用气囊膨胀碎冰，这种技术只能在实验室进行验证，目前没有实际应用过。

其他人提出的设想是在叶片前缘和后冰造一些微小的孔，然后通过外缘进行除冰，目前没有应用。这个是在叶片的前缘的部分用高分子的导电材料，利用这个导电加热除冰，这个据说已经进行了一个样机的验证。

这个是另外一种技术，采用碳纳米管薄膜的防覆冰技术，是在叶片的表面先粘一层高分子薄膜，然后在叶片表面喷涂碳纳米管，通过碳纳米管通电导热进行除冰。另外也有人提出了微波除冰的方式，是在叶片的空腔当中形成微波的波导，叶片也有碳纳米离子，利用碳纳米离子进行发热除冰。这是超声波导结合振动的风电叶片防/除冰的技术。

下面介绍一下中材叶片电热除冰的技术，这是我们电热除冰的一个系统，主要分为几个部分，一个是叶片的加热系统，还有从主机的角度有一个供电、配电的系统，除冰的配电系统，除冰的检测系统，叶片加热系统里面有叶片加热系统的控制系统，通过这几部进行相互的作用，主要是通过结冰传感器检测温度、湿度的数据，软化传递给PLC系统，PLC又传递到叶片加热系统除冰，叶片加热系统有像温度传感器的系统，进行温度的检测，实施到主机的系统当中，当温度超过限制的时候进行断电。

我们采用的加热材料有两种，一种是高分子电热膜，我们是源于地板上采用的材料，用于叶片当中，第二个玻纤和碳纤，设置的碳玻混杂的织物。另外我们对风场的情况还有在功率密度下的除冰效果建立了功率密度的除冰模型，我们通过实际实验的方式结合，确定了特定风场电热材料的功率密度。 这个是电热材料的布局，主要是覆盖叶覆冰的前缘，通过分区布置的方式。对于电热材料需要考虑防雷的问题，我们在电热材料外表面铺设面积比较大的避雷金属网，这样在遭受累计的时候，雷电流可以通过电热材料外面的金属网把雷电导入地下，降低对业频的损伤。

监控系统我们主要是在电热材料这一层设置温度传感器，温度传感器相应的一个区设置多个温度传感器，有备用的，将温度传感器的信号导到控制系统当中，与主机的控制系统进行连接。我们采用的防除冰的风电叶片是一体灌注成型的，这是我们特定地区的工厂做的实验，验证防覆冰的效果。为了验证防覆冰的材料对叶片是不是有影响，以及可靠性，还有进行疲劳试验，疲劳实验之后证明电阻没有变化，也没有出现分层的现象，证明对疲劳性是没有影响的。这个我们2016年做的两套56.8米的叶片，一套是基于高分子电热膜的，一个是谈玻混电热织物的系统，这是56.8米2016-2017年冬季的运行情况，在最低温度为-6度的覆冰环境中，叶片防/除冰加热系统开启后，叶片表面温度快速上升，叶片表面冰层融化或维持在一定温度范围，叶片表面将不再覆冰，覆冰期间样机的风速和功率关系是正常的，而其他附近机组在相同时段因为覆冰严重而停机。我们客户通过统计，在一次3天的覆冰期，防/除冰叶片样机机组相比其他停机机组多发了约4万度电。

目前我们这项技术已经在54米的叶片进行小批量的推广，目前制作了将近40套的量。这就是我的回报。

谢谢大家。

（根据发言整理，未经本人审阅）