1.结冰的种类

中国幅员辽阔，高低落差大，结冰种类多，在我国整个区域除华南区域外，都会遭受结冰损失。风力发电机因为结冰、覆冰产生的功率损失、机械故障、覆冰抛落等问题已经成为影响风力发电机安全运行的严重隐患之一，所以分析各个区域的结冰机理，是防冰除冰的关键。因为水的有液态、气态、固态三相特征。液态可以转为固态，气态也可以直接转为固态。因此在实际风力发电机相关的结冰就会出现几种结冰类型。

图1.1 水的三相点

1.1 结冰的种类

（1）雾凇

雾凇是指针状和雪花状的薄冰。多形成在温度为-20℃左右的云中，水滴尺寸及含水量都较小的情况下。这种积冰的密度很小，通常在200~600kg/m3之间，并且在叶片上的附着力小，比较容易清除。

图1.2 雾凇

（2）霜凇/雪凇

霜凇是在-10℃~-15℃温度下，云中水滴尺寸较大，含水量较高的寒冷环境下将会出现高密度的不透明状白色积冰，一般密度在600~900kg/m3。也就是说霜冻积冰的附着力比较强。

图1.3 霜凇/雪凇

图1.4 霜凇/雪凇

（3）明冰/雨凇

明冰/雨凇结冰现象是冰光滑透明、结构坚实。水滴尺寸非常大，含水量较高，该型积冰是指部分液滴没有在撞击叶片表面瞬间结冰，而是沿着表面流动随后结冰。这种状况下积冰的密度较高，达到900kg/m3，而且与叶片的表面附着力很强，通常出现在温度为在0～-10℃之间时的降水过程中在过冷雨中或大水滴组成的云中形成。

图1.5 明冰/雨凇

（4）混合冰/毛冰

由于空气中水滴尺寸大小、水滴的数量（含水量）、风速、水滴温度不断变化，天气气候的持续时间、积累速度以及叶片的速度、弦长等的不同，在发生积冰的在0℃～-20℃范围内，可能存在多种冰凇混合状态，称为毛冰。这种积冰起初很容易清除，但在叶片表面结成冰后就难于清除。

图1.6 混合冰/毛冰

1.2 小结

结冰在不同天气情况下有不同的结冰类型，有的比较较轻较少容易去除，有的较多较厚容易发生风险。通过2018年1月10日的气温与湿度云图可以再做一下简单分类。

图1.7 2018.1.10湿度/温度

图1.8 2018.1.10湿度/温度混合图

结冰与相对湿度/露点共同相关，所以温度较低露点变大，液态水滴会变小，所以湿度相当情况下，1、3、4区为霜凇工况；5区为雪凇工况；2区西北部为混合冰/明冰工况；2区中南部为多为明冰工况。

2. 固体表面润湿情况

润湿现象涉及液态、气态、固态三相特征。

2.1杨氏模型

介绍了固体表面润湿与三相界面表面张力的基本关系，其中固-气的界面张力为γsg，固-液的界面张力为γsl，固-液的界面张力γlg，则界面的接触角为：

图2.1 杨氏接触角关系图

2.2 Wenzel模型（润湿模型）

由于杨氏模型为理想表面方程模型，所以考虑引入粗糙度r的Wenzel模型。

图2.2 Wenzel态润湿图

当r=1时为平整表面，r粗糙度会使亲水性的表面更加亲水，而疏水性的表面更加疏水。由于液滴润湿了固体的粗糙结构，导致液滴滚动角变大不容易滚动脱落。

2.3 Cassie-Baxter模型

粗糙不均匀的固体表面设想为一个复合表面，由于表面的粗糙度因子存在一个临界值，超过这一临界值，固体的表面浸润性会从疏水态转变为润湿态。表面粗糙度越大，疏水态和润湿态之间的能垒越高，疏水态越稳定。

图2.3 Wenzel态与Cassie-Baxter态混合润湿图

无论在疏水或润湿状态下，液滴的存在形式都只是一种局部能量最小化的状态，如果这两者状态在转变中存在能垒，那么髙能态也不能自发地转变成低能态。在外力（比如电压、光照、振动等）作用下，这种过渡态才会被打破，向更稳定的状态转变。

2.4 固体表面的动态润湿性

（1）液滴在固体表面的动态行为

可分为3种：滑动，滚动和粘滞，在倾斜面上，可以看到液体的前进角和后退角。前进接触角与后退接触角之差称为接触角滞后（θa-θr）。滚动角α为可以让液体滚动的斜面角度。固体表面的滚动角越小，表示液滴越容易发生滚（滑）动，自清洁效果越好，越不容易覆冰。

图2.4 接触角、滚动角、滞后

（2）液滴撞击固体表面的动态行为

由于不同表面对水的排斥性不同，液滴撞击到固体表面会经历迅速而复杂的变形过程。对于接触角极小的表面，冲击液滴在表面铺展后完全浸润表面。而对于其他润湿性表面，受到液滴动能和黏度的影响，撞击的动态过程可分为：

1）液滴较低速度撞击表面，经过一系列垂直方向上的振动之后，在表面停留。

2）液滴定速度撞击表面，经过铺展、回缩等过程后反弹。

3）液滴较大速度撞击表面，铺展成中间薄两边厚的扁平圆盘，回缩反弹过程中液滴破碎在上撞击过程中，液滴在固体表面可能仍然保持疏水状态，也可能发生由疏水态到润湿态的转变。

决定这种转变的主要因素是液体撞击表面时的水击压力Pwh、伯努利压力Pb和表面粗趟结构具有的毛细压力Pc之间的关系。当Pc

2.5 小结

在风力发电的防冰领域，我们不希望水汽、液滴向风机叶片润湿、附着、结冰，所以我们更希望水滴在叶片上能处疏水态，或者从疏水态润湿态的有很高的能垒，或者处在润湿态很容易被打破。

同样，动态润湿理论应用到风力发电领域，Pwh代表风机叶片以某一线速度V去撞击空气中的水汽所产生的压力，Pb代表空气及所含的液滴在叶片上产生的伯努利压力（即风机旋转的动力，叶片平面所产生的压力就是风能转化风机的功率与转矩）。由于风力发电机桨叶角度与转速都是可调节、可控制的，所以在某一转速下、某一桨叶角度下，可以通过用转矩与桨距角宏观控制来达到叶片一定范围的Pb

3. 叶片的结冰影响因子

叶片表面上的积冰过程，从积冰相变、冰层表面的水膜流动以及两相流动、水滴撞击、对流换热都具有明显的非稳态性，液态水含量LWC、水滴平均体积MVD、温度、来流速度/转速、攻角/变桨角度、弦长、持续时间与水膜滑动这些物理过程之间又相互影响。

3.1 液态水含量LWC/湿度

温度决定绝对湿度并决定绝对水含量，所以实际工况的相对湿度则代表液态水含量大小。研究表明-15℃、0.8g/m?（50%湿度）开始出现载荷快速增加，说明在此工况下结冰迅速。-10℃、1g/m?（43%湿度）开始出现载荷快速增加。-20℃、1.2g/m?（113%以上的湿度，积雨的过冷水云团）开始出现载荷快速增加。

3.2 温度与水滴平均体积MVD

液态水含量0.75g/m?温度在-10℃到-14℃出现快速结冰，液态水含量0.75g/m?平均水直径MVD在20um情况下-12℃出现快速结冰

3.3 来流速度/转速

来流速度代表叶片与空气的相对速度，代表叶片线速度，从仿真上可以观察到两个折点70m/s与110m/s，尤其是110m/s到达增加载荷的顶点，按照120m叶轮直径折算叶尖在满发的线速度为106.8m/s。可以推断在液态水含量0.75g/m?平均水直径MVD在20um情况下，风力发电机满发转速，叶尖前三分之一积冰严重，叶尖积冰最大。如果降速至并网转速结冰载荷会降低到15%以下。

3.4 攻角/桨叶角度

攻角不同对应风力发电机的桨叶角度不同则迎风面会变化，造成积冰位置下移NACA23012翼型攻角2°时积冰最大。各个风机厂家翼型不同所以什么变桨角度对积冰的范围最大不能确定，但是保持积冰在某个角度最小是可行的。

3.5 弦长

弦长不同可以使迎风面气流变化，弦长越长结冰载荷影响越小，所以对于风机叶片越靠近叶片根部结冰对载荷影响越小。

3.6 持续时间

液态水含量0.3g/m?平均水直径MVD在20um-200um，-5℃情况下5min即可发生积冰，随时间延长而不断增加。

3.7 水膜滑动

当平均水滴体积MVD=900um很大时，撞击迎风界面，水不会立即结冰会发生水膜滑动。

3.8 小结

叶片表面的结冰宏观过程可以分解为叶片界面撞击液态水滴而发生的层层吸附、流动、冻结过程，这个过程受到湿度（液态水含量/水滴的体积大小）、温度（过冷水温/冰点/露点）、转速（来流速度/水撞击压力）、变桨角度（攻角/伯努利压力）、持续时间的影响，这些参数从宏观到微观都有相互的联系。

4. 疏水/憎冰特性

4.1 超疏水定义

杨氏方程解释了表面张力越大接触角越大，亦解释为表面自由能越小接触角越大，例如：在固体表面水银比水接触角大。滚动角的大小表征了固体表面的滞后现象，所以只有拥有较大的接触角和较小的滚动角才是真正意义上的超疏水表面接触角。接触角θ>150°,滚动角θ<10°的表面叫做超疏水表面。

4.2 超疏水表面模型

对荷叶结构效应从理论上进行了模拟，以粗糙表面的Wenzel方程和Cassie方程为理论基础构建了一种具有二级复合结构的柱形沟槽模型，分级的复合结构可増大表面接触角，更为重要的是能够使滚动角大大降低，即能降低液滴在表面的粘附力，具备优异都超疏水性能。

图4.1 二级粗糙表面模型超疏水的憎冰

超疏水表面由于较低的表面能，与固体较小的接触面积，在相同的温度下，能有效的延长液滴结冰的时间。以下是-10℃/7uL液滴在不同接触角的结冰情况

图4.2 四种接触角结冰过程

但是根据润湿机理，气温变低，湿度较大，到达露点范围，水汽液化时，当冷凝水滴较小时，水滴会直接进入超疏水材料的微/纳米米突触间隙，即Wenzel态冷凝。气温继续降低至冰点，冷凝的Wenzel态液体是经过固化的结冰，通常把这种冷凝固化作用称为锚固现象。这种结冰情况十分牢固，界面已经被凝结成冰锚，疏水表面失去疏水特性。锚固作用所产生的凝冰是目前电力行业绝缘子RTV硅胶涂料产生结冰的主要原因。

5. 超疏水与超声波的防冰方法

超疏水表面能有效的延长结冰时间，但是在某种工况下仍然不可避免会产生结冰问题。

目前通用可行的方法是加热法（包括固体表面加热、红外加热）是将表面温度提高至冰点以上防结冰。由于叶片表面面积非常大200㎡以上，在不同风速、水滴直径、液态水含量等不同工况下的仿真，所需要的热载荷在30kW-40kW/㎡，这种方法的改造、施工成本较大，要加热的冰点以上会消耗大量的电能，对于风场生产来说是非常大的成本。

超声波是大于20kHZ的空气振动，利用超声波造成液体内部的应力负压或者热毛细现象可以改变液滴的润湿状态，避免润湿态粗糙表面导致超疏水疏水性降低、滚动角变大甚至结冰出现锚固现象。

有实验表明，当对表面外加超声振动后，表面能克服能垒由润湿状态回到疏水状态，同时超声振动可以促进液滴的自迁移并尽可能多的发生合并跳走。我们上诉描述机理是冷凝开始前，在4℃露点液化时，通过空气振动填充固体粗糙缝隙使得固体表面能变低，回到超疏水特性，使得液滴由润湿状态回到疏水状态，液滴滚落憎水防冰，这种方法需要的能量很低而且便于实现。

所以在叶片界面的施加超声能量使得超疏水涂层恢复超疏水性能，是涂层法防覆冰的有效措施。

6. 间隔涂层法控冰

间隔涂层法主要目的不是防冰、除冰而是控冰，即控制冰的生长方式，但是间隔涂层方法不操作超疏水或亲水的的微观粗糙表面，而是通过间隔涂层控制宏观的冰层生长。

杨氏方程决定疏水亲水特性，小于90°为亲水，大于90°为疏水

那么两个相邻间隔且接触角差异较大的界面表面会形成不同的表面张力产生的“势能”。

图6.1 不同表面接触角

利用疏水、亲水特性，疏水界面为微小液滴的迁移、合并、无序滚动的表面，亲水界面为汇集、引流、传输的液流表面。

图6.2 不同接触角液滴合并

利用疏水、亲水特性，疏水界面为微小液滴的迁移、合并、无序滚动的表面，亲水界面为汇集、引流、传输的液流表面。

间隔条可以有多种组合方式，本文提出一种可行的涂覆方式，转捩点附近是空气紊乱起点，是覆冰的起初生长点，可以将亲水导条引入转捩点，通过亲水张力引导后续冰层生长。

图6.3 叶片涂覆示意图

7. 风机在间隔涂层法的控制改进

通过经验仿真，可以得出通过控制转速、桨角等条件可以降低结冰。当结冰不多时，剪切力相对较小，当结冰到一定范围时，对于变桨控制风电机组，通过控制气动力和离心力增大到一定程度可以控制冰层断裂以减少覆冰。

图7.1 冰层生长受力

图7.2 冰层生长受力实际情况

左图分别是低风速下空转与正常运行下的叶片横截面前缘结冰图。由于叶轮转速接近于0，叶片表面的冰和叶片表面见的剪力很小，因此，叶片表面能够沉积更多的冰。中图三支叶片在运行中的结冰图，靠近叶片的前缘处的冰被部分甩掉，同时也造成了叶片空气动力学和质量上的不平衡。在第八章通过间隔涂层，将结冰生长引入亲水间隔带，亲水带被设置在转捩点（影响风机气动最小位置），在同一结冰工况条件下，保持叶片气动上结冰统一而不是随机。

8. 总结

本文从微观的表面讨论润湿机理，使用超疏水涂层防水进而达到防冰的目的。在超疏水涂层也有可能结冰的情况下，采取超声波振动方式维持表面超疏水性能。同时考虑到宏观超疏水涂层的磨损老化，采用间隔涂层来引导冰层生长，通过风机的转速与变桨控制，在微观的表面撞击与宏观的冰层受力断裂两种方式除冰。