一种应用于旋转风力机叶片除冰的涂层及其制作方法

摘要

本发明提出了一种应用于旋转风力机叶片除冰的涂层及其制作方法，其中，涂层由厚度0.3mm～0.5mm表面粗糙度0.2mm～0.4mm的刚性基底和厚度0.3mm～0.5mm弹性模量5kPa～20kPa的微变形弹性层组成；刚性基底与风力机叶片表面热熔粘合后固化，形成多孔性的表面结构；弹性层粘附在刚性基底上，与刚性基底相互勾联。由于刚性基底表面粗糙度高，弹性层不同位置厚度不同，受力下的变形量不同，进而在冰层和弹性层之间产生空气间隙，降低冰层的粘附力，使冰层脱落。本发明提出的应用于旋转风力机叶片除冰的涂层，制备简单，成本低，易推广。

权利要求

1.一种应用于旋转风力机叶片除冰的涂层，其特征在于，由厚度为0.3  0.5 mm表面粗~糙度为0.2  0.4 mm的刚性基底和厚度为0.3  0.5 mm弹性模量为5  20 kPa的微变形弹性~ ~ ~层组成；其中，所述的刚性基底用于与风力机叶片表面热熔粘合后固化，形成多孔性的表面结构；所述的弹性层粘附在刚性基底上，与刚性基底相互勾联；

所述的涂层上覆冰后，在离心力和周期性重力的作用下，涂层上的弹性层发生形变，弹性层与冰层间产生气穴，冰层的粘附力减少，在离心力的作用下脱落。

2.根据权利要求1所述的应用于旋转风力机叶片除冰的涂层，其特征在于，所述的刚性基底采用固体可熔性聚合物树脂。

3.根据权利要求1所述的应用于旋转风力机叶片除冰的涂层，其特征在于，所述的弹性层是硅酮橡胶与硅胶按照质量比9:1的组合。

4.根据权利要求1所述的应用于旋转风力机叶片除冰的涂层，其特征在于，所述的弹性层是硅酮橡胶和硅胶组合后，再用有机溶剂稀释后均匀的喷涂到刚性基底上。

5.根据权利要求1所述的应用于旋转风力机叶片除冰的涂层，其特征在于，所述的弹性层是一种疏水的光滑表面，接触角115°125°。

~

6.根据权利要求1所述的应用于旋转风力机叶片除冰的涂层，其特征在于，所述涂层的总厚度为0.8 mm 1 mm。

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7.根据权利要求1 6任一项所述的应用于旋转风力机叶片除冰涂层的制作方法，其特~征在于，包括以下步骤：

（1）对风力机叶片表面进行清洁；

（2）在风力机叶片表面喷涂加热后的固体可熔性聚合物树脂，形成具有多孔性表面结构的刚性基底；刚性基底厚度为0.3 mm 0.5 mm，表面粗糙度为0.2  0.4 mm；

~ ~

（3）按照质量比9:1混合硅酮橡胶与硅胶；

（4）按质量比3:2用有机溶剂稀释混合后的硅酮橡胶与硅胶，并搅拌均匀；

（5）在刚性基底上喷涂形成弹性层；弹性层厚度为0.3 mm 0.5 mm，弹性模量为5  20 ~ ~kPa；

（6）待弹性层晾干后形成除冰涂层，晾干后的除冰涂层刚性基底和弹性层相互勾连，防止弹性层脱落。

说明书

一种应用于旋转风力机叶片除冰的涂层及其制作方法

技术领域

[0001] 本发明涉及风力发电机除冰技术领域，特别涉及一种应用于旋转风力机叶片除冰的涂层及其制作方法。

背景技术

[0002] 我国约有40％的机组容量工作在高寒高湿地区。当风力发电机工作在高寒高湿地带时，叶片表面容易结冰，结冰太厚会迫使机组停机，降低发电功率，否则会引起机组倒塌，叶片上的冰块掉落还会威胁人身安全。风机叶片上的结冰主要有明冰、霜冰、混合冰三种。明冰是在微寒有雨风速大的条件下形成的透明坚硬冰块，密度在900kg/m3以上；霜冰是在极寒风速小的条件下形成的白色不透明晶状碎冰，密度在600kg/m3以下；混合冰的形成条件和形态介于明冰和霜冰之间，密度为600‑900kg/m3。其中明冰和混合冰的密度大，对风机的危害较大。叶片上不同位置的结冰情况也不相同，占叶片总长1/3的叶尖部位线速度大，和过冷水滴碰撞频繁，结冰厚度最大。

[0003] 目前已有的风机除冰技术可分为两种：

[0004] 主动除冰：从外界输入能量对叶片表面进行加热，使接触面上的冰块融化，降低冰块在表面上的黏附力，利用离心力将冰甩脱。主动除冰包括电热除冰、微波除冰、气流除冰等。电热除冰在叶片上敷设一层电阻加热元件(如：碳布)，通过外接电源供热；微波除冰将微波能导到叶片表面，利用微波能提高叶片表面的温度；气流除冰在叶片型腔内形成一股循环的暖流，使热量从叶片内表面传递到外表面。如公开号为CN107939620A的中国专利文献公开了一种风机叶片防冰除冰系统，包括气热防冰装置、膨胀管除冰装置、电加热除冰装置、层除冰装置及监测控制装置，电加热除冰装置包括多个布设在风机叶片上的相互并联的电阻丝。

[0005] 虽然主动除冰技术加热效率高，升温快，能够快速除冰，但是主要缺点有：(1)加热的能耗大；(2)加热元件容易遭到雷击；(3)设备复杂，不易维修。

[0006] 被动除冰：在叶片表面涂覆化学涂层，改变接触面特性，使冰块难以在叶片上形成或形成后可以被轻松甩脱，与主动除冰相比不耗能、使用简单。被动除冰包括化学药品、超疏水涂层、超光滑涂层等。

[0007] 然而，在叶片表面喷洒异丙醇、乙烯乙二醇、乙醇等化学药品，降低冰点防止结冰，这种方法作用时间短且有污染；超疏水涂层通过降低表面接触角，防止水珠的凝结，这种方法除冰效果差且不耐用；超光滑涂层在接触面形成一层润滑水膜，降低冰的附着，这种方法效果好，但制备复杂、成本昂贵。

发明内容

[0008] 本发明提供了一种应用于旋转风力机叶片除冰的涂层及其制作方法，通过在风力机叶片表面喷涂除冰涂层，利用离心力的作用使冰块与涂层间产生空气间隙，降低冰块的粘附力，达到除冰的技术效果。

[0009] 一种应用于旋转风力机叶片除冰的涂层，由厚度为0.3mm～0.5mm表面粗糙度为0.2mm～0.4mm的刚性基底和厚度为0.3mm～0.5mm弹性模量为5kPa～20kPa的微变形弹性层组成。

[0010] 其中，所述的刚性基底用于与风力机叶片表面热熔粘合后固化，形成多孔性的表面结构；所述的弹性层粘附在刚性基底上，与刚性基底相互勾联。

[0011] 由于刚性基底表面粗糙度高，弹性层不同位置厚度不同，受力下的变形量不同。

[0012] 针对旋转风力机叶片的工作环境，为了提高除冰涂层的使用寿命，优选的刚性基底是一种固体可熔性聚合物树脂，其表面粗糙度高，弹性层与刚性基底相互勾联，使弹性层与刚性基底紧密固定。

[0013] 为了提高除冰涂层的使用效果，优选的，所述的弹性层是硅酮橡胶与硅胶按照质量比9:1的组合。

[0014] 为了便于涂层的制作，优选的，弹性层是硅酮橡胶和硅胶组合后，再用有机溶剂稀释后均匀的喷涂到刚性基底上，进一步优选的，有机溶剂为无水乙醇或六甲基二硅氧烷[0015] 为了进一步提高除冰涂层的使用效果，优选的，弹性层是一种疏水的光滑表面，接触角115°～125°。

[0016] 为了保证除冰涂层的除冰效果，提高使用寿命，降低使用成本，涂层的总厚度为0.8mm～1mm。涂层太薄，不能起到很好的除冰效果；涂层太厚，会影响涂层的使用寿命，还会破坏风力机叶片的气动特性，而且使用成本增加。

[0017] 所述的涂层上覆冰后，在离心力和周期性重力的作用下，涂层上的弹性层发生形变，弹性层与冰层间产生气穴，冰层的粘附力减少，在离心力的作用下脱落。

[0018] 具体的，在风机运行过程中，弹性层在切向力的作用下发生变形，由于弹性层不同位置厚度不同，受力下的变形量不同，在局部区域，冰层与弹性层分离产生空气间隙，在离心力和周期性重力的作用下，空气间隙增大，冰层的粘附力减少，同时随着结冰厚度的增加，冰块受到的离心力增大，最终冰层在离心力的作用下脱落。

[0019] 本发明还提供了一种应用于旋转风力机叶片除冰涂层的制作方法，包括以下步骤：

[0020] (1)对风力机叶片表面进行清洁；

[0021] (2)在风力机叶片表面喷涂加热后的固体可熔性聚合物树脂，形成具有多孔性表面结构的刚性基底；

[0022] (3)按照质量比9:1混合硅酮橡胶与硅胶；

[0023] (4)按质量比3:2用有机溶剂稀释混合后的硅酮橡胶与硅胶，并搅拌均匀；

[0024] (5)在刚性基底上喷涂形成弹性层；

[0025] (6)待弹性层晾干后形成除冰涂层。

[0026] 进一步地，步骤(2)中，多孔性表面结构的刚性基底厚度为0.3mm～0.5mm；步骤(5)中，弹性层厚度为0.3mm～0.5mm。

[0027] 进一步地，步骤(6)中，晾干后的除冰涂层刚性基底和弹性层相互勾连，防止弹性层脱落，从而提高弹性层的寿命。

[0028] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

[0029] 本发明通过刚性基底和弹性层的组合，降低冰层的粘附力，使冰层在厚度很薄时就能在风力机叶片旋转的离心力作用下脱落，避免了风力发电机因结冰而停机的情况，提高风机的发电量。涂层制备简单，成本低，易推广。

附图说明

[0030] 图1为本发明一种应用于旋转风力机叶片除冰的涂层结构的示意图；

[0031] 图2为本发明实施例中试验叶片结冰厚度随时间变化图；

[0032] 图3为本发明实施例中试验风力机叶片结冰情况。

[0033] 图中：1‑风力机叶片表面；2‑刚性基底；3‑弹性层；4‑冰层；5‑空气间隙。

具体实施方式

[0034] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

[0035] 如图1所示，一种应用于旋转风力机叶片除冰的涂层，由厚度0.4mm表面粗糙度0.3mm的刚性基底2和厚度0.4mm弹性模量10kPa的微变形弹性层3组成。

[0036] 其中，刚性基底2与风力机叶片表面1热熔粘合后固化，形成多孔性的表面结构；弹性层3粘附在刚性基底2上，与刚性基底2相互勾联。由于刚性基底2表面粗糙度高，弹性层3不同位置厚度不同，受力下的变形量不同。

[0037] 针对旋转风力机叶片的工作环境，为了提高除冰涂层的使用寿命，刚性基底2是一种固体可熔性聚合物树脂，其表面粗糙度高，弹性层3与刚性基底2相互勾联，使弹性层3与刚性基底2紧密固定。

[0038] 为了提高除冰涂层的使用效果，弹性层3是硅酮橡胶与硅胶按照质量比9:1的组合。

[0039] 为了便于涂层的制作，弹性层3是硅酮橡胶和硅胶组合后，再用有机溶剂稀释后均匀的喷涂到刚性基底2上，有机溶剂为无水乙醇。

[0040] 为了进一步提高除冰涂层的使用效果，弹性层3是一种疏水的光滑表面，接触角115°～125°。

[0041] 为了保证除冰涂层的除冰效果，提高使用寿命，降低使用成本，涂层的厚度为0.8～1mm。涂层太薄，不能起到很好的除冰效果；涂层太厚，会影响涂层的使用寿命，还会破坏风力机叶片的气动特性，而且使用成本增加。

[0042] 为了提高除冰涂层的使用效果，弹性层3在切向力的作用下发生变形，由于弹性层3不同位置厚度不同，受力下的变形量不同。

[0043] 如图1所示，在局部区域，冰层4与弹性层3分离产生空气间隙5，在离心力和周期性重力的作用下，空气间隙5增大，冰层4的粘附力减少，同时随着结冰厚度的增加，冰块受到的离心力增大，最终冰层4在离心力的作用下脱落。

[0044] 为验证本发明的效果，在某试验小风机上涂覆局部应力涂层，将小风力机的三个叶片标号为一、二、三，其中叶片一不涂涂层，作为空白对照；叶片二和叶片三的叶尖处涂覆涂层。

[0045] 将涂有涂层的叶片装配到风力机上，在结冰气象条件下每隔一小时对叶片进行观测，记录风力机叶片的结冰厚度，叶片结冰厚度随时间变化如图2所示。

[0046] 随着时间的增加，无涂层的叶片结冰厚度随时间增加，而有涂层的叶片结冰厚度变化不大。试验5h后风力机叶片结冰情况如图3所示，图中，(a)为叶片一的结冰情况，(b)为叶片二的结冰情况，(c)为叶片三的结冰情况。经过测量，叶片一无涂层，5h结冰厚度为57.0mm，叶片二和叶片三有涂层，5h结冰厚度分别为2.5mm和3.0mm，结冰厚度远小于叶片一。

[0047] 上述实验的结果说明：本发明的除冰涂层可以明显减少叶片表面的冰块积累，可以让叶片更快地将冰块旋转甩脱，能够达到除冰的效果。

[0048] 以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。