一、结冰的影响
我国整个区域除华南区域外，都会遭受结冰损失，由于湿度、临界温度的共同作用中西部、西南的云贵区域反而是覆冰危害最严重的区域。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。云贵区域的某国企业主17年-18年的结冰覆冰损失就达到近6000万。
二、结冰的气候与种类
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。在实际风力发电机相关的结冰就会出现几种结冰类型。
综合航空行业的定义，结冰时的大气气候有三种类型：云雾中结冰、降水结冰（冻雨、降雪）与霜冻。它们分别代表了过冷水液相转固相、液滴附着后转固相、气相直接转固相的三种形式。
2.2结冰的种类
根据空气中水滴尺寸大小、水滴的数量（含水量）、风速、水滴温度、持续时间、积累效率以及叶片的弦长等的不同，积冰的大小、形状和特性具体区分如下：
2.2.1雾凇
雾凇是指针状和雪花状的薄冰。雾凇不透明，表面粗糙。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。在风力发电领域多发生在内蒙、东北平原等地。雾凇一般是从一个小点发展而来，沿叶片前缘迎风面成三角形分布。这种积冰的密度很小，并且在叶片上的附着力小，比较容易清除。
2.2.2 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。由于积冰形成过程中与叶片表面的附着力很强使得这种积冰比较难于清除。尤其是东北山区的风力机在冬天云层中运行时易出现，或者寒潮掠过的云贵山区。霜冻天气过程会形成霜凇，即在风速较低时，水蒸气在冰冷的叶片表面直接凝固的一种积冰形式
2.2.3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，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。风电结冰范围一般在寒潮过后的-10℃的中部区域、云贵区域。冻雨会产生明冰，当雨滴落在温度低于0℃的叶片表面时出现积冰，这种现象发生时积冰的密度和附着力均很高，基本上为明冰。
2.2.4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。湿雪的天气情况就是毛冰，即当气温在-3~0℃时，夹杂着水滴的雪附着在叶片表面而出现积冰。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。航空行业经验值，积冰通常形成于0℃～-20℃范围内，强积冰多发生在0～-5℃，温度露点差为0～4℃范围内。
2.3小结
根据上述分类分析，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。不同于飞机穿过云层，会在短时间内经历多种结冰工况。风力发电机大部分是在固定的区域长时间经历一种结冰工况。我们可以通过将会发生的结冰类型或者某个区域频繁发生的结冰类型做重点预防处理。本文第六章的方式方法，最主要是用于控制雨凇/明冰的方法。可以通过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2.8 2018.1.10湿度/温度混合图
Fig2.7 2018.1.10 Mixed Temperature / Humidity
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。
三、固体表面润湿
润湿现象涉及液态、气态、固态三相特征，引入粗糙度r的Wenzel与Cassie-Baxter模型模型。一种水滴易结冰，一种易滚落。
在外力（比如电压、光照、振动等）作用下，这种两个状态才会被打破，向更稳定的状态转变。
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
四、超声波振荡器与超疏水涂层的防冰方法
超声波是大于20kHZ的空气振动，超声波作用于液体时可产生大量小气泡。一个原因是液体内局部出现拉应力而形成负压，压强的降低使原来溶于液体的气体过饱和，而从液体逸出，成为小气泡。另一原因是强大的拉应力把液体“撕开”成一空洞，称为空化。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，避免由于Wenzel态润湿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。
当对表面外加超声振动后，表面能克服能垒由Wenzel状态回到Cassie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。在冷凝开始前，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Wenzel状态回到Cassie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液滴浸润由Wenzel状态转为Cassie态，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。
五、超疏水、亲水间隔涂层法控冰
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”。
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。
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8.3 叶片涂覆示意图
Fig 5.1 Ice and Crack***********
六、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。
现阶段也有不足。首先超疏水涂层的抗老化，目前调研的超疏水涂层由于采用二级复合结构的柱形沟槽模型，在沙尘、异物高速撞击后会破坏其表面结构。而附着力较好硅橡胶RTV涂层属于一级结构，疏水角在95°左右，滚动角较大，在大部分结冰工况仍然可以结冰。不过也有相当多的文献介绍了RTV硅胶上在做一层表面处理达到超疏水且附着力够的涂料。此种方式目前是今后实验测试的重点。
对于间隔涂层的涂覆方式，需要实际实验测试后，按照冰层生长的变化改进称为我们想要的冰层形状，便于后续宏观控制。
对于超声波功率级别，由于叶片长度较大，超声波的衰减后能否能激励到叶尖部分，是否需要多个超声波源，这也是需要实际测试后得出。
论文作者:董晓光,赵云逸
论文发表刊物:《基层建设》2018年第34期
论文发表时间:2019/1/15
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