导语
风力发电机叶片覆冰属于大气结冰。大气结冰指暴露在大气中的物体上发生的冰或雪的增生、积累。风力发电机叶片通常处于复杂多变的环境条件下，环境温度和相对湿度决定结冰类型和严重程度，水滴直径、风速风向也会影响结冰类型和严重程度。叶片表面不同的特性（粗糙度、润湿性和导热性）会显著影响动态冰积聚过程。风力发电机叶片覆冰有3种类型：降水覆冰、云中覆冰和凝华覆冰（霜冻）。
当水温降到冰点以下，且未形成结晶核，仍然保持液态时，水表现出一种特殊状态，称为过冷水滴。风力发电机覆冰可以抽象为在形成过冷水滴后，撞击风力发电机叶片并黏附在叶片上，与叶片表面发生复杂热交换后凝结成冰这一模型。
过冷水滴形成后在叶片上变成覆冰，需经历碰撞、黏附、热交换3个连续过程。过冷水滴在碰撞并黏附到叶片后，就会形成覆冰，热交换仅会影响覆冰的类型。
针对叶片防除冰难题，可以从3个方面进行探索：
（1）通过减少碰撞和黏附过程中停留在叶片上的过冷水滴；
（2）通过影响热交换，形成危害性小且易去除的覆冰类型；
（3）在覆冰形成后，通过不同手段及时消除覆冰，以减少损失。
防除冰技术
基于目前的理论研究，常用的防除冰技术主要分为被动法、主动法和组合法（表1）。不同的技术具有不同的防除冰能力和特点。
被动法不需要人为干预，利用叶片表面的物理特性来防止或消除结冰。
主动法需要外界干预，即需要外部提供额外的能量来防止或消除结冰。
被动法和主动法各有优缺点，工程应用案例表明，单一的被动或主动防除冰技术存在防除冰能力有限、能耗高、效率低等问题，将不同的被动方法与主动方法组合使用，更能达到减少覆冰的目标。
表1. 风力发电机的防除冰技术
1、被动防除冰
1.1 主动俯仰和使用柔性叶片
半主动方法通过启动–停止循环使结冰的叶片面向太阳，这种系统在轻微结冰的环境中也能工作，但存在损坏风力发电机的风险。
柔性叶片具有足够的灵活性，能将冰块敲松，柔性叶片在俯仰过程中有助于积冰的脱落。
1.2 涂覆黑色涂料
黑色涂料是最简单的利用太阳能的方法，相较于白色涂料，黑色涂料能吸收可见光，获得能量，将覆冰融化，将叶片表面涂成黑色可以提高叶片的防除冰能力。
不过，黑色涂料仅对结冰事件不频繁且随后的温度高于冰点有强烈阳光的区域有效。
另外，稳定性不佳是太阳能最大的弊端，在冬季黑色涂料不能显著提高叶片表面的温度，在夏季黑色涂料可能使叶片过热，损害其力学性能。
1.3 涂覆超疏水涂层
表面的微纳米复合结构赋予了荷叶（图1a、c）独特的超疏水性和低黏附性。自荷叶效应被发现以来，超疏水材料发展迅速。
不同于荷叶，猪笼草（1b、d）内部的蜡状结构由垂直于表面的片状晶体组成，这种结构能牢牢锁住液体，形成连续的液体表面，并保持分子层面的光滑。
基于生物仿生学，科学家还从自然界中的蚊子复眼（图1e）、蝉翼（图1f）、蝴蝶翅膀（图1g）、水稻叶片（图1h）等受到启发，超疏水表面得到持续关注和大力发展。
图1. 超疏水表面结构示意图及具有超疏水性和低附着力表面的天然生物
超疏水涂层具有优异的防冰性能，主要体现在以下几个方面：
① 疏水性微纳米分层结构可以牢固地将空气捕获在表面，将有效的水固接触面积最小化，降低水滴向冷表面的传热效率，并延迟水滴的成核时间；
② 水滴在撞击超疏水表面后反弹，在剪切流情况下，低黏附力和低接触角滞后性的组合导致水滴容易从超疏水表面脱落，水滴的黏附率低，覆冰率低；
③ 超疏水表面可以通过减少水和冰在结冰表面上的附着力，降低过冷水滴的成核速率，以减少覆冰；
④ 将与超疏水表面接触的水滴的三相点移至负温度。
可见要实现疏冰性，可以考虑以下4个方面：
① 减小有效接触面积，降低传热速率，延缓成核时间；
② 增加叶片表面对过冷液体的排斥性；
③ 减少冰的附着力，降低过冷水滴的成核速率；
④ 将与接触表面的水滴的相变温度负移。
超疏水涂层作为风力发电机防除冰领域中最直接、有效的被动防除冰方法，近年来被广泛研究。
如何制备适用于风力发电机复杂环境的超疏水涂层仍然存在很大挑战，许多超疏水涂层仅具有较好的疏水性，涂层的耐久性、稳定性、力学强度等较差，在低温、高湿和强风的环境中容易损坏，因此研究者通过改性现有疏水性材料，使涂层获得更优异的性能。
基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）优良的疏水性能，[Guo等]将PVP-PDMS材料与光热碳纳米纤维（NFs）整合在一起，PVP（聚乙烯吡咯烷酮）降低水凝固点的能力使得涂层具有优异的抗结冰性能，PDMS的低表面能及NFs快速光热转化和降低冰黏附强度的能力使得涂层具有优异的除冰性能，因此涂层表现出优异的防除冰性能。同时，材料的强化学交联使得涂层还具备非凡的耐久性和坚固性，保证涂层在高湿、低温和强风环境下不易被损坏，但在极端环境下其性能会下降。
疏水性PFA（可溶性聚四氟乙烯）的表面能低于PDMS，可进一步降低冰的黏附强度，因此[Chen等]将PVP-PFA-PDMS与NFs耦合，所制备的涂层在经历了超低温、超高温、强酸或强碱的极端环境后，仍能保持原始形态和良好的防除冰性能，且涂层表现出优异的耐腐蚀性。这是因为PFA-PVP-PDMS链可降低交联密度，从而提高涂层的韧性。由于共聚物的聚合物链中不存在自由基，涂层可以抵抗光化学降解或老化，因此具有抗紫外线辐射和强酸碱侵蚀的性能。针对该涂层的研究目前还停留在理论方面，未来需要在实际应用中进一步评价其性能。
改性纳米二氧化硅（SiO2）常作为涂层的填料，以优化涂层的疏水性能。[Qi等]通过喷涂改性纳米SiO2颗粒制备了超疏水涂层，涂层表面独特的纳米结构提供了优良的超疏水性和超小的滑动角，延长了冰核形成时间，使其具有良好的抗冰能力。此外，具有低表面能的纳米颗粒暴露在表面，并被聚合物黏附在基材上，从而具有良好的耐久性。如何将涂层涂覆于叶片，以实现复杂环境下的防除冰目标还未被明确提出。
[Cao等]通过简单的化学气相沉积法制备了金属表面的F-SiO2超疏水涂层，该涂层表面能延缓冰的形成，使冰晶难以生长，并且冰的黏附强度低，容易被去除，该涂层还具有耐摩擦性、耐化学性。这种制备方法在不同材料和形状的基材上具有广泛的适用性，提供了在金属基材上喷涂防冰涂层的新策略。
目前，针对超疏水防除冰涂层的研究取得了重大进展，但涂层的耐久性、自清洁能力、力学强度、稳定性和重复使用能力亟待提高，适用于不同复杂环境的风力发电机叶片超疏水防除冰涂料亟待研究与开发。
为了提高某些性质而合成特定的物质，未来在了解风力发电机服役环境的基础上，研究在现有超疏水涂层中引入特定基团来提高其性能，性能优异的涂层不能仅停留在理论研究阶段，需要更多的实际应用来支撑和证明。
2、主动防除冰
2.1 喷洒化学物质
使用冰点抑制剂降低冰点来预防结冰，但是冰点抑制剂的用量较大，防结冰能力的保留时间不长。
研究发现，化学物质可以与涂层结合使用来降低其凝固点。例如防冻蛋白能够使材料在熔点与凝固点之间产生热滞后，但化学物质容易造成各种环境问题，现在应用得较少。
2.2 加热
加热使叶片表面温度保持在冰点以上是防止结冰的一种有效方法，加热也是消除叶片表面覆冰的一种直接方法。
加热对环境的危害较小，但传统的加热方式（如气热和电热）存在能耗高但能效低的问题，造成了极大的能源损耗。目前，发展较快的方法是利用微波和红外波进行加热，从而降低能源损耗，但受限于技术，还无法实际应用于风力发电中。
① 气热。将热空气输送到结冰区域的表面，利用热气流加热叶片的前缘区域。
在风力发电机中，热空气抵达叶片前缘的距离较长，导致热量散失，并且在移动过程中热风在叶片内表面放热后，部分气体冷却液化后会黏附于内表面（图2a~b），使得热风系统的能耗增加，因此气热难以应用于风力发电机中。
通过合理布置循环气道来调节表面温度，调整喷气孔的方向和多孔管的位置，使热量尽可能到达叶尖严重覆冰的位置。
间歇性暖风系统能在一定程度上降低防除冰系统所需的能量，但长距离驱动过程中热能大量衰减这一难点还无法解决。
图2a~b. 风力发电机叶片设计
② 电加热。该方法简单有效，但风力发电机叶片的结构设计和编制方式较复杂（图2c~f），使用较多的玻璃纤维复合材料的导热性较差，加热效率和能耗问题较严重，因此大多仅用于叶片的前缘。
图2c~f. 风力发电机叶片设计
DBD（Dielectric barrier discharge，介质阻挡放电）等离子体加热（图3）在功率消耗和脱水速度方面优于普通电加热。水滴在DBD等离子体上的接触面积比在普通加热表面的接触面积大3倍，传热面积的增加使水滴的蒸发速度加快。在相似的表面温度下，DBD等离子体的平均功耗降低了一半。
电加热技术需要在叶片表面使用导热垫和电阻等，这会降低叶片的气动性能，甚至引起雷击。此外，气热和电加热除冰产生的水可能会再次结冰。
尽管电加热存在许多不足，但它仍是目前风力发电机防除冰中使用最广泛也是最有效的方法。
图3. DBD等离子体结冰控制原理
③ 微波加热。通过向叶片表面传输微波和电磁能来产生热量。
微波能减缓冰的形成，产生的热量会削弱冰的附着力，使覆冰直接吸热融化，如图4所示。
该系统的耗能少、易于维护且不易受雷击。叶片表面有电介质涂层保护，能增加对微波的反射，选择合适的电介质涂层种类、厚度和微波频率对提高该技术的性能起着重要作用。
由于过冷水滴和冰吸收微波能量的能力较弱，降低了传热效率，因此可以将微波安装在叶片内部，通过加热叶片的方式来消除结冰。不过，这会影响叶片的重量和平衡，并且叶片的导热性能较差，因此还需要进一步研究微波加热的安全性和可行性。
图4. 微波加热防除冰示意图
④ 红外加热。利用红外波从电源向远处物体输送能量。
它的主要优点是通过空气发射能量，不需要在叶片上安装任何类型的设备。
目前，红外加热技术存在安全问题，在克服这一弊端后，其能耗低和能效高的优点将使这种加热技术具有良好的应用前景。
与被动防除冰相比，虽然通过加热进行防除冰需消耗能量，但这是最直接、最有效的清除覆冰方法，在一定程度上降低了叶片覆冰带来的不良影响。
未来加热防除冰的优化方向可分为以下3个方面：
① 优化风力发电机叶片材料，在综合考虑刚度、密度和经济性的基础上挑选导热性强的材料来提高加热效率；
② 改进现有加热手段，在不影响叶片气动性的基础上降低能源损耗；
③ 将理论加热手段应用于风力发电机防除冰领域。
2.3机械法
机械方法指通过直接刮擦，打破易于接近设备的积冰，或利用冲击波、结构振动释放的能量去除覆冰。
人工除冰是最早的机械除冰方法，但其效率低。在飞机中使用较多的气动法除冰会改变叶片气动性能。
目前，电磁脉冲和超声波除冰方法表现出优异的除冰性能和广阔的发展前景，但存在需要攻克的技术难题。
① 人工法。人工利用除冰器械实现高空作业将冰破碎，具有劳动强度大、效率低、危险系数较高等缺点。有研究指出，可以利用机器人代替人工进行除冰。
② 气动法。在叶片表面的覆冰超过阈值时，压缩空气使气室充气，随后放气，让冰层变形断裂，覆冰脱落，如图5所示。这种技术非常简单且节能，但会改变叶片的空气动力学特性，并且难以安装，在风力发电机中使用得较少。
图5. 气动法除冰原理
③ 电磁脉冲法。使用电脉冲或电磁压来破坏冰，具有能耗低、维护少、可靠性高、重量轻、经济有效等优点。
如图6所示，在叶片需要除冰时，控制系统向开关传递触发信号，放电电路接通。电容器通过脉冲线圈放电，产生电磁场，在金属表面产生涡流，可获得高达几千牛顿的瞬时脉冲力。这种力产生的振动可使冰层与叶片分离，以除去叶片表面的冰。
目前，在节约能源的前提下，还无法实现控制系统的精准调控，并且安装这种系统的叶片气动性能和寿命需要进一步探索。
图6. 风机叶片内部脉冲线圈示意图
④ 超声波法。超声波除冰具有结构简单、成本低和重量轻等优点。冰/基质界面的黏合力较弱，当超声波穿过接触面时，冰与叶片的物理性质不同，导致产生的波的传播速度不同，从而引起剪切力。
如图7所示，将超声波换能器分布并固定在叶片内表面，与叶片表面直接接触，可以在几秒钟内去除附着在刀片前缘的积冰。
图7. 超声波除冰
然而，超声波的振动频率远高于叶片的共振频率，容易减少叶片的服役年限。
在实际运用中，超声波在飞机涡轮机叶片领域的防除冰效果优异，但目前它在风力发电领域的应用有限。
[Zeng等]通过实验和数值模拟可知，如果设计得当，则超声波除冰技术可以广泛应用于风力发电机叶片除冰领域。[Wang]通过实验得出，当超声波频率和超声波换能器之间的安装距离分别为93.1kHz和12mm时，可以达到最佳的超声波除冰效果。
在探究详细安装条件及参数后，超声波在风力发电机叶片的实际应用结果将证明其具有优异的防除冰能力。
机械法防除冰也是直接有效的方法，与加热法相比，机械法的防除冰能耗较低，但它对叶片的要求较高，且其自身技术还未完善。
未来需要向飞机涡轮机等其他领域学习，实现叶片覆冰后的精准调控，消除安装除冰器后对叶片气动性能和寿命的影响，不断发展和完善防除冰技术。
3、组合防除冰
3.1 改进被动法
在短期极端或长期温和的结冰条件下，采用被动法能有效实现防除冰的目标。
由于化学物质不具有完全的疏冰性，仅使用超疏水涂层无法真正实现风力发电机的防除冰，且覆冰一旦形成就很难消除。
受到表面保护面积和实施成本的制约，被动防除冰方法需要在设计和材料上取得突破，并且涂层与加热系统的结合使用更能实现防除冰目标。
[Xie等]研究发现，具有微纳米层次结构的碳基材料可用于制备高性能的光–热超疏水防除冰材料。微纳米碳纤维表面密集的碳纳米线阵列，赋予了材料优异的超疏水性能，且光捕集效应增强了光的吸收，因此该材料表现出低成本、高耐久性、高效率的光热转换和优异的超疏水性能。
这种具有防冰和快速除冰性能的组合防除冰技术在风电机行业具有较好的应用前景。然而，这种防除冰系统的不确定性是其最大的弊端，无法全天候使用，受到天气的影响较大，叶片在覆冰后无法及时准确地被消除。
[Wu等]设计了一种氟化树脂复合超疏水涂层，不仅可以有效防止水润湿涂层表面，延缓水滴的冻结，还能在红外照射下产生热量，促进冰的融化。由于光热加热依赖光照强度且不能自动停止，在光照强度不足时该技术相当于超疏水涂层，因此在实际应用中受限。
相较于光加热不能自动停止，电加热可以手动关闭，可以人为控制加热时间和频率。[Zhang等]研究了一种具有超疏水表面和软电热贴片的双稳态层复合结构的防除冰系统。超疏水表面减弱了冰–界面的附着力，加热驱动使得双稳态结构变形，达到热机械除冰的目的。该系统还具有出色的自清洁性能和紫外线耐久性。
[Liu等]在电热涂层上直接构建了紧密排列的微孔，将硅油注入微孔中，即将光滑的液体注入多孔电加热涂层，该涂层具有优异的“油膜隔离效果”，具有超低的冰附着力，能降低冰成核速率。
电加热的安全问题和能源损耗是限制其应用的最大缺陷。
基于清洁绿色的光加热及能够自主控制的电加热，[Liu等]将导电碳纳米管与氟改性聚丙烯酸酯组成光热–电热超疏水涂层（图8），在光热和电热的双重作用下，在任何天气下都具有除冰能力，最大程度地减少了电力消耗，实现了节能和环境友好。
图8. 光热–电热超疏水涂层防除冰系统
在绿色发展的概念下，将超疏水涂层与加热系统结合使用，涂层只需达到一定的冰黏附强度，而不是达到最低的冰黏附强度，就能实现防除冰。[He等]探究了电热和光热促进超疏水涂层防除冰的机理，发现只需要涂层达到一定的冰黏附强度（τ冰<100kPa），同时引入主动除冰技术，就能实现理想的全天候防除冰。
可见采用超疏水涂层与光热、电热组合，在实现叶片表面全天候防除冰的基础上降低能源损耗，具有较好的研究价值和应用前景，需要进一步在实际应用中进行验证。
3.2 改进主动法
采用主动防除冰技术不能调控不均匀或可变的积冰，使能量输出与冰分布不匹配，造成能源浪费。
[Liu等]研究了一种具有冷负载感知及定向加热除冰功能的智能电热防除冰复合膜（图9），基于正温度系数效应和简单的夹层结构，这种智能薄膜可以检测冷负载分布，在冰接触区域保持高加热功率，同时降低非接触区域的功率输出。
图9. 智能电热防除冰复合膜
将加热法、机械法与具有冷负载感应、温度控制、自动启停等功能的涂层系统组合，可在降低能耗的基础上实现叶片覆冰的精准调控，但仍在理论研究阶段，后续还需要深入研究和实际验证。
将不同的主动方法相互组合（如微波和超声波，红外和电磁波等），分阶段防除冰，以实现高效、低成本、低能耗的防除冰目标。此类方法的结构较复杂，对叶片的要求较高，技术还不成熟。
理论上，被动或主动防除冰技术可以满足需求，由于风力发电场所处环境的复杂性和绿色发展的必要性，导致防冰、除冰困难，采用单一防除冰技术无法完成防除冰目的。
目前的研究表明，通过组合技术可以尽可能实现可靠有效的全天候防除冰，因此未来防除冰组合策略的方向可从3个方面考虑：
一是优化风力发电机的结构，使用疏水性高、疏冰性强或具有光热转化能力的涂层，以应对结冰不严重，或避免因安装主动防除冰装置导致叶片气动性能改变的场景。
二是将主动防除冰技术相互组合，进行全天候分阶段的防除冰，以最小的能耗实现完全防除冰。
三是将主动防除冰与功能性超疏水涂层组合，利用光热和电热等较成熟的技术，与性能优异的超疏水涂层组合设计，并在实际运用中验证其防除冰能力；
针对微波加热和红外加热等技术，需要进一步探究它与超疏水涂层的组合机理；
针对电磁脉冲或超声波除冰等技术，不仅需要进一步的理论研究，还要根据除冰技术设计特殊性能的超疏水涂层。
结语
基于目前的覆冰理论研究，如何有效、高效地防止和消除覆冰仍然存在误区、争议和盲点。风力发电机覆冰机理和防除冰技术已经取得了众多研究成果，并在实际应用中取得了一定的成效，在一定程度上减少了覆冰的发生，降低了覆冰带来的危害，但是还需要在以下几方面进一步研究。
（1）未来在冰的形成机制上，基于目前的理论研究，需要在分子水平上示过冷水滴撞击涂覆不同涂层叶片表面复杂的冰成核、黏附机制、热交换和结构变化。同时，聚焦不同几何形状的微纳米结构超疏水涂层上水滴的冻结和熔化，理解结冰延迟现象背后的物理机制，从而设计和制备更先进的防除冰涂层。
（2）向自然学习，探寻更优异的防除冰结构，在提高防除冰能力的同时，保证环境友好。由于风力发电机所处的环境较复杂，除了防除冰特性，材料的硬度、耐磨性、耐极端温度、环境友好性等也是未来防除冰研究需要关注的重要方向，可以将3D打印等新型材料制备技术应用于防除冰材料的制备。
（3）不断丰富和完善电热、微波加热、红外加热、电磁脉冲和超声波等主动防除冰方法，并应用于实际风力发电防除冰领域，进一步开发和应用更加绿色、节能的防除冰方法。
（4）基于现有的被动和主动防除冰方法，将不同方法进行有机组合，更能满足需求，采用2种甚至更多种方法的组合是未来的研究重点。在全面探索覆冰机理、合理选择防除冰技术的基础上，相信风力发电机覆冰问题将被逐渐突破。
来源：《表面技术》（节选自《风力发电机叶片覆冰机理及防除冰技术研究进展》，作者：郭时毅 ；安江峰；吴军 ；郑鹏华）
▓来源：CCIA 维修检测与回收专委会
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