風力機葉片是風力發電機組的關鍵部件之一，其結構和強度對風力機的可靠性至關重要，其性能的好壞直接影響到整機運行的穩定性。葉片工作在高空，環境十分惡劣，空氣中各種介質幾乎每時每刻都在侵蝕著葉片，雷電、冰雹、雨雪、沙塵隨時都有可能對風機產生危害，其中，在濕冷環境下運行的風力發電機組，葉片結冰是影響其使用性能的一個重要因素。風電葉片覆冰后，對葉片表面結構、平衡、自重等造成影響，會導致風力機葉片的翼型發生變化，影響風力機的空氣動力學性能，進而影響葉片的使用壽命，直接威脅到機組的安全和效率。
目前還沒有成熟的風力機葉片防除冰技術，對于風電葉片覆冰，一般采取停機處理，而風力發電機組非計劃停機，會影響電網系統的安全穩定運行。因此，研究冬季寒冷地區特別是濕冷地區風電葉片的防除冰技術對于風電場及大型風力機的安全、經濟、高效運行具有重要的意義。
目前，葉片防除冰技術主要分為被動式防除冰技術和主動式防除冰技術。被動式防除冰技術包括涂敷防覆冰疏水涂層和防覆冰吸熱涂層的涂層防冰技術、利用防凍液的溶液防冰技術以及利用葉片自身的振動抖掉葉片上結冰的防除冰技術等。其中，采用疏水涂層防除冰是目前葉片廠家普遍采用的低成本防除冰方案，但該方案往往在實驗室測試階段具有很好的效果，在實際風場的防結冰效果卻非常有限，且疏水涂層隨葉片服役時間的延長其性能退化比較明顯。
相對被動式防除冰技術，主動式防除冰技術的除冰效率較高。主動式防除冰技術包括采用循環通道內通熱空氣的熱氣防冰方法、利用微波能量來加熱復合材料而除冰的微波防冰技術以及采用在葉片上安裝電 加 熱 系 統 的 電 熱 除 冰 技 術等。其中前兩種主動式防除冰技術受葉片結構的限制，葉片材料的導熱系數較小且厚度較厚，尤其對于大型葉片防除冰效果不理想，而采用電熱元件的電熱除冰效率較高，是目前各大葉片廠商熱衷開發的防除冰方案。傳統的電熱除冰技術中一般使用金屬電阻絲或金屬網，在葉片長期運轉過程中，金屬電阻絲或金屬加熱元件與葉片之間容易產生界面問題，并存在局部過熱損壞葉片材料的危險。近幾年發展起來的高分子電熱膜是面狀發熱材料，與被加熱體形成最大限度的導熱面，傳熱熱阻小，通電加熱時熱量可以很快傳給被加熱體。高分子電熱膜本身溫度不會升至太高，通過選擇合適的基體，可以與葉片材料之間具有良好的界面結合力，因此，高分子電熱膜在主動式防除冰風電葉片中具有很大的應用潛力。本文模擬風電葉片蒙皮鋪層結構，采用真空輔助灌注成型\\( VARTM\\) 工藝制作了含有高分子電熱膜的玻璃鋼\\( GFRP\\) 樣板，研究了樣板在低溫環境中的加熱效果以及除冰能力。
1 實驗部分
1. 1 主要原材料
高分子電熱膜，北京新宇陽科技有限公司; MGSRIMR135 / RIMH137 環氧樹脂體系，邁圖化工企業管理\\( 上海\\) 有限公司; 1200g/m2玻璃纖維單向布，泰山玻璃纖維有限公司; 25mm 厚 PVC 泡沫芯材，上海元謙經貿發展有限公司。
1. 2 含高分子電熱膜和 PVC 泡沫芯材的夾心結構玻璃鋼板的制作
采用 VARTM 工藝室溫下灌注尺寸約為 50 ×47cm 的含有高分子電熱膜和 25mm 厚 PVC 泡沫芯材的 GFRP 樣板，鋪層順序依次為 1 層玻纖布、1 層高分子電熱膜、2 層玻纖布、PVC 泡沫芯材和 3 層玻纖布，灌注完后升至 60℃固化 5h，最后升至 80℃固化 5h。
1. 3 測試與表征
1. 3. 1 玻璃鋼板在低溫環境中的升溫曲線測試
首先測試灌注后的含有高分子電熱膜的夾心結構玻璃鋼板的電阻，然后將玻璃鋼板放入低溫冰柜中使其兩面的溫度與冰柜中的環境溫度相同。在夾心結構玻璃鋼板兩表面均勻布置幾個無紙記錄儀測溫點，將高分子電熱膜兩極連變壓器\\( 0 ～ 250V 可調\\) ，調節變壓器電壓，測試不同功率密度下夾心結構在低溫環境中的升溫曲線。高分子電熱膜的功率密度按公式 P = U2/ R / S\\( P 為單位面積功率，即功率密度，U 為電壓，R 為電阻，S 為高分子電熱膜面積\\)計算。
1. 3. 2 玻璃鋼板在低溫環境中的除冰效果表征
在接近 －15℃ 的低溫冰柜中，使玻璃鋼板靠近電熱膜的一面形成 1cm 厚的冰層，利用變壓器給玻璃鋼板施加一定的電壓，使其在一定的功率密度下工作，每隔 15min 觀察玻璃鋼板表面的融冰情況，1h以后每隔 5min 觀察一次，記錄界面冰層溶解的時間，同時用無紙記錄儀記錄靠近玻璃鋼板電熱膜一面在 3h 融冰過程中的升溫曲線。界面冰層溶解的時間定義為觀察到界面層有一層水膜生成并且用手垂直按壓冰層時界面的水珠可移動的時間。
2 結果與討論
2. 1 灌注前后高分子電熱膜的電阻變化
葉片覆冰主要集中在前緣區域，對于兆瓦級的大葉片，其前緣的厚度較大，而構成葉片材料的玻璃鋼和 PVC 或輕木夾心結構導熱系數較小，因此為了提高葉片除冰的效率，可將高分子電熱膜布置在葉片蒙皮的淺表層，這樣高分子電熱膜通電時產生的熱量可快速傳遞到葉片表面除冰，而且這樣不會對葉片的氣動外形產生影響，此外，高分子電熱膜由外層的玻璃鋼層和涂層保護，可使其免受外界惡劣環境的侵襲，有效提高防除冰葉片的壽命。因此本文制作的含高分子電熱膜的夾層結構 GFRP 樣板是模擬防除冰葉片蒙皮的結構，將高分子電熱膜布置在GFRP 樣板的淺表層，如圖 1 所示。表 1 顯示了三種高分子電熱膜裸膜及其灌注后的夾層結構玻璃鋼板的電阻。由表 1 可以看出，第一種高分子電熱膜本身電阻最大，灌注后的電阻增至其之前的 5. 73 倍，在變壓器的最大電壓\\( 250V\\) 下，其功率密度最大只能達到 197W/m2; 第二種高分子電熱膜的電阻適中，灌注后在 250V 電壓下功率密度可達到 448W/m2; 第三種高分子電熱膜的電阻最小，灌注后的電阻升至裸膜電阻的 3. 4 倍，在 250V 電壓下功率密度可達 1301W/m2，通過改變電壓，功率可調的范圍較寬，因此以下的低溫加熱和除冰實驗都是在第三種電熱膜灌注的夾層結構玻璃鋼板上進行的?！緢D1.表1】
2. 2 含高分子電熱膜的玻璃鋼板在低溫環境中的加熱效果
影響風電葉片結冰的因素很多，歸納起來主要分為外部環境氣象條件和風力機自身條件。外部環境氣象條件主要包括大氣環境溫度、濕度、風速、云中過冷水滴的含量及凝結系數等參數，其中大氣環境溫度、空氣濕度和風速對風力機葉片覆冰有至關重要的影響。采用高分子電熱膜的風電葉片防除冰方法主要是利用高分子電熱膜的通電加熱熱量提高葉片自身的溫度至 0℃ 以上，以防止葉片表面結冰或除去葉片表面的覆冰。
圖 2 為接近 － 20℃ 的環境中，不同功率密度下含高分子電熱膜的夾層結構玻璃鋼板兩表面的升溫曲線。由圖 2 可以看出，在 － 17 ～ － 20℃ 的低溫環境中，不同功率密度下含有高分子電熱膜的夾層結構玻璃鋼板兩表面的升溫曲線趨勢基本相同。在約30min 內靠近電熱膜的玻璃鋼板表面溫度快速升至最大值然后逐漸趨于穩定，而遠離電熱膜的玻璃鋼板表面升溫速率較慢，約在 60min 內升至最大值后趨于穩定。兩表面溫度穩定后靠近電熱膜的一面溫度遠高于遠離電熱膜的一面。在功率密度接近100W / m2時，玻璃鋼板靠近電熱膜的一面溫度只能升至 －7. 5 ～ －4. 5℃，不具備防除冰的能力; 而當功率密度約為 200W/m2時，玻璃鋼板靠近電熱膜的一面溫度最終可穩定在 0. 3 ～ 4℃，具備防除冰的能力; 隨著功率密度進一步提高到 300W/m2和 400W/m2時，該表面的最大溫度可分別升至 10 ～16℃和 19～ 27℃ 范圍內。隨著功率密度的增加，玻璃鋼板靠近電熱膜的表面溫度的離散性增大，該表面的溫差從接近 100W/m2的 4℃ 增加至接近 400W/m2的8℃ 。而在 100 ～ 400W / m2的功率密度范圍內，玻璃鋼板遠離電熱膜的一面溫度均在 － 10℃ 以下，遠低于冰的融點，不具備防除冰的能力。這是由于高分子電熱膜產生的熱量向較遠的玻璃鋼表面傳遞時，需要經過多層玻璃纖維增強樹脂層和厚度較大的芯材層。芯材的導熱系數很小，可以看作是一層隔熱的保溫層，高分子電熱膜提供的熱量大部分集中在其附近的玻璃鋼層。通過芯材傳遞到另一表面的熱量非常有限，要想使該表面具備防除冰的能力，需要提高高分子電熱膜的加熱功率密度，這一方面加大了額外的供電能源，另一方面會使高分子電熱膜附近的玻璃鋼層溫度升至過高而對樹脂有負面影響?！緢D2】
由此可得出，在主動式防除冰葉片中，將高分子電熱膜布置在葉片蒙皮的內表面或內淺表層的可行性非常小。在不同低溫環境溫度下測試不同功率密度下玻璃鋼板靠近電熱膜表面的升溫曲線，以最終玻璃鋼板靠近電熱膜的表面溫度穩定在 0 ～ 5℃ 范圍的功率密度作為該環境溫度下玻璃鋼板具有防除冰能力的臨界功率密度，得到不同低溫環境溫度下臨界功率密度下的升溫曲線，如圖 3 所示。由圖 3 可以看出，在 － 22 ～ － 5. 7℃ 的環境溫度下，功率密度為287 ～ 95W / m2時，玻璃鋼板靠近電熱膜的表面溫度最終穩定在 0 ～5℃。將溫度\\( T\\) 與不同溫度下具備防除冰能力的臨界功率密度\\( P0\\) 進行作圖得到圖4，通過曲線擬合得到 T 與 P0之間的關系式為: P0=－ 0. 03291T3－ 0. 9922T2－ 18. 16873T + 17. 6837，根據該方程可粗略估算出 － 40 ～ 0℃ 范圍內具備防除冰能力電熱膜所需的最小功率密度?！緢D3-4】
2. 3 含高分子電熱膜的玻璃鋼板在低溫環境中的除冰效果
對含高分子電熱膜的玻璃鋼板在低溫環境中的除冰能力進行了考察。首先在玻璃鋼板表面固定一定質量的水，使其在 － 15 ～ － 20℃ 的環境下進行冷凍12h 以上形成約1cm 厚的冰層。由于玻璃鋼板未進行打磨和涂漆處理，其表面比較粗糙，玻璃鋼板與其表面的冰層具有較強的結合力。
圖 5 為在 － 11 ～ － 13℃環境溫度下，不同功率密度下玻璃鋼板表面融冰 3h 的升溫曲線。由圖 5可以看出，隨著通電加熱時間的延長，在功率密度為200W / m2和 300W/m2下的升溫曲線呈現一個快速升溫階段和一個平緩升溫的階段。而功率密度為400 ～ 600W / m2的 3 條曲線均呈現 3 個特征明顯的階段，即先是快速升溫階段，然后轉為平緩升溫階段，最后再轉為快速升溫階段。高分子電熱膜通電加熱開始后，界面的玻璃鋼和冰層在高分子電熱膜提供的熱量下快速升溫; 當界面溫度升至 4 ～ 5℃時，進入第二階段，界面的冰層開始融化，在冰融化為水時需要吸收大量的熱量，因此曲線上表現為升溫平緩; 當界面的冰層全部融化后，進入第三階段，界面的水和玻璃鋼在高分子電熱膜提供的熱量下又呈現快速升溫。圖 5 中的前兩條曲線由于功率密度較小，界面冰層融化所需的時間較長，因此未出現快速升溫的第三階段。界面冰層融解后的第三階段的升溫過程必須嚴格控制，如果此階段加熱時間過長，則會導致高分子電熱膜及其附近的玻璃鋼復合材料持續升溫，其中的環氧樹脂在長時間高溫的狀態會出現熱老化現象，導致玻璃鋼復合材料性能退化。在采用高分子電熱膜的主動式防除冰方案應用于實際運行的風電葉片時，必須在電熱除冰系統中配置實時監測周圍氣象條件和葉片表面層溫度的監控系統，使高分子電熱膜附近的玻璃鋼層在除冰過程中控制在一定溫度范圍內\\( 如低于 30℃\\) ，當溫度高于設置的極限值時，監控系統控制電加熱系統斷開，以防止高分子電熱膜附近的環氧樹脂溫度升至過高而出現熱老化現象?！緢D5】
對 － 11 ～ － 13℃ 的低溫環境中，表面覆冰為1cm 厚的情況下高分子電熱膜的除冰能力進行了考察，圖 6 為除冰時間與功率密度之間的關系圖，靠近上部的曲線是觀察到的界面冰層融解的時間，靠近下部的曲線是由圖 5 中得出的界面冰層開始融解的時間。由圖 6 可以看出，在不考慮其他影響因素的情況下，在功率密度為 200 ～ 600W/m2的范圍內，界面冰層開始融解的時間為 81 ～ 20min，界面冰層全部融解的時間為 165 ～ 65min，即除冰時間控制在 1～ 3h 以內，這是在葉片表面沒有保護涂層的條件下得出的結果，如果主動式防除冰葉片配合疏水性的保護涂層，將會達到更好的防除冰效果。在實際防除冰葉片的制作過程中需權衡環境特點、結冰程度與除冰時間以及能源消耗之間的關系，選擇合適的功率密度范圍進行除冰，同時需對除冰過程中的葉片表面溫度進行監控，防止除冰后期葉片溫度升至過高對樹脂有負面影響?！緢D6】
3 結 論
\\( 1\\) 模擬風電葉片鋪層結構，采用 VARTM 工藝灌注出了含三種高分子電熱膜的夾層玻璃鋼板，通過電阻測試，篩選出一種功率密度可調范圍較寬的高分子電熱膜，其在0 ～250V 的電壓下，功率密度在0 ～ 1300W 范圍內可調;\\( 2\\) 在主動式防除冰葉片中，將高分子電熱膜布置在靠近葉片蒙皮外表面的淺表層中時，在低溫環境中對蒙皮表面的加熱效果較好，同時不會影響葉片的氣動外形且可免受外界惡劣環境的侵襲，而將高分子電熱膜布置在葉片蒙皮內表面或內淺表層中時對葉片表面的加熱效果較差;\\( 3\\) 只考慮溫度影響情況下，為達到防除冰目的，與風電葉片材料復合后的高分子電熱膜所需具備的最小功率密度 P0與溫度 T 之間的擬合關系式為 P0= －0. 03291T3－0. 9922T2－18. 16873T +17. 6837;\\( 4\\) 在接近 － 15℃ 的環境中，玻璃鋼板表面無保護涂層且冰層厚度為 1cm 的情況下，在 200 ～600W / m2的功率密度下，界面除冰的時間可控制在1 ～ 3h。
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