高分子电热膜的玻璃钢样板制作及其加热除冰效果

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论文摘要

  风力机叶片是风力发电机组的关键部件之一,其结构和强度对风力机的可靠性至关重要,其性能的好坏直接影响到整机运行的稳定性。叶片工作在高空,环境十分恶劣,空气中各种介质几乎每时每刻都在侵蚀着叶片,雷电、冰雹、雨雪、沙尘随时都有可能对风机产生危害,其中,在湿冷环境下运行的风力发电机组,叶片结冰是影响其使用性能的一个重要因素。风电叶片覆冰后,对叶片表面结构、平衡、自重等造成影响,会导致风力机叶片的翼型发生变化,影响风力机的空气动力学性能,进而影响叶片的使用寿命,直接威胁到机组的安全和效率。

  目前还没有成熟的风力机叶片防除冰技术,对于风电叶片覆冰,一般采取停机处理,而风力发电机组非计划停机,会影响电网系统的安全稳定运行。因此,研究冬季寒冷地区特别是湿冷地区风电叶片的防除冰技术对于风电场及大型风力机的安全、经济、高效运行具有重要的意义。

  目前,叶片防除冰技术主要分为被动式防除冰技术和主动式防除冰技术。被动式防除冰技术包括涂敷防覆冰疏水涂层和防覆冰吸热涂层的涂层防冰技术、利用防冻液的溶液防冰技术以及利用叶片自身的振动抖掉叶片上结冰的防除冰技术等。其中,采用疏水涂层防除冰是目前叶片厂家普遍采用的低成本防除冰方案,但该方案往往在实验室测试阶段具有很好的效果,在实际风场的防结冰效果却非常有限,且疏水涂层随叶片服役时间的延长其性能退化比较明显。

  相对被动式防除冰技术,主动式防除冰技术的除冰效率较高。主动式防除冰技术包括采用循环通道内通热空气的热气防冰方法、利用微波能量来加热复合材料而除冰的微波防冰技术以及采用在叶片上安装电 加 热 系 统 的 电 热 除 冰 技 术等。其中前两种主动式防除冰技术受叶片结构的限制,叶片材料的导热系数较小且厚度较厚,尤其对于大型叶片防除冰效果不理想,而采用电热元件的电热除冰效率较高,是目前各大叶片厂商热衷开发的防除冰方案。传统的电热除冰技术中一般使用金属电阻丝或金属网,在叶片长期运转过程中,金属电阻丝或金属加热元件与叶片之间容易产生界面问题,并存在局部过热损坏叶片材料的危险。近几年发展起来的高分子电热膜是面状发热材料,与被加热体形成最大限度的导热面,传热热阻小,通电加热时热量可以很快传给被加热体。高分子电热膜本身温度不会升至太高,通过选择合适的基体,可以与叶片材料之间具有良好的界面结合力,因此,高分子电热膜在主动式防除冰风电叶片中具有很大的应用潜力。本文模拟风电叶片蒙皮铺层结构,采用真空辅助灌注成型( VARTM) 工艺制作了含有高分子电热膜的玻璃钢( GFRP) 样板,研究了样板在低温环境中的加热效果以及除冰能力。

  1 实验部分

  1. 1 主要原材料
  高分子电热膜,北京新宇阳科技有限公司; MGSRIMR135 / RIMH137 环氧树脂体系,迈图化工企业管理( 上海) 有限公司; 1200g/m2玻璃纤维单向布,泰山玻璃纤维有限公司; 25mm 厚 PVC 泡沫芯材,上海元谦经贸发展有限公司。

  1. 2 含高分子电热膜和 PVC 泡沫芯材的夹心结构玻璃钢板的制作
  采用 VARTM 工艺室温下灌注尺寸约为 50 ×47cm 的含有高分子电热膜和 25mm 厚 PVC 泡沫芯材的 GFRP 样板,铺层顺序依次为 1 层玻纤布、1 层高分子电热膜、2 层玻纤布、PVC 泡沫芯材和 3 层玻纤布,灌注完后升至 60℃固化 5h,最后升至 80℃固化 5h。

  1. 3 测试与表征

  1. 3. 1 玻璃钢板在低温环境中的升温曲线测试
  首先测试灌注后的含有高分子电热膜的夹心结构玻璃钢板的电阻,然后将玻璃钢板放入低温冰柜中使其两面的温度与冰柜中的环境温度相同。在夹心结构玻璃钢板两表面均匀布置几个无纸记录仪测温点,将高分子电热膜两极连变压器( 0 ~ 250V 可调) ,调节变压器电压,测试不同功率密度下夹心结构在低温环境中的升温曲线。高分子电热膜的功率密度按公式 P = U2/ R / S( P 为单位面积功率,即功率密度,U 为电压,R 为电阻,S 为高分子电热膜面积)计算。

  1. 3. 2 玻璃钢板在低温环境中的除冰效果表征
  在接近 -15℃ 的低温冰柜中,使玻璃钢板靠近电热膜的一面形成 1cm 厚的冰层,利用变压器给玻璃钢板施加一定的电压,使其在一定的功率密度下工作,每隔 15min 观察玻璃钢板表面的融冰情况,1h以后每隔 5min 观察一次,记录界面冰层溶解的时间,同时用无纸记录仪记录靠近玻璃钢板电热膜一面在 3h 融冰过程中的升温曲线。界面冰层溶解的时间定义为观察到界面层有一层水膜生成并且用手垂直按压冰层时界面的水珠可移动的时间。

  2 结果与讨论

  2. 1 灌注前后高分子电热膜的电阻变化
  叶片覆冰主要集中在前缘区域,对于兆瓦级的大叶片,其前缘的厚度较大,而构成叶片材料的玻璃钢和 PVC 或轻木夹心结构导热系数较小,因此为了提高叶片除冰的效率,可将高分子电热膜布置在叶片蒙皮的浅表层,这样高分子电热膜通电时产生的热量可快速传递到叶片表面除冰,而且这样不会对叶片的气动外形产生影响,此外,高分子电热膜由外层的玻璃钢层和涂层保护,可使其免受外界恶劣环境的侵袭,有效提高防除冰叶片的寿命。因此本文制作的含高分子电热膜的夹层结构 GFRP 样板是模拟防除冰叶片蒙皮的结构,将高分子电热膜布置在GFRP 样板的浅表层,如图 1 所示。表 1 显示了三种高分子电热膜裸膜及其灌注后的夹层结构玻璃钢板的电阻。由表 1 可以看出,第一种高分子电热膜本身电阻最大,灌注后的电阻增至其之前的 5. 73 倍,在变压器的最大电压( 250V) 下,其功率密度最大只能达到 197W/m2; 第二种高分子电热膜的电阻适中,灌注后在 250V 电压下功率密度可达到 448W/m2; 第三种高分子电热膜的电阻最小,灌注后的电阻升至裸膜电阻的 3. 4 倍,在 250V 电压下功率密度可达 1301W/m2,通过改变电压,功率可调的范围较宽,因此以下的低温加热和除冰实验都是在第三种电热膜灌注的夹层结构玻璃钢板上进行的。【图1.表1】
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  2. 2 含高分子电热膜的玻璃钢板在低温环境中的加热效果
  影响风电叶片结冰的因素很多,归纳起来主要分为外部环境气象条件和风力机自身条件。外部环境气象条件主要包括大气环境温度、湿度、风速、云中过冷水滴的含量及凝结系数等参数,其中大气环境温度、空气湿度和风速对风力机叶片覆冰有至关重要的影响。采用高分子电热膜的风电叶片防除冰方法主要是利用高分子电热膜的通电加热热量提高叶片自身的温度至 0℃ 以上,以防止叶片表面结冰或除去叶片表面的覆冰。

  图 2 为接近 - 20℃ 的环境中,不同功率密度下含高分子电热膜的夹层结构玻璃钢板两表面的升温曲线。由图 2 可以看出,在 - 17 ~ - 20℃ 的低温环境中,不同功率密度下含有高分子电热膜的夹层结构玻璃钢板两表面的升温曲线趋势基本相同。在约30min 内靠近电热膜的玻璃钢板表面温度快速升至最大值然后逐渐趋于稳定,而远离电热膜的玻璃钢板表面升温速率较慢,约在 60min 内升至最大值后趋于稳定。两表面温度稳定后靠近电热膜的一面温度远高于远离电热膜的一面。在功率密度接近100W / m2时,玻璃钢板靠近电热膜的一面温度只能升至 -7. 5 ~ -4. 5℃,不具备防除冰的能力; 而当功率密度约为 200W/m2时,玻璃钢板靠近电热膜的一面温度最终可稳定在 0. 3 ~ 4℃,具备防除冰的能力; 随着功率密度进一步提高到 300W/m2和 400W/m2时,该表面的最大温度可分别升至 10 ~16℃和 19~ 27℃ 范围内。随着功率密度的增加,玻璃钢板靠近电热膜的表面温度的离散性增大,该表面的温差从接近 100W/m2的 4℃ 增加至接近 400W/m2的8℃ 。而在 100 ~ 400W / m2的功率密度范围内,玻璃钢板远离电热膜的一面温度均在 - 10℃ 以下,远低于冰的融点,不具备防除冰的能力。这是由于高分子电热膜产生的热量向较远的玻璃钢表面传递时,需要经过多层玻璃纤维增强树脂层和厚度较大的芯材层。芯材的导热系数很小,可以看作是一层隔热的保温层,高分子电热膜提供的热量大部分集中在其附近的玻璃钢层。通过芯材传递到另一表面的热量非常有限,要想使该表面具备防除冰的能力,需要提高高分子电热膜的加热功率密度,这一方面加大了额外的供电能源,另一方面会使高分子电热膜附近的玻璃钢层温度升至过高而对树脂有负面影响。【图2】
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  由此可得出,在主动式防除冰叶片中,将高分子电热膜布置在叶片蒙皮的内表面或内浅表层的可行性非常小。在不同低温环境温度下测试不同功率密度下玻璃钢板靠近电热膜表面的升温曲线,以最终玻璃钢板靠近电热膜的表面温度稳定在 0 ~ 5℃ 范围的功率密度作为该环境温度下玻璃钢板具有防除冰能力的临界功率密度,得到不同低温环境温度下临界功率密度下的升温曲线,如图 3 所示。由图 3 可以看出,在 - 22 ~ - 5. 7℃ 的环境温度下,功率密度为287 ~ 95W / m2时,玻璃钢板靠近电热膜的表面温度最终稳定在 0 ~5℃。将温度( T) 与不同温度下具备防除冰能力的临界功率密度( P0) 进行作图得到图4,通过曲线拟合得到 T 与 P0之间的关系式为: P0=- 0. 03291T3- 0. 9922T2- 18. 16873T + 17. 6837,根据该方程可粗略估算出 - 40 ~ 0℃ 范围内具备防除冰能力电热膜所需的最小功率密度。【图3-4】
  
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  2. 3 含高分子电热膜的玻璃钢板在低温环境中的除冰效果
  对含高分子电热膜的玻璃钢板在低温环境中的除冰能力进行了考察。首先在玻璃钢板表面固定一定质量的水,使其在 - 15 ~ - 20℃ 的环境下进行冷冻12h 以上形成约1cm 厚的冰层。由于玻璃钢板未进行打磨和涂漆处理,其表面比较粗糙,玻璃钢板与其表面的冰层具有较强的结合力。

  图 5 为在 - 11 ~ - 13℃环境温度下,不同功率密度下玻璃钢板表面融冰 3h 的升温曲线。由图 5可以看出,随着通电加热时间的延长,在功率密度为200W / m2和 300W/m2下的升温曲线呈现一个快速升温阶段和一个平缓升温的阶段。而功率密度为400 ~ 600W / m2的 3 条曲线均呈现 3 个特征明显的阶段,即先是快速升温阶段,然后转为平缓升温阶段,最后再转为快速升温阶段。高分子电热膜通电加热开始后,界面的玻璃钢和冰层在高分子电热膜提供的热量下快速升温; 当界面温度升至 4 ~ 5℃时,进入第二阶段,界面的冰层开始融化,在冰融化为水时需要吸收大量的热量,因此曲线上表现为升温平缓; 当界面的冰层全部融化后,进入第三阶段,界面的水和玻璃钢在高分子电热膜提供的热量下又呈现快速升温。图 5 中的前两条曲线由于功率密度较小,界面冰层融化所需的时间较长,因此未出现快速升温的第三阶段。界面冰层融解后的第三阶段的升温过程必须严格控制,如果此阶段加热时间过长,则会导致高分子电热膜及其附近的玻璃钢复合材料持续升温,其中的环氧树脂在长时间高温的状态会出现热老化现象,导致玻璃钢复合材料性能退化。在采用高分子电热膜的主动式防除冰方案应用于实际运行的风电叶片时,必须在电热除冰系统中配置实时监测周围气象条件和叶片表面层温度的监控系统,使高分子电热膜附近的玻璃钢层在除冰过程中控制在一定温度范围内( 如低于 30℃) ,当温度高于设置的极限值时,监控系统控制电加热系统断开,以防止高分子电热膜附近的环氧树脂温度升至过高而出现热老化现象。【图5】
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  对 - 11 ~ - 13℃ 的低温环境中,表面覆冰为1cm 厚的情况下高分子电热膜的除冰能力进行了考察,图 6 为除冰时间与功率密度之间的关系图,靠近上部的曲线是观察到的界面冰层融解的时间,靠近下部的曲线是由图 5 中得出的界面冰层开始融解的时间。由图 6 可以看出,在不考虑其他影响因素的情况下,在功率密度为 200 ~ 600W/m2的范围内,界面冰层开始融解的时间为 81 ~ 20min,界面冰层全部融解的时间为 165 ~ 65min,即除冰时间控制在 1~ 3h 以内,这是在叶片表面没有保护涂层的条件下得出的结果,如果主动式防除冰叶片配合疏水性的保护涂层,将会达到更好的防除冰效果。在实际防除冰叶片的制作过程中需权衡环境特点、结冰程度与除冰时间以及能源消耗之间的关系,选择合适的功率密度范围进行除冰,同时需对除冰过程中的叶片表面温度进行监控,防止除冰后期叶片温度升至过高对树脂有负面影响。【图6】
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  3 结 论

  ( 1) 模拟风电叶片铺层结构,采用 VARTM 工艺灌注出了含三种高分子电热膜的夹层玻璃钢板,通过电阻测试,筛选出一种功率密度可调范围较宽的高分子电热膜,其在0 ~250V 的电压下,功率密度在0 ~ 1300W 范围内可调;( 2) 在主动式防除冰叶片中,将高分子电热膜布置在靠近叶片蒙皮外表面的浅表层中时,在低温环境中对蒙皮表面的加热效果较好,同时不会影响叶片的气动外形且可免受外界恶劣环境的侵袭,而将高分子电热膜布置在叶片蒙皮内表面或内浅表层中时对叶片表面的加热效果较差;( 3) 只考虑温度影响情况下,为达到防除冰目的,与风电叶片材料复合后的高分子电热膜所需具备的最小功率密度 P0与温度 T 之间的拟合关系式为 P0= -0. 03291T3-0. 9922T2-18. 16873T +17. 6837;( 4) 在接近 - 15℃ 的环境中,玻璃钢板表面无保护涂层且冰层厚度为 1cm 的情况下,在 200 ~600W / m2的功率密度下,界面除冰的时间可控制在1 ~ 3h。

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