CN110469464B - 一种防覆冰风力发电机叶片及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及风力发电技术领域，尤其是一种防覆冰风力发电机叶片及其制备工艺，在风力发电机叶片上设有用于在低温天气条件下防止风力发电机叶片覆冰的PVC热收缩膜，包括PVC热收缩膜基材，所述PVC热收缩膜基材表面经CF4刻蚀后成为有多个沟槽与凹坑的粗糙面，在粗糙面上沉积有PTFE涂层，沟槽与凹坑及PTFE涂层形成紧密的交联网络状的微纳米表面结构，其无需风力发电机停机，不影响风力发电机的发电量，节省人力物力，无需通电加热，节约了大量的电能，不影响风力发电机的正常工作，从根本上降低风力发电机叶片覆冰率，从而在不损害设备、不浪费能源的前提下，提高风力发电机在寒冷季节的利用率，保证冬季发电量。

Description

一种防覆冰风力发电机叶片及其制备工艺
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，尤其是一种防覆冰风力发电机叶片及其制备工艺。
背景技术
风能是一种清洁的可再生能源。我国风能资源非常丰富，目前可开发的风能储量高达10亿千瓦，仅陆地上的风能储备就达2.53亿千瓦。风力发电机可将风能转化为机械能，进而转化成电能，缓解由石油、煤炭、天然气等燃烧发电导致的能源紧张。特别是在能源短缺或交通不便的草原、高原及沿海地区，利用风能生产清洁电能是大势所趋。现今，我国的风力发电事业已进入高速发展阶段，被称为世界第一风力发电国家。
风力发电的应用节约了石油、煤炭、天然气等不可再生资源，同时避免了燃烧发电对环境的污染。但它的大规模应用也存在一些限制，防止覆冰的产生及覆冰的消除便是其中的难题。在霜冻天气下，风力发电机叶片表面易结冰霜，导致覆冰灾害。即使是在南方的冻雨天气下，其叶片也极易结冰。覆冰的产生将导致风力发电机叶片翼型改变，不能正常转动，转速降低直至停止，发电效率降低，无法产生稳定电流；且叶片上的冰霜增加了叶片的重量，打破了风力发电机的结构平衡，损坏其配件；另外，当温度升高时，叶片上的冰块受离心力作用脱离叶片会对周围人员造成危险。2008年，贵州长时间出现冻雨天气，水滴凝固，叶片覆冰，造成电网瘫痪；2014年2月份，由于长时间降雪，浙江茶山的风力发电机叶片结冰，在叶片转动过程中甩出的大块冰块伤及行人。2018年初，重庆武隆寺院坪的风力发电机叶片全部被覆盖一层厚冰，为保证机器及人员安全，关闭所有发电机组。
由此可见，风力发电机叶片的结冰问题已成为制约风力发电市场扩展的主要因素之一。虽然现在有大量的关于新型防冰叶片的研究及防冰系统，但我国现在正在使用的风力发电机数量巨大，若撤换原有传统叶片，重新更换新型防冰材料叶片，损失巨大。故对原有传统风力发电机叶片的改进、改性或包装成为解决此问题的途径。
目前，针对风力发电叶片除冰的方法有很多，如机械除冰、热能除冰、涂层除冰等，但都存在一定的弊端。
机械除冰即利用机械手段使风力发电机叶片上的覆冰破碎，再利用其离心力或向冰块施加外力将其与叶片脱离的一种清除覆冰的手段。现阶段，机械除冰是使用最广的叶片除冰方法。该方法操作简单，能够彻底移除覆冰，但此方法的实施需在停机之后进行，影响了电机的发电量，浪费人力物力。且除冰后，风力发电机叶片会继续结冰，并未从根本上预防覆冰的产生。
热能除冰是指在风力发电机叶片的外部或内层加入导电导热材料，通过通电产生热量，升高叶片温度，达到冰层融化的目的，属于主动除冰的范畴。热能除冰应用范围较广，但其在加热融化冰层的同时，由于通电加热，浪费了大量的电能，阻碍了风力发电机的正常工作。
涂层防冰属于被动除冰方式。即制备超疏水可防冰的特殊涂料并将其涂覆于叶片表面，或利用特殊技术制备超疏水涂层，利用该涂层的优良特性，避免冰雪与叶片的粘结，从而达到防冰的目的。这种方式无需借助外部工具或施加外部能量便可达到防覆冰的目的。但是，防冰涂料的弊端也无法忽视。由于防冰涂料的疏水性及低表面张力，其与风力发电机叶片的结合牢度弱，涂层易老化。且在技术实施上难以将巨大的叶片粗糙化前处理，以提高涂料与叶片的粘合牢度。现阶段，世界还未研发出一款被广泛接受认可的防冰涂料，因此目前风力发电机很少单独使用防冰涂料除冰。
综上所述，中国有许多的风力发电机用以生产清洁电能，但是其叶片在霜冻天气下易结冰霜，这增加了叶片的重量，降低了其使用效率，甚至造成机器及人员的损伤。人们做了很多工作去改善这种情况，如在叶片表面装上电阻丝加热叶片等，但这种方法浪费了大量的电能，没有从根本上解决防结冰问题。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，提供了一种防覆冰风力发电机叶片及其制备工艺，其无需风力发电机停机，不影响风力发电机的发电量，节省人力物力，无需通电加热，节约了大量的电能，不影响风力发电机的正常工作，从根本上降低风力发电机叶片覆冰率，从而在不损害设备、不浪费能源的前提下，提高风力发电机在寒冷季节的利用率，保证冬季发电量。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是，一种防覆冰风力发电机叶片，在风力发电机叶片上设有用于在低温天气条件下防止风力发电机叶片覆冰的PVC热收缩膜，包括PVC热收缩膜基材，所述PVC热收缩膜基材表面经CF4刻蚀后成为有多个沟槽与凹坑的粗糙面，在粗糙面上沉积有PTFE涂层，所述沟槽与凹坑及PTFE涂层形成紧密的交联网络状的微纳米表面结构。
上述的防覆冰风力发电机叶片，所述粗糙面的粗糙度不低于12.5nm。
上述的防覆冰风力发电机叶片，所述PTFE涂层厚度为涂层厚度不低于3.9μm。
上述的防覆冰风力发电机叶片，F/C元素比为1.946，其表面能为32.7mN/m。
上述的防覆冰风力发电机叶片，微纳米表面结构上的接触角超过150°，且滚动角小于5°。
一种制备上述防覆冰风力发电机叶片的工艺，包括如下步骤：
(1)、将热收缩膜热合成筒膜；
(2)、裁剪热收缩筒膜的长度为风力发电机叶片的长度，将热收缩膜热合成筒膜时，计算上下筒径，保证其受热收缩后在叶片上下保持大致相同的收缩率；
(3)、将裁剪后的PVC热收缩筒膜套装至风力发电机叶片，套装后，将PVC热收缩膜头端收紧；
(4)、对PVC热收缩膜进行加热收缩，直至其与风力发电机叶片贴合；
(5)、收缩完成后，裁剪PVC热收缩膜头端。
上述的一种防覆冰风力发电机叶片的制备工艺，所述步骤(4)中，PVC热收缩筒膜套装至风力发电机叶片后，加热收缩同时抽真空，使热收缩膜与叶片贴合。
上述的防覆冰风力发电机叶片的制备工艺，所述步骤(4)中，以70℃的加热温度匀速移动加热器加热PVC热收缩膜，使PVC热收缩膜均匀收缩，直至其与风力发电机叶片贴合。
上述的防覆冰风力发电机叶片的制备工艺，所述步骤(4)中，在PVC热收缩膜内表面涂覆热熔胶，匀速移动加热器加热PVC热收缩膜，使热熔胶熔融，与风力发电机叶片粘附。
上述的防覆冰风力发电机叶片的制备工艺，所述步骤(2)中，控制热收缩膜的筒径，使其在风力发电机叶片表面收缩后的收缩率小于49％。
本发明防覆冰风力发电机叶片及其制备工艺的有益效果是：将PTFE纳米涂层沉积于热收缩膜表面，引入含F基团，构造微纳米结构表面，以改善热收缩膜的抗紫外线性与疏水性。
PTFE涂层的沉积改善了PVC热收缩膜的动态防冰性能，改变了传统的除冰方式，利用复合膜的防冰性能，减少覆冰情况的发生；相同结冰条件下，原始PVC热收缩膜的结冰面积比接近80％，经过PTFE涂层修饰的PVC热收缩膜的结冰面积大幅减少。且经等离子体预处理的PVC热收缩复合膜具有更优的防冰性能和可重复使用性能。经PTFE涂层沉积后的PVC热收缩膜的动态防冰效果明显改善。
所述预处理等离子体为CF4，所述粗糙面的粗糙度不低于12.5nm，提高了涂层与基体之间的结合牢度。CF4等离子体预处理除了使膜表面粗糙化外，引入了含氟基团，为下一步含氟基团的沉积提供了可能，继而改善了两者之间的结合牢度，增强了PTFE涂层与基体的结合。
由于含氟聚合物具有较高的反射紫外线性能，使改性后的PVC热收缩膜的抗紫外性能得以改善，其表面的PTFE涂层覆盖率高，收缩后的表面孔隙少而小，膜非常致密，导致紫外线难以照射到PVC的表面，从而避免了PVC的老化。使PVC热收缩复合膜具有优异的抗紫外线性能，有利于延长其户外使用寿命。
其无需风力发电机停机，不影响风力发电机的发电量，节省人力物力，无需通电加热，节约了大量的电能，不影响风力发电机的正常工作，从根本上降低风力发电机叶片覆冰率，从而在不损害设备、不浪费能源的前提下，提高风力发电机在寒冷季节的利用率，保证冬季发电量。PVC热收缩膜满足了紧密包覆风力发电机叶片的要求，避免冰霜在叶片的凝结的同时，具有优异的抗紫外线性能，经久耐用。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做详细说明。
一种防覆冰风力发电机叶片，所述PVC热收缩膜基材表面经CF4刻蚀后成为有多个沟槽与凹坑的粗糙面，在粗糙面上沉积有PTFE涂层，所述沟槽与凹坑及PTFE涂层形成紧密的交联网络状的微纳米表面结构，通过离子体为CF4刻蚀PVC热收缩膜基材表面，为提高涂层与PVC热收缩膜之间的结合牢度提供了前提保证。CF4等离子体预处理除了使膜表面粗糙化外，引入了含氟基团，为下一步含氟基团的沉积提供了可能，继而改善了两者之间的结合牢度，增强了PTFE涂层与基体的结合，提高了基底与涂层之间的结合牢度；沉积在基底上的PTFE涂层的纵向生长也更加致密；沉积的PTFE涂层含有大量-CF2以及少量的-CF1、-CF3，经过CF4等离子体预处理后沉积的涂层具有最高的F/C元素比；疏水性有不同程度的提高，防冰性能进一步改善，尤其是重复防冰时，经等离子体预处理的样品保持更小的结冰面积，具有良好的超疏水结构。
PTFE涂层的沉积改善了PVC热收缩膜的动态防冰性能，改变了传统的除冰方式，利用复合膜的防冰性能，减少覆冰情况的发生；相同结冰条件下，原始PVC热收缩膜的结冰面积比接近80％，经过PTFE涂层修饰的PVC热收缩膜的结冰面积大幅减少。且经等离子体预处理的PVC热收缩复合膜具有更优的防冰性能和可重复使用性能。经PTFE涂层沉积后的PVC热收缩膜的动态防冰效果明显改善。
所述粗糙面的粗糙度不低于12.5nm。为下一步增加其与PTFE涂层的结合提供有利条件。
所述PTFE涂层厚度为涂层厚度不低于3.9μm。保证了材料的疏水性及抗老化。微纳米表面结构上的接触角超过150°，且滚动角小于5°，其为超疏水结构，保证了材料的疏水性。
一种制备防覆冰风力发电机叶片的工艺，包括如下步骤：
(1)、将热收缩膜热合成筒膜；
(2)、裁剪热收缩筒膜的长度为风力发电机叶片的长度，将热收缩膜热合成筒膜时，计算上下筒径，保证其受热收缩后在叶片上下保持大致相同的收缩率；
(3)、将裁剪后的PVC热收缩筒膜套装至风力发电机叶片，套装后，将PVC热收缩膜头端收紧；
(4)、对PVC热收缩膜进行加热收缩，直至其与风力发电机叶片贴合；由于风力发电机叶片的形状不规则，故要求热收缩膜必须具有优异的热收缩性能，使其收缩后能紧密贴附在叶片表面，同时又具有一定的张力。为方便热收缩膜的安装，要求该膜仅横向收缩；
(5)、收缩完成后，裁剪PVC热收缩膜头端。
上述的一种防覆冰风力发电机叶片的制备工艺，所述步骤(4)中，PVC热收缩筒膜套装至风力发电机叶片后，加热收缩同时抽真空，使热收缩膜与叶片贴合。
上述的防覆冰风力发电机叶片的制备工艺，所述步骤(4)中，以70℃的加热温度匀速移动加热器加热PVC热收缩膜，使PVC热收缩膜均匀收缩，直至其与风力发电机叶片贴合。
上述的防覆冰风力发电机叶片的制备工艺，所述步骤(4)中，在PVC热收缩膜内表面涂覆热熔胶，匀速移动加热器加热PVC热收缩膜，使热熔胶熔融，与风力发电机叶片粘附，增强粘合强度，防止两者的脱落。
上述的防覆冰风力发电机叶片的制备工艺，所述步骤(4)中，PVC热收缩筒膜套装至风力发电机叶片后，加热收缩同时抽真空，使热收缩膜与叶片贴合。
上述的防覆冰风力发电机叶片的制备工艺，所述步骤(2)中，控制热收缩膜的筒径，使其在风力发电机叶片表面收缩后的收缩率小于49％。该改性热收缩膜在自然条件下的最大可收缩49％，需通过控制热收缩膜的筒径，使其在叶片表面收缩后的收缩率小于49％，从而使热收缩膜在叶片上保持一定的张力，保证该膜不发生断裂。
在现在的生产工艺下制备的VCI气相防锈热收缩膜厚度与尺寸均可满足风力发电机叶片的包装要求。对于FEP热收缩筒膜来说，由于制备工艺限制，难以生产较大的筒径。HRA2内层涂胶热收缩筒膜的壁厚较大，筒径也难以达到风力发电机叶片的尺寸。PVC热收缩膜的厚度较小，且能够生产大筒径的筒膜。
热收缩膜的收缩率
Figure GDA0002755909110000051
热收缩膜的拉伸参数
Figure GDA0002755909110000052
Figure GDA0002755909110000061
VCI气相防锈热收缩膜的机械性能优异，可生产大筒径的产品，但是在受热时双向收缩，不符合安装要求；FEP热收缩筒膜虽在受热时单向收缩，但是难以生产筒径大的热收缩膜，达不到尺寸要求；HRA2内层涂胶热收缩筒膜的筒壁较厚，筒径较小，且断裂强度小，同样不符合要求。
当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不局限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种制备防覆冰风力发电机叶片的工艺，其特征在于：在风力发电机叶片上设有用于在低温天气条件下防止风力发电机叶片覆冰的PVC热收缩膜，包括PVC热收缩膜基材，所述PVC热收缩膜基材表面经CF4刻蚀后成为有多个沟槽与凹坑的粗糙面，在粗糙面上沉积有PTFE涂层，所述沟槽与凹坑及PTFE涂层形成紧密的交联网络状的微纳米表面结构，所述粗糙面的粗糙度不低于12.5 nm，所述PTFE涂层厚度为涂层厚度不低于3.9 μm，F/C元素比为1.946，其表面能为32.7 mN/m， 微纳米表面结构上的接触角超过150°，且滚动角小于5°；
包括如下步骤：
（1）、将热收缩膜热合成筒膜；
（2）、裁剪热收缩筒膜的长度为风力发电机叶片的长度，将热收缩膜热合成筒膜时，计算上下筒径，保证其受热收缩后在叶片上下保持大致相同的收缩率，控制热收缩膜的筒径，使其在风力发电机叶片表面收缩后的收缩率小于49%；
（3）、将裁剪后的PVC热收缩筒膜套装至风力发电机叶片，套装后，将PVC热收缩膜头端收紧；
（4）、对PVC热收缩膜进行加热收缩，直至其与风力发电机叶片贴合；
（5）、收缩完成后，裁剪PVC热收缩膜头端。
2.根据权利要求1所述的一种制备防覆冰风力发电机叶片的工艺，其特征是，所述步骤（4）中，PVC热收缩筒膜套装至风力发电机叶片后，加热收缩同时抽真空，使热收缩膜与叶片贴合。
3.根据权利要求2所述的一种制备防覆冰风力发电机叶片的工艺，其特征是，所述步骤（4）中，以70°C的加热温度匀速移动加热器加热PVC热收缩膜，使PVC热收缩膜均匀收缩，直至其与风力发电机叶片贴合。
4.根据权利要求3所述的一种制备防覆冰风力发电机叶片的工艺，其特征是，所述步骤（4）中，在PVC热收缩膜内表面涂覆热熔胶，匀速移动加热器加热PVC热收缩膜，使热熔胶熔融，与风力发电机叶片粘附。
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