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风力发电的防冰除冰技术
2024-03-29 10:42:35

风电是我国电网脱碳和发展低碳经济的重要途径。然而,风电设施结冰影响电网效率、威胁供电安全。新型防冰材料在风电领域应用前景广阔。目前防冰除冰工作主要包括:

(1)抑制冰成核;

(2)防止冰生长和传播;

(3)降低冰黏附强度;

(4)抵抗凝结水危害。

上述防冰策略分为主动被动两大类。全面系统地了解防冰除冰策略对促进风电产业发展、实现双碳目标、促进社会经济转型均具有重要意义。

    冬季北半球50%以上的陆地被冰雪覆盖,这对维持大气、地质和生命系统都至关重要。然而,固体表面不同形式的冰(如霜、雪、釉和雾)严重威胁人类社会的能源安全。例如,结冰问题会增加大坝和船闸、飞机、特快列车、空调、冰箱、风力涡轮机、太阳能电池板、电力线路、悬索桥、热泵和海上石油平台等基础设施的能源消耗,降低设备运行效率,引发电气和机械故障,增加设施运行风险。
    电热融冰、化学防冻剂、机械除冰、高压直流、电脉冲等主动防冰策略因其高效性是目前应用最广泛和普遍的方法。然而,大多数主动防冰策略能耗高、成本高、功效低且环境负荷大。为解决这些问题,王健君课题组与贺志远课题组研究出了抵抗水凝结、抑制冰成核、防止冰传播和减少冰黏附的被动防冰策略。主要包括: (1)冰成核是限制冰形成速率的关键步骤,一种旨在防止非均相冰成核的防冰方法引起了广泛关注。通过控制表面电荷和电荷密度、抗衡离子类型、羟基密度、表面粗糙度和缺陷、表面结晶晶格结构和表面局域电场,可以调节不同表面的冰成核温度,例如,聚电解质水凝胶涂层表面使冰成核温度低于-30 ℃。(2)控制冰传播对于防冰应用至关重要。在聚电解质多层膜、聚电解质水凝胶和多层水凝胶表面,通过简单改变抗衡离子和聚电解质类型,冰的传播速率可以降低3个数量级。(3)冰黏附强度对防冰策略的影响也不能忽视。可通过调节界面水结构、流动性和数量来对其控制。自润滑液态水层已被证明是冰附着性极低的疏冰表面,其上结冰很容易通过风吹脱落。(4)为抑制凝结冻结和去升华,研究了超疏水表面去除冲击水滴和凝结水滴的能力——表面液体水滴可被快速移走,使表面无水可结冰。
     需要指出的是,上述主动或被动防冰策略均不能独自满足多样化的应用要求。理想情况下,未来需要结合主动被动防冰优点,寻找对环境无害且经济高效的防冰策略。例如,电热防冰光热防冰策略结合,可突破风力发电领域全天连续不结冰的应用瓶颈,即电热防冰方式和光热防冰方式相得益彰——前者在夜间有效,而后者在白天有效;再如,电热防冰膜超疏水涂层相结合在航空、铁路和风机叶片等领域应用前景广阔,电热防冰膜上融化的冰容易从超疏水涂层上脱落,避免再次冻结;还如,工业机器人除冰超低冰附着涂层方法结合,在太阳能电池板、电力线路、悬索桥和海上石油平台等领域应用潜力巨大。值得注意的是,机械除冰方法缺失会导致大多数超低粘冰涂层失效,因为冰不能靠重力自行脱落。主动和被动防冰方法的组合具有通用性和突出性。
 
总结与展望
      提高防冰材料的可扩展性、机械耐久性和多功能性,以适应恶劣环境是未来防冰材料亟待解决的科学问题。首先,我们需要在分子水平上揭示冰晶的形成机制,即不同防冰涂层的冰成核、结构变化和粘附分子机制。其次,在复杂应用环境下,系统考虑材料硬度、耐磨性及环境友好性,也是未来防结冰材料研究需关注的重要问题。此外,智能表面还需深入研究自愈、柔性等多功能属性。综上,在全面探索机理、合理选择材料和新技术支撑下,防冰领域的科学问题将被逐渐突破,其在风电领域的应用前景将日渐广阔。
 
责任编辑
施珊珊 南京大学
宋国宝 大连理工大学

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