[发明专利]一种电热防冰和除冰系统及其制备方法

说明书

本发明公开了一种电热防冰和除冰系统，所述电热防冰和除冰系统依次包括绝缘隔热层、发热涂料层和绝缘导热层，所述发热涂料层包括石墨烯和高分子材料；所述绝缘导热层包括导热填料和高分子材料。本发明还公开了制备所述电热防冰和除冰系统的方法，以及包括所述电热防冰和除冰系统的风电叶片，以及包括所述风电叶片的石墨烯电热膜风力机。

技术领域

本发明属于风电领域，更具体而言，本发明涉及一种电热防冰和除冰系统及其制备方法。

背景技术

目前，能源转型已经成了我国的一项基本国策，2015年国内风电新增装机容量达到30.5GW，2016年全国风电开发建设总规模计划达到30.8GW。根据能源局2020年能源需求预测的基准方案，2020年风电装机目标是210GW，平均每年新增装机在42GW，年均复合增速在10.9％。我国大量风机安装在寒冷地区和(或)高海拔地区，风电叶片表面经常会出现覆冰现象，导致叶片的性能以及风力发电机组功率输出无法达到设计要求。风电叶片结冰会减小翼型升力、增加阻力，导致叶片转矩下降，影响风机发电效率。同时，由于覆冰的增加，致使叶片质量分布不平衡，产生不对称载荷，引发机械故障甚至停机。

以国外的数据为例：瑞典某风场在1998-2003年之间一共停机维修1337次(造成161523h的能量损失，即维修导致161523小时无法工作)，其中92次停机事故是由于气温气候造成的(8022h的能量损失)。其中92％的低温停机事故(7353h的能量损失)是由于叶片覆冰造成的停机维护。即使轻度的覆冰也会导致叶片表面粗糙度的增加，使叶片发电量持续降低，在覆冰严重区域甚至会造成20％-50％的发电量损伤。另外，叶片表面的覆冰产生的不均匀载荷会大大影响发电机组的使用寿命和安全，同时脱落的冰层也可能产生一系列的安全问题。因此，风机的抗冰冻问题成为风电技术研究的一个热点，发展风电叶片防除冰方法对于风机的安全有效运行具有重要的现实意义。但是，目前尚无成熟的风电叶片除冰技术，对于表面覆冰严重的风电叶片，国内一般采用停机处理(等待气候变化自然融化或人工敲打除冰)，此种方法极大影响发电机组的电量，而且可能因敲打而对发电机组造成破坏。

基于叶片结冰对风机性能的不利影响，国内外相关研究人员对结冰气候下风机叶片的抗冰技术进行了大量的研究。但是，目前还没有成熟的风电叶片除冰技术，对于表面严重覆冰的风电叶片，一般采用停机处理。国内这方面工作尚处于摸索阶段，并且大多借鉴于飞机机翼和输电电缆除冰的相关研究经验。

防冰除冰技术可以分为主动型和被动型两种。被动型防冰/除冰技术包括吸热涂料、疏水涂料和化学药剂。吸热涂料的缺点是叶片表面只能做成黑色，而且除冰效果受制与光照条件。夏季强度辐射引起的高温会影响叶片材料的性能，需要对叶片进行定期维护。疏水涂料的对加工工艺的要求较高，对于大型叶片加工较困难。而且目前疏水涂料的防冰/除冰能力还有待观察。化学药剂的腐蚀能力强，会破坏叶片表面的油漆系统，需要经常维护，维修成本高。主动型防冰/除冰技术包括机械震颤、内部通热气和电加热等。机械震颤是利用叶片转动过程中速度的改变引起扇叶的震动，使扇叶表面的冰层脱落。但是大型风力发电机叶片根部的震动幅度太小，除冰效果有限。内部通热气是在叶根外部布置出风口，鼓风机吹出的热风直接沿叶片表面将热空气吹向叶尖，对覆冰进行直接加热。但是这种实现方式效率极低，能耗高，并且在热空气出口处，冷热气体相融合，会形成大量水滴，引起轮毂结冰。电加热法是将电阻丝或其它加热元件布置在叶片表面。通电后发热直接对覆冰进行加热。在叶片表面布置电阻丝一方面会降低叶片表面平滑度，影响叶片气动性能，另一方面叶片表面直接与电源相连的金属电阻丝存在着雷击的安全隐患。