廖志勇：尊敬的各位领导、非常荣幸有这个机会可以跟大家分享一下我们公司在叶片除冰方面的一些经验和看法。我汇报的主题是《风电叶片防冰技术的发展、实践与展望》。

　　我的汇报有五个部分，首先我简单介绍一下我们时代新材料科技股份有限公司以及我们抗冰技术的发展历程。株洲时代新材料科技股份有限公司是中国中车旗下的新材料平台，始建于1984年，2002年在上交所上市，目前我们的年产值超过了120亿，我们的业务主要有五个板块，风力发电，主要包括叶片及弹性支撑，还有轨道交通产品、汽车部件、新材料、特种装备。

　　目前我们公司拥有国家认定的企业技术中心，在国内的排名是第二十五位，省内排名第一位，拥有725项专利，有800多人的研发团队。在2018年，全球非轮胎橡胶行业企业排名是45位，在于全球有数十个工厂，国际化率超过50%，是一个国际化的公司。

　　我们公司在2007年开始进军风电叶片的制造，目前一共有四个生产基地，天津、内蒙古、沈阳和湖南，目前有70多条产线。累计销售量超过1万套，2020年出货量超过3500套。我们的弹性支撑在行业占有率超过了60%。

　　我们公司从2011年开始开发防除冰叶片，先后尝试了涂料、气热、电加热和混合加热多种技术方案，在2012年我们发布了第一款防除冰叶片，在2013年我们安装了第一台气热除冰装置，在2014年我们和东方点气联合开发了第一台气电混合抗冰样机，我们这个项目也获得了多项奖励和荣誉。在2016年我们获得了中国中车的科学科技进步二等奖。在2017年我们获得了株洲市的科技进步一等奖。在2018年的时候我们开发了第二代的抗冰叶片，实现了批量生产，生产成本大幅度降低，现在我们主要在推广气热除冰的小批量装机。

　　在今年，我们作为一个此刻的参与的面向平价上网的大型低风速复合材料叶片关键技术和应用获得了中国可再生能源协会的科学技术一等奖。我们在2022年准备推动气热技术的批量应用，推广电热抗冰的现场改造和低成本的抗冰技术。

　　这里有一个表，列出了我们从2013年到2020年的气热和电热项目的基本情况。目前来说，总共使用的数量是95套，包括电热抗冰的47套，混合加热的32套，气热的16套，总产值超过了1.5亿。

　　从2013年开始，我们经过这么多年的发展，也积累了丰富的经验，有一支比较完善的团队。包括从研究分析、实验、开发设计以及到安装实施的整个项目的实施能力。目前已经开发的产品包括37.5到71.5的九个叶型。我们公司申请了十多个发明专利，覆盖了整体的方案、关键部件、控制系统和安装施工的全部内容。气热除冰的方案是有国际发明专利的。

　　第二部分，我们简单介绍一下这个叶片结冰的危害和除冰的机理。这个叶片结冰的原因比较简单，就是水珠凝固的物理过程。从这个图可以看到，它在不同的环境条件下，它结冰的形状和它结冰的速度都是不一样的，它相关的参数非常多，包括温度、风速，风场的海拔，还有介质含量、水滴直径、含水量、云雾参数，所以我们一般认为风电叶片的结冰机理可能比航空业更复杂。一般来说，我们认为叶片的表面超过三度的时候，它是不会结冰的，或者说温度很低的情况下它也难以结冰。

　　刚才我们也讲到了，在不同的环境条件下，它结冰的形状以及它的构成是不一样的。我们一般来说，可以把这个覆冰分成这三类。我们可以看到，混合淞可以改变叶片的气动外形，他还会改变叶片的质量和频率，导致叶片的载荷平衡，还会影响机组的传感器测量的准确度，所以它会造成比较严重的后果，他可能会导致叶片和风能的振动，它也会降低这个机组的发电效率，也可能会导致机组的控制失效，甚至风机失速，覆冰还会使叶片增加重量，增加叶片的弯矩，它还会影响叶片的疲劳寿命。所以叶片的结冰是一个对叶片风机是一个非常有威胁的事情。

　　这里有一个图，我们可以来看一下，国内风机结冰的概率和危害程度，这里有两张图，这个左边的图是结冰时间的分布，右边这个图是风机的覆冰厚度的参数表。我们可以看到，其实南方地区，尤其是低风速的山区，它从结冰的时间以及它结冰的厚度来说，它都是危险性最大的地区。你们看这个表，它的结冰的厚度可以达到60到80毫米。

　　刚才讲到了结冰的机理，我们也提到了结冰的危害程度，下面我们来看一下我们要怎么样才可以把这个叶片上的冰给除掉。这里我举一个例子，这是我们在一个项目中做的一个分析。这里有一个概念，就是功率密度，也就是除冰系统转化到叶片外表面单位面积的加热功率，我们做的这个仿真是以环境温度零下十五度作为分析的依据。

　　我们把叶片表面分成六个区域，功率密度分别是0.8到1.35平方毫米。我们的计算是在经过125秒之后，整个叶片的温度都可以达到四度左右的防除冰温度。所以电加热就可以引用这个模型来分析不同温度环境参数下的需要的除冰的功率，但是对于气加热来说，我们还需要引入另外一个模型，这是我们叶片导热的一个模型，从这个叶片的结构来说，我们一般会把这个叶片分为两个区域，前面这一块儿我们叫做主要除冰区，后面这一块儿叫次要除冰区。主要除冰区又根据这个材料和材质的厚度不同可以分为三块，前面这个主要里玻璃钢，中间这个主要是夹芯区，后面这一块儿也是玻璃钢。我们可以看到这个上面的温度是有差异的。

　　最关键的一点就是这个叶片的结构。决定这个除冰效率的第二个点就是里面的温度，就是我要把气热系统的温度转化到叶片的外表面，既然他的材料和导电性能都已经固定了，那么我是不是可以提高里面空气的温度和流速，来提高外表面的功率密度呢？但是这里有一个点就是我们叶片的特点，如果超过60度，它就会对叶片的结构强度造成影响，所以我们在做分析的时候，或者说做实验的时候，我们就会设定里面的流体的温度是不能超过60度的。

　　所以结合这些参数，我们得到了一个值，也就是气热可以得到一个气热除冰系统的一个临界温度，大概是在负八度，这个也是经过了我们实验室的测试，这是比较接近的一个值。但是它也不是说明超过8度以下这个气热除冰就完全不能用了，我们曾经在山西做过一套系统，它在零下20度的情况下也有除冰系统，他和其他机组相比节省发电量超过6万千瓦。

　　前面是除冰的机理，我们设计这个除冰系统的时候，我们有哪些原则是需要把握的呢？我认为至少有两点。第一我们在设计除冰系统的时候，我们首先应该明确我们这个系统的主要目的。比如说有人身安全、设备安全和发电效率，因为气热除冰和电热除冰的效果和作用是有一定差异的。第二个我们会根据叶片的结构特征去做区域的设计。比如说我们叶片大概可以分成这三个区域，一个是叶根部位的被动除冰区，这一块儿的气动效果是非常低的，所以这个不是我们首要考虑的目标。而中间这一块儿，气热相对最高的区域，尤其是前缘这一段是我们主要要除冰的区域。叶尖这一块儿，尤其是叶尖上面的这一段，这是雷击的高危区，我们在设计电路的时候首先就要避开这一段区域。

　　刚才我们讲了叶片结冰除冰的机理和设计方法，那么我们下面就介绍一下具体怎么做，我们才能够将这个冰除掉。首先我们看这个国外的案例，第一个是VESTAS的几种方案，第一个是黑色涂料，他主要是在叶片表面喷涂了黑色涂料还有一层透明的憎水层，我们可以看到它的除冰效果并不是特别好。

　　第二个是VTT和WICETEC的两种方案，包括碳纤维加热方案和叶片内加热方案，VTT和WICETEC的这个方案在上个世纪九十年代就已经挂机了，最长的挂机时间已经超过了20年，所以它基本上和叶片的寿命是等同的。

　　第三个是Enercon公司，这个公司应该是业内最先开发气热除冰的公司，2004年就开始研发了，但是他现在主推的也是一种混合型的加热方案，他在叶根使用了加热膜，在叶尖使用的是气热除冰。

　　在这里我们稍微总结了一下现在尤其是国内国外的优缺点。现在主要的就是气电加热，下面这些无人机、机械等抗冰方法操作难度也很大，所以我们现在就把这个主要放在前面这三块。

　　下面我详细介绍一下这三种方案。首先是涂料的方案，我们在2012年的时候发布的防除冰叶片就是采用除水土层的解决方案，右边这个图是我们2012年和国防科大一起研发的涂料，当时我们的接触角度达到了156度，就是这个涂层主要的原理就是增大水珠的接触角，就是这个水更容易滚动滑落。左边这个就是有防除冰土层的复合材料，它表面的覆冰是非常容易掉的。

　　但是我们装机之后发现，虽然这个涂料在实验室的效果很好，但是装机之后并不能完全防止结冰或者说主动除冰，它只能说一定程度上缓解结冰的程度，或者是加速熔冰。但是它有另外一个缺点，就是它的寿命比较短，可能一年之后就起不到效果了，然后它现在的这个涂料的成本是非常高的。

　　接下来介绍第二个方案，气热除冰，从结构上看，我们可以把这个气热除冰分为这么六个子系统，第一个是加热装置，包括加热器和它的吹风机。第二个是扭缆装置，然后是通风系统，还有结冰和温适度传感器，主控及上位机系统，然后是一次供电，从这个上面来说，我们可以看到它是比较复杂的，它的工艺也比较复杂。

　　我们总结一下，至少在使用气热除冰的时候有这么三个关键点，第一个是流道，流道在很大程度上决定了热气循环的速度和流量，从而也决定了这个热度能够转化到外表面的功率密度，所以这个流道的好坏就决定了气热系统的适用性。下面这个是我们做的一个流体分析的模型，我们可以看到这个气热系统主要是通过把热气送到叶片的前缘，然后这个热气在前缘的叶尖的内腔通过腹管的中间或者是后缘，然后形成这么一个循环的流道，所以这个叶尖的通道决定了这个流道的好坏。

　　左边这个图是两款不同叶片的叶尖的末端的截面，这两个图的差异是非常大的，上面这个图是51.5的叶片的截面，下面这个是59.5的截面，这两个前缘腔体的截面相差五到四倍。所以如果用普通的这种方案去实现这个叶片的除冰，我们模拟发现，它叶尖的流速和风压会非常的高，这么高的风压在设备上或者是安全角度上考虑都是不可行的。所以我们也针对这个流道做了很多的优化，右边的四张图是我们采用不同的流道设计做的一个热分析。左上角这个是最开始的一个图，右下角这个是我们最终的一个分析图，这里可以看到经过改善之后我们这个叶片加热面积和它的温度是远远超过原始方案的，而且这个整个流道的改造是在已经装机的叶片上面进行的，而不是新装的叶片。所以我们可以看到，这个流道的设计是一个非常关键的指标。

　　第二个是安装工艺，因为气热系统刚才有介绍，它有六大部件，它的总质量大概是在200到400公斤左右，它安装的范围大概是在两米到二十多米的长度分布内，而且因为叶片里面是无法使用机械连接的，所以我们都是采用手动的，这么重的部件装到叶片的表面，怎么保证它本身的结构强度和疲劳生命，怎么去保证这个叶片的载荷，这个都是比较关键的一些技术手段。

　　第三个是控制系统设计，主要是结冰判断、加热控制以及通讯、上位机这些，这个就不详细讲了。

　　第三种方案是电热抗冰技术，电热抗冰技术从原理上来说很简单，就是在叶片的外表面铺设一张加热膜，但是它关键的点主要是两个，第一个是选择这个合适的加热元件，第二个是它的铺设工艺。选择加热元件的时候我们会从这五个方面去评估，分别是成本、性能、易用性、易修性、使用。

　　下面是几个例子，是一些同行使用过的方案，最左边这个是石墨烯的，第二个是金属加热膜，这个是直升机上使用的，第三个是类似PR膜的加热膜，第四个是编织布。这些都有一些缺点，比如说石墨烯的材料体系和叶片是不一样的，所以它如果要装到这个叶片表面，它要么就需要通过一些聚乙材料要么就是需要在表面弄很多的孔然后弄上去。然后在这种条状或者是网状的加热膜有一个缺点就是加热均匀性不好，他可能会把叶片的夹芯烧黑烧熔，还有它的维修性，它损坏之后可能会导致整个这一片都失效，所以这个使用性能上来说就满足不了要求。

　　所以经过我们的综合评估，我们觉得碳纤维目前还是具有很多优点的，包括与叶片的材料体系比较兼容，然后它的成本也不是很贵，现在都是国产化了，它的加热性能，它的耐热都很好，我们施工也很简单，寿命很长，耐活性好，也容易修复。我们做了一些力学测试和修复、加热均匀性的测试，都发现目前这个碳纤维还是一种比较理想的放在叶片上的加热材料。

　　我讲到的第二个点就是铺设，其实加热系统的结构也很简单，它主要就是在叶片的外表面铺设一个加热碳纤，在外表面再铺设一层黄色的玻纤，它铺设方案有两种，一中是手糊的还有一种是灌注的，因为它很薄，所以它对叶片的气动影响是非常非常小的。现在我们第二代技术就是用的这种灌注的方案，这个大家可以看到，它的表面是非常非常好的，它的叶片的气动是完全没有影响的。但是它可能会有一个唯一的缺点，就是因为碳纤维是黑色的，铺设了这个碳纤维之后，它有可能叶片本体的一些缺陷可能就不是很好检查。

　　第四部分我们来探讨一下为什么这个除冰系统是相对来说比较成熟的一种方案，然后它的效果也得到了验证，那为什么还没有得到推广。首先经过我们这么长一段时间的调研和了解，我们发现国内其实它受结冰影响的风机数量是非常多的，据我们统计至少有数千台，有这么四种典型的场景，第一是北方低温高湿，第二是景区平原风电，第三是南方山区，第四是海上风电。

　　既然市场这么大，为什么它还没有得到很好的推广呢？第一个原因就是它的成本，它现在的技改的成本是非常高的。下面两个图我们可以看到，这个技改至少有这五个部分，分别是开发、施工、供电系统改造、控制系统、加热通风。所以整个下来它的零部件很多，他的工艺流程也很长，施工周期也很长，所以它的成本是非常高的。但是其实对于新装的机组来说，它的成本其实是非常非常低的，它主要就是这三个部分，分别是开发设计、场地的施工和加热通风控制部件。所以这个对业主来说其实是可以考虑的一个点。我们在新上一个风场的时候，我们可以先不完全把这个除冰系统装上去，但是我们可以预留一些接口，比如说把这个通道增加几个，或者是增加这个电缆的容量，然后在叶片里面新增一些接口，这样如果后期再去技改的话，整体的成本就会非常非常低了。

　　第二个因素就是业主还有怀疑的，也就是除冰的效率，但是根据我们的经验，这个除冰不光是气热除冰也好还是电热除冰也好，它其实不可能完全把这个叶片的冰给除掉，右边这两个图就是我们在风场实测的图，我们可以看到只用气热除冰系统的时候，它叶片的后缘这一块儿，这个冰基本上是不可能除掉的。另外一种情况就是在下雨或者是湿度特别大的情况，这个叶片表面的冰也是很难完全去除，他可能会在表面形成一层比较薄的覆冰。

　　所以根据我们的经验来说，我们有这么一个数据，就是电热除冰的效率是在风速相当的情况下，一般可以达到80%左右，气热除冰可以达到70%。但是它的风速如果比较好的情况下，它是可以实现满发的。我这里还有两个值可以关注一下，就是电热除冰一般除冰的时间可能是几分钟就可以除冰，一般十多分钟就可以把这个冰给熔掉。但是气热除冰的话，它的时间会比较长，所以它至少可能需要四十五分钟到一个小时才会起到融冰的效果。所以一般我们在使用气热除冰的方式的时候，我们会提倡业主先去预警这个叶片的结冰，在结冰之前就要提前把这个除冰系统打开。

　　然后关于这个除冰效果验证，这里也是一个争议点，包括我们这么多年跟业主的交流，除冰效果的验证手段现在是没有一个相对的比较可靠的标准，这是我们摘抄的国际能源署的一篇文章，这是他们提倡的几种建议，主要是测功塔测试，或者是不同的机组对比，或者是根据不同季节发电量对同一台机组进行对比，但是这几种方式的数据都不是完全准确的，然后它也缺乏一个比较准确的公式，就是怎么样根据这个公式来计算这个除冰效果。所以国际能源署也提到了第四种方案，就是根据这个叶片外表面的温度来判断这个系统的好坏。这个点也是我们业主和工厂需要探讨的方式，因为每一个业主的思考角度都不一样，所以这个是我们这个除冰方案在风场应用需要关注的一个点。

　　第五个是技改的一些风险，我们总结了像至少是通过这五大方面，第一个是设计风险，刚才我们说到了，这个除冰的流道和工艺密度是非常重要的。所以我们在项目实施的时候，我们一般需要风场提供尽量完善的信息，包括风况、温湿度、历年的结冰情况，叶片的参数等等，这个参数越完善，这个方案就可以越准确。第二个是机组结构风险，这个主要是新增这个除冰系统的时候，不管是电热也好、气热也好，它都会在叶片上新增质量，所以我们需要对叶片的载荷进行评估，对机组的载荷进行评估，还需要对这个加热装置的粘接进行分析。第三个是施工风险，一般来说现场改造的施工时间是很长的，会有七到十天，所以这个过程把控也很重要。第四个是运行的风险，主要是后续的控制系统怎么去评估这个除冰的效果。

　　第六个方面是一些建议，针对老风场可能出很多的技改，比如说新增一些变桨润滑的监控或者是塔筒监控、覆冰监控等等，可能每一个都会有一个单独的上位机系统。所以怎么去整合这些上位机系统，去形成一个开放式的SCADA平台，然后可以实现降低费用，然后跟主机去实现数据交换，这是我们关注的一个点。

　　最后一部分，我们就提几个展望，也是我们的一点期望。第一个是完善叶片结冰机理的研究，至少有两个点值得关注。第一个是叶片翼型截面的冰型特征测试，第二个就是测量风场的云雾参数。掌握这两个参数就可以分析叶片的风机覆冰的危害，然后评估这个风场的风资源，也可以根据这个原理去设计这个除冰系统，并且去分析它的效果，但是做这个工作的最大的难点就是它的成本太高。像第一个这个冰型特征的测试，每一个截面的测试费用至少是数万，所以要做出这个工作，不是某一个公司可以单独完成的，需要整个行业的努力。

　　第二个是建立技术标准。我们认为这个技术标准至少应该包含这四部分内容，一是设备技术规范，二是机组结构评估，三是可靠性指标，四是除冰效果验证。

　　如果有这四个标准，至少对风场的业主来说是有三个好处的，第一个是我们可以有一套直接可以引用的技术规范。比如时我们曾经和一个风场签过一个技改的合同，它的合同的文本大概有八十页，如果有这么一个技术规范，我们就可以直接引用这种规范，就没有必要再对每一个项目都这么详细的约定。第二个是我们也可以遴选出有技术实力的供应商，因为技术都有一些关键性的指标，对一些行业外的公司来说，它其实并不具备这个能力，所以我们最关键的一点是这是我们业主降低风险的一个依据。第二个对于供应商来说，我们至少可以规范市场，避免恶性竞争，促进技术进步，为项目的实施提供技术标准。所以这个技术标准的建立是我们这个除冰技术推广的一个必要条件。

　　第三个是降低实施成本，我认为有三块是值得努力的。第一是检测手段的技术提升和降本，目前来说这种结冰的探测，它要不就是成本很高，要不就是可靠性还不是很好，左上角是一个国外的系统，他光一个传感器的成本就高达十万块钱，它的寿命也是很长，所以它的成本是很难接受的。后面这种传感器是结冰探测传感器，它的成本也是数万元，这个成本对很多风场来说，它可能一年的损失就是十几万千瓦时，这个成本相对来说太高，所以是不能接受的。

　　第二个是施工周期的缩短，目前来说改造一台风场可能要七到十天，它的施工费用会占到整个项目的五分之一以上，所以怎么去改善这个工艺，怎么去降低这个施工的成本，是我们要关注的一个点。

　　第三个是推进设备的通用化，目前来说，尤其是像气热除冰，它每一个机型或者是每一个叶型的系统，包括这个尺寸、功率等等参数可能都是有区别的，所以怎么去实现标准化，实现批量生产，这是我们需要关注的一个点。

　　然后是技术的升级，我们认为至少有这么三个方面，第一是开发电热除冰的现场技改。电热除冰的效果比气热除冰的效率高很多，它的应用范围基本上是不受限制的，所以在零下二十度、三十度他也可以用，只是根据它的环境温度去设置它的功率密度，所以开发这个电热的技改是势在必行的。

　　第二个是大尺寸叶片的气热除冰技术，刚才我们也说到了，大尺寸叶片的叶尖的流道是非常小的，但是同时它要除冰的功率要求又非常高，所以怎么保证在他的结构不做大规模改动的情况下，怎么去保证它的除冰效果，这个是我们需要去探讨的一个点。

　　第三个是低成本的混合抗冰技术，我觉得第三个是将来除冰技术发展的趋势，因为包括涂料也好、气热除冰也好、电热除冰也好，他们都有它的优点和缺点，所以怎么去结合它的优点和缺点，怎么去降低它的成本，这是我们最终要选择的一条路。

　　下面这个图就是我们开发的一个混合抗冰的一个结构，它的气热系统是装在叶片的后缘，前缘铺设了单纤维的加热材料，当然我们也可以根据需求在它的表面喷涂抗冰的涂料，但是它唯一的缺点就是太贵。

　　最后虽然现在除冰叶片的装机数量总体来说还是非常少的，但是我相信随着这个技术的逐步升级，以及成本的逐步降低，叶片除冰肯定会迎来它的大展拳脚的时期。

　　谢谢大家。（内容来自现场速记，未经本人审核，如有不妥请联系修改）