用于风机叶片高湿低温环境下防覆冰除尘的材料制备及除冰机制研究

Windmills as a clean energy source have attracted more and more attention across many countries in the globe. However, icing on wind turbine blades in winter seasons has largely limited the efficient development of energy production from windmills. This study aims to investigate solutions to the icing problem on windmill turbine blades i.e. in the environment of high humidity and low temperature, based on the hierarchical porous nanostructures with superhydrophobic, self-focus and self-heating functions. The main tasks include:.1).Study the preparation processes and optimization of radius, roughness structure, particle distribution and fluoridization of silicon oxide nano-film as a good anti-icing material. .2).Prepare smooth-surfaced PMMA nanofilms with photonic structures and hydrophobic functions enabled by smooth-surfaced porous coating (SSPC), via manipulating the radius, roughness, structure, size distribution and fluoridization of the silicon oxide nanostructures, in order to obtain a super-icephobic coating with remarkably reduction of ice core pinning on the blades..3).Simulate with finite element calculation and measure the reflection of sunlight on the SSPC structure and the characteristics of the light collection of the skin layer of the substrate, to reveal the feasibility of SSPC structure in enhancing the light absorption of the surface layer and enhancing the de-icing process on windmill turbine blades..4).In-field measure the effect on icephobic and ice-melting by the SSPC structure on windmill turbine blades in the northwest regions with high humidity and ultracold environments, to provide the basis for the realization of low-cost SSCPS structures for anti-icing on windmill turbine blades.

风能作为一种清洁可再生能源，越来越受到世界各国的重视。然而风机叶片冬季结冰问题很大程度上限制了风力发电的发展速度。本项目以研究自然界中冬季下雪结冰问题为出发点，以具有超疏水和自聚光发热性能的纳米粗糙结构为基础，着重研究风机叶片在高湿低冷环境下的防覆冰问题。主要致力于：1）探究氧化硅纳米薄膜作为良好防覆冰材料制备粗糙结构的最佳孔径尺寸、分布规律和制备工艺。2）制备出氟化平滑PMMA薄膜与具有多孔结构氧化硅膜相匹配的SSCPS复合结构，通过对氧化硅层孔径尺寸、周期、PMMA层膜厚及氟化程度等方面调控，获得具有明显降低冰核钉扎的超疏水防覆冰涂层。3）模拟计算SSCPS结构对日光的反射及基材趋肤层光线汇聚特性，探索SSCPS结构在提升基材光吸收和升温融冰方面的可行性。4）实验验证SSCPS结构在西北高湿低冷环境下在风机叶片上的疏水除冰和升温融冰效果，为实现低廉SSCPS结构用于风机防覆冰提供依据。

本项目以研究自然界中冬季下雪结冰问题为出发点，着重研究风机叶片在高湿低冷环境下的防覆冰问题。主要致力于探究氧化硅纳米薄膜作为良好防覆冰材料制备粗糙结构的最佳孔径尺寸、分布规律和制备工艺，通过对氧化硅层孔径尺寸、周期、PMMA层膜厚及氟化程度等方面调控，获得具有明显降低冰核钉扎的超疏水防覆冰涂层。项目研发了PVDF与SiO2 纳米粒子成分体系的薄膜涂层并具有良好的防覆冰性功能。根据实际需求需要，我们实现了一种易于操作的浸涂法。为了使疏水防覆冰材料能更好的适应风机的塔筒等金具部件，我们开发了以铁、铝为基底的防冰涂层材料。以正硅酸乙酯和氢氧化铁为原料，用水热法在一系列金属基体表面制备出了超疏水表面，其静态水接触角可达160°，滚动角低于5°；我们通过简单的物理混合法将二氧化硅、碳酸钙以及聚二甲基硅氧烷进行混合从而制备出疏水性涂料，其目的是为了将它应用在风力发电机底座的混凝土表面。这种超疏水涂层经过物理摩擦和化学腐蚀破坏之后能够在室温条件下自发恢复其超疏水性能，效果达到国际先进水平。本项目的开展为促进疏水自清洁材料用于风机的主动防冰及机身防腐具有积极探索，为疏水材料在风力发电设备领域的应用提供了较好的研究基础，为可能的其他领域需要的防冰问题给出了借鉴。项目执行期间产生成果40多项研究成果。在 Materials Today Energy， Appl. Surf. Sci. 等国际期刊及Nano-Micro Letters,等国内期刊发表标准了的高水平论文26篇，被SCI/EI检索论文25篇。本项目申请中国专利19项，其中已授权发明专利11项，正在受理发明专利7项。参加国际国内学术会议20余人次，邀请国内外专家线下线上交流10余人次。与美国密苏里大学，清华大学，重庆大学及华中科技大学相关研究组建立了稳定的学术合作关系。本项目培养硕士研究生8名。团队在该项目执行期间，本团队引进湖北楚天学者教授一名，对三峡大学新能源领域的发展起到了积极的引领和推动作用， 达到了预期，完成了任务。