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。
专利cn102585635a公布了一种防结冰涂料应用于风电叶片的防冰。通过疏水改性纳米粒子使涂膜表面粗糙化，再结合低表面张力的疏水助剂，以强化涂膜的防结冰性能。冰层与叶片表面的附着力会因憎水剂存在而降低；但在零下环境中，叶片表面覆冰现象依然存在。专利cn101821500a中维斯塔斯风力系统有限公司通过在叶片中形成加速状态并随后形成减速状态的方法将覆冰从叶片上抖掉。对于大型风力发电机而言，叶片根部振幅较小，此方案很难实现。在专利cn1727673a中通用电气公司公布了一种热空气防冰/除冰系统。通过加热装置产生的热空气在叶片内部循环流通来实现加热除冰。对与大功率叶片而言，需要热空气有非常高的温度才能实现叶片表面的防冰/除冰，除冰效率会大大降低。另一方面内部的高温会影响叶片壳体材料的结构强度，造成安全隐患。而且热风防冰/除冰方法需要布置大量的通气管道，结构复杂，成本高。专利cn105856586a中公布了一种石墨烯电热膜风力机叶片结冰防护系统。使用石墨烯作为发热元件进行叶片的防冰/除冰。该方法使用的石墨烯电热膜是通过真空压铸成型的，制备工艺复杂、成本高。而且在该配方中使用了大量的炭黑和石墨粉作为导电填料，在工作过程中会存在明显的复合材料的功率密度衰减，影响除冰效率。
因此，本领域中需要一种改进的电热防冰和除冰系统，至少解决现有技术中存在的一个或多个上述问题。
技术实现要素：
本发明人经过反复试验，提出了一种电热防冰和除冰系统。本发明通过如下方式实现：在物体表面喷涂一层胶例如环氧胶，粘贴玻璃纤维布，所述胶固化后再喷涂石墨烯发热涂料，石墨烯发热涂料固化后再喷涂绝缘导热层。
因此，在第一方面，本发明提供了一种电热防冰和除冰系统，所述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。
在一个实施方案中，所述绝缘隔热层的厚度是0.5mm至2mm；所述热涂料层的厚度是30μm至500μm；所述绝缘导热层的厚度是0.5mm至1mm。
在一个实施方案中，所述发热涂料层通过将如下组分进行分散而制备：石墨烯：5-50份，高分子材料：50-100份，助剂：5-10份，溶剂500-2000份。优选地，石墨烯的含量占高分子材料质量的5％-50％。
在一个实施方案中，所述绝缘导热层是用导热填料例如氧化铝、氮化硼、氧化镁、氧化锌、氮化铝、氮化铝填充高分子材料制备而成，优选所述导热填料与高分子材料的质量比为20-50:100。
在一个实施方案中，所述绝缘隔热层为或石棉或岩棉或硅酸盐，优选通过喷涂胶例如环氧胶进行涂铺。
在一个实施方案中，所述高分子材料是环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯、丙烯酸树脂等中的一种或几种。
在一个实施方案中，所述助剂包括消泡剂、稳定剂、增稠剂、防霉剂、流平剂、固化剂、附着力促进剂等其中的一种或几种。
在一个实施方案中，所述溶剂包括丙酮、甲基丁酮、甲基异丁酮、甲苯、二甲苯、氯苯、二氯苯、二氯甲烷等其中的一种或几种。
在第二方面，本发明提供了制备本发明第一方面的系统的方法，所述方法包括：
1)在物体表面喷涂一层胶例如环氧胶，然后粘贴绝缘隔热层；
2)所述胶固化后喷涂发热涂料层；
3)所述发热涂料层固化后喷涂绝缘导热层，
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。
在一个实施方案中，在一个实施方案中，所述绝缘隔热层的厚度是0.5mm至2mm；所述发热涂料层的厚度为30μm至500μm，电阻率为0.1-10ω·cm；所述绝缘导热层的厚度是0.5mm至1mm。
在一个实施方案中，所述发热涂料层通过将如下组分进行分散而制备：石墨烯：5-50份，高分子材料：50-100份，助剂：5-10份，溶剂500-2000份。优选地，石墨烯的含量占高分子材料质量的5％-50％。
在一个实施方案中，所述绝缘导热层是用导热填料例如氧化铝、氮化硼、氧化镁、氧化锌、氮化铝、氮化铝填充高分子材料制备而成，优选所述导热填料与高分子材料的质量比为20-50:100。
在一个实施方案中，所述绝缘隔热层为玻璃纤维或陶瓷纤维或石棉或岩棉或硅酸盐，优选通过胶例如环氧胶进行涂铺。
在一个实施方案中，所述高分子材料是环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯、丙烯酸树脂等中的一种或几种。
在一个实施方案中，所述助剂包括消泡剂、稳定剂、增稠剂、防霉剂、流平剂、固化剂、附着力促进剂等其中的一种或几种。
在一个实施方案中，所述溶剂包括丙酮、甲基丁酮、甲基异丁酮、甲苯、二甲苯、氯苯、二氯苯、二氯甲烷等其中的一种或几种。
在第三方面，本发明提供了包括本发明第一方面的系统的风电叶片，以及包括所述风电叶片的石墨烯电热膜风力机。
本发明的电热防冰和除冰系统及其制备方法至少具有如下优点：1)本发明使用的石墨烯作为导电填料，制备的发热涂层功率稳定性好；2)本发明发热涂层的施工方法为喷涂、刷涂，施工工艺更简单；3)本发明发热涂层厚度薄，可以达到30μm左右；4)本发明可以对已经施工的风电叶片进行改造，达到防冰、除冰的效果。
附图说明
图1本发明的电热防冰和除冰系统的热源布置方式。
具体实施方式
在本发明中，制备本发明的发热涂料层的石墨烯/高分子发热涂料优选为粘稠状液体，粘度为1000-3000mpa·s。
在本发明中，石墨烯/高分子发热涂料的使用方法可以包括喷涂、刷涂、滚涂，施工方法简单。涂层最终厚度为30-500μm，涂层的电阻率为0.1-10ω·cm，涂层与金属基板、陶瓷基本、高分子基板的结合力均为0级(百格刀测试)，涂层的硬度为3b-4h。
在本发明中，石墨烯/高分子发热涂料风电叶片防冰、除冰系统的结构如图1所示。石墨烯/高分子涂层为加热部分，为防冰、除冰提供热量。该涂层不仅具有优异的导电性能，而且结合能力好、耐热抗寒能够满足风电除冰的使用要求。石墨烯/高分子涂层厚度最优为30-50μm，该层厚度越薄，对风电叶片重量影响就越小。最里层的绝缘隔热层选择热阻较大的材料，防止热量向叶片内部流动。绝缘隔热层厚度最优为800-1000μm，该厚度下对热量的阻隔效果最好，能够保证80％的热量向上传递。最外层绝缘导热层材料的热阻较小，使得能量能快速高效的传递到叶片表层。该层厚度最优为100-300μm，该层厚度越薄热传递效果越好。100-200μm厚度能够满足绝缘和传热双重最优效果。
通过喷涂石墨烯制备的本发明的电热防冰/除冰系统与电阻丝防冰/除冰系统相比，叶片表面光滑，不会影响叶片的气动性能。通过喷涂石墨烯制备的本发明的电热防冰/除冰系统与已报道的石墨烯电热除冰系统相比，该石墨烯发热层直接喷涂在叶片上，与真空压铸相比制备工艺更简单、成本更低。而且，本发明的电热防冰/除冰系统可以对已安装的风机进行防冰/除冰改造。
本发明在一个本实施例中提供了一种电热防冰和除冰系统，所述系统包括发热涂料层、绝缘导热层和绝缘隔热层，所述发热涂料层的发热涂料通过将如下组分进行分散而制备：石墨烯：5-50份，高分子材料：50-100份，助剂：5-10份，溶剂500-2000份；所述绝缘导热层是用氧化铝、氮化硼、氧化镁、氧化锌、氮化铝、氮化铝等导热填料填充高分子材料制备而成，其中氧化铝、氮化硼、氧化镁、氧化锌、氮化铝、氮化铝等导热填料与高分子材料的质量比为20-50:100；所述绝缘隔热层为玻璃纤维或陶瓷纤维或石棉或岩棉或硅酸盐，通过喷涂胶例如环氧胶进行涂铺；所述高分子材料是环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯、丙烯酸树脂等中的一种或几种；所述助剂包括消泡剂、稳定剂、增稠剂、防霉剂、流平剂、固化剂、附着力促进剂等其中的一种或几种；所述溶剂包括丙酮、甲基丁酮、甲基异丁酮、甲苯、二甲苯、氯苯、二氯苯、二氯甲烷等其中的一种或几种。
在本发明中，高分子材料是指发热层所用树脂材料，包括环氧树脂。当发热涂层的高分子材料为环氧树脂时，绝缘隔热层就选择环氧胶粘贴玻璃纤维。如果发热层选择酚醛树脂，绝缘隔热层就选择酚醛树脂胶。
在本发明中，所述助剂包括消泡剂、稳定剂、增稠剂、防霉剂、流平剂、固化剂、附着力促进剂。在本发明中助剂的作用是改进生产工艺，保持浆料贮存稳定，改善施工条件，提高发热涂层质量；可以使用本领域中常用物质。助剂对本发明的电热防冰和除冰系统及其制备方法有促进作用，但不是必需的。
在本发明中，消泡剂可以是乳化硅油、高碳醇脂肪酸酯复合物、聚氧乙烯聚氧丙烯季戊四醇醚、聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚、聚氧丙烯甘油醚、聚氧丙烯聚氧乙烯甘油醚、聚二甲基硅氧烷，作用是通过减小或降低气泡表面张力达到快速去除在搅拌、研磨和分散过程中浆液中产生的气泡。
在本发明中，稳定剂可以是硅烷偶联剂、十二烷基苯磺酸钠，作用是通过对石墨烯表面改性使其能够在浆料中均匀稳定存在。
在本发明中，增稠剂可以是聚丙烯酸酯、甲基纤维素、羧甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、膨润土、凹凸棒土、硅酸铝、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚氧化乙烯、卡波树脂、聚丙烯酸、聚丙烯酸钠、聚氨酯、聚丙烯酸酯共聚乳液、顺丁橡胶、丁苯橡胶、聚氨酯、改性聚脲、低分子聚乙烯蜡，作用是当其达到一定浓度形成胶束时，与树脂中高分子链缔合形成网状结构，使体系粘度增大，是调节浆液粘度大小的关键助剂。
在本发明中，防霉剂是可以是氟化钠苯酚、五氯酚、油酸苯基汞、8-羟基喹啉铜、氯化三乙或三丁基锡、硫酸铜、氯化汞、氟化钠，作用是防止发热涂层生成微生物发生霉变。
在本发明中，流平剂可以是异佛尔酮、二丙酮醇、solvesso150、氟碳化合物、丙烯酸、氟改性丙烯酸、磷酸酯改性丙烯酸、聚二甲基硅氧烷、聚甲基烷基硅氧烷、有机改性聚硅氧烷，作用是通过消除浆液在涂附过程发热涂料层和表面的表面张力梯度使得形成一个平整、光滑、均匀的发热涂料层。
在本发明中，固化剂可以是乙二胺、二乙烯三胺、多乙烯多胺、间苯二胺、间苯二甲胺、四氢酸酐、六氢酸酐、六次甲基四胺、甲醛、石油磺酸、对氯苯磺酸、磷酸的乙二醇溶液、盐酸的乙醇溶液，作用是与树脂发生化学反应，形成网状立体聚合物。
在本发明中，附着力促进剂可以是烷氧化双丙烯酸酯、四氢呋喃丙烯酸酯、丙烯酸-2-苯氧基乙酯、1，6-己二醇二丙烯酸酯、丙烯酸月桂酯、氯化聚丙烯、氯化聚乙烯、环氧化合物、酰胺化合物、氨基硅氧烷、烷基硅氧烷，作用是提高发热层与绝缘隔热层、绝缘导热层的结合能力。
实施例1
本实施例制备了一种风电叶片电热防冰和除冰系统，所述系统包括发热涂料层、绝缘导热层和绝缘隔热层。所述发热涂料层的发热涂料通过将如下组分进行分散而制备：石墨烯：5份，南亚双酚a型128环氧树脂：50份，助剂(固化剂为乙二胺、消泡剂为乳化硅油、增稠剂为甲基纤维素，三者比例为70:10:20)：5份，二甲苯500份；所述绝缘导热层是用氧化铝导热填料填充南亚双酚a型128环氧树脂制备而成，其中氧化铝导热填料与128环氧树脂的质量比为20:100；所述绝缘隔热层为bgf公司的6522高强玻璃纤维布。
具体制备工艺为：1)在风电叶片上刷涂一层128环氧树脂，然后粘贴一层6255玻璃纤维布，该层总共需要刷涂四层树脂，粘贴四层玻璃纤维布，固化8h得到厚度为800μm发热绝缘隔热层。2)在绝缘隔热层上喷涂石墨烯/环氧树脂发热层，喷涂完毕后固化8h即可得到厚度为30μm的发热层。3)将质量比为20:100的氧化铝与128环氧树脂混合均匀，刷涂在发热层上，刷涂完毕后对将发热层连接电源，使发热层发热促进绝缘导热层固化。
试验结果：将实施例1中制备的风电叶片放入风洞中进行试验，风洞环境为-20℃，叶片冰层厚度为1cm左右。将发热层接通电源，通电3min后冰层从叶片脱落。风洞环境为-30℃，风电冰层厚度为1cm左右，将发热层接通电源，通电5min后冰层从叶片脱落。冰层脱落后持续通电，叶片表面无冰层再次生成。
在本实施例中，树脂的结合能力好，而且在树脂体系中加入石墨烯后会增强树脂的耐热抗寒性能，这一点可以通过试验进行证实。将石墨烯/环氧树脂发热涂层放入-40℃的试验箱中，持续存放96h，取出后发热功能依然正常。将石墨烯/环氧树脂发热涂层通电使其温度达到200℃，持续工作15天，发热功率依然稳定。
在本实施例中，树脂的结合能力好，而且在树脂体系中加入石墨烯后会增强树脂的耐热抗寒性能，这一点可以通过试验进行证实：环氧树脂自身只能在80℃下工作，加入石墨烯后可以长时间在200℃稳定工作。
在本实施例中，在风电叶片表表面喷涂一层环氧胶，然后粘贴玻璃纤维布；环氧胶固化后再喷涂石墨烯发热涂料，发热涂料所选的高分子材料均与玻璃纤维或陶瓷纤维或石棉或岩棉或硅酸盐有优异的结合能力；石墨烯发热涂料固化后再喷涂绝缘导热层。所述高分材料与所述涂料所选高分子材料相同，因此二者容易相互结合。
本发明人通过使用实施例中制备的高效、稳定的石墨烯/环氧树脂涂料进行了除冰实验验证，对本发明的石墨烯风电叶片电热防冰和除冰系统的除冰实验验证，将覆盖有3-4mm厚冰层的石墨烯/环氧树脂涂层(尺寸为5×8cm2)放置在低温恒温箱中，在电极两端施加28v电压。通电10s后，冰层与涂层脱落，此时涂层表面的温度为150℃左右。该实验证明了石墨烯/环氧树脂涂层快速除冰的可行性。