本发明属于风力发电机叶片防除冰技术领域，具体涉及一种改善高寒低温地区风力发电机叶片易结冰的处理工艺。
背景技术：
风能具有可再生、无污染而且储量大的优势，采用风力发电机将风能转化成电能是现在绿色能源的重要来源之一。为了提高风力机的装机容量，在寒冷地区(高山)安装风力机的情况越来越多，主要原因是寒冷地区的空气密度更高，大温差形成的风更强，有利于风能的利用。风力机叶片表面的形状对风能的利用效率影响很大，在高纬度或高海拔地区的冬季，空气中的过冷水滴碰到运行的风力机叶片会引起叶片表面结冰，对风力机运转的安全性和经济性造成严重的影响。
随着现阶段及未来对沿海地区与高寒地区风能资源的持续性开发，叶片结冰导致风力机发生故障的数量将持续上升，主要原因是结冰使叶片的气动外形与叶片表面的粗糙程度均发生改变，尤其是冰层在叶片前缘处的累积加快了翼型周围绕流流体的边界层分离，叶片提前进入失速状态，而控制系统很难及时反应，这种情况下叶片受到过大的突变载荷冲击而损伤；寒区空气密度高，加之风力机在超负荷工况下长期运行，降低了风力机的使用寿命；由于结冰增加叶片重量且引起叶片的质量分布不均匀，叶片的结构发生变化会引起高频振动，产生共振进一步破坏叶片结构。
风力机叶片结冰带来的危害是巨大的，如何减少风力机叶片因失效带来的损失，保证风力机在高寒地区的安全运行，对于未来沿海地区及高寒地区优势风能资源的开发利用与加快我国能源供给产业结构的调整具有重要的意义。例如中国专利cn2012100278126公开了一种防结冰涂料及其制备方法，该技术方案所提供的防结冰材料的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，低表面能物质与疏水改性纳米粒子复合形成convexo-comvex(双凸)型强疏水表面，以强化涂膜的防结冰性能，从而实现防结冰的技术效果；但是疏水性表面虽然可以使水分聚成水滴并在自身重力下滑落，从而实现减少水分附着的技术效果，但是仍然会残留微量在自身重力下不易滑落的水分，因此在表面依然会形成少量冰层的附着。
技术实现要素：
本发明的目的是针对现有的问题，提供了一种改善高寒低温地区风力发电机叶片易结冰的处理工艺。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种改善高寒低温地区风力发电机叶片易结冰的处理工艺，具体工艺方法如下：
1）称取适量的氯化钙和二水合磷酸二氢钠分别倒入浓度为1g/145-150ml的醋酸钠溶液中，搅拌至完全溶解，将二者混合后调节ph值为5-6，得到氯化钙含量为1g/190-200ml，磷酸二氢钠含量为1g/225-235ml的混合溶液，再按照质量体积比为4:5-6g/ml，将称取的聚四氟乙烯粉末加入到容器中，加入质量分数为80-90%的乙醇并不断搅拌，然后再按照混合溶液与乙醇的体积比为5:2-2.3，加入混合溶液不断搅拌得到悬浊液，然后移至75-83℃水浴中，以250-280r/min搅拌反应23-27h，待反应结束后将产物进行抽滤、分离，经无水乙醇和蒸馏水反复洗涤后在120-125℃温度下烘干过夜，得到复合物粉料；本发明中，以氯化钙和二水合磷酸二氢钠为钙源和磷源，醋酸钠作为缓冲溶液，在水浴条件下以水热合成法将羟基磷灰石纳米片原位填充至聚四氟乙烯中，从而制得羟基磷灰石纳米片/聚四氟乙烯复合物，形成的复合物具有很好的疏水性，而且羟基磷灰石纳米片的原位填充可以提升聚四氟乙烯的玻璃化转变温度和熔点，从而提高其耐热性，并且羟基磷灰石纳米片的填充可以起到减摩效果，从而可以降低摩擦系数，减小摩擦阻力的效果；
2）称取适量的正硅酸乙酯与质量分数为75-85%乙醇混合均匀，称取适量的浓度为0.02-0.03mol/l氨水与质量分数为75-85%乙醇混合均匀，然后加入到正硅酸乙酯-乙醇混合液中，混匀后加入适量的浓度为0.1-0.15mol/l盐酸溶液，搅拌2-3h后调节ph至8-8.5，将得到的混合液室温静置12-15h，得到二氧化硅质量含量为5-6%的二氧化硅溶胶，然后加入适量的氟硅烷偶联剂-质量分数为75-85%乙醇混合液，在60-65℃下密封静置10-13h，过滤，乙醇清洗后得到氟改性有机溶胶；
3）将复合粉料超声分散于质量分数为75-85%的乙醇溶液中，得到固含量为5-7%的悬浮液，然后与等质量的氟改性有机溶胶混合均匀，在60-65℃恒温水浴中以120-160r/min搅拌反应20-25h，得到旋涂液，采用旋转涂膜机，将旋涂液涂覆在风力机叶片表面，控制旋涂转速为1000-1200rpm，旋涂厚度为0.5-1.0mm，然后在60-70℃下保温1-2h，再于180-190℃下保温2-3h，得到预处理风力机叶片；本发明中，通过将复合粉料加入到氟改性有机溶胶中，并旋涂在风力机叶片表面，从而在叶片表面形成低摩擦系数的疏水基体层；
4）称取适量的硝酸铜溶于无水乙醇中，得到浓度为0.001-0.01mol/l的硝酸铜乙醇溶液，在150-180r/min搅拌的情况下，以0.2-0.25ml/min的滴加速率缓慢滴加入浓度为2-2.4mol/l的氨水，控制硝酸铜与氨水的摩尔比为1:4-4.6，然后在室温条件下继续搅拌30-40min，得到混合液，将预处理风力机叶片浸入到混合液中，在150-155℃下反应2-3h，待反应结束后冷却至室温，将叶片取出，用去离子水和无水乙醇反复洗涤后在80-90℃下真空干燥10-14h，即可完成风力机叶片的加工处理，并且在工艺过程中，控制硝酸铜的用量与风力机叶片表面的比例为1-2g/cm2；本发明中，以硝酸铜和氨水为原料，无水乙醇为溶解，通过水热反应，碱式硝酸铜纳米粒子自组装形成纳米梭，并且随着温度升高，硝酸铜纳米梭分解自组装成氢氧化钠纳米花，进一步随着温度的升高转变为氧化铜纳米花，最后随着温度的继续升高，组成纳米花瓣的纳米梭的尺寸进一步长大，纳米花完全解体，纳米花瓣的尺寸增大增厚团聚成类橄榄球状结构，并且团聚成型的氧化铜纳米颗粒与风力机叶片表面疏水基体层中的复合物纳米颗粒通过纳米表面效应相互吸附，从而在叶片表面沉积成长形成类橄榄球状结构的凸起，并且由于水热反应形成的氧化铜纳米粒子具有良好的亲水性能，从而使得风力机叶片表面形成大量亲水小凸起。
进一步，所述正硅酸乙酯与乙醇的质量比为5:8-8.5，氨水与乙醇的质量比为14-15:16；所述盐酸溶液与正硅酸乙酯的体积质量比为3.5-3.8ml:5g；所述氟硅烷-乙醇混合液中，氟硅烷偶联剂与乙醇的质量比为3-3.5:8；所述正硅酸乙酯与氟硅烷偶联剂的摩尔比为1:2-3。
进一步，所述正硅酸乙酯-乙醇混合液和氨水-乙醇混合液中，乙醇用量相同。
本发明相比现有技术具有以下优点：
现有技术中，通过在风力机叶片表面喷涂低表面能的疏水涂层，虽然可以使得水珠在叶片表面易脱落，但是叶片表面依然会残留微量水分，这些残留的微量水分在自身重力下不易脱落，附着在叶片表面，导致叶片表面会形成少量的冰层附着；针对现有技术中存在的技术问题，本发明中，通过在风力机叶片表面形成一层疏水基体，然后再通过水热反应，在疏水基体表面沉积生长形成亲水小凸起，并且通过控制水热反应中硝酸铜的用量，使得亲水小凸起呈间隔分布，从而使得风力机叶片的表面形成一层疏水基体和间隔排布的亲水小凸起组成的涂层，亲水小凸起可以将叶片表面残留的微量水分吸附至小凸起上，并聚集逐渐长大，从而使得叶片表面残留的微量不易滑落的水分会接触聚合形成一定尺寸的大水珠而脱落，从而可以减少叶片表面微量水分的残留量，并且涂层中的疏水基体由于嵌入了羟基磷灰石纳米片，使得疏水基体的摩擦系数减小，从而降低了水珠在基体表面的滑落阻力，使得水分在聚合成较小尺寸的水珠时也可以从叶片表面脱落，从而进一步减少了叶片表面微量水分的残留量，从而实现风力机叶片表面冰层附着的减少，使得叶片表面结冰现象得到显著改善。
具体实施方式
下面结合具体实施方法对本发明做进一步的说明。
实施例1
一种改善高寒低温地区风力发电机叶片易结冰的处理工艺，具体工艺方法如下：
1）称取适量的氯化钙和二水合磷酸二氢钠分别倒入浓度为1g/145ml的醋酸钠溶液中，搅拌至完全溶解，将二者混合后调节ph值为5，得到氯化钙含量为1g/190ml，磷酸二氢钠含量为1g/225ml的混合溶液，再按照质量体积比为4:5g/ml，将称取的聚四氟乙烯粉末加入到容器中，加入质量分数为80%的乙醇并不断搅拌，然后再按照混合溶液与乙醇的体积比为5:2，加入混合溶液不断搅拌得到悬浊液，然后移至75℃水浴中，以250r/min搅拌反应23h，待反应结束后将产物进行抽滤、分离，经无水乙醇和蒸馏水反复洗涤后在120℃温度下烘干过夜，得到复合物粉料；
2）称取适量的正硅酸乙酯与质量分数为75%乙醇混合均匀，称取适量的浓度为0.02mol/l氨水与质量分数为75%乙醇混合均匀，然后加入到正硅酸乙酯-乙醇混合液中，混匀后加入适量的浓度为0.1mol/l盐酸溶液，搅拌2h后调节ph至8，将得到的混合液室温静置12h，得到二氧化硅质量含量为5%的二氧化硅溶胶，然后加入适量的氟硅烷偶联剂-质量分数为75%乙醇混合液，在60℃下密封静置10h，过滤，乙醇清洗后得到氟改性有机溶胶；
3）将复合粉料超声分散于质量分数为75%的乙醇溶液中，得到固含量为5%的悬浮液，然后与等质量的氟改性有机溶胶混合均匀，在60℃恒温水浴中以120r/min搅拌反应20h，得到旋涂液，采用旋转涂膜机，将旋涂液涂覆在风力机叶片表面，控制旋涂转速为1000rpm，旋涂厚度为0.5mm，然后在60℃下保温1-2h，再于180℃下保温2h，得到预处理风力机叶片；
4）称取适量的硝酸铜溶于无水乙醇中，得到浓度为0.001mol/l的硝酸铜乙醇溶液，在150r/min搅拌的情况下，以0.2ml/min的滴加速率缓慢滴加入浓度为2mol/l的氨水，控制硝酸铜与氨水的摩尔比为1:4，然后在室温条件下继续搅拌30min，得到混合液，将预处理风力机叶片浸入到混合液中，在150℃下反应2h，待反应结束后冷却至室温，将叶片取出，用去离子水和无水乙醇反复洗涤后在80℃下真空干燥10h，即可完成风力机叶片的加工处理，并且在工艺过程中，控制硝酸铜的用量与风力机叶片表面的比例为1g/cm2。
进一步，所述正硅酸乙酯与乙醇的质量比为5:8，氨水与乙醇的质量比为14:16；所述盐酸溶液与正硅酸乙酯的体积质量比为3.5ml:5g；所述氟硅烷-乙醇混合液中，氟硅烷偶联剂与乙醇的质量比为3:8；所述正硅酸乙酯与氟硅烷偶联剂的摩尔比为1:2。
进一步，所述正硅酸乙酯-乙醇混合液和氨水-乙醇混合液中，乙醇用量相同。
实施例2
一种改善高寒低温地区风力发电机叶片易结冰的处理工艺，具体工艺方法如下：
1）称取适量的氯化钙和二水合磷酸二氢钠分别倒入浓度为1g/150ml的醋酸钠溶液中，搅拌至完全溶解，将二者混合后调节ph值为5.5，得到氯化钙含量为1g/195ml，磷酸二氢钠含量为1g/230ml的混合溶液，再按照质量体积比为4:5.5g/ml，将称取的聚四氟乙烯粉末加入到容器中，加入质量分数为85%的乙醇并不断搅拌，然后再按照混合溶液与乙醇的体积比为5:2.1，加入混合溶液不断搅拌得到悬浊液，然后移至80℃水浴中，以260r/min搅拌反应25h，待反应结束后将产物进行抽滤、分离，经无水乙醇和蒸馏水反复洗涤后在123℃温度下烘干过夜，得到复合物粉料；
2）称取适量的正硅酸乙酯与质量分数为80%乙醇混合均匀，称取适量的浓度为0.025mol/l氨水与质量分数为80%乙醇混合均匀，然后加入到正硅酸乙酯-乙醇混合液中，混匀后加入适量的浓度为0.12mol/l盐酸溶液，搅拌2.5h后调节ph至8.5，将得到的混合液室温静置13h，得到二氧化硅质量含量为5.5%的二氧化硅溶胶，然后加入适量的氟硅烷偶联剂-质量分数为80%乙醇混合液，在62℃下密封静置12h，过滤，乙醇清洗后得到氟改性有机溶胶；
3）将复合粉料超声分散于质量分数为80%的乙醇溶液中，得到固含量为6%的悬浮液，然后与等质量的氟改性有机溶胶混合均匀，在62℃恒温水浴中以150r/min搅拌反应23h，得到旋涂液，采用旋转涂膜机，将旋涂液涂覆在风力机叶片表面，控制旋涂转速为1100rpm，旋涂厚度为0.8mm，然后在65℃下保温1.5h，再于185℃下保温2.5h，得到预处理风力机叶片；
4）称取适量的硝酸铜溶于无水乙醇中，得到浓度为0.005mol/l的硝酸铜乙醇溶液，在160r/min搅拌的情况下，以0.25ml/min的滴加速率缓慢滴加入浓度为2.3mol/l的氨水，控制硝酸铜与氨水的摩尔比为1:4.5，然后在室温条件下继续搅拌35min，得到混合液，将预处理风力机叶片浸入到混合液中，在152℃下反应2.5h，待反应结束后冷却至室温，将叶片取出，用去离子水和无水乙醇反复洗涤后在85℃下真空干燥12h，即可完成风力机叶片的加工处理，并且在工艺过程中，控制硝酸铜的用量与风力机叶片表面的比例为1.5g/cm2。
进一步，所述正硅酸乙酯与乙醇的质量比为5:8.2，氨水与乙醇的质量比为14.5:16；所述盐酸溶液与正硅酸乙酯的体积质量比为3.6ml:5g；所述氟硅烷-乙醇混合液中，氟硅烷偶联剂与乙醇的质量比为3.2:8；所述正硅酸乙酯与氟硅烷偶联剂的摩尔比为1:2.5。
进一步，所述正硅酸乙酯-乙醇混合液和氨水-乙醇混合液中，乙醇用量相同。
实施例3
一种改善高寒低温地区风力发电机叶片易结冰的处理工艺，具体工艺方法如下：
1）称取适量的氯化钙和二水合磷酸二氢钠分别倒入浓度为1g/150ml的醋酸钠溶液中，搅拌至完全溶解，将二者混合后调节ph值为6，得到氯化钙含量为1g/200ml，磷酸二氢钠含量为1g/235ml的混合溶液，再按照质量体积比为4:6g/ml，将称取的聚四氟乙烯粉末加入到容器中，加入质量分数为90%的乙醇并不断搅拌，然后再按照混合溶液与乙醇的体积比为5:2.3，加入混合溶液不断搅拌得到悬浊液，然后移至83℃水浴中，以280r/min搅拌反应27h，待反应结束后将产物进行抽滤、分离，经无水乙醇和蒸馏水反复洗涤后在125℃温度下烘干过夜，得到复合物粉料；
2）称取适量的正硅酸乙酯与质量分数为85%乙醇混合均匀，称取适量的浓度为0.03mol/l氨水与质量分数为85%乙醇混合均匀，然后加入到正硅酸乙酯-乙醇混合液中，混匀后加入适量的浓度为0.15mol/l盐酸溶液，搅拌3h后调节ph至8.5，将得到的混合液室温静置15h，得到二氧化硅质量含量为6%的二氧化硅溶胶，然后加入适量的氟硅烷偶联剂-质量分数为85%乙醇混合液，在65℃下密封静置13h，过滤，乙醇清洗后得到氟改性有机溶胶；
3）将复合粉料超声分散于质量分数为85%的乙醇溶液中，得到固含量为7%的悬浮液，然后与等质量的氟改性有机溶胶混合均匀，在65℃恒温水浴中以160r/min搅拌反应25h，得到旋涂液，采用旋转涂膜机，将旋涂液涂覆在风力机叶片表面，控制旋涂转速为1200rpm，旋涂厚度为1.0mm，然后在70℃下保温2h，再于190℃下保温3h，得到预处理风力机叶片；
4）称取适量的硝酸铜溶于无水乙醇中，得到浓度为0.01mol/l的硝酸铜乙醇溶液，在180r/min搅拌的情况下，以0.25ml/min的滴加速率缓慢滴加入浓度为2.4mol/l的氨水，控制硝酸铜与氨水的摩尔比为1:4.6，然后在室温条件下继续搅拌40min，得到混合液，将预处理风力机叶片浸入到混合液中，在155℃下反应3h，待反应结束后冷却至室温，将叶片取出，用去离子水和无水乙醇反复洗涤后在90℃下真空干燥14h，即可完成风力机叶片的加工处理，并且在工艺过程中，控制硝酸铜的用量与风力机叶片表面的比例为2g/cm2。
进一步，所述正硅酸乙酯与乙醇的质量比为5:8.5，氨水与乙醇的质量比为15:16；所述盐酸溶液与正硅酸乙酯的体积质量比为3.8ml:5g；所述氟硅烷-乙醇混合液中，氟硅烷偶联剂与乙醇的质量比为3.5:8；所述正硅酸乙酯与氟硅烷偶联剂的摩尔比为1:3。
进一步，所述正硅酸乙酯-乙醇混合液和氨水-乙醇混合液中，乙醇用量相同。
对比例1：去除工艺步骤1），其余与实施例1相同。
对比例2：去除工艺步骤4），其余与实施例1相同。
对比例3：去除工艺步骤1）和4），其余与实施例1相同。
对照组:风力机叶片不做处理。
测试实验
选用锦州合锦风电设备有限公司生成的100w垂直轴风力发电机叶片，型号220mm，采用实施例1-3以及对比例1-3和对照组提供的工艺方法，对风力机叶片进行加工处理，得到叶片试样，将叶片试样置于-20℃环境中，每间隔20min用喷雾器喷0℃冰水在叶片试样表面，每次喷水时间为5min，15h后观察各叶片试样的结冰状态，测试结冰量，测试结果如下：相对于对照组叶片上的结冰量，实施例1中的结冰量减少了86.5%；实施例2中的结冰量减少了88.3%；实施例3中的结冰量减少了87.1%；对比例1中的结冰量减少了71.6%；对比例2中的结冰量减少了62.1%；对比例3中的结冰量减少了58.2%。
通过上述试验结果可知，本发明提供的处理工艺，可以有效的减少风力机叶片表面冰层的附着，使得叶片表面结冰现象得到显著改善。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。
1.一种改善高寒低温地区风力发电机叶片易结冰的处理工艺，其特征在于，具体工艺方法如下：
1）称取适量的氯化钙和二水合磷酸二氢钠分别倒入醋酸钠溶液中，搅拌至完全溶解，将二者混合后调节ph值为5-6，得到混合溶液，再称取适量的聚四氟乙烯粉末加入到容器中，加入适量的乙醇并不断搅拌，然后再加入混合溶液，不断搅拌得到悬浊液，然后移至75-83℃水浴中，搅拌反应23-27h，待反应结束后将产物进行抽滤、分离，经反复洗涤后烘干过夜，得到复合物粉料；
2）称取适量的正硅酸乙酯与乙醇混合均匀，称取适量的氨水与乙醇混合均匀，然后加入到正硅酸乙酯-乙醇混合液中，混匀后加入适量的盐酸溶液，搅拌2-3h后调节ph至8-8.5，将得到的混合液室温静置12-15h，得到二氧化硅质量含量为5-6%的二氧化硅溶胶，然后加入适量的氟硅烷偶联剂-乙醇混合液，在60-65℃下密封静置10-13h，过滤，乙醇清洗后得到氟改性有机溶胶；
3）将复合粉料超声分散于乙醇溶液中，得到悬浮液，然后与等质量的氟改性有机溶胶混合均匀，在60-65℃恒温水浴中搅拌反应20-25h，得到旋涂液，采用旋转涂膜机，将旋涂液涂覆在风力机叶片表面，然后在60-70℃下保温1-2h，再于180-190℃下保温2-3h，得到预处理风力机叶片；
4）称取适量的硝酸铜溶于无水乙醇中，得到硝酸铜乙醇溶液，在搅拌的情况下滴加入氨水，然后在室温条件下搅拌30-40min，得到混合液，将预处理风力机叶片浸入到混合液中，在130-140℃下反应2-3h，待反应结束后冷却至室温，将叶片取出，用去离子水和无水乙醇反复洗涤后进行真空干燥，即可完成风力机叶片的加工处理。
2.如权利要求1所述的一种改善高寒低温地区风力发电机叶片易结冰的处理工艺，其特征在于，工艺步骤1）中，所述醋酸钠溶液的浓度为1g/145-150ml；所述混合溶液中，氯化钙的含量为1g/190-200ml，磷酸二氢钠的含量为1g/225-235ml；所述聚四氟乙烯与乙醇的质量体积比为4:5-6g/ml，乙醇的质量分数为80-90%；所述混合溶液与乙醇的体积比为5:2-2.3。
3.如权利要求1所述的一种改善高寒低温地区风力发电机叶片易结冰的处理工艺，其特征在于，工艺步骤1）中，所述搅拌反应转速为250-280r/min；所述反复洗涤使用无水乙醇和蒸馏水；所述烘干温度为120-125℃。
4.如权利要求1所述的一种改善高寒低温地区风力发电机叶片易结冰的处理工艺，其特征在于，工艺步骤2）中，所述氨水的浓度为0.02-0.03mol/l，盐酸溶液的浓度为0.1-0.15mol/l，乙醇的质量分数为75-85%；所述正硅酸乙酯与乙醇的质量比为5:8-8.5，氨水与乙醇的质量比为14-15:16；所述盐酸溶液与正硅酸乙酯的体积质量比为3.5-3.8ml:5g；所述氟硅烷-乙醇混合液中，氟硅烷偶联剂与乙醇的质量比为3-3.5:8；所述正硅酸乙酯与氟硅烷偶联剂的摩尔比为1:2-3。
5.如权利要求1所述的一种改善高寒低温地区风力发电机叶片易结冰的处理工艺，其特征在于，工艺步骤2）中，所述正硅酸乙酯-乙醇混合液和氨水-乙醇混合液中，乙醇用量相同。
6.如权利要求1所述的一种改善高寒低温地区风力发电机叶片易结冰的处理工艺，其特征在于，工艺步骤3）中，所述乙醇溶液的质量分数为75-85%；所述悬浮液的固含量为5-7%；所述搅拌反应的转速为120-160r/min；所述旋涂转速为1000-1200rpm；所述旋涂厚度为0.5-1.0mm。
7.如权利要求1所述的一种改善高寒低温地区风力发电机叶片易结冰的处理工艺，其特征在于，工艺步骤4）中，所述硝酸铜乙醇溶液的浓度为0.001-0.01mol/l；所述氨水的浓度为2-2.4mol/l；所述滴加速率为0.2-0.25ml/min；所述硝酸铜与氨水的摩尔比为1:4-4.6；所述工艺过程中，硝酸铜的用量与风力机叶片表面的比例为1-2g/cm2。
8.如权利要求1所述的一种改善高寒低温地区风力发电机叶片易结冰的处理工艺，其特征在于，工艺步骤4）中，所述搅拌转速为150-180r/min；所述真空干燥的温度为80-90℃，干燥时间10-14h。
技术总结