一种电热防冰和除冰系统及其制备方法技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

An electric heating anti icing and de icing system and its preparation method

The present invention discloses an electrothermal anti ice and deicing system. The electrothermal anti icing and deicing system comprises an insulating insulating layer, a heating coating layer and an insulating conducting layer. The heating coating layer includes graphene and high molecular material, and the insulating heat conduction layer includes thermal conductive fillers and high molecular material. The invention also discloses a method for preparing the electrothermal ice prevention and deicing system, as well as wind power blades including the electrothermal ice prevention and deicing system, and a graphene electrothermal film wind turbine including the wind blade.

【技术实现步骤摘要】
一种电热防冰和除冰系统及其制备方法
本专利技术属于风电领域，更具体而言，本专利技术涉及一种电热防冰和除冰系统及其制备方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术人经过反复试验，提出了一种电热防冰和除冰系统。本专利技术通过如下方式实现：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，本专利技术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，本专利技术提供了制备本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一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。

【技术特征摘要】
1.一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。2.根据权利要求1所述的电热防冰和除冰系统，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。3.根据权利要求1所述的电热防冰和除冰系统，所述发热涂料层通过将如下组分在溶剂中进行分散而制备：石墨烯：5-50份，高分子材料：50-100份；所述石墨烯的含量优选为所述高分子材料质量的5％-50％。4.根据权利要求1-3任一项所述的电热防冰和除冰系统，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。5.根据权利要求1-3任一项所述的电热防冰和除冰系统，所述绝缘隔热层为玻璃纤维或陶瓷纤维或石棉或岩棉...

【专利技术属性】
技术研发人员：金虎，姜斌，宋琪，
申请(专利权)人：常州二维碳素科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32