The Innovation | 风力发电的防冰除冰技术任重而道远

导 读

风电是我国电网脱碳和发展低碳经济的重要途径。然而，风电设施结冰影响电网效率、威胁供电安全。新型防冰材料在风电领域应用前景广阔。目前防冰除冰工作主要包括：(1)抑制冰成核；(2)防止冰生长和传播；(3)降低冰黏附强度; (4)抵抗凝结水危害。上述防冰策略分为主动和被动两大类。全面系统地了解防冰除冰策略对促进风电产业发展、实现双碳目标、促进社会经济转型均具有重要意义。

图1 图文摘要

冬季北半球50%以上的陆地被冰雪覆盖，这对维持大气、地质和生命系统都至关重要。然而，固体表面不同形式的冰(如霜、雪、釉和雾)严重威胁人类社会的能源安全。例如，结冰问题会增加大坝和船闸、飞机、特快列车、空调、冰箱、风力涡轮机、太阳能电池板、电力线路、悬索桥、热泵和海上石油平台等基础设施的能源消耗，降低设备运行效率，引发电气和机械故障，增加设施运行风险。

电热融冰、化学防冻剂、机械除冰、高压直流、电脉冲等主动防冰策略因其高效性是目前应用最广泛和普遍的方法。然而，大多数主动防冰策略能耗高、成本高、功效低且环境负荷大。

为解决这些问题，王健君课题组与贺志远课题组研究出了抵抗水凝结、抑制冰成核、防止冰传播和减少冰黏附的被动防冰策略。主要包括: (1)冰成核是限制冰形成速率的关键步骤，一种旨在防止非均相冰成核的防冰方法引起了广泛关注。通过控制表面电荷和电荷密度、抗衡离子类型、羟基密度、表面粗糙度和缺陷、表面结晶晶格结构和表面局域电场，可以调节不同表面的冰成核温度，例如，聚电解质水凝胶涂层表面使冰成核温度低于-30 ℃。(2)控制冰传播对于防冰应用至关重要。在聚电解质多层膜、聚电解质水凝胶和多层水凝胶表面，通过简单改变抗衡离子和聚电解质类型，冰的传播速率可以降低3个数量级。(3)冰黏附强度对防冰策略的影响也不能忽视。可通过调节界面水结构、流动性和数量来对其控制。自润滑液态水层已被证明是冰附着性极低的疏冰表面，其上结冰很容易通过风吹脱落。(4)为抑制凝结冻结和去升华，研究了超疏水表面去除冲击水滴和凝结水滴的能力——表面液体水滴可被快速移走，使表面无水可结冰。

需要指出的是，上述主动或被动防冰策略均不能独自满足多样化的应用要求。理想情况下，未来需要结合主动和被动防冰优点，寻找对环境无害且经济高效的防冰策略。例如，电热防冰与光热防冰策略结合，可突破风力发电领域全天连续不结冰的应用瓶颈，即电热防冰方式和光热防冰方式相得益彰——前者在夜间有效，而后者在白天有效；再如，电热防冰膜与超疏水涂层相结合在航空、铁路和风机叶片等领域应用前景广阔，电热防冰膜上融化的冰容易从超疏水涂层上脱落，避免再次冻结；还如，工业机器人除冰与超低冰附着涂层方法结合，在太阳能电池板、电力线路、悬索桥和海上石油平台等领域应用潜力巨大。值得注意的是，机械除冰方法缺失会导致大多数超低粘冰涂层失效，因为冰不能靠重力自行脱落。主动和被动防冰方法的组合具有通用性和突出性。

总结与展望

提高防冰材料的可扩展性、机械耐久性和多功能性，以适应恶劣环境是未来防冰材料亟待解决的科学问题。首先，我们需要在分子水平上揭示冰晶的形成机制，即不同防冰涂层的冰成核、结构变化和粘附分子机制。其次，在复杂应用环境下，系统考虑材料硬度、耐磨性及环境友好性，也是未来防结冰材料研究需关注的重要问题。此外，智能表面还需深入研究自愈、柔性等多功能属性。综上，在全面探索机理、合理选择材料和新技术支撑下，防冰领域的科学问题将被逐渐突破，其在风电领域的应用前景将日渐广阔。

责任编辑

施珊珊   南京大学

宋国宝   大连理工大学

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(22)00074-1

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第三卷第五期以Editorial发表的“Anti-icing strategies are on the way” (投稿: 2022-05-26；接收: 2022-06-17；在线刊出: 2022-06-29)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2022.100278

引用格式：He Z. and Wang J. (2022). Anti-icing strategies are on the way. The Innovation. 3(5),100278.

作者简介

贺志远，北京理工大学教授，博士生导师，国家优秀青年基金获得者，中国科学院青促会会员。在Sci. Adv、Angew等期刊发表学术论文40余篇。申请国家发明专利10余项，已授权7项。应邀在“2019 MRS Fall Meeting”、“16th Pacific Polymer Conference”等重要国际学术会议做邀请报告。

王健君，中国科学院化学研究所研究员。近年来主要开展冰晶形成分子机制研究与应用，主持国家自然科学基金委杰出青年基金项目与重点基金项目等。创制的控冰新材料应用于防覆冰涂层与细胞、组织和器官的冷冻保存。近五年发表通讯作者论文包括Nature、Angew.Chem.Int.Ed.、PNAS及J.Am.Chem.Soc.等。申请PCT专利9项，授权中国发明专利20余项，部分专利实现转让。

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The Innovation是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者来自全球46个国家/地区；每期1/4-1/3通讯作者来自海外；已被107个国家/地区作者引用。目前有193位编委会成员，来自21个国家；50%编委来自海外；包含1位诺贝尔奖获得者，33位各国院士；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus，PubMed，ESCI，INSPEC等数据库收录。秉承“好文章，多宣传”理念，The Innovation在海内外各平台推广作者文章。

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