Passive blade ice protection using icephobic surfaces

Abstract

Ice accumulation on blade surfaces severely limits the normal operation of wind turbine generators. At present, commercially available technologies to mitigate this problem consist of expensive, energy hungry heating elements. An alternative is the implementation of icephobic coatings. The icephobicity of a surface can be quantified by measuring how strongly ice adheres to it. This simple statement implies rather complex tasks: creating artificial ice on a surface and removing the ice from the surface in a measurable and reproducible way. In the present research, a comprehensive study was conducted to characterize ice adhesion strength over various surfaces by using a custom-built shear strength tester. The studied surfaces include both laboratory developed and commercially available coatings. In addition, the contact angles for all the surfaces were also measured to correlate the wettability and the measured ice adhesion, that is, hydrophobicity with the icephobicity. Furthermore, two numerical simulations were performed to identify the measurement uncertainties of the ice adhesion test model and to analyse the effects of the aerodynamical forces that operate in a commercial turbine. The main results drawn from this work are that there is no direct relationship between icephobicity and hydrophobicity and that icing prevention on wind turbine blades by coating alone is not realistically enough. The alternative that best applies is the combination of an active ice mitigation system with the application of these coatings.

A acumulação de gelo nas superfícies das pás limita severamente a operação normal das turbinas eólicas. Atualmente, as tecnologias comercialmente disponíveis para mitigar este problema consistem em elementos de aquecimento dispendiosos e que consomem muita energia. Uma alternativa é a implementação de revestimentos “gelofóbicos”. A “gelofobicidade” de uma superfície pode ser quantificada medindo o seu grau de aderência ao gelo. Esta simples afirmação implica tarefas bastante complexas: criar gelo artificial numa superfície e remover o gelo da superfície de forma mensurável e reprodutível. No presente projeto, foi realizado um estudo abrangente para analisar a resistência de várias superfícies à aderência do gelo, através de um equipamento de medição de tensão de corte adaptado. As superfícies estudadas incluem tanto revestimentos desenvolvidos em laboratório como revestimentos disponíveis comercialmente. Adicionalmente, também foram medidos os ângulos de contacto para todas as superfícies de forma a correlacionar a molhabilidade e a aderência de gelo medida, ou seja, a hidrofobicidade com a “gelofobicidade”. Para além disso, foram realizadas duas simulações numéricas para identificar as incertezas de medição do modelo de teste de aderência do gelo e para analisar os efeitos das forças aerodinâmicas a que uma turbina comercial está sujeita. Os principais resultados retirados deste trabalho são a não existência de uma relação direta entre a gelofobicidade e a hidrofobicidade e que a prevenção da formação de gelo nas pás das turbinas eólicas através da utilização única destes revestimentos não é suficientemente realista. Uma alternativa que melhor se aplica é a combinação de um sistema de mitigação do gelo ativo com a aplicação de revestimentos gelofóbicos.