可修复碳纤维电热融冰芯片及其制备方法与流程

本发明属于新能源技术与设备领域，具体涉及一种可修复碳纤维电热融冰芯片及其制备方法。

背景技术：

在人类对能源的采集和利用方面，总是与环境息息相关。当采集能源的环境非常恶劣时，如极端严寒天气、冰冻天气，对能源采集设备的损害非常大。例如，风力发机转子叶片用来采集风能，则必须暴露在自然环境中，因此，叶片在设计的时候，不仅要考虑自身运行方式的影响，也必须考虑环境的影响。例如，2008年发生大面积冰冻灾害后，给许多行业造成重大损失，风力发电行业也不例外。

为预防冰冻灾害，各行业多种融冰技术开始研发和应用，其中包括人工敲打融冰，硅油、纳米材料等高分子塗层融冰、电热融冰技术等，其中电热融冰技术是较为实用的一种融冰技术。

专利号为201210390773.6的中国专利，根据风力发电机转子叶片结冰造成的损失，公开了一种具有电热融冰装置的风力发电机转子叶片，通过在叶片本体的外表面、内表面上和/或夹层中设置将电能转换为热能的融冰装置，预防风力发电机叶片上结冰或清除风力发电机叶片表面已经结的冰。

专利号为201410025123.0的中国专利，公开了一种风力发电机电热融冰转子叶片、电热芯片及成型装置和方法，具体公开了电热芯片的结构及成型设备和方法，电热芯片的结构是在玻璃纤维布上加缝经向分布的条状碳纤维束构成，通过碳纤维束通电加热叶片以达到既能预防叶片表面结冰又能融化叶片表面已经结的冰。图1为现有技术中所述电热融冰风力发电机转子叶片剖面结构示意图。如图1所示，11为经向碳纤维束，该碳纤维束只布置在玻璃纤维布的经向，邻近两根碳纤维束之间有一定距离，每根碳纤维束是独立的，与邻近碳纤维束之间互不导通。由于单向条状结构中每根碳纤维束是独立的，与其它碳纤维束在电气性能上互不导通，一旦某根碳纤维束出现故障，如有一个点断开，就会影响整条碳纤维束不导电，严重影响电热芯片的发热性能，因此无法对叶片内包气、干斑等缺陷进行修复。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是如何更好的解决严寒冰冻天气下的设备融冰问题，提出一种可修复碳纤维电热融冰芯片及其制备方法，采用碳纤维束经纬交叉的方式制备电热芯片，从而使得采用可修复碳纤维电热融冰芯片的设备不仅可以实现区域选择性的加热融冰功能，同时可以进行设备相关部件内部的包气、干斑等缺陷的修复。

本发明提供了一种可修复碳纤维电热融冰芯片，所述芯片结构为，在玻璃纤维布上，具有经纬两个方向布置的碳纤维束，经向与纬向碳纤维束之间是相互导通的。

上述方案中，所述经纬两个方向布置的碳纤维束，进一步为：

一层间距固定的经向碳纤维束位于一层间距固定的纬向碳纤维束之上；

或，

一层间距固定的纬向碳纤维束位于一层间距固定的经向碳纤维束之上；

或，

经向碳纤维束与纬向碳纤维束交叉排布，形成一张每个节点相互交叉的网。

本发明还提供了一种可修复电热融冰芯片的制备方法，所述方法包括如下步骤：

步骤s1，对玻璃纤维束与碳纤维束进行混合得到芯片纤维束；

步骤s2，将芯片纤维束分为经向和纬向，进行编织，经向和纬向的交叉点通过碳纤维束相互导通，得到编织芯片；

步骤s3，对编织芯片进行电气连接。

本发明还提供了一种可修复碳纤维电热融冰芯片的制备方法，所述方法包括如下步骤：

步骤s1，在玻璃纤维布上，布局经向和纬向的碳纤维束；

步骤s2，经向和纬向的碳纤维束交叉点相互导通；

步骤s3，对碳纤维电热融冰芯片进行电气连接。

上述方案中，所述布局经向和纬向的碳纤维束，进一步为：

一层间距固定的经向碳纤维束位于一层间距固定的纬向碳纤维束之上；

或，

一层间距固定的纬向碳纤维束位于一层间距固定的经向碳纤维束之上；

或，

经向碳纤维束与纬向碳纤维束交叉排布，形成一张每个节点相互交叉的网。

本发明具有如下有益效果：本实施例的可修复碳纤维电热融冰芯片，通过采用碳纤维束经纬交叉的方式进行制备，一方面通过调整碳纤维束的密度来调整通过电热芯片的电流密度，从而调整电热芯片的加热温度，另外一方面双向网格状结构的排布使得经向碳纤维通过纬向碳纤维束相互连接，在电气性能上形成一体，抗破坏性能强，如果某碳纤维束出现故障，如在经向某处碳纤维束出现断开，电流在断开处可经过纬向碳纤维束绕过断点，继续在该根碳纤维束中流通，基本不影响融冰电热芯片的电气性能，也就不影响融冰电热芯片的发热性能。当若干根经向碳纤维束断开时，整个电热芯片的经向碳纤维可以通过纬向碳纤维束连接，可以有效缩小不通电范围，减少不发热的面积，保证电热芯片的融冰效果。同时，由于可修复碳纤维融冰电热芯片具有可修复的性能，可更好的应对严苛的自然环境。

附图说明

图1为现有技术中所述电热融冰风力发电机转子叶片中电热芯片碳纤维束布局及局部磨损对供热面积影响的示意图；

图2为本发明第一实施例可修复碳纤维电热融冰芯片中碳纤维束布局示意图；

图3为本发明第一实施例可修复碳纤维电热融冰芯片应用于风力发电机转子叶片中时叶片的剖面结构示意图；

图4为本发明第一实施例中可修复碳纤维电热融冰芯片在可修复电热融冰风力发电机转子叶片中的连接示意图；

图5为本发明第一实施例中可修复碳纤维电热融冰芯片在叶片上的布局示意图；

图6为采用本发明第一实施例可修复碳纤维电热融冰芯片真空灌注成型可修复风力发电机转子叶片的示意图。

附图标记说明：

1-内蒙皮玻璃钢层；2-芯材；3-三轴玻纤布；4-可修复碳纤维电热融冰芯片；5-二轴玻璃纤维布层；6-外蒙皮玻璃钢层；7-脱模材料；8-压敏胶粘带；9-密封带；10-连接管；11-导流管；12-导流网；13-脱模布；14-真空薄膜袋；41-导通金属螺栓；42-螺栓过孔；51-叶尖部。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明技术问题、技术方案和优点将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在自然环境下工作的风力发电机转子叶片，受环境的影响较大，如在严寒天气下会结冰。其他电气设备同样面临相同的问题。针对严寒冰冻天气下的设备融冰问题，本发明提出一种可修复碳纤维电热融冰芯片及其制备方法，通过采用碳纤维束经纬相叠或交叉的方式进行制备，一方面通过调整碳纤维束的密度来调整通过电热芯片的电流密度，从而调整电热芯片的加热温度，另外一方面双向网格状结构的排布使得经向碳纤维通过纬向碳纤维束相互连接，在电气性能上形成一体，抗破坏性能强，如果某碳纤维束出现故障，如在经向某处碳纤维束出现断开，电流在断开处可经过纬向碳纤维束绕过断点，继续在该根碳纤维束中流通，基本不影响融冰电热芯片的电气性能，也就不影响融冰电热芯片的发热性能。因此，可以通过打孔的方式，对设备中位于电热芯片内部的包气、干斑等缺陷进行暴露并进一步修复，避免了现有技术中对电气设备电热融冰芯片无法修复的问题。

下面通过具体的实施例对本发明作进一步说明。

第一实施例

本实施例提供了一种可修复碳纤维电热融冰芯片。

优选的，所述芯片的厚度为0.4-1mm，在实际生产中将其命名为tyxk-n型可修复电热芯片。

进一步的，所述可修复碳纤维电热融冰芯片结构为，在玻璃纤维布上，具有经纬两个方向布置的碳纤维束，经向与纬向碳纤维束之间是相互导通的。

图2为本实施例可修复碳纤维电热融冰芯片中碳纤维束布局示意图。图2中101为经向碳纤维束，102为纬向碳纤维束。如图2所示，本实施例中的可修复碳纤维电热融冰芯片，其结构为：在玻璃纤维布的经纬两个方向布置碳纤维束，电热芯片上的碳纤维束形成双向网格状结构，碳纤维之间的间距在经纬两个方向均为10-20mm，碳纤维束之间是相互导通的，从而形成供热区域。而图2中的磨损区，是由于设备在使用过程中有可能会导致的电气不通的区域，此时，由于相互交叉同时相互导通的碳纤维束的存在，磨损区的存在并不会影响其他区域的供热功能，因此，可以对磨损区进行暴露而不会影响其他区域的电气状况，暴露后即可以以磨损区进行修复。

具体的，所述经纬两个方向布置的碳纤维束，进一步为：在一层间距固定的经向碳纤维束101之上，再排布一层间距固定的纬向碳纤维束102，或在一层间距固定的纬向碳纤维束102之上，再排布一层间距固定的经向碳纤维束101，或将经向碳纤维束101与纬向碳纤维束102交叉排布，形成一张每个节点相互交叉的网。

而现有技术中，碳纤维束是经向分布的，单向条状结构使得每根碳纤维束是独立的，与其它碳纤维束在电气性能上互不导通，一旦某根碳纤维束出现故障如有一个点断开，就会影响整条碳纤维束不导电，严重影响电热芯片的发热性能。而本实施例中的双向网格状结构，使得经向碳纤维通过纬向碳纤维束相互连接，在电气性能上形成一体，抗破坏性能强，如果某碳纤维束出现故障，如在经向某处碳纤维束出现断开，电流在断开处可经过纬向碳纤维束绕过断点，继续在该根碳纤维束中流通，基本不影响电热芯片的电气性能，也就不影响电热芯片的发热性能，电热芯片的这种性能可用于对风力发电机转子叶片内包气、干斑等缺陷的修复。因此，称之为可修复碳纤维电热融冰芯片。

可修复碳纤维电热融冰芯片是以玻璃纤维布为基础的，其物理性能类似于玻璃纤维布，具有形状规则(条形)、质地柔软、易于加工等特点，可按照玻璃纤维布的加工方法进行加工处理，按要求加工成不同形状。可修复碳纤维电热融冰芯片所需长度根据使用的电热芯片宽度和通过的电流密度进行计算；可修复碳纤维电热融冰芯片的长度、宽度确定后，其芯片的形状就确定了，根据形状要求，对电热芯片进行裁剪加工，形成所需要的长方形或条带状结构的可修复碳纤维电热融冰芯片。

本实施例中的可修复碳纤维电热融冰芯片，可用于电热融冰风力发电机转子叶片中，所述叶片包括：内蒙皮玻璃钢层、芯材、三轴玻纤布、可修复碳纤维电热融冰芯片(简称电热芯片)、二轴玻璃纤维布层、外蒙皮玻璃钢层。

图3为本发明第一实施例可修复碳纤维电热融冰芯片应用于风力发电机转子叶片中时叶片的剖面结构示意图。带有可修复碳纤维电热融冰芯片的风力发电机转子叶片依次包括：内蒙皮玻璃钢层1、芯材2、三轴玻纤布3、可修复碳纤维电热融冰芯片4、二轴玻璃纤维布层5、外蒙皮玻璃钢层6。

其中，所述芯材2为blase木材或pvc泡沫。在所述内蒙皮玻璃钢层1和外蒙皮玻璃钢层6之间，依次设置芯材2、三轴玻纤布3、可修复碳纤维电热融冰芯片4和二轴玻璃纤维布层5。可修复碳纤维电热融冰芯片4厚度为0.4-1mm，在实际生产中将其命名为tyxk-n型可修复电热芯片。可修复碳纤维电热融冰芯片4在叶片结构中的分布位置及面积根据融冰需求、加热温度确定。需要加热温度较高的区域，电热芯片分布密；需要加热温度低的区域，电热芯片分布疏；不需要加热的区域，则不需要设置电热芯片，而由与电热芯片同厚度的玻璃纤维布代替。

通常情况下，可修复碳纤维电热融冰芯片在转子叶片内的安装位置是叶片容易结冰的区域，主要位置在叶片的底部迎风面，其长度根据电热芯片的宽度和电流密度决定，叶片整个电加热层可由多个子电热芯片组成，每个子电热芯片可以单独供电，也可以多个子电热芯片并联供电。

图4为本实施例中可修复碳纤维电热融冰芯片在可修复电热融冰风力发电机转子叶片中的连接示意图。所述可修复碳纤维电热融冰芯片具有a端和b端，在a、b两端，每根经向碳纤维束通过接线端子与电缆线相连接，通过电缆线把经向碳纤维束并联在一起，通过导通连接螺栓41穿过螺栓过孔42，与叶片腔內电源线(图中未示出)相连接，并把可修复碳纤维电热融冰芯片固定在叶片中。由此，在可修复碳纤维电热融冰芯片上形成统一的电气结构，并与电源线相连结，保证对每根碳纤维束的供电。本实施例中风电机组提供220伏电源。

图5为本实施例的可修复碳纤维电热融冰芯片在叶片上的布局示意图。如图5所示，本实施例中电热芯片布置在叶片的底部迎风面，电热芯片的形状和面积由可修复电热芯片的长度、宽度、电流密度来決定。本实施例针对2.5mw叶片，确定采用3块可修复电热芯片，每块芯片的形状为长17米、宽1米的长方形，电热芯片由叶尖部51开始向叶根部排列，3块可修复电热芯片采用单独供电方式，可一块一块供电，也可以3块同时供电，本实施例采用3块芯片并联同步供电模式。

安装完成后，通过真空灌注工艺，将所述可修复碳纤维电热融冰芯片与其他各部件一起在转子叶片制作模具內成型。图6为采用本实施例可修复碳纤维电热融冰芯片真空灌注成型可修复风力发电机转子叶片的示意图。如图6所示，这里真空灌注工艺，是在叶片模具中把外蒙布玻璃钢层6、二轴玻璃纤维布5、tyxk-n型可修复电热芯片4、三轴玻璃纤维布3、芯材(biase木材或pvc泡沫)2、内蒙皮玻璃钢层1按顺序排列在模具中，另外安装与真空灌注工艺相关的设备，如脱模布13、导流网12、连接管10等，在本实施例中使用3块可修复电热芯片，其长17米、宽1米的长方形，在没有安装芯片的位置以同等厚度的玻璃纤维布替代。模具中各种材料安装好后，抽真空把粘接剂注入模具中，固化形成具有电热融冰装置的可修复的电热融冰风力发电机转子叶片。优选的，这里的粘合剂为环氧树脂。

由于真空灌注工艺涉及多层次、多种材料，影响产品质量的因素比较多，如出现气泡、局部浸润不良、局部粘污等，这些因素都有可能导致叶片内出现局部干斑，干斑缺陷会影响到叶片的正常运转或減少叶片的寿命，需要进行修复操作。当干斑缺陷在电热芯片层外面时，可以采用普通叶片修复工艺进行修复，当干斑缺陷在电热芯片层内部时，就需要在电热芯片层打孔，把内部干斑缺陷暴露出来，然后进行修复。在电热芯片上打孔就要损坏芯片上的碳纤维束，对于单向条状结构的电热芯片，由于碳纤维束每根之间互不导通，碳纤维束某处断开，整根碳纤维束就断开不导电了，因为真空灌注工艺把整个碳纤维束全部埋在环氧树酯内，把断开的碳纤维束直接连接上恢复其导电性能，目前还不具备这样的工艺条件，因此局部碳纤维束的断开就造成芯片内大面积不导电，不导电的区域不能发热，減少了电热芯片产生的热量，直接影响电热芯片的融冰效果。可修复碳纤维电热融冰芯片采用双向网格状结构，经向碳纤维束通过纬向碳纤维束相互导通，当某些经向碳纤维束断开，除断开部分外，经向碳纤维束的其它部分仍然处于导通状态，不影响加热电流通过，热量损失较小，对叶片的融冰效果影响不大。采用可修复碳纤维电热融冰芯片就可以通过在芯片上打孔，使叶片内部缺陷暴露并得到修复。因此把这种叶片称为可修复的电热融冰风力发电机转子叶片。

同时，当若干根经向碳纤维束断开时，整个电热芯片的经向碳纤维可以通过纬向碳纤维束连接，可以有效缩小不通电范围，减少不发热的面积，保证电热芯片的融冰效果。本实施例中，采用长度20米、宽度40cm的可修复碳纤维电热融冰芯片，在其中部剪裁10cm×10cm和15cm×15cm两种正方形孔进行测试，结果表明芯片出现10cm×10cm孔时，电热芯片的融冰性能基本不变，孔的面积在15cm×15cm时，芯片的融冰效果有影响，可修复的叶片内部干斑其宽度应控制在电热芯片宽度的40％以内。

对本实施例的可修复碳纤维电热融冰芯片在可修复电热融冰风力发电机转子叶片进行实际应用的测试，测试项目为1.5兆瓦叶片的加热除冰试验。当该项目进入覆冰环境时，试验样机的叶片加热除冰系统开始启动，叶片表面温度最大和最小值都快速上升，表面冰融化或者维持10℃左右，叶片表面不会覆冰。在一天多的低温覆冰过程中，样机的风速和功率关系正常，而其他附近机组在这段时间因为覆冰严重而停机，最终，样机比其他停机机组多发了1.2万度电。另外进行了2兆瓦叶片的加热除冰试验，本发明的除冰样机与其他停机机组相比多发约4万度电。

由以上可以看出，本实施例的可修复碳纤维电热融冰芯片，通过采用碳纤维束经纬交叉的方式进行制备，一方面通过调整碳纤维束的密度来调整通过电热芯片的电流密度，从而调整电热芯片的加热温度，另外一方面双向网格状结构的排布使得经向碳纤维通过纬向碳纤维束相互连接，在电气性能上形成一体，抗破坏性能强，如果某碳纤维束出现故障，如在经向某处碳纤维束出现断开，电流在断开处可经过纬向碳纤维束绕过断点，继续在该根碳纤维束中流通，基本不影响融冰电热芯片的电气性能，也就不影响融冰电热芯片的发热性能。当若干根经向碳纤维束断开时，整个电热芯片的经向碳纤维可以通过纬向碳纤维束连接，可以有效缩小不通电范围，减少不发热的面积，保证电热芯片的融冰效果。通过在叶片中安装碳纤维融冰电热芯片，实现风力发电机转子叶片的电热融冰功能。

第二实施例

本实施例提供了一种可修复碳纤维电热融冰芯片(简称电热芯片)的制备方法，所述方法包括如下步骤：

步骤s1，对玻璃纤维束与碳纤维束进行混合得到芯片纤维束。

电热芯片以玻璃纤维布为基础，其物理性能类似于玻璃纤维布，具有形状规则(条形)、质地柔软、易于加工等特点，可按照玻璃纤维布的加工方法进行加工处理，按要求加工成不同形状。这里将电热芯片的制备过程与玻璃纤维布的制备过程结合起来，玻璃纤维束为芯片提供物理支撑，碳纤维束为芯片提供电气性能。当碳纤维束足够支撑相互交叉的韧性时，可去掉玻璃纤维束，仅采用碳纤维束作为芯片纤维束。

步骤s2，将芯片纤维束分为经向和纬向，进行编织，经向和纬向的交叉点通过碳纤维束相互导通，得到编织芯片。

这里经向和纬向的编织，在玻璃纤维布的经纬两个方向布置碳纤维束，进一步为：在一层间距固定的经向碳纤维束之上，再排布一层间距固定的纬向碳纤维束；或在一层间距固定的纬向碳纤维束之上，再排布一层间距固定的经向碳纤维束；或将经向碳纤维束与纬向碳纤维束交叉排布，形成一张每个节点相互交叉的网。碳纤维之间的间距在经纬两个方向均为10-20mm。电热芯片上的碳纤维束最终形成双向网格状结构，从而得到编织芯片。

上述制备成双向网状结构后，根据使用的电热芯片宽度和通过的电流密度，计算可修复碳纤维电热融冰芯片的长度和宽度，从而进行裁剪加工，形成所需要的长方形带状结构的可修复碳纤维电热融冰芯片。

步骤s3，对编织芯片进行电气连接。

编织芯片中每根经向碳纤维束通过接线端子与电缆线相连接，通过电缆线把经向碳纤维束并联在一起，通过导通连接螺栓穿过螺栓过孔，与设备腔内电源线相连接。

本实施例可修复碳纤维电热融冰芯片的制备方法，采用碳纤维束经纬交叉的方式，所制备的芯片可根据需要进行任意裁剪，纤维束的编织过程可根据需要设计不同的碳纤维束密度，从而调整通过电热芯片的电流密度，调整电热芯片的加热温度；所制备的电热芯片具有双向网格状结构，经向碳纤维通过纬向碳纤维束相互连接，在电气性能上形成一体，抗破坏性能强，如果某碳纤维束出现故障，如在经向某处碳纤维束出现断开，电流在断开处可经过纬向碳纤维束绕过断点，继续在该根碳纤维束中流通，基本不影响融冰电热芯片的电气性能，也就不影响融冰电热芯片的发热性能。当若干根经向碳纤维束断开时，整个电热芯片的经向碳纤维可以通过纬向碳纤维束连接，可以有效缩小不通电范围，减少不发热的面积，保证电热芯片的融冰效果。通过在叶片中安装碳纤维融冰电热芯片，实现风力发电机转子叶片的电热融冰功能。

第三实施例

本实施例提供了一种可修复碳纤维电热融冰芯片(简称电热芯片)的制备方法，所述方法包括如下步骤：

步骤s1，在玻璃纤维布上，布局经向和纬向的碳纤维束。

进一步的，所述布局经向和纬向的碳纤维束，包括：一层间距固定的经向碳纤维束位于一层间距固定的纬向碳纤维束之上；或，一层间距固定的纬向碳纤维束位于一层间距固定的经向碳纤维束之上；或，经向碳纤维束与纬向碳纤维束交叉排布，形成一张每个节点相互交叉的网。当排布一层经向或纬向时，可通过胶装、针钉或线束的方式将碳纤维束固定在玻璃纤维布上。在排布的时候，经向或纬向的碳纤维束之间保持一定的距离，如10-30mm。

步骤s2，经向和纬向的碳纤维束交叉点相互导通，得到可修复碳纤维电热融冰芯片。

这里的相互导通，通过经向或纬向碳纤维束的相互接触得以实现。

步骤s3，对可修复碳纤维电热融冰芯片进行电气连接。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。