可修复的电热融冰风力发电机转子叶片的制作方法

本实用新型属于新能源技术与设备领域，具体涉及一种可修复的电热融冰风力发电机转子叶片。

背景技术：

面对人口日益增多的压力，人们越来越关注能源问题，风能、太阳能等新能源正在逐渐成为人们解决能源问题的重要方式。在风能发电领域，常用设备是风力发电机，发电机转子叶片是风力发电机的能源采集动力装置，因此，叶片的维护和保养至关重要。

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及局部磨损对供热面积影响的示意图。如图1所示，该结构碳纤维束只在玻璃纤维布的经向布置，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：

本实用新型要解决的技术问题是现有技术中风力发电机转子叶片内的电热芯片无法修复包气、干斑等缺陷，提出一种可修复的电热融冰风力发电机转子叶片及其制备方法，采用碳纤维束经纬交叉的方式制备电热芯片，从而使得制备的风力发电机转子叶片不仅可以实现区域选择性的加热融冰功能，同时可以进行叶片内包气、干斑等缺陷的修复。

本实用新型提供了一种可修复电热融冰风力发电机转子叶片，所述叶片包括：可修复碳纤维电热融冰芯片，所述可修复碳纤维电热融冰芯片分布在发电机转子叶片的尖端底部迎风面，其中，所述尖端底部迎风面的层结构为：外蒙布玻璃钢层、二轴玻璃纤维布、可修复碳纤维电热融冰芯片、三轴玻璃纤维布、芯材、内蒙皮玻璃钢层。

上述方案中，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。

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。

实用新型具有如下有益效果：

本实施例的可修复电热融冰风力发电机转子叶片，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，同时，通过采用碳纤维束经纬交叉的方式制备碳纤维融冰电热芯片，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，可以有效控制不通电范围，减少不发热的面积，保证电热芯片的融冰效果。

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为本实用新型第一实施例可修复电热融冰风力发电机转子叶片剖面结构示意图；

图3为本实用新型第一实施例可修复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4为本实用新型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为本实用新型第二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为本实用新型第二实施例中可修复风力发电机转子叶片上真空灌注成型示意图。

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-叶片尖端。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本实用新型技术问题、技术方案和优点将得以阐明。然而，本实用新型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实用新型的具体细节。

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。面对结冰等严苛的工作环境，本实用新型提出一种可修复的电热融冰风力发电机转子叶片，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，同时，通过采用碳纤维束经纬交叉的方式制备碳纤维融冰电热芯片，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，对叶片内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。

下面通过具体的实施例对本实用新型作进一步说明。

第一实施例

本实施例提供了一种可修复的电热融冰风力发电机转子叶片，所述叶片包括：可修复碳纤维电热融冰芯片(简称电热芯片)。

所述叶片还包括：内蒙皮玻璃钢层、芯材、三轴玻纤布、二轴玻璃纤维布层、外蒙皮玻璃钢层。

图2为本实用新型实施例的可修复的电热融冰风力发电机转子叶片剖面结构示意图。如图2所示，所述可修复的电热融冰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balse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分布位置即安装位置是叶片容易结冰的区域，如叶片的底部迎风面。由于芯片是单独制作完成的，根据需要制作一定宽度无限长度的芯片，如宽为40cm。在安装的时候，根据需要裁剪一定的长度即可，如30m。在本实施例中，芯片在叶片中分布的面积即可等效于长度，所述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3为本实施例在可修复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。本实施例中的可修复碳纤维电热融冰芯片4，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。具体的，可以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。

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叶片内包气、干斑等缺陷的修复，因此称之为可修复的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带状结构的可修复碳纤维电热融冰芯片。

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。如图4所示，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金属导线相连接，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。

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内成型。具体的，在叶片制作模具中把外蒙皮玻璃钢层、二轴玻璃纤维布、TYXK-N型可修复电热芯片、三轴玻璃纤维布、芯材、内蒙皮玻璃钢层材料按顺序排列，另外安装与真空灌注相关的设备如脱模布、导流网等，采用抽真空灌注工艺把粘合剂抽入叶片制作模具中，制作成转子叶片。优选的，这里的粘合剂为环氧树脂。其真空灌注成型工艺与普通叶片制作工艺相同，其差別在于普通叶片没有TYXK-N可修复电热芯片层，不能为叶片提供融冰所需要的热量，不具备电热融冰的功能。

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洞，把内部干斑缺陷暴露出来，然后进行修复。在电热芯片上打洞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脂内，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电热芯片上打洞，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，可以有效控制不通电范围，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，在孔的面积为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，本实用新型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，本实施例的可修复电热融冰风力发电机转子叶片，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，同时，通过采用碳纤维束经纬交叉的方式制备碳纤维融冰电热芯片，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，可以有效控制不通电范围，减少不发热的面积，保证电热芯片的融冰效果。

第二实施例

本实施例提供了一种可修复电热融冰风力发电机转子叶片的制备方法，所述方法包括如下步骤：

步骤S1，制备可修复碳纤维电热融冰芯片(以下简称电热芯片)。

具体的，在玻璃纤维布的经纬两个方向布置碳纤维束，经向与纬向碳纤维束之间相互导通。

本步骤中，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。

在制作芯片的时候，可以制作成宽度固定、长度无限的可裁剪原始芯片材料，如10～50cm宽，而长度是连续的。当将芯片分布或安装在叶片中的时候，根据安装的位置和加热面积的需要，裁剪一定的长度即可。

这里需要说明的是，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。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，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S2，设计可修复碳纤维电热融冰芯片在风力发电机转子叶片中的分布面积及位置。

电热芯片并不是布置在叶片的所有位置上，而只是在叶片容易结冰的位置。本实施例中的双向网状结构具有可裁剪的特性，因此，可以根据设计需要裁剪并连接出所需大小的可修复碳纤维电热融冰芯片。

图5为本实用新型第二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。如图5所示，本实施例中电热芯片布置在叶片的尖端51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，电热芯片由叶尖部即叶片的尖端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。

步骤S3，将所述可修复碳纤维电热融冰芯片固定在安装有三轴玻璃纤维布的芯材上。

优选的，所述芯材为blase木材或PVC泡沫。

如图4所示，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金属导线相连接，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，从而实现可修复碳纤维电热融冰芯片固定和与电源线的连接。

步骤S4，在风力发电机转子叶片制作模具中按照外蒙皮玻璃钢层、二轴玻璃纤维布、可修复碳纤维电热融冰芯片、三轴玻璃纤维布、芯材、内蒙皮玻璃钢层的顺序排列材料，进行叶片的真空灌注过程。

这里在进行真空灌注的过程中，首选安装真空灌注相关的设备，如脱模布、导流网等，采用抽真空灌注工艺把粘合剂抽入叶片制作模具中，制作成转子叶片。优选的，这里的粘合剂为环氧树脂。

图6为本实用新型第二实施例中可修复风力发电机转子叶片上真空灌注成型示意图。如图6所示，本步骤中采用现有技术中的真空灌注工艺，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，抽真空把环氧树脂等粘接剂注入模具中，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。

由以上可以看出，本实施例的一种可修复电热融冰风力发电机转子叶片的制备方法，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，同时，通过采用碳纤维束经纬交叉的方式制备碳纤维融冰电热芯片，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，可以有效控制不通电范围，减少不发热的面积，保证电热芯片的融冰效果。以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。