风力涡轮机叶片和风力涡轮机的制作方法

本发明涉及用于风力涡轮机的风力涡轮机叶片和包括这样的风力涡轮机叶片的风力涡轮机。

背景技术：

现代风力涡轮机的转子叶片由纤维增强塑料构建。转子叶片通常包括具有圆形的前缘和尖锐的后缘的翼型。转子叶片利用其叶片根部连接到风力涡轮机的轮毂。此外，转子叶片借助于变桨轴承（pitchbearing）连接到轮毂，该变桨轴承允许转子叶片的俯仰运动。长的转子叶片经受高风力。

转子叶片可以由连接到彼此的两个半壳体制成。此外，腹板，特别是抗剪腹板（shearweb），可以被布置在所述两个半壳体之间，以加强转子叶片。抗剪腹板可以被布置在两个梁或翼梁帽（sparcap）之间，并且可以被连接到该梁或翼梁帽。所述抗剪腹板、梁和/或翼梁帽可以在风力涡轮机叶片的纵向方向上延伸，并且可以包括碳。

相对于雷击，转子叶片是风力涡轮机的最暴露的部分。因此，可以设置防雷系统（lps）。防雷系统可以包括电引下线（downconductor），其可以被连接到腹板并且可以沿腹板的纵向方向延伸。该引下线可以被电连接到风力涡轮机叶片的接地系统。此外，通常称为接收器的针对闪电的附接点可以沿叶片表面布置并且电连接到引下线。当雷击被接收器拦截时，电流借助于引下线传输到地面。

另一电导体可以被设置在梁旁边，该电导体特别是在风力涡轮机叶片的纵向方向上延伸并且电连接到引下线。为了防止梁的损伤，可以设置该电导体和梁之间的电连接。然而，当通过梁传导雷击时可能发生电弧。这可能导致梁或其他碳元件处的分层（delamination）。

ep2930355a1示出了一种风力涡轮机叶片，其具有碳梁、电导体和铜网，该铜网将电导体电连接到碳梁。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于提供一种改进的风力涡轮机叶片。

因此，提供了一种用于风力涡轮机的风力涡轮机叶片。所述风力涡轮机叶片包括在所述风力涡轮机叶片的纵向方向上延伸的电导体和碳纤维材料，所述碳纤维材料是导电的并且具有：第一部分，其被布置在所述电导体旁边；第二部分，其被连接到所述第一部分，并且被附接并电连接到所述电导体；以及第三部分，其被连接到所述第二部分，并且至少部分地与所述第一部分重叠。

本发明人发现，电导体和碳纤维材料之间的这种电连接在传导例如具有86ka的电流时避免了电弧形成，并且因此，避免了碳的分层。因此，当雷击被风力涡轮机叶片拦截时，可以避免风力涡轮机叶片的损伤。

特别地，所述碳纤维材料的所有部分（第一、第二、第三和/或第四部分）形成为单件，即一体地形成。碳纤维材料意指包含碳纤维和树脂的复合材料。优选地，所述碳纤维材料包括含有单向碳纤维的垫。例如，所述碳纤维材料在折叠之前被设置成梯形形状。特别地，所述第三部分未被附接到电导体。优选地，所述第三部分至少部分地附接到所述第一部分。特别地，所述第一部分是菱形的。所述碳纤维材料优选地具有恒定的材料厚度，该材料厚度优选地为所述碳纤维材料的宽度和/或长度的至多1/5、1/10或1/20。

根据一个实施例，所述风力涡轮机叶片还包括在所述风力涡轮机叶片的所述纵向方向上延伸的碳元件，所述碳元件布置在所述电导体旁边并且是导电的，其中，所述碳纤维材料包括附接到所述碳元件的第四部分。

这具有如下优点，即：提供了碳与碳连接，以避免电弧形成和碳的分层。相比之下，当使用金属网来代替碳纤维材料时，电流将主要在金属网和碳元件之间的连接的边缘处传递。这导致高电流密度和随之发生的电弧，使得当由于雷击而传递电流时，可能发生碳元件处的损伤。

所述电导体和所述碳元件在风力涡轮机叶片的纵向方向上延伸，其中，所述电导体和所述碳元件可以成角度或平行地布置。

优选地，所述第四部分是菱形的。优选地，所述第四部分被直接连接到碳元件。例如，所述第四部分和碳元件作为varmt（真空辅助树脂传递模塑）过程的一部分一起铸造。特别地，所述碳元件是导电的碳纤维增强梁（包含碳纤维和树脂的复合材料）。特别地，所述碳元件和电导体之间的电连接未设有铜或铜网，特别是没有金属。优选地，所述碳元件具有为风力涡轮机叶片的长度的至少20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%或90%的长度，并且例如是风力涡轮机叶片的支撑结构，该支撑结构被构造成防止风力涡轮机叶片的扭结（kinking）或屈曲。所述风力涡轮机叶片的长度可以在15和90m之间、30m和60m之间或40m和55m之间。

优选地，所述碳纤维材料的碳纤维的纤维端部不终止于第一部分或第二部分处并且被设置在第三部分处。例如，碳纤维的一端被设置在第三部分处，并且碳纤维的另一端被设置在第四部分处。因此，所述碳纤维材料包括从第三部分朝向第四部分延伸的碳纤维。

根据另一实施例，所述第二部分至少部分地围绕所述电导体。

这具有如下优点，即：可以提供碳纤维材料和电导体之间的足够的附接表面。而且，也由于这个原因，可以避免电弧形成和损伤。优选地，所述碳纤维材料围绕所述电导体折叠。特别地，所述第二部分以u形的方式围绕所述电导体，特别是仅以u形的方式围绕所述电导体。

根据另一实施例，所述第三部分包括与所述第一部分重叠的一个部分以及不与所述第一部分重叠的另一个部分。

本发明人发现，这在传导电流时也减少了电弧形成。例如，不重叠意味着另一部分从所述第一部分移位。

根据另一实施例，另一部分具有一定宽度，所述宽度为至少5mm，特别是在10mm和100mm之间。

优选地，另一部分是条形的，其具有为另一部分的宽度的至少五倍、十倍或二十倍的长度。

根据另一实施例，所述一个部分是三角形的。

这具有如下优点，即：例如，可以提供第一部分和第三部分之间的足够的附接表面。

根据另一实施例，所述一个部分被附接到所述第一部分。

因此，所述电导体和所述碳纤维材料之间的连接可以简单地通过如下方式产生，即：例如，将所述碳纤维材料围绕所述电导体折叠一次，并将所述一个部分附接到所述第一部分。优选地，所述一个部分和所述第一部分作为varmt过程的一部分一起铸造。

根据另一实施例，所述碳元件和所述电导体之间的距离在10mm和3000mm之间或者大于150mm、200mm或300mm。

这具有可以防止电导体和碳元件之间的闪络（flashover）的优点。此外，所述电导体还与可能在所述碳元件中发生的大的应变脱离。

根据另一实施例，所述碳元件包括侧边缘，其中，所述第四部分包括端面，并且其中，所述侧边缘和所述端面之间的距离在5mm和10mm之间。

这具有如下优点，即：可以提供第四部分和碳元件之间的大的附接表面。本发明人发现，这种构造也减少了碳元件和碳纤维材料之间的电弧形成和闪络。优选地，所述第四部分不覆盖碳元件的侧边缘。可替代地，所述第四部分覆盖碳元件的侧边缘，并且延伸超过该侧边缘，特别是超过5mm至10mm。

优选地，所述碳元件的侧边缘背离所述电导体。特别地，该侧边缘是碳元件的最外部边缘。优选地，所述第四部分在碳元件的宽度的至少60%、70%、80%、90%、95%或100%上与碳元件重叠。

根据另一实施例，所述碳纤维材料的宽度在20mm和500mm之间。

这具有如下优点，即：通过碳纤维材料和相应的电连接可以传递足够的电流，并且因此，当雷击击中风力涡轮机叶片时，可以防止碳纤维材料和碳元件的损伤。

根据另一实施例，所述碳元件包括第一主延伸方向，并且所述碳纤维材料包括第二主延伸方向，其中，所述第一主延伸方向和所述第二主延伸方向之间的角度在0和90°之间，在30°和60°之间，或在40°和50°之间，特别是45°。

特别地，该角度是碳纤维材料的碳纤维与第一主延伸方向之间的角度。例如，该角度是锐角。优选地，该角度基于碳元件和碳纤维材料的电导率各向异性来选择，特别是考虑到碳元件和碳纤维材料的碳纤维的方向和/或叶片壳体的玻璃或碳纤维的方向。

根据另一实施例，所述风力涡轮机叶片还包括至少或正好两个或三个碳纤维材料，所述碳纤维材料被附接并电连接到所述电导体，其中，所述至少或正好两个或三个碳纤维材料中的两个碳纤维材料之间的距离优选为小于500mm，小于400mm，小于300mm或200mm。

这具有如下优点，即：提供了电导体和碳元件之间的冗余电连接，并且电流分布成导致对于每个碳纤维材料的更低的电流密度。因此，可以进一步防止电弧和闪络。优选地，所述碳纤维材料被相同地设置，并且相同地连接到电导体和碳元件。特别地，可以并排地设置正好两个、三个或四个碳纤维材料。

根据另一实施例，所述电导体的第一端与所述至少或正好两个或三个碳纤维材料中的最近者之间的距离在100mm和500mm之间或者为至少10mm。

这具有可避免场集中（fieldconcentration）和电弧形成的优点。其确保电流分布成使得局部分层保持低于结构容限。

根据另一实施例，所述电导体是金属线缆。

所述电导体优选地是编织电缆或金属条。特别地，所述电导体包括铝、铜、钢和/或钛。优选地，所述电导体具有矩形剖面和/或扁平剖面。

此外，还提供了一种包括这样的风力涡轮机叶片的风力涡轮机。

风力涡轮机当前是指将风的动能转化成旋转能的装置，该旋转能可以再次通过该装置转化成电能。

优选地，该风力涡轮机包括三个或四个这样的风力涡轮机叶片。

本发明的其他可能的实施方式或替代方案还包括本文未明确提及的上文所述或下文关于实施例所述的特征的组合。本领域技术人员还可以向本发明的最基本形式添加个别或孤立的方面和特征。

附图说明

结合附图，通过后续的描述和从属权利要求，本发明的其他实施例、特征和优点将变得显而易见，附图中：

图1示出了根据一个实施例的风力涡轮机的透视图；

图2示出了根据图1的风力涡轮机的风力涡轮机叶片的透视图；

图3示意性地示出了图2的剖视图iii-iii；以及

图4示意性地示出了根据图2的风力涡轮机叶片的电连接布置结构的顶视图。

在附图中，除非另有指示，否则相同的附图标记表示相同或功能上等同的元件。

具体实施方式

图1示出了风力涡轮机1。风力涡轮机1包括转子2，其连接到布置在机舱3内的发电机（未示出）。机舱3被布置在风力涡轮机1的塔架4的上端处。

转子2包括三个风力涡轮机叶片5。风力涡轮机叶片5被连接到风力涡轮机1的轮毂6。这种类型的转子2可以具有例如范围从30米至200米或甚至更大的直径。风力涡轮机叶片5经受高的风载荷。同时，风力涡轮机叶片5需要重量轻。由于这些原因，现代风力涡轮机1中的风力涡轮机叶片5由纤维增强复合材料制成。常常使用呈单向纤维垫（unidirectionalfibermat）形式的玻璃纤维或碳纤维。

图2示出了风力涡轮机叶片5。风力涡轮机叶片5包括：空气动力学设计的部分7，其被成形为用于最佳地利用风能；以及叶片根部8，其用于将风力涡轮机叶片5连接到轮毂6。此外，风力涡轮机叶片5还包括叶片末端9，其背离（avertedfrom）叶片根部8布置。风力涡轮机叶片5沿纵向方向l延伸。叶片5具有长度m，其例如可以在15m至90m之间。

图3示意性地示出了图2的剖视图iii-iii。图3中所示的所有元件都简化地示出。要理解的是，可以设置中间元件，特别是另外的连接元件和加强元件。

风力涡轮机叶片5包括外叶片壳体10，其包括第一半壳体11和第二半壳体12，该第一半壳体11和该第二半壳体12在风力涡轮机叶片5的一侧13处、特别是在后缘处被连接在一起，以及在风力涡轮机叶片5的另一侧14处、特别是在前缘处被连接在一起，以形成风力涡轮机叶片5的外壳体10。

弦线z与后缘和前缘相交。叶片壳体10可包括复合纤维材料。此外，第一半壳体11和第二半壳体12可以被胶合在一起。可替代地，叶片壳体10也可以被设置为单件式元件。第一半壳体11包括内表面15，并且第二半壳体12包括彼此相对的内表面16，其中，风力涡轮机叶片5的内部空间17由所述内表面15、16限定。

腹板18，特别是抗剪腹板，位于内部空间17内，该腹板18从第一半壳体11的内表面15延伸到第二半壳体12的内表面16。风力涡轮机叶片5还包括：连接到第一半壳体11的碳元件19，特别是第一碳梁；以及连接到第二半壳体12的碳元件20，特别是第二碳梁。

特别地，碳元件19、20是导电的并且沿纵向方向l延伸。优选地，腹板18沿纵向方向l延伸。

腹板18位于碳元件19和碳元件20之间，其中，腹板18和碳元件19、20形成i形剖面。腹板18和碳元件19、20形成支撑结构，其防止风力涡轮机叶片5的断裂或折曲（crippling）。替代地或附加地，碳元件19、20可以靠近风力涡轮机叶片5的后缘或前缘设置。

此外，设置了避雷导体21，其沿纵向方向l延伸并且被附接到腹板18。避雷导体21被布置在碳元件19、20之间。优选地，避雷导体21是引下线。特别地，避雷导体21是金属线缆。此外，避雷导体21优选地接地。

此外，沿纵向方向l延伸的电导体22被设置在内部空间17内。优选地，电导体22被连接到内表面15。特别地，接收器23被布置在叶片5的外表面24处。接收器23被直接或间接地电连接到电导体22和避雷导体21（连接未示出）。

可以在外表面24处设置多个接收器23。接收器23和导体21形成防雷系统。此外，还设置导电的碳纤维材料25。该碳纤维材料25被附接并因此直接电连接到电导体22。

特别地，碳纤维材料25是包含单向碳纤维的碳垫。优选地，电导体22是金属线缆。此外，碳纤维材料25被附接并因此直接电连接到碳元件19，该碳元件19优选地包含碳纤维，特别是单向碳纤维。

这具有以下优点，即：碳元件19和碳纤维材料25的阻抗处于相同的范围内，并且因此，电流从碳纤维材料25均匀地传递到碳元件19，即不主要在连接的边缘处传递。

优选地，电导体22被附接到避雷导体21（未示出），并且因此，也直接电连接到该避雷导体21。特别地，另外的电连接（未示出），特别是金属线缆和/或标准电缆或另外的碳垫，可被设置用于将电导体22电连接到避雷导体21。电导体22、碳纤维材料25和碳元件19形成电连接布置结构26。

图4示意性地示出了图3的电连接布置结构26，其中，示意性地示出了从上方观察的视图。优选地，这表示垂直于纵向方向l并垂直于弦线z的视图。

碳纤维材料25包括：部分27（也称为第一部分），其被布置在电导体22旁边；部分28（也称为第二部分），其被连接到部分27，并且被附接并电连接到电导体22；部分29（也称为第三部分），其被连接到部分28；以及部分30（也称为第四部分），其被附接并电连接到碳元件19。部分29至少部分地与部分27重叠。优选地，部分27、28、29、30由单件式碳垫形成。

部分27被布置在电导体22和碳元件19之间，并且不与电导体22和碳元件19接触。此外，部分27是菱形的。第二部分28以u形的方式至少部分地围绕电导体22。

部分29包括与部分27重叠的一个部分31以及不与部分27重叠的另一个部分32，即另一部分32被布置在部分27旁边并且不与部分27接触。优选地，该一个部分31被附接到部分27。该一个部分31优选地是三角形的。另一部分32是条形的并且具有宽度d，该宽度d为至少5mm，特别是在10mm和100mm之间。

如图4中所示，碳纤维材料25被折叠一次，并将电导体22容纳在由部分28形成的折叠部（fold）内。碳元件19被布置在电导体22旁边。碳元件19和电导体22之间的距离j在10mm和3000mm之间或者大于150mm。特别地，在碳元件19的邻近部分27的侧边缘33和电导体22的邻近部分27的边缘34之间测量距离j。边缘33和34面向彼此。

此外，碳元件19还包括背离电导体22的侧边缘35。部分30包括背离电导体22的端面36。侧边缘35和端面36之间的距离e在5mm和10mm之间或者大于5mm。如图4中所示，第四部分30不覆盖碳元件19的侧边缘35。可替代地，第四部分30覆盖碳元件19的侧边缘35，并且延伸超过侧边缘35，特别是超过5mm至10mm。

部分30与碳元件19完全重叠。因此，提供了碳纤维材料25和碳元件19之间的足够的附接区域。这确保了在传导雷击时电流的均匀分布。因此，当传递电流时，可以避免碳元件19和碳纤维材料25之间以及碳元件19和碳纤维材料25处的电弧形成，并且因此，可以防止分层。部分30优选地是菱形的。

在碳纤维材料25的两个侧边缘37、38之间测量的碳纤维材料宽度c在100-500mm之间，特别是200mm。碳元件19包括主延伸方向v（也称为第一主延伸方向），并且碳纤维材料25包括主延伸方向w（也称为第二主延伸方向），其中，主延伸方向v和主延伸方向w之间的角度α在30°和60°或者40°和50°之间，特别是45°。优选地，角度α也或者可替代地设置在边缘33和侧边缘38之间。侧边缘37、38平行于主延伸方向w延伸。

此外，三个碳纤维材料25、39、40彼此平行地设置。特别地，碳纤维材料25、39、40相同地设置并且被相同地附接到电导体22。碳纤维材料39被布置在碳纤维材料25旁边，其中，碳纤维材料25、39之间的距离b为小于500mm，小于400mm，小于300mm，或200mm。碳纤维材料40被布置在碳纤维材料39旁边，其中，距离b优选地也设置在碳纤维材料39、40之间。

电导体22的第一端41和最靠近该第一端41的碳纤维材料25之间的距离a为至少10mm，优选地在100mm和500mm之间。此外，电导体22还包括端部部分42，该端部部分42包括电导体22的第二端43。优选地，端部部分42具有在200mm和300mm之间或更长的长度i。

与电导体22的其余部分44相比，端部部分42可被设置为更柔性的部分。优选地，端部部分42是柔性部件。特别地，这意味着在预制的碳元件19、特别是翼梁帽的铸造期间，端部部分42保持干燥，以便有助于在叶片组装期间与避雷导体21（参见图3）的电连接。最靠近的碳纤维材料40与端部部分42之间的距离h优选地在100和500mm之间。

侧边缘33和侧边缘35之间的距离f优选地在100mm和1000mm之间、在300mm和800mm之间，或者在500mm和700mm之间，特别是正好为600mm，其优选地是碳元件19的宽度。

此外，电导体22包括宽度g，该宽度g优选地在10mm和200mm之间，在20mm和70mm或者20mm和40mm之间，特别是正好为30mm。优选地，电导体22是具有扁平形状、即具有扁平剖面的线缆，以便在制造期间在与碳纤维材料25、39、40的界面处具有良好的压力分布。优选地，电导体22具有矩形剖面（未示出）。

特别地，碳元件19和电导体22借助于正好两个、三个或四个碳纤维材料30、39、40（图4中仅示出了三个）来电连接。电导体22优选地是由铝、铜、钢和/或钛制成的金属导体，例如编织电缆或金属条，该金属导体在大表面上接触碳纤维材料25、39、40。

尽管已根据优选实施例描述了本发明，但是对本领域技术人员而言显而易见的是，在所有实施例中修改都是可能的。例如，腹板18（参见图3）可具有框架形的剖面。特别地，另一电导体可被设置在表面16处，该另一电导体借助于如上所述的碳纤维材料来连接到碳元件20。附加地或替代地，若干电导体可被设置在表面15处，这些电导体沿方向l并排布置，并且借助于如上所述的碳纤维材料来连接到碳元件19。