CN102261310A - 具有防雷电导电掺杂涂层的风力涡轮机叶片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有防雷电导电掺杂涂层的风力涡轮机叶片及其制造方法，具体地，提供一种风力涡轮机叶片，其具有带基底材料的基体和带涂层材料的基体的至少一个涂层，其中所述涂层材料包括具有导电颗粒的复合材料。风力涡轮机叶片的特征在于复合材料包括玻璃纤维。优选地，玻璃纤维形成玻璃纤维垫。此外，本发明提供制造这种风力涡轮机叶片的方法。该方法包括下述步骤：a）提供所述风力涡轮机叶片的所述基体；以及b）在所述基体的表面上施加所述涂层。最终的风力涡轮机叶片包括有效且可靠的防雷电系统。由于涂层的低阻抗，所以闪电电流被引导到与涂层相连的闪电接收器。减少了由闪击所造成的对风力涡轮机的基体的毁坏的可能性。
Description
技术领域
本发明涉及具有导电掺杂涂层的风力涡轮机叶片，其中该涂层用于风力涡轮机叶片的防雷电。此外，还描述了制造该风力涡轮机叶片的方法。
背景技术
风力涡轮机叶片的叶片材料可能因为闪击（例如由先导闪击和返回闪击组成）而被毁坏，其中该材料例如是GFRP（玻璃纤维增强聚合物）。因此，风力涡轮机叶片通常具有防雷电系统。
防雷电系统由叶片的叶片表面处的闪电接收器构成。在叶片内部，存在导体，其导电材料连接到接收器。经由所述导体，由被引入接收器内的直接闪击导致的闪电电流能够被转移。
接收器的面积受到限制，从而导致了与整个叶片表面（例如100平方米）相比，针对闪击具有相对小的安全接触表面（几平方厘米）。由于该事实，将闪击引导到闪电接收器内的可能性相对较小。因此，不能够避免由闪击导致的进入叶片表面内的对叶片材料的击穿。
DE 10 2006 044 323 A1公开了具有特殊防雷电系统的风力涡轮机叶片。其中，该风力涡轮机叶片具有带基底材料的基体和带涂层材料的基体涂层。涂层材料包括复合材料。复合材料的主要材料是陶瓷材料。导电颗粒分布在该陶瓷材料中。导电颗粒包括铁。
当旋转风力涡轮机叶片时，风力涡轮机叶片发生振动。由于陶瓷材料的脆性，从DE 10 2006 044 323 A1所知的涂层的机械剥落的可能性相对较高。防雷电系统的可靠性被降低。
发明内容
本发明的目标是提供与已知的现有技术相比具有有效且更可靠的防雷电系统的风力涡轮机叶片。
本发明的另一目标是提供制造这种风力涡轮机叶片的方法。
这些目标是通过权利要求中所述的发明来实现的。
本发明提供一种风力涡轮机叶片，其具有带基底材料的基体和带涂层材料的基体的至少一个涂层，其中涂层材料包括具有导电颗粒的复合材料。风力涡轮机叶片的特征在于复合材料包括玻璃纤维。优选地，玻璃纤维形成玻璃纤维垫。玻璃纤维垫被使用。风力涡轮机叶片的涂层是被导电掺杂的。优选地，导电颗粒包括例如铜或银的高导电金属。也可以使用其他金属，例如铁、锑或包含不同金属的合金。颗粒的平均直径范围从纳米到毫米。优选地，颗粒的直径选自从10μm至500μm的范围。
此外，本发明提供了制造这种风力涡轮机叶片的方法。该方法包括下述步骤：a）提供风力涡轮机叶片的基体；以及b）在所述基体的表面上施加涂层。在优选实施例中，施加涂层包括在基体的表面上施加玻璃纤维。之后，将施加由复合材料构成的主要材料（或主要材料的前体材料）。还可以同时施加玻璃纤维和由复合材料构成的主要材料。此外，在第一步中，主要材料可以被施加在基体的表面上。之后，可以施加玻璃纤维。
在优选实施例中，复合物中的导电颗粒的颗粒百分比选自从复合物的20wt%（重量百分比）至复合物的50wt%的范围，并且具体地从复合物的25wt%至复合物的40wt%的范围。具体而言，还可以是更高的颗粒百分比。在另一优选实施例中，涂层所具有的涂层厚度选自从50μm至500μm的范围。例如，涂层厚度是100μm。这导致具有大载流量的灵活性涂层。
通过使用玻璃纤维，风力涡轮机叶片的基体的涂层比上述现有技术中的涂层具有更大的灵活性。减少了由于风力涡轮机叶片的振动所造成的机械剥离的可能性。同时，由于导电颗粒的原因，涂层可以用作闪击的有效防护层。风力涡轮机叶片的基体的基底材料（例如聚合物材料）的阻抗比涂层材料的阻抗要大很多。因此，能够经由涂层来引导闪电电流。闪电电流不被引导通过风力涡轮机叶片的基体。因此，与不具有这种涂层的风力涡轮机叶片的击穿可能性相比，减小了具有这种涂层的风力涡轮机叶片的击穿可能性。
由于涂层的低阻抗，优选地是导电颗粒的至少一部分彼此接触。这导致了导电颗粒之间的高导电的接合。
在优选实施例中，玻璃纤维包括环氧树脂涂层。玻璃纤维由环氧树脂涂覆。玻璃纤维的表面由环氧树脂覆盖。例如，在基体的表面上施加玻璃纤维之前或之后，玻璃纤维被浸渍有环氧浇铸树脂。与具有无环氧树脂涂层的玻璃纤维的基体涂层相比，玻璃纤维的环氧树脂涂层导致基体的涂层具有更大灵活性。此外，玻璃纤维的环氧树脂涂层改进了玻璃纤维和基体的表面之间的结合，且因而改进了涂层和基体的表面之间的结合。这导致了坚固的组件。
在另一优选实施例中，环氧树脂涂层包括导电颗粒。使用带有包括导电颗粒的环氧树脂涂层的玻璃纤维。从而，导电颗粒能够选择性地分布在复合物内。例如，在玻璃纤维垫上施加环氧树脂之后，导电颗粒被沉积在未固化树脂上。沿相应地由玻璃纤维和玻璃纤维垫所提供的结构来设置导电颗粒。
考虑到需要进一步增强风力涡轮机叶片的坚固性，优选地是复合材料包括基体的基底材料。这样减小了基底材料和复合材料之间的热失配（thermal mismatch）。提高了组件的结构稳定性。
在优选实施例中，基底材料包括GFRP。风力涡轮机叶片的基底材料包括玻璃纤维。因为玻璃纤维也用于风力涡轮机叶片的基体的涂层，所以导致了非常稳定的组件。
在优选实施例中，风力涡轮机叶片的基体的涂层被电连接到闪电接收器。因而，风力涡轮机叶片的基体的涂层和闪电接收器能够被直接设置于彼此。可替代地，在涂层和闪电接收器之间设置至少一个分流器。分流器将闪电电流从涂层引导到闪电接收器。此外，能够通过涂层来实现分流器。
附图说明
参考附图通过对示例性实施例的描述公开了本发明的其他特征和优点。
图1示出了具有导电掺杂涂层的风力涡轮机叶片的第一实施例的侧切细节。
图2示出了具有导电掺杂涂层的风力涡轮机叶片的第二实施例的侧切细节。
图3示出了从顶部相应地观察第一实施例的细节和第二实施例的细节。
具体实施方式
给出了风力涡轮机叶片1。风力涡轮机叶片1具有基体11。基体的基底材料包括GFRP。
在基体的表面111上设置有涂层12。涂层的涂层材料包括复合材料。复合材料包括（未示出的）玻璃纤维垫和导电颗粒13。玻璃纤维被环氧树脂涂覆。导电颗粒的颗粒材料是银。颗粒的平均直径是大约100μm。风力涡轮机叶片的叶片材料是GFRP。
风力涡轮机叶片1具有防雷电系统。这个防雷电系统包括被一体形成到风力涡轮机叶片1内的闪电接收器2。闪电接收器2的接收器表面211和由涂层12形成的风力涡轮机叶片1的叶片表面101彼此齐平。
闪电接收器2由包含金属的单件制成，该金属作为接收器材料。闪电接收器2被连接到包括叶片1的导电材料的内导体21。
闪电接收器和涂层彼此电连接。为了良好地引导由闪击所导致的闪电电流的流动，在涂层和闪电接收器之间设置了分流器3。
在第一实施例（图1）中，大块金属被设置在涂层和闪电接收器之间以便形成分流器。在第二实施例（图2）中，分流器由复合材料的导电颗粒形成。通过导电颗粒的致密化来实现分流器的较高导电性。
在闪电电击涂层的情况下，所引起的闪电电流经由分流器被引导到闪电接收器。由于与涂层的涂层材料相比，风力涡轮机叶片的基体的基体材料具有更高阻抗，因此不会击穿基体。因此，减少了毁坏风力涡轮机叶片的可能性。
为了制造风力涡轮机叶片，实施下述步骤：a）提供风力涡轮机叶片的基体；以及b）在基体的表面上施加涂层。
施加涂层包括在基体的表面上施加玻璃纤维垫。玻璃纤维垫和风力涡轮机叶片的基体被放在一起。所用的玻璃纤维垫的玻璃纤维被涂覆有环氧树脂。因此，玻璃纤维垫被环氧浇铸树脂所浸渍。玻璃纤维的环氧树脂涂层包括导电颗粒。因此，在使用环氧树脂浸渍玻璃纤维之后，导电颗粒被沉积在被浸渍的玻璃纤维上。
Claims (14)
1.一种风力涡轮机叶片，具有
具有基底材料的基体（11）；以及
具有涂层材料的所述基体的至少一个涂层（12），
其中
所述涂层材料包括具有导电颗粒（13）的复合材料，
其特征在于
所述复合材料包括玻璃纤维。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其中所述玻璃纤维形成玻璃纤维垫。
3.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机叶片，其中所述导电颗粒在复合物中的颗粒百分比选自从20wt%至50wt%的范围并且具体地选自从25wt%至40wt%的范围。
4.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中所述涂层具有从50μm至500μm的范围中选择的涂层厚度。
5.根据权利要求1或权利要求4所述的风力涡轮机叶片，其中所述导电颗粒的至少一部分彼此接触。
6.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中所述玻璃纤维包括环氧树脂涂层。
7.根据权利要求5所述的风力涡轮机叶片，其中所述环氧树脂涂层包括导电颗粒。
8.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中所述复合材料包括所述基体的基底材料。
9.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中所述基底材料包括GFRP。
10.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中所述涂层被电连接到闪电接收器。
11.一种制造根据权利要求1至权利要求9中任一项所述的风力涡轮机叶片的方法，该方法包括下述步骤：
a）提供所述风力涡轮机叶片的所述基体；以及
b）在所述基体的表面上施加所述涂层。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述施加所述涂层包括在所述基体的所述表面上施加玻璃纤维。
13.根据权利要求8或9所述的方法，其中使用具有环氧树脂涂层的玻璃纤维。
14.根据权利要求11所述的方法，其中使用具有带所述导电颗粒的环氧树脂涂层的玻璃纤维。
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