CN102822517A

CN102822517A - 将加热垫固定到风力涡轮机叶片

Info

Publication number: CN102822517A
Application number: CN2010800661589A
Authority: CN
Inventors: S.O.林德; F.D.马德森; K.席布斯拜
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy
Priority date: 2010-04-12
Filing date: 2010-09-16
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2030-09-16
Also published as: EP2526292B8; WO2011127995A1; US9341164B2; EP2526292B1; DK2526292T3; CA2795982C; US20130195661A1; EP2526292A1; CA2795982A1; CN102822517B

Abstract

本发明描述一种用于风力涡轮机的叶片（100）。所述叶片（100）包括：用于产生热量的至少一个加热垫（101），其中，所述加热垫（101）被安装在所述叶片（100）的外表面（104）处。所述叶片（100）进一步包括从所述叶片（100）的内部空间（103）延伸到所述叶片（100）的外表面（104）的至少一个通孔（102）。所述叶片（100）进一步包括至少一个导电元件（105），其中，所述导电元件（105）电耦接到所述加热垫（101）。所述导电元件（105）插入所述通孔（102）中，以便在所述内部空间（103）和所述外表面（104）之间产生电连接。

Description

将加热垫固定到风力涡轮机叶片

技术领域

本发明涉及一种用于风力涡轮机的叶片以及制造用于风力涡轮机的具有加热系统的叶片的方法。

背景技术

风力涡轮机的任意暴露部分上都可能会结冰并且会导致风力涡轮机性能下降。此外，例如当冰在一个或多个风力涡轮机转子叶片上积累时，会发生由于不均匀的叶片结冰导致的过度振动问题。这又会在风力涡轮机组件上产生过大的机械负荷，最终导致风力涡轮机停止运转或风力涡轮机故障。

因而，需要通过除冰系统或通过加热系统避免或去除位于风力涡轮机叶片上的冰。特别地，已知可使用一种附接到叶片外表面的电加热器。

该加热器通过电线与电源和控制单元连接。由于导体沿叶片外表面延伸到加热位置，因此该电线容易被雷击损坏。特别地，还需要加热叶片梢端，因此，在常规加热系统中，导体必须从梢端延伸到叶片的根部端。特别地，在叶片的梢端区域，延伸到加热器的导体被雷击的风险很大。

发明内容

本发明的目的是要提供一种具有坚固的加热系统和合适的电连接的用于风力涡轮机叶片的加热器。

此目的由独立权利要求所述的用于风力涡轮机的叶片和制造用于风力涡轮机的具有加热系统的叶片的方法实现。

根据本发明的第一方面，提出了一种用于风力涡轮机的叶片。所述叶片包括用于产生热量的至少一个加热垫，其中，所述加热垫被安装到叶片，例如安装到叶片叠层结构内的叶片外表面或安装到叶片的内部空间。此外，叶片包括沿叶片内部空间延伸到叶片外表面的至少一个通孔。此外，叶片包括至少一个导电元件，其中，所述导电元件电耦接到所述加热垫。导电元件插入通孔中，以便在叶片的内部空间和外表面之间产生电连接。

根据本发明的另一方面，提出了一种制造用于风力涡轮机的具有加热系统的叶片的方法。在所述叶片的外表面处安装有用于产生热量的至少一个加热垫。在所述叶片中形成有至少一个通孔，其中所述通孔从所述叶片的内部空间延伸到所述叶片的所述外表面。将至少一个导电元件插入所述通孔，以便在所述内部空间和所述外表面之间产生电连接。将所述导电元件电耦接到所述加热垫。

插入叶片通孔的导电元件可包括将叶片的内部空间连接到叶片外表面的套管、电缆、螺栓或其他导电元件。

加热垫大致形成为沿纵向方向延伸的扁平条状垫。纵向方向限定了在加热垫的两个端点之间的方向（具体是在两个端点之间平行于与叶片表面平行的平面的方向或距离），在所述两个端点之间限定了加热垫的长度。高度从加热垫的外表面竖直地（具体是平行于外叶片表面（的平面）的法线）延伸，并且加热垫的宽度是与长度成直角地横跨加热垫从一侧到另一侧测量的距离。该宽度比加热垫的长度短。该宽度可以为约25cm（厘米）到1.50m（米），优选为约55cm。加热垫的长度一般可以为叶片长度的二倍。加热垫可包括约60m至200m（米）的长度，优选为约90m。因此，叶片可以具有约30m至100m（米）的长度。加热垫的高度可以为约0.5mm（毫米）至1cm（厘米）。优选地，加热垫包括约400 g/m²至800 g/m²的纤维表面密度，尤其是约600 g/m²（克每平方米）的纤维表面密度。在沿纵向（延伸）方向的相对端上，形成第一端段和第二端段。电源输入和/或电源输出连接件可以附接到所述第一端段和第二端段。

通过电源端子可以施加100V AC至1000V（伏特）AC的电压。在叶片或风力涡轮机的静止状态下，400V AC的电压使得加热垫可以产生约10℃（摄氏度）的温度，并且650V AC至750V AC的电压可以产生约20℃至30℃的温度。但，这是可以依据所选择的加热垫表面密度和加热垫面积而改变的。在叶片的工作状态下，希望施加电压，以使加热垫沿温度约为2℃至4℃的叶片表面产生热量，从而具有适当的除冰作用。

通过本发明，由通孔中的导电元件将向加热垫供应的电力从叶片内引导到叶片外。因此，可以舍弃掉沿叶片表面的长的电力连接线。通孔可以形成在叶片中加热垫在外表面上所处的区域处，从而使得导电元件从加热垫直接穿过通孔延伸到叶片的内部区域，而不沿着叶片外表面延伸。

这具有降低电源损坏风险的技术效果。特别地，击中叶片的雷击会导致对沿叶片外表面延伸的导体造成损坏。通过本发明，在叶片内形成通孔，从而减少了连接器沿叶片外表面的延伸，并由此降低了沿外表面的导体被雷击击中的风险。

为了提供加热垫与电源的电耦接，可以在叶片中形成多个通孔，其中插入有导电元件。因此，形成了与加热垫的多个电连接。例如，能够在每个通孔中耦接与导电元件或电力电缆连接的单独的电力输入和电力输出连接。更进一步地，可概括出，在一个示例性实施例中，多于一个的加热垫也能够安装到叶片，这些加热垫电耦接到通孔中各自的耦接单元。

根据另一示例性实施例，加热垫包括用于产生热量的（导电）碳纤维。碳纤维很坚固，从而可以降低由雷击导致损坏的风险。此外，加热垫的碳纤维可被柔性地编织，因而可适应待被加热的叶片的要求。例如，可能有益的是，沿叶片前缘设置密度较大的编织碳纤维，从而使得在此前缘区域中产生更多的热。替代性地或额外地，加热垫还可以由其他导电材料制成，其他导电材料诸如金属（如铜纤维）或导电合成材料。

根据另一示例性实施例，叶片进一步包括根部端段，其具有用于将叶片固定到风力涡轮机轮毂的固定部件。所述通孔形成在根部端段中。

根部端段中的固定部件是例如将叶片固定到风力涡轮机叶片的保持器（轮毂）的固定螺栓。根部端段位于叶片梢端相对于叶片的纵向方向的相对侧上。特别地，根部端段可以描述从根部端开始沿叶片纵向方向延伸的叶片的第一半。特别地，根部端段可以限定从叶片根部端开始沿朝向梢端的纵向方向延伸叶片的三分之一、四分之一、五分之一。特别地，例如，根部端段可以限定沿朝向叶片梢端的纵向方向从根部端延伸约1m、2m、5m、10m或20m的叶片段。

根据另一示例性实施例，导电元件包括从所述外表面突起的外段和延伸到所述内部空间中的内段。导体可以固定到内段，以便将来自电源的电力供应到导电元件，并且其中，所述加热垫电连接到外段。

导电元件例如是附接到叶片内表面的电缆或条状导体。导电元件可以与附接在叶片内或风力涡轮机外壳内的电源连接。因此，通过利用例如导电元件和电源之间的滑环连接，可以实现转动的叶片和外壳元件之间的电力连接。

通过本示例性实施例，导体在叶片内部空间的内侧分别延伸到通孔以及延伸到插入所述通孔的导电元件。因此，用于供电的导体位于叶片内部，从而不需要导体在叶片外表面上进行长的延伸。因此，降低了被雷击击中的风险。

根据另一示例性实施例，导电元件包括导电螺栓。导电螺栓以下述方式固定到通孔，即：在导电螺栓的螺栓头和所述外表面之间夹住加热垫，以便产生导电夹持连接。

螺栓可包括具有夹持螺母的螺钉。此外，螺栓可包括一体形成的螺栓头或垫片，用于增加例如垫片和加热垫之间的夹持面积。

因此，通过在导电元件和加热垫之间产生导电夹持连接，不需要在加热垫中设置例如连接孔。通过夹持连接，实现了加热垫和电源之间的简易连接。

根据另一示例性实施例，叶片包括导电片。导电片通过导电螺栓安装到所述外表面且与所述加热垫电耦接。导电片可以增加螺栓和加热垫之间的接触面积和夹持面积。因此，可以实现适当的电和机械连接。

根据另一示例性实施例，叶片进一步包括固定在通孔内的导电套管。导电螺栓固定在导电套管中。因此，实现了效率提高的适当电连接。

根据另一示例性实施例，叶片进一步包括介于导电元件和加热垫之间的导电网。通过利用该导电网（例如金属网），在加热垫和导电元件之间产生了更大的接触面积。通过利用该导电网，增加了接触面积，而不会导致大的重量。特别地，导电网可以包覆在加热垫的端段周围并且部分地遮盖加热垫。因此，特别地，当通过夹持连接连接加热垫时，可以实现改进的电和机械连接。

导电网可包括钢、铝、铜或碳材料。

根据另一示例性实施例，叶片进一步包括粘合层，其用于用导电元件和加热垫产生叠层结构。因此，通过使用例如树脂作为用于形成粘合层的粘合剂，可以实现导电元件和加热垫之间稳固和坚固的连接，而不会在导电元件和加热垫之间产生负面影响。

根据另一示例性实施例，叶片进一步包括覆盖层，其中，所述覆盖层覆盖加热垫、导电元件和所述外表面，从而形成均匀的叶片外表面。

覆盖层使得叶片型面均匀光滑，从而使得空气动力学特征不会因为将加热垫固定到叶片外表面上而受到影响。此外，覆盖层可包括保护特性，从而使得可以实现坚固的叶片。覆盖层可包括例如玻璃纤维材料。

根据另一示例性实施例，加热垫包括第一端段和第二端段。所述第二端段限定了所述加热垫的沿所述加热垫纵向方向相对于所述第一端段的相对端段。所述叶片进一步包括位于所述外表面上的电力传送段。所述电力传送段包括用于向所述加热垫供电的通孔和导电元件。所述第一端段和所述第二端段位于所述电力传送段内并且与所述导电元件电连接。所述加热垫包括从所述第一端段延伸到所述电力传送段外部区域的第一段。所述加热垫包括第二段，其从所述电力传送段外部的区域延伸到所述电力传送段内的第二端段。

根据另一示例性实施例，所述加热垫被安装到叶片的外表面。加热垫包括具有第一端段的第一段和具有第二端段的第二段。所述第一端段和第二端段可电连接（例如通过电缆）到用于向加热垫供电的相应电源端子。第二端段限定了所述加热垫的沿加热垫纵向方向相对于第一端段的相对端段。所述第一段和第二段沿所述叶片的表面延伸为从第一端段到第二端段的一个或多个环。

此外，所述加热垫可包括在电力传送段外连接第一段和第二段的过渡段。

所述加热垫包括与叶片表面平面平行的延伸，其例如具有在与叶片表面的平面大致平行的平面内的半环形形状。加热垫从一个提供电源端子连接的通孔延伸到电力传送段外，并且在半环（例如具有约180度的弯曲）之后，加热垫从电力传送段外延伸返回电力传送段内，在该处，加热垫的第二端段最终连接到另一个用于提供与另一电源端子连接的通孔中的导电元件。加热垫在电力传送段外连接第一段和第二段的这一段就是过渡段。

通过本示例性实施例，提出了一种叶片，其包括形成半环和/或多个环的加热垫，其中，在一个共用的电力传送段中，第一端段和第二端段经由电源端子连接到电源。因此，电连接以及因而仅需的电线必须被施加在电力传送段处，而不是叶片的另一段（诸如梢端段）中。

这具有如下技术效果，即：除了通孔和加热垫的端段所位于的电力传送段外，沿叶片表面不需要安装和连接诸如电线之类的电连接。因此，降低了由雷击或其它物理冲击导致加热垫损坏的风险。

根据所述方法的另一示例性实施例，所述安装包括向加热垫和所述外表面加入粘合剂以形成叠层结构，以及固化所述粘合剂。

因此，在叶片的生产和制造过程中，加热垫和电连接被同时制造。特别地，加热垫可以附接到叶片外表面，并且，例如，通过真空树脂模塑或树脂传递模塑法，容易制造包括这些加热垫的叶片。

总之，通过本发明，电力从叶片内部空间通过通孔供应到附接有加热垫的叶片外表面。特别地，通过上文描述的发明，实现了（碳纤维）加热垫的良好电连接以及通过叶片通孔提供的电连接。

根据本发明，例如在叶片根部端段处包括电连接的一个（或多个）加热垫被例如机械地连接到通孔中的导电元件，或者例如通过真空压缩树脂模塑法附接到该导电元件。

通过本发明的示例性实施例，可以应用例如用于增加导电元件和加热垫之间夹持面积的导电网，从而实现低电阻的适当电连接。以此方式，在对叶片进行除冰期间节省了电能，从而使得加热更高效。

特别地，通过将用于提供电连接的通孔放置在叶片根端部分，降低了由雷击导致的损坏电连接的风险。

应该注意，已经参照不同主题描述了本发明的实施例。特别地，已经参照装置类权利要求描述了一些实施例，参照方法类权利要求描述了另一些实施例。然而，本领域技术人员将从以上和以下描述中总结出，除非另有注明，否则，除了属于同一类主题的特征的任意结合外，涉及不同主题的特征之间的任意结合，尤其是装置类权利要求的特征和方法类权利要求的特征之间的任意结合，也被认为被本申请公开。

附图说明

根据下文将要描述的实施例，上文限定的方面以及本发明的其它方面将变得明显，并且将参照实施例对它们进行解释。下面将参照实施例更详细地描述本发明，但是本发明不受限于这些实施例。

图1示出了本发明一个示例性实施例的示意图；

图2示意性地示出了根据本发明一个示例性实施例的用于导电元件的导体；

图3示意性地示出了根据本发明一个示例性实施例的在加热垫和导电元件之间的夹持连接；以及

图4示出了根据本发明一个示例性实施例的延伸为半环的加热垫的示意图。

具体实施方式

附图中的图示是示意性的。应该注意，在不同附图中使用了相同的附图标记来表示类似或相同的部件。

图1示出了风力涡轮机叶片100。叶片100包括用于产生热量的加热垫101，其中，加热垫101被安装在叶片100的外表面104。此外，示出了通孔102，其中，所述通孔102从叶片100的内部空间103延伸到叶片100的外表面104。此外，叶片100包括导电元件105，其中，导电元件105电耦接到加热垫101。导电元件105插入通孔100中，以在内部空间103和外表面104之间形成电连接。

如图1所示，导电元件105包括套管和/或螺栓，其中，套管和/或螺栓两者都是导电的。

在板100的内部空间103中，可以在叶片100内将导体106（如导体电缆）导引到电源。电源可以位于风力涡轮机的轮毂或外壳中，其中，通过滑环连接可以形成导体106与电源之间的电力连接。在叶片103的外表面104上，导电元件105（如螺栓）被连接到加热垫101的电力连接部。通孔102的位置靠近加热垫101的电力连接部，从而舍弃了沿外表面104从导体元件105延伸到加热垫101的导体，或者使得在外表面上的导体延伸长度很短。

图2示意性地示出了另一示例性实施例，其中，向叶片103钻出连接内部空间103和外表面104的通孔102。导体105（例如电缆）将加热垫101直接连接到电源。

通孔102可包括沿外表面104到加热垫101的例如约10cm、50cm、1m或2m（米）的距离。

图3示出了通过夹持连接被夹持到导电元件105的加热垫101。例如，导电元件105是包括螺栓头303的导电螺栓。在螺栓头303和加热垫101之间可以设置由某种材料制成的导电块和/或导电片304，以通过增加加热垫和导电片304之间的夹持面积来改进夹持连接。此外，通过增加夹持面积，也提高了导电元件105和加热垫101之间的导电性。导电元件105的外段301从外表面104突起。在导电元件105的外段301处，附接有夹持装置，例如导电片304或导电网305。导电元件105也向内部空间103突起，其中，导电元件105的该突起段形成了内段302。垫片或另一导电片可被附接到内段302。导体106被夹持到导电元件105的内段302。导体106延伸到电源。

通过图3的示例性实施例，加热垫101的一个端段（其优选位于叶片100的根部端段中）通过一个或多个导电元件105（如螺栓）与铜块（导电片304）和铜栅或网305夹持到一起。导电元件105（例如螺栓）从内部空间103穿过叶片100的通孔102延伸到外表面104。

加热垫101可以为例如碳纤维加热垫。例如，可以将加热垫101和导电网305及导电元件105压在一起。将凝固材料或粘合剂（例如环氧树脂或聚酯树脂）施加到叶片101上的加热垫101、导电网305和导电元件105。接着，将所有组件压在一起。通过真空去除凝固材料。在固化后，加热垫和其它组件牢固地附接到叶片101。由此形成叠层结构。

图4示出了延伸为半环路径的条型形状的加热垫101。加热垫101包括第一端段401和第二端段402。

加热垫101的第一端段401和第二端段402位于靠近叶片101根部端形成的电力传送段403内。在根部端中，安装有用于将叶片固定到风力涡轮机轮毂的固定元件408。为了形成与加热垫101的第一端段401和第二端段402的电连接，第一端段401被连接到导电元件105，第二导电元件402被连接到另一导电元件105。将多个导电元件105中的每个安装在叶片101的电力传送段403内多个通孔102中的各相应通孔中。导电元件105（如螺钉）可以延伸穿过通孔102，并且进一步将加热垫101连接和固定到叶片100。该螺钉是导电的并且与加热垫101形成电连接。螺钉可以拧到导电片304中，以便将加热垫101固定到叶片100。

在加热垫101的第一段404和第二段405之间保持一距离407，从而不会发生短路。用作绝缘材料的玻璃纤维可以插置在该距离407内。

在过渡段406中，第一段404横跨变成第二段405。因此，可以折叠加热垫101，以便实现加热垫101延伸路径的改变。在另一示例性实施例中，加热垫101的形状被弯曲，以便实现加热垫101延伸路径的改变。

端段401、402位于电力传送段403中用于提供电力连接的通孔102所处的位置处。因此，不需要沿叶片101外表面104的电线。仅需要在根部端区域中连接端段401、402。以此方式，由击中叶片的雷击导致的损坏加热垫101的风险较小。

应该注意，用语“包括”并不排除其它元件或步骤，表示英语不定冠词的用语“一”并不排除多个。此外，可以结合那些联系不同实施例描述的元件。还应该注意，权利要求中的附图标记不应被理解成限制了权利要求的范围。

附图标记列表

100 叶片

101 加热垫

102 通孔

103 内部空间

104 外表面

105 导电元件

106 导体

301 外段

302 内段

303 螺栓头

304 导电片

305 导电网

401 第一端段

402 第二端段

403 电力传送段

404 第一段

405 第二段

406 过渡段

407 第一段和第二段之间的距离

408 固定元件。

Claims

1. 一种用于风力涡轮机的叶片（100），所述叶片（100）包括：

用于产生热量的至少一个加热垫（101），其中，所述加热垫（101）安装在所述叶片（100）的外表面（104）处；

至少一个通孔（102），其从所述叶片（100）的内部空间（103）延伸到所述叶片（100）的所述外表面（104）；以及

至少一个导电元件（105），其中，所述导电元件（105）电耦接到所述加热垫（101），

其中，所述导电元件（105）插入所述通孔（102）中，以便在所述内部空间（103）和所述外表面（104）之间产生电连接。

2. 根据权利要求1所述的叶片（100），

其中，所述加热垫（101）包括用于产生热量的碳纤维。

3. 根据权利要求1或2所述的叶片（100），进一步包括：

根部端段，其具有用于将所述叶片（100）固定到所述风力涡轮机的轮毂的固定元件，

其中，所述通孔（102）形成在所述根部端段中。

4. 根据权利要求1至3之一所述的叶片（100），

其中，所述导电元件（105）包括从所述外表面（104）突起的外段（301）和延伸到所述内部空间（103）中的内段（302），

其中，一导体（106）能够被固定到所述内段（302），以便从电源单元向所述导电元件（105）供电，并且其中，所述加热垫（101）被电连接到所述外段（301）。

5. 根据权利要求1至4之一所述的叶片（100），

其中，所述导电元件（105）包括导电螺栓，

其中，所述导电螺栓以下述方式固定到所述通孔（102）中，即：在所述导电螺栓的螺栓头（303）和所述外表面（104）之间夹住所述加热垫（101），以便产生导电夹持连接。

6. 根据权利要求5所述的叶片（100），进一步包括：

导电片（304），

其中，所述导电片（304）通过所述导电螺栓安装到所述外表面（104），并且

其中，所述导电片（304）电耦接到所述加热垫（101）。

7. 根据权利要求5或6所述的叶片（100），进一步包括：

固定在所述通孔（102）内的导电套管，

其中，所述导电螺栓固定在所述导电套管中。

8. 根据权利要求1至7之一所述的叶片（100），进一步包括：

介于所述导电元件（105）和所述加热垫（101）之间的导电网（305）。

9. 根据权利要求1至8之一所述的叶片（100），进一步包括：

粘合层，用于用所述导电元件（105）和所述加热垫（101）产生叠层结构。

10. 根据权利要求1至9之一所述的叶片（100），进一步包括：

覆盖层，

其中，所述覆盖层覆盖所述加热垫（101）、所述导电元件（105）和所述外表面（104），从而形成所述叶片（100）的均匀外层。

11. 根据权利要求1至10之一所述的叶片（100），

其中，所述加热垫（101）包括第一端段（401）和第二端段（402），其中，所述第二端段（402）限定了所述加热垫（101）沿所述加热垫（101）的纵向方向相对于所述第一端段（401）的相对端段，

其中，所述叶片（100）进一步包括：

位于所述外表面（104）上的电力传送段（403），

其中，所述电力传送段（403）包括用于向所述加热垫（101）供电的所述通孔（102）和所述导电元件（105），其中，所述第一端段（401）和所述第二端段（402）位于所述电力传送段（403）内并且被电连接到所述导电元件（105），

其中，所述加热垫（101）包括从所述第一端段（401）延伸到所述电力传送段（403）外部区域的第一段（404），并且其中，所述加热垫（101）包括从所述电力传送段（403）外部区域延伸到所述电力传送段（403）内的所述第二端段（402）的第二段（405）。

12. 一种制造用于风力涡轮机的具有加热系统的叶片（100）的方法，所述方法包括：

在所述叶片（100）的外表面（104）处安装用于产生热量的至少一个加热垫（101）；

在所述叶片（100）中形成至少一个通孔（102），其中，所述通孔（102）从所述叶片（100）的内部空间（103）延伸到所述叶片（100）的所述外表面（104）；

将至少一个导电元件（105）插入所述通孔（102），以便在所述内部空间（103）和所述外表面（104）之间产生电连接；以及

将所述导电元件（105）电耦接到所述加热垫（101）。

13. 根据权利要求12所述的方法，

其中，所述安装包括：

将粘合剂添加到所述加热垫（101）和所述外表面（104），以形成叠层结构，并且固化所述粘合剂。