CN103925169B - 风力涡轮机转子叶片除冰装置 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种风力涡轮机转子叶片（2）的除冰装置（1），所述除冰装置（1）包括：导电垫（10）；导电带（11），所述导电带（11）用于使电流沿所述垫（10）的第一边缘分布；和电流源连接器（12），所述电流源连接器（12）用于将所述带（11）连接到电流源（13）；其中，至少所述导电垫（10）嵌入所述转子叶片（2）的主体中。本发明还描述了一种风力涡轮机（3），其包括：若干个转子叶片（2），所述转子叶片（2）包括这种除冰装置（1）；以及用于连接到所述转子叶片（2）的除冰装置（1）的电流源（13）。本发明还描述了一种将除冰装置（1）并入风力涡轮机转子叶片（2）中的方法。

Description

风力涡轮机转子叶片除冰装置

技术领域

本发明描述了一种风力涡轮机转子叶片的除冰装置、一种风力涡轮机以及一种将除冰装置并入风力涡轮机转子叶片中的方法。

背景技术

在寒冷条件期间，冰会积累在风力涡轮机的转子叶片上。这种冰的沉积物或者冰层对于风力涡轮机的性能会具有不利影响，因为它们改变了叶片的空气动力学性质。转子叶片上的冰的累积重量还会导致风力涡轮机的不期望的负载。因此，已经进行了一些工作来避免冰的积累，或者融化已经形成在转子叶片上的冰沉积物。在一种方法中，将导电纤维（例如碳纤维）的垫施加到事先制造且抛光的转子叶片。当电流源的电极被连接到该垫的相对端时，流过该垫的电流将纤维加热并且防止冰的积累，或者使得已有的冰层融化并滑落。

与已知方法相关的问题是其难以形成纤维垫和电流源电极之间的可靠电连接。由于诸如叶片振动、极端温差、阳光导致的材料退化、高湿度引起的腐蚀等等之类的不可避免的动态影响，已知的连接装置迟早会失效，这是因为除冰垫安装到叶片的外部上并且从而暴露于所有的天气条件。此外，对于布置在叶片外表面上的垫而言，用于将其连接到电流源的任何金属部件可充当吸引器，并且在雷击期间可能产生从雷电防护装置到这种金属部件的闪络（flashover），或者该金属部件自身可能被雷击。结果，该已知方法在雷击期间易于损坏。

发明内容

因此，本发明的一个目的在于提供一种更可靠的方式来处理风力涡轮机转子叶片上的冰沉积物。

此目的由本申请的除冰装置，由本申请的风力涡轮机以及由本申请的将除冰装置并入风力涡轮机转子叶片中的方法来实现。

根据本发明，一种风力涡轮机转子叶片的除冰装置包括：导电垫；导电带，所述导电带用于使电流沿所述垫的第一边缘分布；和电流源连接器，所述电流源连接器用于将所述带连接到电流源；其中，至少所述导电垫嵌入所述转子叶片的主体中。

风力涡轮机叶片通常由玻璃纤维制成，并且通常通过如下方式模制而成：将玻璃纤维垫的“敷成层（layup）”布置在芯部、心轴或其他内部成型件周围，将整个敷成层封闭在模具中，并且进行抽真空以抽吸液体树脂穿过玻璃纤维层。已知该过程的多种变体，此处无需详细说明。因此，在不以任何方式限制本发明的情况下，这里可以假设转子叶片由玻璃纤维制成并且使用适当的技术模制而成。用于浸透玻璃纤维的树脂还确保光滑的外表面。因此，在根据本发明的除冰装置中，至少导电垫嵌入叶片的主体中，从而其被树脂覆盖。当然，该除冰装置可被并入转子叶片的主体中，从而除了树脂覆盖层之外，其还被玻璃纤维层覆盖。根据本发明的除冰装置的优点在于易于损坏的导电垫被妥善地保护而免于不利的外部影响（例如，湿度、极端温度、紫外辐射等等），而依然是高效的。此外，由于树脂是有效的电绝缘体，显著地降低了除冰装置在雷暴期间损坏的可能性，也显著地降低了来自雷电防护系统的吸引器的闪络的可能性。

根据本发明，一种风力涡轮机包括：若干个此类转子叶片（通常三个），以及用于连接到转子叶片的除冰装置的电流源。

根据本发明的风力涡轮机的优点在于可以用相对极小的努力来避免转子叶片上的冰的积累，从而即使在非常冷的条件下也能够维持风力涡轮机的能量输出。还能够延长转子叶片的寿命，这是因为能够最小化由于冰沉积物造成的破裂或其他损坏的可能性。

根据本发明，将除冰装置并入风力涡轮机转子叶片中的方法包括如下步骤：将导电垫布置在转子叶片敷成层上；将导电带沿所述垫的第一边缘布置；将电流源连接器布置在所述转子叶片敷成层中，所述电流源连接器被设置成将所述带连接到电流源；以及至少将所述导电垫嵌入所述转子叶片的主体中。

根据本发明的方法的优点在于转子叶片的制造成本可以保持相对低，因为除冰装置可以在常规制造程序中用相对极小的努力被并入。

本发明的特别有利实施例和特征由如以下描述中所揭示的从属权利要求给出。可以适当地将不同的权利要求种类的特征进行组合以提供本文中未描述的其他实施例。

可以以任何合适的方式，使用导电纤维或导线的任何能够在电流经过时散热的布置结构来实现导电垫。例如，可以通过对薄且窄的金属条进行点焊以得到格栅结构来形成垫。然而，优选材料可以是碳纤维，因为碳纤维垫是现成的并且能够被制作成有利地薄的层，其适合于在抽真空模制程序中嵌入转子叶片中。因此，在不以任何方式限制本发明的情况下，下面可以假设导电垫实质上包括碳纤维垫。还可以假设在抽真空模制程序中形成转子叶片，不过也不排除其他构造方法。

如上所述，在根据本发明的除冰装置中，导电垫完全地嵌入转子叶片的外表面下面，例如在树脂外“皮”下面或者甚至在玻璃纤维薄层下面。在本发明的另一实施例中，导电带和电流源连接器也嵌入转子叶片的材料中。这样，雷电被吸引到除冰装置的任何部件的可能性得以最小化。在本发明的另一实施例中，叶片内部的除冰装置的任何部件（例如，导电引线、紧固件的端部，等等）还可被绝缘材料覆盖。这样，能够有效地防止从（布置在叶片内部的）雷电导体到除冰装置的任何部件的闪络。

在风力涡轮机的操作期间，转子叶片的前缘经过非常冷的含有水分的空气。因此，在本发明的优选实施例中，导电垫被布置在转子叶片的前缘的两侧上。除冰装置的有效性在叶片的该部分处是最佳的，因为冰趋向于主要形成在前缘上。

冰更有可能积累在沿转子叶片更远的区域处。因此，在本发明的优选实施例中，导电垫在转子叶片的长度的至少90%上延伸，从而除冰装置实际上延伸到叶片的尖部。

当电流流过导电垫的材料时，热量被耗散，因为垫的纤维呈现出相对高的电阻。因此，在本发明的特别优选实施例中，导电垫嵌入转子叶片外表面之下至多5.0 mm的深度，从而导电垫有利地靠近转子叶片的表面。这样，确保了到叶片外表面的非常有效的热传递。

电流源连接器可以以任何合适的方式连接到电流源。在本发明的优选实施例中，电流源连接器包括外部连接器部分和内部连接器部分，并且这些优选地被设置成牢固地紧固到一起使得在带、垫和电流源的电引线之间形成电连接。内部连接器部分可布置在叶片内部，从而其可连接到转子叶片的内部上的电引线。这些元件可被焊接到一起。然而，在本发明的优选实施例中，电流源连接器和内部连接器部分与电引线形成压力连接。这种类型的连接是牢固耐用的并且不需要使用可被焊接的金属。

优选地，内部连接器部分包括铝主体或者由铝合金形成的主体。这种材料具有有利的导电率，而且延展性足以与电引线形成有利的压力连接。可以在内部连接器部分中形成套管，并且可将（钢或铝）螺栓拧入套管中。可延展材料确保了紧密螺纹连接，其不会随着时间而变松。

电流源可以是电池或发电机，用于供应适当的电流水平。电流源可以根据需要供应直流或交流电流。

由纤维（例如碳纤维）制成的垫的电阻是相当高的，并且电流将总是寻找最小电阻的路径（即，通向相反电极的最直接路径）。因此，在本发明的特别优选实施例中，导电带沿导电垫的一个边缘布置，并且在导电带和导电垫之间形成压力连接。例如，螺纹紧固件可从外侧穿过带、垫和转子叶片主体拧入适当的对应部件（counterpart）中，从而带和垫被挤压到一起。这样，流过带的任何电流将会沿带基本均匀地散布，从而对于沿垫的该边缘的所有点，垫中的电势将会基本相同。

为了确保有利的压力连接，本发明的优选实施例包括如下步骤：将对应部件布置到导电带，使得诸如木螺钉的紧固件能够简单地拧入穿过各个层。例如，可以使用一条胶合板作为对应部件。胶合板可以容易地弯曲成形，使得可以以相对小的努力来实现这种压力连接。

如上所述，垫优选地嵌入转子叶片主体中，靠近外表面，使得热量可以有效地传递到转子叶片表面。因此，在本发明的另一优选实施例中，为了增加热传递的有效性，垫被设置成包括凸起“肿块”的布置。例如，可使用粗节纤维来编织所述垫。替代地，可以使用诸如焊料的导热导电材料向所述垫手动地施加低“肿块”。这种粗节或肿块能够增大此类点处的到表面的热传递的有效性，因为任何玻璃纤维层和/或树脂涂层在那些凸起元件上将会是最薄的。粗节或肿块的高度优选地被选择为使得转子叶片仍然能被形成为具有光滑外表面，即粗节或肿块不会导致转子叶片表面上的可察觉的不平整。

附图说明

根据结合附图考虑的以下详细描述，本发明的其他目的和特征将变得明显。然而，应理解的是附图仅仅是出于图示的目的而不是作为本发明的限制的定义而设计的。

图1是转子叶片的示意图，该转子叶片具有根据本发明一个实施例的除冰装置；

图2示出了图1的除冰装置的细节；

图3示出了图2的除冰装置的导电垫、导电带和电流源连接器之间的电连接的第一实施例；

图4示出了图2的除冰装置的导电垫、导电带和电流源连接器之间的电连接的第二实施例；

图5示出了具有除冰装置的实施例的转子叶片的切开图；

图6示出了经过图5的转子叶片的截面；

图7示出了根据本发明的风力涡轮机的实施例的示意图。

在附图中，相同的参考标号自始至终指示相同的物体。图中的物体不一定按比例绘制。

具体实施方式

图1是转子叶片2的示意图，该转子叶片2具有根据本发明一个实施例的除冰装置1。转子叶片2具有滚圆的前缘20和平的、相对薄的后缘21。该示意图示出了导电垫10嵌入叶片且被外树脂“皮”覆盖。整个除冰装置以这样的方式嵌入，使得它的部件均没有暴露于这些元件。该示意图还示出了由电池表示的电流源13，其两个电极借助于引线130、131连接到垫10的相对端部，引线130、131在叶片2的主体内延伸，如虚线所示。除冰装置1嵌入叶片2中，使得垫10沿前缘20放置。

图2切开图，示出了前一幅图的除冰装置1的细节。连接器12穿过转子叶片2的导电带11、导电垫10和玻璃纤维层200。如下面将要更详细说明的，连接器12在电流源引线130（在叶片2的内部，由虚线表示）和导电垫10之间形成电连接。连接器12实际上在连接器12内的点将导电带11压到垫10。进而，通过一系列紧固件110在沿导电带11的几个其他点将导电带11牢固地压到垫10，从而（经由电流源引线130和连接器12）流入导电带11的任何电流沿导电垫10的外边缘基本均匀地分布。在叶片制造过程完成之后，至少垫10和带11将会被树脂层210覆盖。当然，连接器12和紧固件110也可被树脂层210覆盖。它们的尺寸在附图中放大，仅仅是为了清楚地示出它们的位置。

图3示出了图2的除冰装置的导电垫10、导电带11和电流源引线130之间的电连接的第一实施例。这里，连接器包括螺栓120，螺栓120具有杆，该杆穿过导电带11、导电垫10和叶片的玻璃纤维主体200并且被固定在叶片内的螺母122中。电流源引线130被压在叶片主体200和螺母122之间，使得形成了通过螺母122和螺栓120并进入垫10和带11的用于电流的电路径。带11和垫10之间的垫片121还改善了电流分布。螺母122和螺栓120之间的紧密连接确保了部件之间的可靠电连接。螺栓120、垫片121、带11和螺母122均可由合适的导电且耐腐蚀的材料制成，例如铝或铝合金。

图4示出了图2的除冰装置1的导电垫10、导电带11和电流源引线130之间的电连接的第二实施例。这里，连接器包括中间部件123，其被成形为提供硬且导电主体，电流源引线130可被压靠中间部件123。而且这里，螺栓杆穿过导电带11和导电垫10，并且被固定在螺母122’中。因此，电流源引线130被压在中间部件123和螺母122之间，使得形成了用于电流的更佳路径，这是因为中间部件123相比转子叶片的玻璃纤维200能够更好地承受变形。中间部件123也可由铝、铝合金或者任何其他合适的导电金属制成。

图5示出了转子叶片的一部分的切开图，示出除冰装置的一些部分嵌入转子叶片2中，位于外树脂层210下面。该图示出了导电垫10被布置成覆盖在转子叶片的前缘上，并且示出两个电流源引线130、131被布置在叶片内部。这些可以是导电材料的平带，例如编织铜条。优选地，电流源引线130、131被绝缘层覆盖以避免来自雷电防护系统的部件的任何闪络。例如，电流源引线130、131也可在模制过程期间嵌入树脂层下面，或者可被包封在合适的塑料或其他绝缘层中。导电带11沿垫10的边缘布置，垫10的该边缘将要借助于第一电流源引线130被连接到电压源的正极。第二连接器可在垫10的相对端和另一电流源引线131之间形成电连接，该另一电流源引线131被连接到电压源的负极。第二导电带11可沿垫10的该相对端布置，但是这不是严格必需的。

图6示出了经过转子叶片2的截面，示出了导电带11如何在若干个点被压到垫10。在该实施例中，柔性的木质件（例如胶合板的条111）被布置在转子叶片2的内部上，以对应于外部上的导电带11的位置。具有螺纹的木螺钉110穿过导电带11和垫10并进入木质对应部件111，并且被充分地收紧以将带11和垫10压到一起，从而得到有效的电流路径。

作为这里示出的使用螺母122和胶合板条111将螺栓120和紧固件110固定就位的替代，也可以形成定制的楔子或马蹄形导电元件。这可以被成形为在前缘的区域内配合到转子叶片的内部中，并且延伸到对应于带11的长度。这种导电元件可具有套管，从而螺栓120可被拧入其中，以及螺栓（而不是木螺钉）的其他套管。同样，导电元件的材料可以足够软（例如，铝），从而木螺钉110能够直接拧入。

可以在抽真空过程之前进行所有的准备步骤：将垫10布置在玻璃纤维敷成层200上，使用木螺钉111将带11固定就位，将电源引线布置在敷成层200的内部上，以及将电源引线130连接到垫10。一旦已经执行了所有这些步骤，则可以执行抽真空，从而导致除冰装置的部件10、11、12、110被树脂涂层210覆盖。替代地，除冰装置可被施加到部分完成的叶片的玻璃纤维主体，并且可以手动地施加最终树脂涂层以覆盖垫10和任何连接器12、紧固件110和带11。

图7示出了根据本发明的风力涡轮机3的实施例的示意图，风力涡轮机3具有三个转子叶片2，每个具有连接到电流源13的除冰装置1。可以在风力涡轮机3中以任何合适方式来实现电流源13，例如事先用过剩能量进行充电的电池。在非常冷的条件期间，除冰装置1的垫10中所耗散的热量能够防止冰积累在转子叶片2上，尤其沿着叶片2的前缘20，和/或能够融化已经形成的任何冰沉积物。

虽然已经以优选实施例及其变体的形式公开了本发明，但将理解的是在不脱离本发明的范围的情况下可以对其进行许多另外的修改和变更。例如，作为使用布置在前缘周围且延伸到转子叶片相对侧上的单个宽垫的替代，可以将三个或更多个垫以平行方式布置，分隔开一定距离并且使用导电带电连接。由每个垫耗散的热量能够足以确保冰不会在垫之间的区域中在转子叶片上积累。这样，能够实现更加经济的除冰装置。

为了明了起见，应理解的是遍及本申请使用的“一”或“一个”并不排除复数，并且“包括”不排除其他步骤或元件。

Claims (12)

1.一种风力涡轮机转子叶片（2）的除冰装置（1），所述除冰装置（1）包括：

被编织的导电垫（10）；

导电带（11），所述导电带（11）用于使电流沿所述垫（10）的第一边缘分布；

电流源连接器（12），所述电流源连接器（12）用于将所述带（11）连接到电流源（13）；

其中所述除冰装置（1）包括在所述导电带（11）和所述导电垫（10）之间形成的压力连接，并且其中，至少所述导电垫（10）嵌入所述转子叶片（2）的主体中，其中所述垫（10）包括导电且导热纤维的布置结构以及被施加到导电纤维的导热凸起元件的布置结构，从所述导电垫（10）的表面突出的导热凸起元件的高度被选择为使得所述转子叶片（2）仍然被形成为具有光滑外表面。

2.根据权利要求1的除冰装置，其中，所述导电带（11）和所述电流源连接器（12）至少部分地嵌入所述转子叶片（2）的材料中。

3.根据权利要求1或权利要求2的除冰装置，其中，所述导电垫（10）被布置在所述转子叶片（2）的前缘（20）的两侧上。

4.根据权利要求1或权利要求2的除冰装置，其中，所述导电垫（10）在所述转子叶片（2）的长度的至少90%上延伸。

5.根据权利要求1或权利要求2的除冰装置，其中，所述导电垫（10）嵌入所述转子叶片（2）的外表面之下至多5.0 mm的深度。

6.根据权利要求1或权利要求2的除冰装置，其中，所述电流源连接器（12）包括内部连接器部分（122，122’，123），所述内部连接器部分（122，122’，123）用于连接到所述转子叶片（2）的内部上的电流源引线（130，131）。

7.根据权利要求6的除冰装置，其中，所述电流源连接器（12）包括外部连接器部分（120），所述外部连接器部分（120）用于将所述电流源引线（130，131）连接到所述内部连接器部分（122，122’，123）。

8.根据权利要求6的除冰装置，其中，所述内部连接器部分（122，122’，123）包括铝主体（122，122’，123）。

9.一种风力涡轮机（3），包括：若干个转子叶片（2），所述转子叶片（2）具有根据权利要求1至8中任一项的除冰装置（1）；以及用于连接到所述转子叶片（2）的除冰装置（1）的电流源（13）。

10.一种将根据权利要求1至8中任一项的除冰装置（1）并入风力涡轮机转子叶片（2）中的方法，所述方法包括如下步骤：

将导电垫（10）布置在转子叶片敷成层（200）上，其中所述垫（10）包括导电且导热纤维的布置结构以及被施加到导电纤维的导热凸起元件的布置结构；

将导电带（11）沿所述垫（10）的边缘布置；

将电流源引线（130，131）布置在所述转子叶片敷成层（200）中，所述电流源引线（130，131）被设置成将所述带（11）连接到电流源（13）；以及

至少将所述导电垫（10）嵌入所述转子叶片（2）的主体中。

11.根据权利要求10的方法，包括步骤：在所述导电带（11）和所述导电垫（10）之间的多个点处形成压力连接。

12.根据权利要求11的方法，包括步骤：将对应部件（111）布置到所述导电带（11）以容纳若干个紧固件（110），从而形成所述导电带（11）和所述导电垫（10）之间的压力连接。