CN105856586B - 一种石墨烯电热膜风力机叶片结冰防护系统 - Google Patents

一种石墨烯电热膜风力机叶片结冰防护系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种石墨烯电热膜风力机叶片结冰防护系统，采用石墨烯环氧玻纤层合板结构：在模具表面铺设叶片外蒙皮铺层，在叶片外蒙皮铺层表面涂覆石墨烯电热膜，在风力机叶片的前缘和展向两个分区之间布置狭长的持续加热的石墨烯电热膜，其他区域则布置周期性加热的石墨烯电热膜；继续铺设叶片铺层结构，待叶片壳体完成整体铺层后，铺设真空辅材，以环氧树脂作为树脂基体进行叶片壳体真空灌输固化成型，形成叶片结冰防护系统。本发明可以有效避免石墨烯电热膜暴露于外部环境中而产生腐蚀现象，避免石墨烯电热膜失效；在风力机叶片不同的分区采用不同的加热功率，有效提高除冰系统的工作性能。

Description

一种石墨烯电热膜风力机叶片结冰防护系统
技术领域
本发明涉及风力机叶片技术领域，具体涉及到一种石墨烯电热膜风力机叶片结冰防护系统。
背景技术
风力机叶片结冰会改变叶片的气动特性，导致阻力增大，升阻比以及扭转力矩减小，最终导致风力机产生功率损耗，严重时可导致风力机非计划停转；同时由于旋转流场的复杂、空气中水滴分布不均匀等因素影响，叶片表面的覆冰一般是不对称且外形不规则的，这不仅会增加叶片质量，增加转子载荷，还会使得转子产生质量不平衡，引发转子及传动系统产生剧烈振动，导致轴承损坏及桨叶疲劳断裂，导致结构损坏和电气故障。当风力机与公路、房屋和运输线路相邻时，从风力机叶片上脱落的大冰凌会给工程服务人员和附近的居民产生严重的威胁。此外，结冰也会影响风速仪的可靠性，产生不准确的风速测量。同时，风力机结冰导致风场停机，造成了我国风资源的巨大浪费，同时也降低了风力机的经济性能。以浙江某风场为例，2010 年除去线路冰灾因素引起风机停运外，风机本身受冰冻气候影响导致的机组全部停运达18 天之多，2011 年冰冻气候导致的机组全部停运达7 天，导致年发电量降低了8%~21%。 因此，风力机叶片结冰是风力机结冰领域最关键和核心的问题，研究合理有效的风力机叶片结冰防护方法，对于风电场及大型风力机组的安全、经济、高效运行具有非常重要的意义。
国内外关于风力机叶片的防除冰技术主要是围绕电阻线圈加热、热气除冰和特殊涂层法来研究的。这几种技术的缺点都比较明显，主要包括：电阻线加热及热气除冰方法热传导效率低下；电阻线圈还容易引起雷击的问题；特殊涂层法对加工的工艺要求较高，对于大型叶片加工较困难，并且在二次维护时极为不便。风力机叶片是典型的复合材料结构件，针对传统金属薄膜作为加热原件，与复合材料结合之间还可能存在一些缺陷，如：（1）金属薄膜与保护层的结合性能差，不能保持持久性粘接；（2）金属薄膜的加热不均匀，导致存在冰层的位置与加热至冰融化再冻结的地方可能不同。因此，为了保证风力机的安全可靠运行，有必要研究一种切实可行、环保高效的风力机叶片结冰防护系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种石墨烯电热膜风力机叶片结冰防护系统，解决现有技术中存在的问题，突破风力机叶片防冰和除冰的技术难题。
本发明提供的技术方案是：
一种石墨烯电热膜风力机叶片结冰防护系统，采用石墨烯环氧玻纤层合板结构：在模具表面铺设叶片外蒙皮铺层，在叶片外蒙皮铺层表面涂覆石墨烯电热膜，在风力机叶片的前缘和展向两个分区之间布置狭长的持续加热的石墨烯电热膜，其他区域则布置周期性加热的石墨烯电热膜，不同的分区采用不同的加热功率；继续铺设叶片内部其他铺层结构，待叶片壳体完成整体铺层后，铺设真空辅材，以环氧树脂作为树脂基体进行叶片壳体真空灌输固化成型，形成叶片结冰防护系统。
所述的外蒙皮铺层采用玻璃纤维布材料。石墨烯电热膜铺设在叶片最外蒙皮上，可以有效避免石墨烯电热膜暴露于外部环境中而产生腐蚀现象，同时不至于由于石墨烯电热膜在叶片复合材料铺层结构的最中间层而引起层合板层间失效。
所述的石墨烯电热膜厚度控制在几微米到几十微米，方阻最低可控制在20Ω/sq以下。
所述的石墨烯电热膜采用石墨烯基导电碳浆涂覆；所述的石墨烯基导电碳浆为以导电碳黑为原料，向其中添加石墨烯混合制备而成，增加了碳浆的导电性，制备的浆料内阻小，传热性能好，粒度分布均匀，易于涂覆。
所述的石墨烯基导电碳浆制备如下：采用30%~60%的无机填料，30%~40%的有机树脂载体和2%~10%的溶剂制备；所述无机填料包括导电碳黑5%~15%、石墨烯粉体5%~15%、石墨15%~25%，加入分散剂BYK、附着力促进剂、消泡剂加入总量不超过5%；将上述无机填料和有机载体混合在一起，在搅拌机内搅拌均匀，搅拌时间为30min，然后置于砂磨机内每公斤研磨时间为1h，使之形成均匀的混合相，得到石墨烯基导电碳浆。
所述的石墨烯电热膜在叶片外蒙皮铺层外的涂覆划分区域如下：将叶片迎风面展向前缘布布置宽度为0%~20%弧长范围作为区域一，叶片背风面展向前缘布置宽度为0%~10%弧长范围作为区域二，叶片迎风面展向每隔4m沿着弦向满铺宽度为1m作为区域三，叶片背风面展向每隔6m沿着弦向满铺宽度为0.5m作为区域四。
除冰时，区域一和区域二的石墨烯电热膜采用持续加热，区域三和区域四的石墨烯电热膜采用周期加热。石墨烯电热膜的加热周期和冷却周期决定了周期性电除冰系统的工作性能。加热周期过长，不仅会浪费能量，而且容易在加热区域外形成冰瘤；加热周期过短，则不能完全使表面冰层融化，影响除冰系统的工作性能。冷却周期过长，会使表面形成的冰层过厚，不易除去，冷却周期过短，则会造成能量浪费。
真空辅材的铺设顺序依次为：脱模布、导流网和导流毡，在真空辅材外层铺设真空膜，然后沿叶片模具轮廓固定密封胶条，密封胶条与真空膜之间紧密粘接形成密闭空间。
在真空膜上留出两个出口管道，一个出口通向环氧树脂，另一个出口接入真空泵。
真空灌输固化成型的方法为：打开真空泵，当真空膜内形成真空后，打开注入环氧树脂通道，在真空压力作用下将环氧树脂不断地灌入模具直至整个叶片铺层浸润饱和；常温下加热固化8小时，后固化4小时，完成石墨烯环氧玻纤层合板的真空灌输固化成型。
本发明与现有的风力机叶片结冰防护系统相比具有下述显著效果：
1、本发明采用石墨烯电热膜作为核心热源，具有热传化率高、耗能小、升温快及环保等优点，指引了一种应用到风力机叶片结冰防护系统开发的新方向。
2、本发明采用石墨烯环氧玻纤层合板结构，石墨烯电热膜铺设于外蒙皮的下一层，避免由于石墨烯电热膜暴露于外部环境中而导致粘接不牢、腐蚀等问题，通过真空灌输工艺将石墨烯电热膜与环氧型玻璃纤维布固化成型，实现一种风力机叶片包含石墨烯电热膜的新型层合板结构。
3、石墨烯电热膜沿叶片表面的铺设位置区域划分为四个区域，不同区域采用不同的加热功率和加热方式，合理划分叶片结冰区域，配合正确的除冰控制策略，有效提高除冰系统的工作性能。
附图说明
图1为石墨烯环氧玻纤层合板真空灌输成型方法示意图。
图2为叶片迎风面石墨烯电热膜铺设区域示意图。
图3为叶片背风面石墨烯电热膜铺设区域示意图。
图4为叶片除冰原理示意图。
图中标记名称：1-模具表面、2-外蒙皮铺层、3-石墨烯电热膜、4-内部其他铺层结构、5-脱模布、6-导流网、7-导流毡、8-密封胶条、9-真空膜、10-注胶孔、11-真空泵、12-石墨烯电热膜铺设区域一、13-石墨烯电热膜铺设区域三、14-石墨烯电热膜铺设区域二、15-石墨烯电热膜铺设区域四。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
一种石墨烯电热膜风力机叶片结冰防护系统，采用石墨烯环氧玻纤层合板结构：在模具表面1铺设叶片外蒙皮铺层2，在叶片外蒙皮铺层2表面涂覆石墨烯电热膜3，继续铺设叶片内部其他铺层结构4，待叶片壳体完成整体铺层后，铺设真空辅材，以环氧树脂作为树脂基体进行叶片壳体真空灌输固化成型，形成叶片结冰防护系统。
所述的外蒙皮铺层采用玻璃纤维布材料。所述的石墨烯电热膜厚度控制在几微米到几十微米，方阻最低可控制在20Ω/sq以下。
所述的石墨烯电热膜采用石墨烯基导电碳浆涂覆；所述的石墨烯基导电碳浆为以导电碳黑为原料，向其中添加石墨烯混合制备而成，增加了碳浆的导电性，制备的浆料内阻小，传热性能好，粒度分布均匀，易于涂覆。
所述的石墨烯基导电碳浆制备如下：采用30%~60%的无机填料，30%~40%的有机树脂载体和2%~10%的溶剂制备；所述无机填料包括导电碳黑5%~15%、石墨烯粉体5%~15%、石墨15%~25%，加入分散剂BYK、附着力促进剂、消泡剂加入总量不超过5%；将上述无机填料和有机载体混合在一起，在搅拌机内搅拌均匀，搅拌时间为30min，然后置于砂磨机内每公斤研磨时间为1h，使之形成均匀的混合相，得到石墨烯基导电碳浆。
所述的石墨烯电热膜在叶片外蒙皮铺层外的涂覆划分区域如下：将叶片迎风面展向前缘布布置宽度为0%~20%弧长范围作为区域一12，叶片背风面展向前缘布置宽度为0%~10%弧长范围作为区域二13，叶片迎风面展向每隔4m沿着弦向满铺宽度为1m作为区域三14，叶片背风面展向每隔6m沿着弦向满铺宽度为0.5m作为区域四15。
石墨烯电热膜的加热周期和冷却周期决定了周期性电除冰系统的工作性能。加热周期过长，不仅会浪费能量，而且容易在加热区域外形成冰瘤；加热周期过短，则不能完全使表面冰层融化，影响除冰系统的工作性能。冷却周期过长，会使表面形成的冰层过厚，不易除去，冷却周期过短，则会造成能量浪费。由于叶片前缘结冰较严重，铺设区域一、区域二采用持续加热的控制策略，区域三、区域四采用周期加热方式。
真空辅材的铺设顺序依次为：脱模布5、导流网6和导流毡7，在真空辅材外层铺设真空膜9，然后沿叶片模具轮廓固定密封胶条8，密封胶条与真空膜之间紧密粘接形成密闭空间。在真空膜上留出两个出口管道，一个出口通向环氧树脂即注胶孔10，另一个出口接入真空泵11。真空灌输固化成型的方法为：打开真空泵，当真空膜内形成真空后，打开注入环氧树脂通道，在真空压力作用下将环氧树脂不断地灌入模具直至整个叶片铺层浸润饱和；常温下加热固化8小时，后固化4小时，完成石墨烯环氧玻纤层合板的真空灌输固化成型。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种石墨烯电热膜风力机叶片结冰防护系统，其特征在于：采用石墨烯环氧玻纤层合板结构：在模具表面铺设叶片外蒙皮铺层，在叶片外蒙皮铺层表面涂覆石墨烯电热膜，在风力机叶片的前缘和展向两个分区之间布置狭长的持续加热的石墨烯电热膜，其他区域则布置周期性加热的石墨烯电热膜；继续铺设叶片铺层结构，待叶片壳体完成整体铺层后，铺设真空辅材，以环氧树脂作为树脂基体进行叶片壳体真空灌输固化成型，形成叶片结冰防护系统；
所述的石墨烯电热膜采用石墨烯基导电碳浆涂覆；所述的石墨烯基导电碳浆为以导电碳黑为原料，向其中添加石墨烯混合制备而成；
所述的石墨烯基导电碳浆制备如下：采用30％～60％的无机填料，30％～40％的有机树脂载体和2％～10％的溶剂制备；所述无机填料包括导电碳黑5％～15％、石墨烯粉体5％～15％、石墨15％～25％，加入分散剂BYK、附着力促进剂、消泡剂加入总量不超过5％；将上述无机填料和有机载体混合在一起，在搅拌机内搅拌均匀，搅拌时间为30min，然后置于砂磨机内每公斤研磨时间为1h，使之形成均匀的混合相，得到石墨烯基导电碳浆；
所述的石墨烯电热膜在叶片外蒙皮铺层外的涂覆划分区域如下：将叶片迎风面展向前缘布布置宽度为0％～20％弧长范围作为区域一，叶片背风面展向前缘布置宽度为0％～10％弧长范围作为区域二，叶片迎风面展向每隔4m沿着弦向满铺宽度为1m作为区域三，叶片背风面展向每隔6m沿着弦向满铺宽度为0.5m作为区域四；
除冰时，区域一和区域二的石墨烯电热膜采用持续加热，区域三和区域四的石墨烯电热膜采用周期加热。
2.权利要求1所述的石墨烯电热膜风力机叶片结冰防护系统，其特征在于：所述的外蒙皮铺层采用玻璃纤维布材料。
3.权利要求1所述的石墨烯电热膜风力机叶片结冰防护系统，其特征在于：所述的石墨烯电热膜厚度控制在几微米或几十微米，方阻可控制在20Ω/sq以下。
4.如权利要求1所述的石墨烯电热膜风力机叶片结冰防护系统，其特征在于：真空辅材的铺设顺序依次为：脱模布、导流网和导流毡，在真空辅材外层铺设真空膜，然后沿叶片模具轮廓固定密封胶条，密封胶条与真空膜之间紧密粘接形成密闭空间。
5.如权利要求4所述的石墨烯电热膜风力机叶片结冰防护系统，其特征在于：在真空膜上留出两个出口管道，一个出口通向环氧树脂，另一个出口接入真空泵。
6.如权利要求5所述的石墨烯电热膜风力机叶片结冰防护系统，其特征在于：真空灌输固化成型的方法为：打开真空泵，当真空膜内形成真空后，打开注入环氧树脂通道，在真空压力作用下将环氧树脂不断地灌入模具直至整个叶片铺层浸润饱和；常温下加热固化8小时，后固化4小时，完成石墨烯环氧玻纤层合板的真空灌输固化成型。
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