CN107084100A - 一种基于石墨烯加热膜的风电叶片加热融冰系统及该叶片的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于石墨烯加热膜的风电叶片加热融冰系统及该叶片的制作方法，所述加热融冰系统包括铺覆在风电叶片表面需加热区域的石墨烯加热膜，在所述石墨烯加热膜边缘区域沿叶片展向或弦向铺覆有石墨烯加热膜电极，并在所述石墨烯加热膜电极表面对应覆盖有石墨烯加热膜，所述石墨烯加热膜电极通过电源线与控制系统相连接。本发明在风电叶片表面铺覆石墨烯加热膜，采用石墨烯加热膜与石墨烯加热膜电极的连接结构设计，确保了石墨烯加热膜的加热稳定性及可靠性，同时采用石墨烯加热膜单侧电极的设计方式，有效减小了对叶片外部形状的影响，不仅能有效解决风电叶片表面覆冰问题，实现风电机组在寒冷气候环境下的安全高效运行，而且还具有良好的工艺特性。
Description
技术领域
本发明属于风力发电机技术领域，特别涉及一种基于石墨烯加热膜的风电叶片加热融冰系统及该叶片的制作方法。
背景技术
风电机组在寒冷气候环境下运行时，在冬季机组叶片表面通常会发生较为严重的覆冰，覆冰后叶片的气动外形发生明显变化，将严重影响叶片的气动效率，使机组的发电效率下降，覆冰后机组和叶片载荷的也会增加，当三支叶片载荷和质量矩互差达到一定程度时，通常会引发机组的振动，从而影响机组的安全稳定运行。通常为了机组安全运行，叶片覆冰后机组将停止运行，因此风电叶片结冰将导致严重的发电量损失。
为了解决叶片表面覆冰的问题，目前主要有叶片表面喷涂超疏水防结冰涂料、热空气加热、叶片表面铺覆碳纤维布加热、叶片表面铺覆碳晶加热膜等除冰方法，但是现有除冰技术普遍存在以下问题：1、加热效果不够稳定可靠；2、由于设置了加热机构而对叶片外部形状影响较大；3、叶片加工制作工艺较为复杂，生产成本高且制作效率不高。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种能够快速加热并提升叶片表面温度，稳定可靠地实现叶片快速融冰、除冰的基于石墨烯加热膜的风电叶片加热融冰系统及该叶片的制作方法。
本发明技术的技术方案是这样实现的：一种基于石墨烯加热膜的风电叶片加热融冰系统，包括铺覆在风电叶片表面需加热区域的石墨烯加热膜，其特征在于：在所述石墨烯加热膜边缘区域沿叶片展向或弦向铺覆有石墨烯加热膜电极，并在所述石墨烯加热膜电极表面对应覆盖有石墨烯加热膜，所述石墨烯加热膜电极通过电源线与控制系统相连接。
本发明所述的基于石墨烯加热膜的风电叶片加热融冰系统，其所述石墨烯加热膜电极内外表面被石墨烯加热膜完全覆盖，所述石墨烯加热膜电极内外表面的石墨烯加热膜为相互分离的两部分结构，所述石墨烯加热膜电极外表面的石墨烯加热膜至少一端与石墨烯加热膜电极内表面的石墨烯加热膜相连，或者所述石墨烯加热膜电极内外表面的石墨烯加热膜为一整体结构，所述石墨烯加热膜边缘部向外侧翻折且将石墨烯加热膜电极外表面完全覆盖。
本发明所述的基于石墨烯加热膜的风电叶片加热融冰系统，其所述石墨烯加热膜为整体式结构或者分段式结构，若石墨烯加热膜为分段式结构，在相邻两段石墨烯加热膜之间搭接有石墨烯加热膜。
本发明所述的基于石墨烯加热膜的风电叶片加热融冰系统，其所述风电叶片表面铺覆的石墨烯加热膜完全与风电叶片接触并贴合，所述石墨烯加热膜电极仅设置在石墨烯加热膜外侧边缘区域。
本发明所述的基于石墨烯加热膜的风电叶片加热融冰系统，其在所述石墨烯加热膜表面铺覆有绝缘层，在所述绝缘层表面铺覆有防雷金属网层，所述防雷金属网层覆盖整个石墨烯加热膜的铺覆区域。
本发明所述的基于石墨烯加热膜的风电叶片加热融冰系统，其在所述防雷金属网层表面铺覆有玻璃纤维布保护层，在整个叶片表面喷涂有防风沙耐腐蚀油漆层。
一种基于石墨烯加热膜的风电叶片制作方法，其特征在于：在风电叶片成型后安装加热融冰系统，具体包括以下步骤：
a）根据风电叶片表面的结冰特性及需铺覆加热膜区域情况，确定石墨烯加热膜的形状，在热塑性塑料薄膜上制作相应形状的石墨烯加热膜，所述石墨烯加热膜可用喷涂或滚涂方法制作；
b）在风电叶片成型过程中，预先在叶片剪切腹板上铺设好用于加热融冰系统的供电电源线；
c）风电叶片成型后，在风电叶片表面需加热区域铺覆一层石墨烯加热膜，在石墨烯加热膜边缘区域沿叶片展向或弦向铺覆石墨烯加热膜电极，并在石墨烯加热膜电极对应表面再覆盖一层石墨烯加热膜，所述石墨烯加热膜电极可预先铺覆在石墨烯加热膜上，也可以在叶片制作过程中铺覆，将石墨烯加热膜电极与壳体内侧预设的电源线相连接；
d）最后将电源线与控制系统相连接，控制系统根据风场环境的温度和湿度信号，开启和关停加热系统供电电源。
本发明所述的基于石墨烯加热膜的风电叶片制作方法，其在所述石墨烯加热膜表面铺覆一层绝缘层，然后再采用手糊或真空灌注方式铺覆一层防雷金属网，防雷金属网需覆盖住整个石墨烯加热膜铺覆区域，在防雷金属网表面铺覆一层双向玻璃纤维布，并在风电叶片表面喷涂防风沙耐腐蚀油漆。
一种基于石墨烯加热膜的风电叶片制作方法，其特征在于：在风电叶片成型过程中安装加热融冰系统，具体包括以下步骤：
a）根据风电叶片表面的结冰特性及需铺覆加热膜区域情况，确定石墨烯加热膜的形状，在热塑性塑料薄膜上制作相应形状的石墨烯加热膜，所述石墨烯加热膜可用喷涂或滚涂方法制作；
b）将石墨烯加热膜电极与电源线相连接，电源线需预留一定长度，所述石墨烯加热膜电极可沿风电叶片展向或弦向布置，所述石墨烯加热膜电极可预先铺覆或在叶片成型过程中铺覆，其铺覆方式为：在石墨烯加热膜表面铺覆电极，在石墨烯加热膜电极铺覆区域再铺一层石墨烯加热膜；
c）叶片成型过程中，在叶片壳体纤维布及芯材材料铺覆前，分别在叶片压力侧和吸力侧壳体成型模具内，依次铺覆双向玻璃纤维布、防雷金属网、绝缘层、接好电源线的石墨烯加热膜；
d）然后再铺覆叶片壳体蒙皮纤维布以及叶片所有壳体铺层，最后通过抽真空一体灌注树脂的方式，将防雷金属网、绝缘层、石墨烯加热膜与风电叶片本体一起成型；
e）在叶片剪切腹板上铺设好用于加热融冰系统的供电电源线，在叶片两半壳体合模粘接前、叶片剪切腹板安装后，将石墨烯加热膜的预留导线与叶片剪切腹板上的电源线相连接，然后合模粘接，加热固化；
f）最后将电源线与控制系统相连接，控制系统根据风场环境的温度和湿度信号，开启和关停加热系统供电电源。
本发明所述的基于石墨烯加热膜的风电叶片制作方法，其所述石墨烯加热膜采用整体或分段铺设的方式，若石墨烯加热膜采用采用分段铺设的方式，相邻段石墨烯加热膜之间采用搭接方式铺覆。
本发明通过在风电叶片表面铺覆石墨烯加热膜，采用石墨烯加热膜与石墨烯加热膜电极的特殊连接结构设计，确保了石墨烯加热膜的加热稳定性及可靠性，同时采用石墨烯加热膜单侧电极的设计方式，能够有效减小对叶片外部形状的影响，不仅能有效解决风电叶片表面覆冰问题，实现风电机组在寒冷气候环境下的安全高效运行，而且还具有良好的工艺特性。本发明结构巧妙、加热效率高、安全可靠、可操作性强，易于在实际工作中应用推广。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明中石墨烯加热膜电极展向布置的示意图。
图3是本发明中石墨烯加热膜电极弦向布置的示意图。
图4是本发明中石墨烯加热膜分段铺覆时的搭接方式示意图。
图5是本发明中石墨烯加热膜电极弦向布置时风电叶片的截面图。
图6是本发明中石墨烯加热膜电极展向布置时风电叶片的截面图。
图7是图6中A部放大图。
附图标记：1为风电叶片，2为热塑性塑料，3为石墨烯加热膜，4为绝缘层，5为防雷金属网层，6为电源线，7为控制系统，8为石墨烯加热膜电极，9为叶片剪切腹板，10为玻璃纤维布保护层。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：如图1-7所示，一种基于石墨烯加热膜的风电叶片加热融冰系统，包括铺覆在风电叶片1表面需加热区域的石墨烯加热膜3，通常铺覆叶片结冰最严重的前缘壳体表面，所述石墨烯加热膜随形效果好且厚度较薄，所述风电叶片1表面铺覆的石墨烯加热膜3完全与风电叶片1接触并贴合，在所述石墨烯加热膜3边缘区域沿叶片展向或弦向铺覆有石墨烯加热膜电极8，且所述石墨烯加热膜电极8仅设置在石墨烯加热膜3外侧边缘区域，并在所述石墨烯加热膜电极8表面对应覆盖有石墨烯加热膜3，所述石墨烯加热膜电极8通过电源线6与控制系统7相连接。
其中，所述石墨烯加热膜电极8内外表面被石墨烯加热膜3完全覆盖，所述石墨烯加热膜电极8内外表面的石墨烯加热膜3为相互分离的两部分结构，所述石墨烯加热膜电极8外表面的石墨烯加热膜3至少一端与石墨烯加热膜电极8内表面的石墨烯加热膜3相连，或者所述石墨烯加热膜电极8内外表面的石墨烯加热膜3为一整体结构，所述石墨烯加热膜3边缘部向外侧翻折且将石墨烯加热膜电极8外表面完全覆盖；所述石墨烯加热膜3为整体式结构或者分段式结构，若石墨烯加热膜3为分段式结构，在相邻两段石墨烯加热膜3之间搭接有石墨烯加热膜3。
在本实施例中，在所述石墨烯加热膜3表面铺覆有绝缘层4，在所述绝缘层4表面铺覆有防雷金属网层5，所述防雷金属网层5覆盖整个石墨烯加热膜3的铺覆区域，通过防雷金属网层的设置，可有效避免加热系统遭受雷击损坏，在所述防雷金属网层5表面铺覆有玻璃纤维布保护层10，在整个叶片表面喷涂有防风沙耐腐蚀油漆层。
一种基于石墨烯加热膜的风电叶片制作方法，主要是在风电叶片成型后安装加热融冰系统，具体包括以下步骤：
a）根据风电叶片1表面的结冰特性及需铺覆加热膜区域情况，确定石墨烯加热膜3的形状，在热塑性塑料薄膜2（如PI或PET等）上制作相应形状的石墨烯加热膜3，所述石墨烯加热膜3可用喷涂或滚涂方法制作。
b）在风电叶片1成型过程中，预先在叶片剪切腹板9上铺设好用于加热融冰系统的供电电源线6。
c）风电叶片1成型后，在风电叶片1表面需加热区域铺覆一层石墨烯加热膜3，在石墨烯加热膜3边缘区域沿叶片展向或弦向铺覆石墨烯加热膜电极8，并在石墨烯加热膜电极8对应表面再覆盖一层石墨烯加热膜3，所述石墨烯加热膜电极8可预先铺覆在石墨烯加热膜3上，也可以在叶片制作过程中铺覆，将石墨烯加热膜电极8与壳体内侧预设的电源线6相连接。
d）最后将电源线6与控制系统7相连接，控制系统7根据风场环境的温度和湿度信号，开启和关停加热系统供电电源，便可实现叶片加热融冰系统的正常运行。
在本实施例中，所述石墨烯加热膜采用整体或分段铺设的方式，若石墨烯加热膜采用采用分段铺设的方式，相邻段石墨烯加热膜之间采用搭接方式铺覆，在所述石墨烯加热膜3表面手糊铺覆一层绝缘层4，然后再采用手糊或真空灌注方式铺覆一层防雷金属网（如铝网或铜网），防雷金属网需覆盖住整个石墨烯加热膜3铺覆区域，以实现对碳晶膜的防雷保护，在防雷金属网表面铺覆一层面密度较小的双向玻璃纤维布（400g/m2或200g/m2），并在风电叶片表面喷涂防风沙耐腐蚀油漆，以保护叶片在运行过程中防雷金属网免受风沙侵蚀的影响。
实施例2：一种基于石墨烯加热膜的风电叶片制作方法，主要是在风电叶片成型过程中安装加热融冰系统，具体包括以下步骤：
a）根据风电叶片1表面的结冰特性及需铺覆加热膜区域情况，确定石墨烯加热膜3的形状，在热塑性塑料薄膜2（如PI或PET等）上制作相应形状的石墨烯加热膜3，所述石墨烯加热膜3可用喷涂或滚涂方法制作。
b）将石墨烯加热膜电极8与电源线6相连接，电源线需预留一定长度，所述石墨烯加热膜电极8可沿风电叶片展向或弦向布置，所述石墨烯加热膜电极8可预先铺覆或在叶片成型过程中铺覆，其铺覆方式为：在石墨烯加热膜3表面铺覆电极，在石墨烯加热膜电极8铺覆区域再铺一层石墨烯加热膜3。
c）叶片成型过程中，在叶片壳体纤维布及芯材材料铺覆前，分别在叶片压力侧和吸力侧壳体成型模具内，依次铺覆面密度较小的双向玻璃纤维布（400g/m2或200g/m2）、防雷金属网5、绝缘层4、接好电源线的石墨烯加热膜3。
d）然后再铺覆叶片壳体蒙皮纤维布以及叶片所有壳体铺层，最后通过抽真空一体灌注树脂的方式，将防雷金属网5、绝缘层4、石墨烯加热膜3与风电叶片1本体一起成型。
e）在叶片剪切腹板9上铺设好用于加热融冰系统的供电电源线6，在叶片两半壳体合模粘接前、叶片剪切腹板安装后，将石墨烯加热膜3的预留导线与叶片剪切腹板9上的电源线6相连接，然后合模粘接，加热固化。
f）最后将电源线6与控制系统7相连接，控制系统7根据风场环境的温度和湿度信号，开启和关停加热系统供电电源，便可实现叶片加热融冰系统的正常运行。
其他与实施例1基本相同。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于石墨烯加热膜的风电叶片加热融冰系统，包括铺覆在风电叶片（1）表面需加热区域的石墨烯加热膜（3），其特征在于：在所述石墨烯加热膜（3）边缘区域沿叶片展向或弦向铺覆有石墨烯加热膜电极（8），并在所述石墨烯加热膜电极（8）表面对应覆盖有石墨烯加热膜（3），所述石墨烯加热膜电极（8）通过电源线（6）与控制系统（7）相连接。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯加热膜的风电叶片加热融冰系统，其特征在于：所述石墨烯加热膜电极（8）内外表面被石墨烯加热膜（3）完全覆盖，所述石墨烯加热膜电极（8）内外表面的石墨烯加热膜（3）为相互分离的两部分结构，所述石墨烯加热膜电极（8）外表面的石墨烯加热膜（3）至少一端与石墨烯加热膜电极（8）内表面的石墨烯加热膜（3）相连，或者所述石墨烯加热膜电极（8）内外表面的石墨烯加热膜（3）为一整体结构，所述石墨烯加热膜（3）边缘部向外侧翻折且将石墨烯加热膜电极（8）外表面完全覆盖。
3.根据权利要求2所述的基于石墨烯加热膜的风电叶片加热融冰系统，其特征在于：所述石墨烯加热膜（3）为整体式结构或者分段式结构，若石墨烯加热膜（3）为分段式结构，在相邻两段石墨烯加热膜（3）之间搭接有石墨烯加热膜（3）。
4.根据权利要求1所述的基于石墨烯加热膜的风电叶片加热融冰系统，其特征在于：所述风电叶片（1）表面铺覆的石墨烯加热膜（3）完全与风电叶片（1）接触并贴合，所述石墨烯加热膜电极（8）仅设置在石墨烯加热膜（3）外侧边缘区域。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的基于石墨烯加热膜的风电叶片加热融冰系统，其特征在于：在所述石墨烯加热膜（3）表面铺覆有绝缘层（4），在所述绝缘层（4）表面铺覆有防雷金属网层（5），所述防雷金属网层（5）覆盖整个石墨烯加热膜（3）的铺覆区域。
6.根据权利要求5所述的基于石墨烯加热膜的风电叶片加热融冰系统，其特征在于：在所述防雷金属网层（5）表面铺覆有玻璃纤维布保护层（10），在整个叶片表面喷涂有防风沙耐腐蚀油漆层。
7.一种基于石墨烯加热膜的风电叶片制作方法，其特征在于：在风电叶片成型后安装加热融冰系统，具体包括以下步骤：
a）根据风电叶片表面的结冰特性及需铺覆加热膜区域情况，确定石墨烯加热膜的形状，在热塑性塑料薄膜上制作相应形状的石墨烯加热膜，所述石墨烯加热膜可用喷涂或滚涂方法制作；
b）在风电叶片成型过程中，预先在叶片剪切腹板上铺设好用于加热融冰系统的供电电源线；
c）风电叶片成型后，在风电叶片表面需加热区域铺覆一层石墨烯加热膜，在石墨烯加热膜边缘区域沿叶片展向或弦向铺覆石墨烯加热膜电极，并在石墨烯加热膜电极对应表面再覆盖一层石墨烯加热膜，所述石墨烯加热膜电极可预先铺覆在石墨烯加热膜上，也可以在叶片制作过程中铺覆，将石墨烯加热膜电极与壳体内侧预设的电源线相连接；
d）最后将电源线与控制系统相连接，控制系统根据风场环境的温度和湿度信号，开启和关停加热系统供电电源。
8.根据权利要求7所述的基于石墨烯加热膜的风电叶片制作方法，其特征在于：在所述石墨烯加热膜表面铺覆一层绝缘层，然后再采用手糊或真空灌注方式铺覆一层防雷金属网，防雷金属网需覆盖住整个石墨烯加热膜铺覆区域，在防雷金属网表面铺覆一层双向玻璃纤维布，并在风电叶片表面喷涂防风沙耐腐蚀油漆。
9.一种基于石墨烯加热膜的风电叶片制作方法，其特征在于：在风电叶片成型过程中安装加热融冰系统，具体包括以下步骤：
a）根据风电叶片表面的结冰特性及需铺覆加热膜区域情况，确定石墨烯加热膜的形状，在热塑性塑料薄膜上制作相应形状的石墨烯加热膜，所述石墨烯加热膜可用喷涂或滚涂方法制作；
b）将石墨烯加热膜电极与电源线相连接，电源线需预留一定长度，所述石墨烯加热膜电极可沿风电叶片展向或弦向布置，所述石墨烯加热膜电极可预先铺覆或在叶片成型过程中铺覆，其铺覆方式为：在石墨烯加热膜表面铺覆电极，在石墨烯加热膜电极铺覆区域再铺一层石墨烯加热膜；
c）叶片成型过程中，在叶片壳体纤维布及芯材材料铺覆前，分别在叶片压力侧和吸力侧壳体成型模具内，依次铺覆双向玻璃纤维布、防雷金属网、绝缘层、接好电源线的石墨烯加热膜；
d）然后再铺覆叶片壳体蒙皮纤维布以及叶片所有壳体铺层，最后通过抽真空一体灌注树脂的方式，将防雷金属网、绝缘层、石墨烯加热膜与风电叶片本体一起成型；
e）在叶片剪切腹板上铺设好用于加热融冰系统的供电电源线，在叶片两半壳体合模粘接前、叶片剪切腹板安装后，将石墨烯加热膜的预留导线与叶片剪切腹板上的电源线相连接，然后合模粘接，加热固化；
f）最后将电源线与控制系统相连接，控制系统根据风场环境的温度和湿度信号，开启和关停加热系统供电电源。
10.根据权利要求7、8或9所述的基于石墨烯加热膜的风电叶片制作方法，其特征在于：所述石墨烯加热膜采用整体或分段铺设的方式，若石墨烯加热膜采用采用分段铺设的方式，相邻段石墨烯加热膜之间采用搭接方式铺覆。
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