CN107859603B - 一种防冰除冰风电叶片及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种防冰除冰风电叶片及其制作方法，通过在开槽的中间芯材内铺设导热系数高的导热材料层来提高风电叶片本体的导热系数，使得加热电阻产生的热量能够迅速传递到风电叶片本体的外表面，从而能将用于加热风电叶片本体所需的能量降到最低，避免现有技术中内部加热所致的风电叶片本体内部温度过高而导致的风电叶片本体材料性能损失以及由此造成的使用寿命缩短、风电叶片本体燃烧等问题；将加热电阻均匀布置在作为胶粘剂的环氧结构胶的内部，进行粘接的同时进行初步封装，并设置经树脂浸润过的玻璃纤维保护层从而提高了加热电阻的使用寿命，保证了本发明的应用可靠性，极具推广应用价值。

Description

一种防冰除冰风电叶片及其制作方法

技术领域

本发明涉及风电叶片及其制作方法技术领域，尤其是涉及一种防冰除冰风电叶片及其制作方法。

背景技术

近年来能源危机和环境危机日趋严重，而风能作为环保型可再生清洁能源得到空前发展。由于我国风力资源丰富的地区大多位于高纬度地区，冬季时风电叶片表面极易发生结冰现象。风电叶片表面结冰会导致风电机组的运行效率下降，严重时迫使风电机组停机，甚至造成安全事故，由此大大推高了风力发电的运行成本。因此，在寒冷环境中，如何防止风电叶片表面结冰成为了一个亟待解决的问题。

目前主要采用对风电叶片进行加热的方法以防止风电叶片结冰。 对风电叶片常用的加热方法有叶片内部加热法和叶片外部加热法。

叶片外部加热法是指在壳体状的风电叶片外部铺设电加热元件，通过电加热元件散发的热量来防止风电叶片结冰。当在风电叶片外部铺设电加热元件时会对风电叶片的气动外形产生影响，从而导致风电叶片发电效率的降低。此外，由于风电叶片生存环境恶劣，风电叶片外部铺设电加热材料无法承受风沙的长期冲击及紫外线的老化损伤，因此此方案很难在实际运用中推广。

叶片内部加热法包括气热法和电热法。气热法是往壳体状的风电叶片内部空腔内通热空气或者在风电叶片内部空腔安装固定微波发生器，利用内部空腔内空气的热量加热风电叶片进行防冰。但此方法受风电叶片结构限制，防冰效果难以保证。因为结冰较严重的尖部区域风电叶片内部空腔较小，导致该区域热空气量少，热量也就较少，因此防冰效果不明显；电热法是指在壳体状的风电叶片内部铺设电加热元件，通过电加热元件来实现风电叶片的防冰。

叶片内部加热法具有一个共同的缺点：由于风电叶片一般为玻璃纤维和芯材通过树脂成形的玻璃钢材料，芯材通常采用聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）、聚氨酯（PUR）等泡沫材料，即芯材为绝热材料，因此壳体状的风电叶片本身导热系数比较小，因此要想达到使风电叶片外表面覆冰融化的目的，必须要通过内部腔体内的热量加热整个风电叶片的外表面，使得风电叶片外表面整体温度达到零度以上，这就需要较长的时间，且耗能较大，若通过提高内部腔体空气的温度来缩短时间，则耗能会进一步增大。另外，如果内部腔体温度过高对制作风电叶片所需的基体树脂的转变温度会有更高的要求并可能带来新的问题，比如有可能会导致风电叶片燃烧，安全性会降低。并且随着风电叶片长度的增加，芯材厚度也会逐渐增加，风电叶片本身的导热系数也逐渐降低，故对于大型风电叶片而言其防冰效果更为不理想。

另外，对于叶片内部加热法，由于加热电阻要求同风电叶片一起承受较大变形和高循环周期的疲劳损伤，传统的加热电阻在风电叶片运转过程中时常会发生断裂，从而导致局部区域的加热功能降低或者丧失，也会显著降低风电叶片的除冰效率，最终影响风电叶片的除冰效果。

发明内容

为了解决上述技术问题， 本发明提供一种防冰除冰风电叶片及其制作方法，当外界环境温度过低或者风电叶片外表面出现冰层时开启加热电阻，能够对风电叶片表面进行快速加热，提高风电叶片外表面温度，防止冰层产生或者融化冰层，实现防冰的目的。

本发明为了解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种防冰除冰风电叶片，包括风电叶片本体和设置在风电叶片本体内壁上的加热电阻，所述的风电叶片本体包括相互粘接在一起的上壳体和下壳体，所述的上壳体和下壳体从外到内均包括玻璃纤维外蒙皮、中间芯材和玻璃纤维内蒙皮，所述的中间芯材呈板状，在中间芯材的一侧板面上开设有多条横向切槽和多条纵向切槽，多条横向切槽和多条纵向切槽交叉连通设置，在横向切槽和纵向切槽内均设置有导热材料。

进一步地，所述的导热材料为碳纤维或金属薄片中的任意一种。

进一步地，所述的金属薄片为铝箔片。

进一步地，所述的加热电阻包括成束的电阻丝、包裹设置在成束电阻丝外部的玻璃纤维加强层和包覆在玻璃纤维加强层外部的绝缘高分子膜。

进一步地，所述的加热电阻通过涂覆在风电叶片本体内壁的环氧结构胶铺设粘接在风电叶片本体的内壁上，且在加热电阻的外部封装有经树脂浸润过的玻璃纤维保护层。

进一步地，所述的加热电阻呈S形盘绕铺设在风电叶片本体的内壁上。

进一步地，呈S形盘绕铺设的加热电阻相邻两段之间的间隙为2-30mm。

制作一种防结冰风电叶片的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）、在板状的中间芯材的一个板面上进行切槽加工，制作出纵横交错的切槽，并在切槽内填充导热材料；

2）、在风电叶片制作模具上铺设玻璃纤维织物Ⅰ，之后在玻璃纤维织物Ⅰ上需要中间芯材的区域铺设已经填充导热材料的中间芯材，然后在中间芯材以及玻璃纤维织物Ⅰ上铺设玻璃纤维织物Ⅱ，铺设结束后，在玻璃纤维织物Ⅱ上铺放导流网、注胶管，然后使用柔性薄膜和密封胶带对风电叶片制作模具建立封闭系统，对封闭系统内抽真空后从注胶管导入树脂，树脂通过导流网分散到整个玻璃纤维织物Ⅰ和玻璃纤维织物Ⅱ，完成上壳体的灌注，然后对整个密闭系统加热使上壳体固化成型后得到从外到内包括玻璃纤维外蒙皮、中间芯材和玻璃纤维内蒙皮的上壳体；采用同样的方法制作出下壳体；

3)、在上壳体和下壳体的前缘腔、后缘腔以及大梁腔的内表面涂抹一层环氧结构胶，然后将加热电阻布置在环氧结构胶区域；

4）、采用环氧结构胶将前缘腹板和后缘腹板的下端法兰粘在下壳体的内表面上，并在前缘腹板、后缘腹板的上端法兰和上壳体的相应粘接区域涂抹环氧结构胶，然后将上壳体通过机械翻转后，使上壳体与下壳体粘接为一体；

5）、用导电胶将加热电阻的两端分别与导电电极连接，导电电极再与导线相连，然后将导线从风电叶片本体内引至风电本体的叶根后再与加热电源相连。

进一步地，步骤3）中，所述的加热电阻包括成束的电阻丝、包裹设置在成束电阻丝外部的玻璃纤维加强层和包覆在玻璃纤维加强层外部的绝缘高分子膜。

进一步地，步骤3）中所述的加热电阻呈S形盘绕铺设在前缘腔、后缘腔和大梁腔的内表面，相邻两段加热电阻之间的间隙为2-30mm；且在将加热电阻布置在环氧结构胶区域后增加采用树脂浸润的玻璃纤维织物对加热电阻外层进行封装的步骤。

有益效果：

1、根据本发明，通过在开槽的中间芯材内铺设导热系数高的导热材料层来提高风电叶片本体的导热系数，使得加热电阻产生的热量能够迅速传递到风电叶片本体的外表面，从而能将用于加热风电叶片本体所需的能量降到最低，避免现有技术中内部加热所致的风电叶片本体内部温度过高而导致的风电叶片本体材料性能损失以及由此造成的使用寿命缩短、风电叶片本体燃烧等问题。

2 、本发明尤其可应用于低温高湿结冰环境下的大型风力发电机，进行除冰和防冰，从而可避免大型风力发电机因为风电叶片本体表面结冰导致的发电效率降低以及大型风力发电机停机而产生的发电损失，极具推广应用价值；

3、根据本发明，导热材料设置在中间芯材内部，加热电阻设置在风电叶片本体内部，具有不改变原有风电叶片本体的几何外形，不影响原有风电叶片本体的气动特性的优点；

4 、本发明制作方法简单，既不不需要在风电叶片本体腔体内增设空气循环通道，也无需抽风和鼓风设备，不需要对原有风电叶片本体的设计和施工工艺进行任何改变，方法简便，易于操作，生产成本低；

5、进一步，将加热电阻均匀布置在作为胶粘剂的环氧结构胶的内部，实现了加热电阻的初步封装，可以避免加热电阻9在环氧结构胶凝固过程中的移动，并对加热电阻起到隔绝外部空气的保护作用；

6、在加热电阻的外部进一步采用树脂浸润过的玻璃纤维织物进行再次分装形成保护层（即经树脂浸润过的玻璃纤维保护层），不仅进一步阻止了加热电阻与空气的接触，避免了加热电阻外部绝缘高分子膜的老化损伤，而且可以避免整机运转过程中持续的较大变形运动导致的加热电阻与风电叶片本体之间的粘接破坏，从而可避免加热电阻的脱落，使本发明的防冰除冰效率一直保持在较高的水平。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步具体详细的说明。

附图说明

图1为风电叶片整体外形示意图。

图2为图1的A-A旋转视图。

图3为图2的B处旋转后放大图。

图4为中间芯材的结构示意图。

图5为加热电阻的结构示意图。

图6为本发明加热电阻加热原理图。

图中，1、上壳体，2、上壳体大梁，3、后缘腹板，301、后缘腹板上端法兰，302、后缘腹板下端法兰， 4、大梁腔，5、前缘腹板，501、前缘腹板上端法兰，502、前缘腹板下端法兰，6、前缘，601、前缘腔，7、下壳体大梁，8、下壳体，9、加热电阻，901、电阻丝，902、玻璃纤维加强层，903、绝缘高分子膜，10、环氧结构胶，11、后缘，1101、后缘腔，12、经树脂浸润过的玻璃纤维保护层，13、玻璃纤维内蒙皮，14、中间芯材，15、玻璃纤维外蒙皮，16、导热材料，17、导电电极，18、导线，19、加热电源，L、相邻两段电阻之间的间隙。

具体实施方式

一种防结冰风电叶片，包括风电叶片本体和设置在风电叶片本体内壁上的加热电阻9，所述的风电叶片本体包括相互粘接在一起的上壳体1和下壳体8，上壳体1和下壳体8从外到内均包括玻璃纤维外蒙皮15、中间芯材14和玻璃纤维内蒙皮13，所述的中间芯材14呈板状，在中间芯材14的一侧板面上开设有多条横向切槽和多条纵向切槽，多条横向切槽和多条纵向切槽交叉连通设置，在横向切槽和纵向切槽内均设置有导热材料16。

导热材料16优选导热系数比较高的碳纤维或金属薄片中的任意一种，比如，金属薄片可以选用铝箔片。

加热电阻9包括多根电阻丝结合在一起组成的电阻丝束（即成束的电阻丝）、包裹设置在成束电阻丝外部的玻璃纤维加强层902和包覆在玻璃纤维加强层902外部的绝缘高分子膜903。

加热电阻9可通过涂覆在风电叶片本体内壁的环氧结构胶铺设粘接在风电叶片本体的内壁上，且在加热电阻的外部封装有经树脂浸润过的玻璃纤维保护层12。

制作加热电阻的电阻丝可以是纯金属电阻丝，优选合金电阻丝。电阻丝直径可以为0.02-0.5mm。具体铺设时，加热电阻9可呈S形盘绕铺设在风电叶片本体的内壁上。

加热电阻进行S形盘绕铺设时，可相邻两段之间的间隙最好相等，该间隙可在2-30mm之间选择。

为了节约生产成本，加热电阻9可仅在在风电本体比较容易结冰的部位的内壁上进行局部铺设，比如，可仅在前缘腔601的以及后缘腔1101内上下壳体结合处附近区域进行铺设，同时可在大梁腔4的内壁上进行铺设。

制作防结冰风电叶片的方法，包括如下步骤：

1）、采用刀切或者锯切的方式，在板状的中间芯材14的一个板面上进行切槽加工，制作出纵横交错的切槽，并在切槽内填充导热材料16。

2）、在风电叶片制作模具上铺设玻璃纤维织物Ⅰ（成型后为玻璃纤维外蒙皮），之后在玻璃纤维织物Ⅰ上需要中间芯材的区域（因为风电叶片上下壳体制作时还需要将相应的大梁一体成型，铺设大梁的部位就不需要铺设中间芯材）铺设已经填充导热材料的中间芯材，然后在中间芯材以及玻璃纤维织物Ⅰ上铺设玻璃纤维织物Ⅱ（成型后为玻璃纤维内蒙皮），铺设结束后，在玻璃纤维织物Ⅱ上铺放导流网、注胶管，然后使用柔性薄膜和密封胶带对风电叶片制作模具建立封闭系统，对封闭系统内使用真空泵抽至真空状态，从注胶管导入树脂，树脂通过导流网分散到整个玻璃纤维织物Ⅰ和玻璃纤维织物Ⅱ，完成上壳体的灌注，然后对整个密闭系统加热使上壳体固化成型后，得到从外到内包括玻璃纤维外蒙皮、中间芯材和玻璃纤维内蒙皮的上壳体；然后采用同样的方法制作出下壳体。

本文所述上下与附图2本身的上下相一致。

3)、将上、下壳体表面的柔性薄膜、密封胶带、导流网以及注胶管等辅助介质去除后，在上壳体和下壳体的前缘腔601、后缘腔1101以及大梁腔4的内表面涂抹一层环氧结构胶，环氧结构胶的涂覆厚度满足加热电阻9能够完全埋没其中，从而可使环氧结构胶在实现粘接功能的同时可对加热电阻9形成一个保护层，然后将加热电阻9布置在环氧结构胶区域。

实际操作时，可如图2所示，仅在最容易结冰部位的前缘腔601、后缘腔1101内壁上设置加热电阻。

本步骤中所述的加热电阻可以是包括成束的电阻丝、包裹设置在成束电阻丝外部的玻璃纤维加强层902和包覆在玻璃纤维加强层902外部的绝缘高分子膜903，玻璃纤维加强层902可通过缠绕的方式包裹在成束电阻丝的外部。

加热电阻可呈S形盘绕铺设在前缘腔601、后缘腔1101和大梁腔4的内表面，使相邻两段加热电阻之间的间隙为2-30mm。将加热电阻布置在环氧结构胶区域后，采用经树脂浸润的玻璃纤维织物对加热电阻外层进行封装 ，从而可对加热电阻实现进一步的覆盖保护。

4）、加热电阻9铺设后，采用环氧结构胶将前缘腹板下端法兰502 和后缘腹板下端法兰302 粘在下壳体8的内表面上，并在前缘腹板上端法兰501、后缘腹板上端法兰301以及上壳体1的相应粘接区域（统常该区域位于大梁的内表面）涂抹环氧结构胶，然后将上壳体通过机械翻转后，使上壳体1与下壳体8 粘接为一体。

5）、用导电胶将加热电阻9的两端分别与导电电极17连接，导电电极再与导线18相连，然后将导线从风电叶片本体内引至风电本体的叶根后再与加热电源19相连。加热电源19可采用风机变桨系统或者偏航系统的备用电源或者风机本身产生的电量作为加热电源。

需要说明的是：风电叶片本体迎风的一侧为风电叶片本体的前缘6，位于前缘腹板5与前缘6之间的空腔为前缘腔601，风电叶片本体背风的一侧为风电叶片本体的后缘11，位于后缘腹板3与后缘11之间的空腔为后缘腔1101，位于风电叶片本体的前缘腹板5与后缘腹板3以及上壳体大梁2与下壳体大梁7之间的空腔为大梁空腔4。

本发明应用时，在叶片表面己经结冰的情况下，可通过加热电源19向与其连接的加热电阻9供电，加热电阻9发热并直接通过中间芯材中设置的导热材料快速将热量传导至风电本体的外表面即玻璃纤维外蒙皮；玻璃纤维外蒙皮可直接对其表面的覆冰进行加热而使覆冰融化，表面融冰完成后，再通过以上方法保证玻璃纤维外蒙皮表面温度在冰点以上，防止结冰的再次发生。从而实现风力发电设备尤其是大型风力发电设备（一般将风电叶片本体长度大于50m或者发电能力大于2.0mw的风力发电设备称为大型风力发电设备）在低温高湿结冰环境下正常运行发电。

加热电阻9均匀布置在作为胶粘剂的环氧结构胶的内部，实现了加热电阻9的初步封装，可以避免加热电阻9在环氧结构胶凝固过程中的移动，并对加热电阻起到隔绝外部空气的保护作用。

在加热电阻9 的外部进一步采用树脂浸润过的玻璃纤维织物进行再次分装形成保护层（即经树脂浸润过的玻璃纤维保护层），不仅进一步阻止了加热电阻9与空气的接触，避免了加热电阻9外部绝缘高分子膜903的老化损伤，而且可以避免整机运转过程中持续的较大变形运动导致的加热电阻9与风电叶片本体之间的粘接破坏，从而可避免加热电阻的脱落，使本发明的除冰效率一直保持在较高的水平。

本文未详述部分为现有技术。

Claims (7)

1.一种防冰除冰风电叶片，包括风电叶片本体和设置在风电叶片本体内壁上的加热电阻（9），所述的风电叶片本体包括相互粘接在一起的上壳体（1）和下壳体（8），所述的上壳体和下壳体从外到内均包括玻璃纤维外蒙皮（15）、中间芯材（14）和玻璃纤维内蒙皮（13），所述的中间芯材（14）呈板状，其特征在于：在中间芯材的一侧板面上开设有多条横向切槽和多条纵向切槽，多条横向切槽和多条纵向切槽交叉连通设置，在横向切槽和纵向切槽内均设置有导热材料（16）；该防冰除冰风电叶片的制作方法包括如下步骤：

1）、在板状的中间芯材（14）的一个板面上进行切槽加工，制作出纵横交错的切槽，并在切槽内填充导热材料（16）；

2）、在风电叶片制作模具上铺设玻璃纤维织物Ⅰ，之后在玻璃纤维织物Ⅰ上需要中间芯材的区域铺设已经填充导热材料的中间芯材，然后在中间芯材以及玻璃纤维织物Ⅰ上铺设玻璃纤维织物Ⅱ，铺设结束后，在玻璃纤维织物Ⅱ上铺放导流网、注胶管，然后使用柔性薄膜和密封胶带对风电叶片制作模具建立封闭系统，对封闭系统内抽真空后从注胶管导入树脂，树脂通过导流网分散到整个玻璃纤维织物Ⅰ和玻璃纤维织物Ⅱ，完成上壳体的灌注，然后对整个密闭系统加热使上壳体固化成型后得到从外到内包括玻璃纤维外蒙皮、中间芯材和玻璃纤维内蒙皮的上壳体；采用同样的方法制作出下壳体；

3)、在上壳体和下壳体的前缘腔（601）、后缘腔（1101）以及大梁腔（4）的内表面涂抹一层环氧结构胶，然后将加热电阻（9）布置在环氧结构胶区域；

4）、采用环氧结构胶将前缘腹板（5）和后缘腹板（3）的下端法兰粘在下壳体（8）的内表面上，并在前缘腹板、后缘腹板的上端法兰和上壳体（1）的相应粘接区域涂抹环氧结构胶，然后将上壳体通过机械翻转后，使上壳体（1）与下壳体（8 ）粘接为一体；

5）、用导电胶将加热电阻（9）的两端分别与导电电极（17）连接，导电电极再与导线（18）相连，然后将导线从风电叶片本体内引至风电本体的叶根后再与加热电源（19）相连。

2.根据权利要求1所述的一种防冰除冰风电叶片，其特征在于：所述的导热材料（16）为碳纤维或金属薄片中的任意一种。

3.根据权利要求2所述的一种防冰除冰风电叶片，其特征在于：所述的金属薄片为铝箔片。

4.根据权利要求1所述的一种防冰除冰风电叶片，其特征在于：所述的加热电阻包括成束的电阻丝、包裹设置在成束电阻丝外部的玻璃纤维加强层（902）和包覆在玻璃纤维加强层（902）外部的绝缘高分子膜（903）。

5.根据权利要求4所述的一种防冰除冰风电叶片，其特征在于：在加热电阻的外部封装有经树脂浸润过的玻璃纤维保护层（12）。

6.根据权利要求4所述的一种防冰除冰风电叶片，其特征在于：所述的加热电阻（9）呈S形盘绕铺设在风电叶片本体的内壁上。

7.根据权利要求6所述的一种防冰除冰风电叶片，其特征在于：呈S形盘绕铺设的加热电阻相邻两段之间的间隙为2-30mm。