CN112879249B - 一种风电叶片的碳纳米管-石墨烯复合防冰除冰系统的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种风电叶片的碳纳米管‑石墨烯复合防冰除冰系统，包括温度监测系统、复合加热膜系统、总体温度控制系统以及电路系统。温度监测系统分布在叶片的不同部位，能够准确监测叶片各部位的实时温度。复合加热膜系统对应着温度监测系统分布在叶片的不同部位并对叶片加热。总体温度控制系统通过电路系统与复合加热膜系统相连。温度监测系统分别连接复合加热膜系统和总体温度控制系统，可以实时监测叶片各部分的温度，通过温度控制系统将叶片总体的温度维持在2℃，并能够对叶片温度较低的部分进行单独加热。这种系统重量轻、成本低、除冰效率高、耗能低，在应用中具有优异的防冰除冰功能。

Description

一种风电叶片的碳纳米管-石墨烯复合防冰除冰系统的制备 方法

技术领域

本发明涉及一种风电叶片的碳纳米管-石墨烯复合防冰除冰系统的制备方法，属于风力发电辅助设备领域。

背景技术

风力发电风机在冰点以下的气温中运行时，就可能会发生冻冰现象。叶片覆冰后增加了重量，对风力机的机械性能造成很大影响，特别是加载在每个叶片上的冰载量可能不同，导致机组运行的不平衡载荷增大，对机组产生非常大的危害，特别是那些建设在高寒地区的风力发电装置，为了防止机组损坏有时不得不停机，机组的利用率大大降低。风机叶片覆冰后叶片的每个截面覆冰厚度不一，导致叶片原设计的翼型变形，对风电机组的载荷影响很大，风机的发电效率大幅下降。另外，叶片表面的覆冰随时可能脱落并高速飞离，对机组和现场人员造成很大的安全隐患。叶片覆冰后很难脱落，没有防冰除冰措施的叶片只能等太阳直射，待叶片上的冰全部脱落以后才可以正常运行。

因此研究预防风机结冰的新技术，对于发展我国的风力发电产业非常重要。

公开专利文件“自发电加热除冰装置、叶片、风力发电机及除冰方法”（申请号：CN201611094928.6）提供了一种包括电加热装置和永磁发电机的自发电加热除冰装置，以及带有自发电加热除冰装置的叶片。采用风机旋转运动使得永磁发电机发电并作为电加热装置的电源，实现“自发热”效果，然而，该方案仅限于一种设想，对于发热效果包括升温速度、耗能等因素并未提供较好的解决方法，普通的电加热装置升温速度慢、能耗高，在风机叶片上无法广泛使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种风电叶片的碳纳米管-石墨烯复合防冰除冰系统，该装置具有发热效率高、安全可靠、装置几何外形多变、适用范围广、有较宽的电压适用范围等优点。

作为本发明的第一个方面，在于提供一种风电叶片的碳纳米管-石墨烯复合防冰除冰系统，包括温度监测系统、复合加热膜系统、总体温度控制系统以及电路系统；所述温度监测系统排布于叶片的不同部位，用于监测叶片各个部位的实时温度；所述复合加热膜系统分布于叶片的表面，用于对叶片进行加热防冰除冰；所述总体温度控制系统通过电路系统与复合加热膜系统电连接，所述总体温度控制系统与温度监测系统信号连接，以监测叶片各部分温度并及时对各部分叶片进行加热。

优选的，所述复合加热膜系统可以设置于叶片的内表面或外表面，为了更好地防护复合加热膜系统，优选将其设置于叶片的内表面，所述温度监测系统为位于复合加热膜系统与叶片之间的温度传感器。

所述总体温度控制系统为带显示屏和温度设定功能的控制器，根据监测系统检测的外界温度和叶片实际温度控制输出电压或电流的大小，为复合加热膜系统提供电能。

优选的，所述复合加热膜系统包括第一粘结层、加热层、第二粘结层和隔离层，所述第一粘结层由树脂制得、厚度为30-100 μm，使加热层紧紧粘结在叶片内侧，加热层组分包括碳纳米管、石墨烯、水性聚氨酯、增稠剂和流平剂，厚度为50-1000 μm，通电后迅速升温，从而升高叶片温度；所述第二粘结层由树脂制得，厚度为30-100 μm，使隔离层与加热层紧紧粘结，隔离层由玻纤毡制得，厚度为20-1000 μm，各层厚度根据叶片尺寸进行设计和调整。

优选的，所述复合加热膜系统包括第一粘结层、加热层、第二粘结层和隔离层，所述第一粘结层和第二粘结层所用树脂选自环氧树脂、水性聚氨酯和不饱和树脂中的至少一种，所述第一粘结层厚度为30 μm，加热层厚度为100 μm，第二粘结层厚度为30 μm，隔离层厚度为50 μm。

优选的，所述电路系统包括固定在复合加热膜系统中加热层两端的导电层以及连接温度监测系统和总体温度控制系统的导线。所述导电层选自金属铜箔或其他金属箔。

作为本发明的第二个方面，在于提供所述风电叶片的碳纳米管-石墨烯复合防冰除冰系统的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、制备加热层的导电浆料：取碳纳米管和石墨烯为原料，十二烷基苯磺酸钠作为分散剂，以蒸馏水为溶剂，混合后超声波超声分散10-90 min，再用离心机以5000-12000 rpm离心10-50 min，提取上清液，得到石墨烯与碳纳米管的混合分散液；

步骤二、将步骤一所得混合分散液搅拌，然后依次加入水性聚氨酯、增稠剂和流平剂，直至形成粘稠均匀的导电浆料；

步骤三、在风电叶片内表面涂覆第一粘结层，将步骤二所得的导电浆料涂覆于带有第一粘结层的风电叶片内表面，风干后即为加热层；

步骤四、而后涂覆第二粘结层，最后铺设玻纤毡作为隔离层起到防护和保温效果，最终得到复合加热膜系统。

步骤五、在复合加热膜系统的加热层两端分别固定电路系统的两个导电层，导电层连接的导线分别连接至总体温度控制系统。

优选的，在步骤三风电叶片内表面涂覆第一粘结层以前，先布设多个温度传感器作为温度监测系统，温度传感器与总体温度控制系统信号连接，将叶片表面的温度传输至总体温度控制系统。

优选的，步骤一中，所述碳纳米管和石墨烯质量比为1:1-1:100。

优选的，步骤二中，石墨烯与水性聚氨酯的质量比为1:0.6-1:20；石墨烯与增稠剂的质量比为1:0.1-1:1；石墨烯与流平剂的质量比为1:0.1-1:1。

更优选的，碳纳米管和石墨烯质量比为1:10，石墨烯与水性聚氨酯的质量比为1:1.5；石墨烯与增稠剂的质量比为1:0.5；石墨烯与流平剂的质量比为1:0.5。

所述碳纳米管选自单壁碳纳米管或多壁碳纳米管中的一种或两种组合。

优选的，所述复合加热膜系统的加热层面电阻为50-200 Ω/sq。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）本发明提供了在叶片上使用碳纳米管-石墨烯复合防冰除冰装置以达到防冰除冰的目的。通过温度控制系统将叶片总体的温度维持在2~10 ℃，并能够对叶片温度较低的部分进行单独加热。这种系统重量轻、成本低、除冰效率高、耗能低，在应用中具有优异的防冰除冰功能。碳纳米管-石墨烯复合除冰装置具有发热效率高、安全可靠、装置几何外形多变、适用范围广、有较宽的电压适用范围等优点。

（2）本发明提供的复合加热膜系统的加热层的制备方法，所得加热层面电阻低至50-200 Ω/sq，具有升温快，耗能低的特点，可实现风电叶片快速升温和降温；智能调节供电电压，节省能源；复合加热膜系统层薄、质轻，使用后叶片的重量增加量少，叶片工作效率影响小。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明提供的风电叶片的碳纳米管-石墨烯复合防冰除冰系统整体连接关系示意图；

图2为本发明提供的风电叶片的碳纳米管-石墨烯复合防冰除冰系统在叶片上的分布结构示意图；

图3为本发明提供的风电叶片的碳纳米管-石墨烯复合防冰除冰系统中复合加热膜系统结构示意图；

图4为复合加热膜系统中的加热层面电阻为50 Ω/sq时在不同电压下所能升高的温度曲线图；

图5为复合加热膜系统中的加热层电压为50 V时在-20 ℃时的加热稳定性曲线图。

其中，1-温度监测系统，2-复合加热膜系统，3-总体温度控制系统，4-电路系统，5-叶片，21-第一粘结层，22-加热层，23-第二粘结层，24-隔离层，25-导电层。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在具体实施例中，如没有特别指出，则超声功率采用150 W；机器的涂布速率为0.5-100 m/min。

水性聚氨酯固含量为35%左右；增稠剂为丙烯酸聚合物，固含量为40%-45%；

流平剂为丙烯酸类聚合物，固含量为40%-45%；碳纳米管，长度为5~30 μm，直径为1-2 nm，碳纳米管纯度为95 wt.%，石墨烯纯度为85 wt.%，石墨烯厚度为5 nm，直径为约80μm。

如无特别指出，单位为g；超声时间单位为min；蒸馏水加入量以体积ml计。

实施例1：一种风电叶片的复合防冰除冰系统

如图1所示，包括温度监测系统1、复合加热膜系统2、总体温度控制系统3以及电路系统4；所述温度监测系统1排布于叶片的不同部位，用于监测叶片各个部位的实时温度；所述复合加热膜系统2分布于风电叶片的表面；所述总体温度控制系统3通过电路系统4与复合加热膜系统3电连接，所述总体温度控制系统与温度监测系统信号连接。

所述复合加热膜系统可以设置于叶片5的内表面或外表面，为了更好地防护复合加热膜系统，优选将其设置于叶片的内表面，所述温度监测系统1为位于复合加热膜系统与叶片之间的温度传感器。

所述总体温度控制系统可以带显示屏和温度设定功能的控制器，连接至直流电源，为复合加热膜系统提供电能。当温度监测系统显示叶片的部分温度小于 2℃时，由总体温度控制系统通过控制电路系统开启叶片对应部分的复合加热膜系统，直至温度监测系统显示叶片该部分温度大于2℃。

为了实现风电叶片的局部测温和除冰效果，将风电叶片分为多个区域，每个区域内设置一个温度监测系统，并铺设一块复合加热膜系统，所有复合加热膜系统布满整个风电叶片。作为一个典型的实施例，如图3所示，将一个风电叶片的一面分为14个区域，其中风电叶片的两个端部分别为独立的一个区域，叶片主体划分为横向三行、纵向四列共12个区域，每个区域内设置一个温度监测系统，并铺设一块复合加热膜系统，所有复合加热膜系统布满整个风电叶片，单个风电叶片上共排布26个温度监测系统和26块复合加热膜系统，具体每个区域的形状根据风电叶片的尺寸和形状划分，不拘于图2所示形状。

如图3所示，所述复合加热膜系统2包括第一粘结层21、加热层22、第二粘结层23和隔离层24，所述第一粘结层由树脂制得厚度为30 μm，能够使加热层紧紧粘结在叶片内侧，加热层组分包括碳纳米管、石墨烯、水性聚氨酯、增稠剂和流平剂，厚度为100 μm，通电后能迅速升温，从而升高叶片温度；所述第二粘结层由树脂制得，厚度为30 μm，能够使隔离层与加热层紧紧粘结，隔离层由玻纤毡制得，厚度为50 μm。

所述电路系统包括固定在复合加热膜系统中加热层两端的导电铜箔以及连接温度监测系统和总体温度控制系统的导线。

所述风电叶片的碳纳米管-石墨烯复合防冰除冰系统的制备方法如下所述：

步骤一、制备加热层的导电浆料：取单壁碳纳米管和石墨烯为原料，十二烷基苯磺酸钠作为分散剂，以蒸馏水为溶剂，混合后超声波超声分散20 min，再用离心机以8000 rpm离心40 min，提取上清液，得到石墨烯与碳纳米管的混合分散液；

步骤二、将步骤一所得混合分散液搅拌，然后依次加入水性聚氨酯、增稠剂和流平剂，直至形成粘稠均匀的导电浆料，在本实施例中，碳纳米管和石墨烯质量比为1:10，石墨烯与水性聚氨酯的质量比为1:15；石墨烯与增稠剂的质量比为1:5；石墨烯与流平剂的质量比为1:5；

步骤三、在风电叶片内表面涂覆环氧树脂作为第一粘结层，将步骤二所得的导电浆料涂覆于带有第一粘结层的风电叶片内表面，风干后即为加热层；

步骤四、而后涂覆水性聚氨酯作为第二粘结层，最后铺设玻纤毡作为隔离层起到防护和保温效果，最终得到复合加热膜系统。

步骤五、在复合加热膜系统的加热层22两端固定电路系统的导电层25，导电层连接的导线分别连接至总体温度控制系统在步骤三形成风干的加热层后，在加热层两端固定导电层25，然后连接至总体温度控制系统3。所述导电层25选自金属铜箔或其他金属箔。

在步骤三风电叶片内表面涂覆第一粘结层以前，先布设多个温度传感器作为温度监测系统1，温度传感器与总体温度控制系统3信号连接，将叶片表面的温度传输至总体温度控制系统3。

实施例2：一种风电叶片的复合防冰除冰系统

整体结构与实施例1相同，不同之处在于，复合加热膜系统中第一粘结层由树脂制得，厚度为70 μm，加热层厚度为500 μm，第二粘结层厚度为70 μm，隔离层厚度为200 μm。

其中加热层由导电浆料涂覆后制得，导电浆料由以下方法制得，多壁碳纳米管和石墨烯为原料，十二烷基苯磺酸钠作为分散剂，蒸馏水为溶剂。超声波分散机进行超声30min，再用离心机以10000 rpm的速率离心20 min，提取上清液，得到石墨烯与碳纳米管的混合分散液。将混合分散液搅拌，然后依次加入水性聚氨酯、增稠剂和流平剂，直至形成粘稠均匀的导电浆料。碳纳米管和石墨烯质量比为1:20，石墨烯与水性聚氨酯的质量比为1:10；石墨烯与增稠剂的质量比为1:7；石墨烯与流平剂的质量比为1:7。最后将导电浆料涂覆在叶片的内表面，风干后即为加热层。

实施例3：一种复合加热膜系统的制备方法

采用不同比例物料制备复合加热膜系统，并对所得复合加热膜系统产品的面电阻进行检测，采用苏州晶格M-3手持式方块电阻测试仪检测面电阻数值。制备好样品，样品一般需要在恒定的环境下放置一定的时间，来保证样品性质的一致性。将样品放置于平台上，将探头探针压着样品表面，通过输出结果读出显示屏上的面电阻数值。

制备条件和产品面电阻检测结果汇总如表1所示：

表1 实施例1~5的加热层制备原理配比和面电阻检测结果汇总表

可见，单独使用石墨烯和碳纳米管制备的复合加热膜其面电阻非常大，而形成碳纳米管-石墨烯网络结构后面电阻值明显降低。分析原因为：碳纳米管通过管间的搭接实现载流子的传输，碳纳米管网络包含许多孔洞是一个类似蜘蛛的结构。而沉积在碳纳米管网络中的石墨烯片可以包裹和填充碳纳米管以使碳纳米管网络致密化。尽管石墨烯粉末导电性能较差，但它仍然可以作为碳纳米管束之间的桥梁，从而形成几个新的电子传输通道，最终降低碳纳米管之间的接触电阻。由于石墨烯粉末导电性能较差，仅有石墨烯充当导电物质后，面电阻较高。而仅有碳纳米管时，碳纳米管在水性聚氨酯的包裹下管间接触电阻较高，因此面电阻也会较高。

实施例3中，在加热层厚度达到1000 μm时，面电阻可降至50 Ω/sq，然而加热层厚度增加，其他层厚度也需要相应增加，造成叶片的负担变大，影响发电效率，因此，对加热层的厚度进行一定限制。

试验例1、产品升温时电压和温度曲线测定：

实验装置：测温枪、面电阻为50 Ω/sq的加热薄膜、电线、调压器。

实验方法：将调压器连接到加热薄膜的两个电极上，在-27 ℃下以每分钟升压2 V的速度从0 V到80 V逐渐升温，然后使用测温枪测量加热薄膜的温度，最后绘制加热曲线。

实验结论：如图4所示，胶带装置的可弯折加热装置可以在-27 ℃下迅速升温，并且温度随着加载电压的增大而升高。当加载电压为80 V时，温度可升高至31 ℃。说明此装置可以通过调节电压来实现不同的加热温度。

试验例2、产品加热稳定性测定试验：

实验装置：测温枪、面电阻为35 Ω/sq的加热薄膜、电线、调压器。

实验方法：将调压器连接到加热薄膜的两个电极上，在-20 ℃时在加热装置两边加载50V的电压，然后使用测温枪测量加热薄膜的温度，最后绘制加热稳定性曲线。

实验结论：如图5所示，胶带装置的可弯折加热装置可以在-20 ℃下迅速升温，当加载电压为50 V时，温度可稳定维持在10 ℃；由初始温度升至稳定温度仅需不到5分钟时间；在加热80 min时断电，温度迅速降低，降至原温度时间不足10分钟。说明此装置加热性能稳定。

可见，本发明提供的加热复合膜系统具有如下特点和优势：形成碳纳米管-石墨烯网络结构，面电阻显著降低，作为风电叶片的加热结构可以显著降低能耗；同时可通过调节电源的电压实现不同的加热温度，实现加热温度可控；升温和降温过程快速，加热性能稳定。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种风电叶片的碳纳米管-石墨烯复合防冰除冰系统的制备方法，其特征在于，所述风电叶片的碳纳米管-石墨烯复合防冰除冰系统包括温度监测系统、复合加热膜系统、总体温度控制系统以及电路系统；所述温度监测系统排布于叶片的不同部位，用于监测叶片各个部位的实时温度；所述复合加热膜系统分布于叶片的表面，用于对叶片进行加热防冰除冰；所述总体温度控制系统通过电路系统与复合加热膜系统电连接，所述总体温度控制系统与温度监测系统信号连接，监测叶片各部分温度并及时对各部分叶片进行加热；

所述复合加热膜系统包括第一粘结层、加热层、第二粘结层和隔离层，所述第一粘结层由树脂制得、厚度为30-100 μm，使加热层紧紧粘结在叶片内侧，加热层组分包括碳纳米管、石墨烯、水性聚氨酯、增稠剂和流平剂，厚度为50-1000 μm，通电后迅速升温，从而升高叶片温度；所述第二粘结层由树脂制得，厚度为30-100 μm，使隔离层与加热层紧紧粘结，隔离层由玻纤毡制得，厚度为20-1000 μm；

所述电路系统包括固定在复合加热膜系统中加热层两端的导电层以及连接温度监测系统和总体温度控制系统的传感器和导线；

包括如下步骤：

步骤一、制备加热层的导电浆料：取碳纳米管和石墨烯为原料，十二烷基苯磺酸钠作为分散剂，以蒸馏水为溶剂，混合后超声波超声分散10-90 min，再用离心机以5000-12000rpm离心10-50 min，提取上清液，得到石墨烯与碳纳米管的混合分散液；

步骤二、将步骤一所得混合分散液搅拌，然后依次加入水性聚氨酯、增稠剂和流平剂，直至形成粘稠均匀的导电浆料；

步骤三、在风电叶片内表面涂覆第一粘结层，将步骤二所得的导电浆料涂覆于带有第一粘结层的风电叶片内表面，风干后即为加热层；

步骤四、而后涂覆第二粘结层，最后铺设玻纤毡作为隔离层，最终得到复合加热膜系统；

步骤五、在复合加热膜系统的加热层两端分别固定电路系统的两个导电层，导电层连接的导线连接至总体温度控制系统；

步骤一中，所述碳纳米管和石墨烯质量比为1:1-1:100；

步骤二中，石墨烯与水性聚氨酯的质量比为1:0.6-1:20；石墨烯与增稠剂的质量比为1:0.1-1:1；石墨烯与流平剂的质量比为1:0.1-1:1；

所述碳纳米管选自单壁碳纳米管或多壁碳纳米管中的一种或两种组合；

所述复合加热膜系统的加热层面电阻为50-200 Ω/sq。

2.根据权利要求1所述的一种风电叶片的碳纳米管-石墨烯复合防冰除冰系统的制备方法，其特征在于，所述复合加热膜系统设置于叶片的内表面或外表面，所述温度监测系统为位于复合加热膜系统与叶片之间的温度传感器；

所述总体温度控制系统为带显示屏和温度设定功能的控制器，根据监测系统检测的外界温度和叶片实际温度控制输出电压或电流的大小，为复合加热膜系统提供电能。

3.根据权利要求1所述的一种风电叶片的碳纳米管-石墨烯复合防冰除冰系统的制备方法，其特征在于，所述第一粘结层和第二粘结层所用树脂选自环氧树脂、水性聚氨酯和不饱和树脂中的至少一种，所述第一粘结层厚度为30 μm，加热层厚度为100 μm，第二粘结层厚度为30 μm，隔离层厚度为50 μm。

4.根据权利要求1所述风电叶片的碳纳米管-石墨烯复合防冰除冰系统的制备方法，其特征在于，在步骤三风电叶片内表面涂覆第一粘结层以前，先布设多个温度传感器作为温度监测系统，温度传感器与总体温度控制系统信号连接，将叶片表面的温度传输至总体温度控制系统。

5.根据权利要求1所述风电叶片的碳纳米管-石墨烯复合防冰除冰系统的制备方法，其特征在于，碳纳米管和石墨烯质量比为1:10，石墨烯与水性聚氨酯的质量比为1:1.5；石墨烯与增稠剂的质量比为1:0.5；石墨烯与流平剂的质量比为1:0.5。

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