《風力發電機葉片的融冰加熱結構及其製作方法》是東方電氣風電有限公司於2015年12月31日申請的專利，該專利申請號為2015110141462，公布號為CN105673361A，公布日為2016年6月15日，發明人是羊森林、王其軍、黃永東、李傑、王鋒等。
《風力發電機葉片的融冰加熱結構及其製作方法》其特點是設有碳晶膜加熱裝置，該裝置包括碳晶電熱膜、溫度感測器、加熱控制器，所述碳晶電熱膜鋪覆在殼體前緣表面的覆冰區域，用於加熱殼體前緣的覆冰區域，實現融冰和防止結冰；所述溫度感測器布置在碳晶電熱膜下，對應覆冰區域，用於檢測殼體前緣覆冰區域的溫度；所述加熱控制器布置在風力發電機控制系統中，根據溫度感測器檢測到的殼體前緣覆冰區域的溫度，調整碳晶電熱膜的加熱電功率，使殼體前緣覆冰區域的溫度恆定在設定值，該設定值略大於凍的熔點，通常為0℃＜t≤2℃。還設有避雷裝置，避免葉片遭受雷擊。
2021年11月，《風力發電機葉片的融冰加熱結構及其製作方法》獲得2020年度四川專利獎三等獎。
（概述圖為《風力發電機葉片的融冰加熱結構及其製作方法》的摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：風力發電機葉片的融冰加熱結構及其製作方法
- 公布號：CN105673361A
- 公布日：2016年6月15日
- 申請號：2015110141462
- 申請日：2015年12月31日
- 申請人：東方電氣風電有限公司
- 地址：四川省德陽市華山南路二段2號
- 發明人：羊森林、王其軍、黃永東、李傑、王鋒、薛浩鵬、趙萍、鐘賢和、曾明伍
- 專利代理機構：成都蓉信三星專利事務所
- 代理人：劉克勤
- Int.Cl.：F03D80/40(2016.01)I、F03D80/60(2016.01)I、F03D80/30(2016.01)I、F03D1/06(2006.01)I
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,操作內容,實施案例,榮譽表彰,
專利背景
風電機組在寒冷氣候環境下運行時，在冬季機組葉片表面通常會發生較為嚴重的覆冰，覆冰後葉片的氣動外形發生明顯變化，將嚴重影響葉片的氣動效率，使機組的發電效率下降，覆冰後機組和葉片載荷的也會增加，當三支葉片載荷和質量矩互差達到一定程度時，會引發機組的振動，從而影響機組的安全穩定運行。通常為了機組安全運行，葉片覆冰嚴重時機組將停止運行，因此風電葉片結冰將導致嚴重的發電量損失。為了解決葉片表面覆凍的問題，2015年12月之前主要有以下幾種方法：
1、葉片表面噴塗超疏水防結冰塗料，利用塗料的疏水特性使吸附在葉片表面的水分儘量少，從而減小覆冰層厚度，其缺點是不能徹底除冰。
2、熱空氣加熱除冰，向葉片腹腔通入熱空氣循環加熱，使葉片殼體溫度升高，防止表面結冰。其缺點是熱量浪費大，熱空氣管路敷設工藝難度大。
3、葉片表面鋪覆碳纖維布加熱除冰，碳纖維模量相對較高，鋪覆後將在一定程度上影響葉片的結構剛度和頻率。
發明內容
專利目的
針對以上問題，該發明提出一種風力發電機葉片的融冰加熱結構及其製作方法，既可避免結冰，又可保護葉片不受損傷。
技術方案
《風力發電機葉片的融冰加熱結構及其製作方法》所述風力發電機葉片由殼體和位於殼體內的兩塊抗剪下腹板組合構成，所述殼體由迎流面殼體和背流面殼體對接構成空腹結構，兩塊抗剪下腹板在腹腔中縱向並列布置，它們的兩個側邊分別與迎流面殼體、背流面殼體的內壁粘接；其特徵在於，所述風力發電機葉片設有碳晶膜加熱裝置，該裝置包括碳晶電熱膜、溫度感測器、加熱控制器，所述碳晶電熱膜鋪覆在殼體前緣表面的覆冰區域，用於加熱殼體前緣的覆冰區域；所述溫度感測器布置在碳晶電熱膜下，對應覆冰區域，用於檢測殼體前緣覆冰區域的溫度；所述加熱控制器布置在風力發電機控制系統中，根據溫度感測器檢測到的殼體前緣覆冰區域的溫度，調整碳晶電熱膜的加熱電功率，使殼體前緣覆冰區域的溫度恆定在設定值，該設定值略大於凍的熔點，通常為0℃＜t≤2℃。
所述碳晶電熱膜通過其電源線連線電源，所述溫度感測器通過其信號線連線加熱
控制器，所述碳晶電熱膜的電源線、溫度感測器的信號線均敷設在葉片殼體的腹腔中，固定在抗剪下腹板上，從葉片根部引出。
所述風力發電機葉片還設有避雷裝置，該避雷裝置包括金屬絲網和雷電流引線，所述金屬絲網包覆在葉片前緣殼體表面，對應覆冰區域，其與碳晶電熱膜的結合面設有絕緣層；所述金屬絲網具有釺焊的銅箔帶，所述雷電流引線固定在抗剪下腹板上，它的一端與金屬絲網的銅箔帶釺焊連線，另一端從葉片根部引出接地。
所述風力發電機葉片還設有避雷裝置，該避雷裝置包括金屬絲網、雷電流引線和連線螺栓，所述金屬絲網包覆在葉片前緣殼體表面，對應覆冰區域，其與碳晶電熱膜的結合面設有絕緣層；所述金屬絲網具有釺焊的銅箔帶，銅箔帶上有螺栓穿孔；所述雷電流引線固定在抗剪下腹板上，它的一端通過螺栓與金屬絲網連線，由螺栓將雷電流引線、金屬絲網鎖緊，螺栓與銅箔帶的結合部、螺栓與雷電流引線的結合部均釺焊連線；雷電流引線的另一端從葉片根部引出接地。
所述金屬絲網是銅絲網或鋁絲網；所述螺栓是銅螺栓；所述絕緣層採用高密度雙向玻璃纖維布增強樹脂的玻璃鋼絕緣層。
上述風力發電機葉片融冰加熱結構的製作方法，可採用手工分步製作法或整體灌注法。
手工分步製作法包括如下步驟：
（1）分別用模具灌注葉片迎流面殼體、背流面殼體、抗剪下腹板，再組裝粘接，合模保溫、保壓，至粘接劑徹底固化後脫模，葉片成型；
（2）在殼體上鑽好碳晶電加熱膜電源線穿孔、溫度感測器信號線穿孔、避雷裝置的螺栓穿孔；
（3）在葉片殼體前緣覆冰區域安裝溫度感測器，並與其信號線釺焊連線；
（4）在葉片殼體前緣覆冰區域表面塗覆粘接劑，再將面積與覆冰區域表面相當的碳晶電加熱膜鋪覆上去，並與其電源線釺焊連線；
（5）在碳晶電加熱膜表面塗覆粘接劑，再將面積與碳晶電加熱膜相當的高密度雙向玻璃纖維布鋪覆上去；
（6）裁剪一塊金屬絲網，其面積應大於碳晶電加熱膜，在金屬絲網的一邊釺焊銅箔帶，在銅箔帶上鑽螺栓孔，將金屬絲網鋪覆在雙向玻璃纖維布上面，其螺栓孔與葉片殼體上的螺栓孔對齊，將螺栓穿進螺栓孔，與雷電流引線連線，並將銅箔與螺栓釺焊連線、雷電流引線與螺栓釺焊連線；
（7）將碳晶電加熱膜電源線、溫度感測器信號線、雷電流引線固定在抗剪下腹板上，並從葉片根部引出；
（8）在金屬絲網上鋪覆低密度雙向玻璃纖維布，將金屬絲網覆蓋，然後在葉片整個表面噴塗防風沙耐腐蝕的葉片專用油漆。
整體灌注法包括如下步驟：
（1）在灌注葉片迎流面、背流面殼體之前，先把金屬絲網、高密度雙向纖維布、碳晶電熱膜依序鋪在模具內，對應覆冰區域，把溫度感測器布置在碳晶電熱膜上，並把金屬絲網的雷電流引線、碳晶電熱膜的電源線、溫度感測器的信號線都釺焊好，其中，雷電流引線直接與金屬絲網的銅箔帶焊接；再鋪葉片殼體纖維布及芯材；
（2）抽真空灌注樹脂一起成型，將金屬絲網、高密度雙向纖維布、碳晶電熱膜、溫度感測器固化在葉片殼體內；
（3）在抗剪下腹板灌注成型後，把金屬絲網的雷電流引線、碳晶電熱膜的電源線、溫度感測器的信號線固定在抗剪下腹板上；
（4）將迎流面殼體、被流面殼體、抗剪下腹板組裝粘接，然後合模保溫、保壓，至樹脂和粘接劑徹底固化後脫模，葉片成型；
（5）在葉片整個表面噴塗防風沙耐腐蝕的專用油漆。
改善效果
《風力發電機葉片的融冰加熱結構及其製作方法》通過在葉片覆冰區域設定碳晶電熱膜，並將加熱溫度控制在0℃＜t≤2℃，既有效地防止了葉片結冰，又節約能源，還可避免葉片前後緣因溫差過大引起的變形，從而保證葉片的氣動性能，延長葉片的使用壽命。通過設定避雷裝置，使風力發電機免遭雷擊，保障機組運行安全。
附圖說明
圖1是《風力發電機葉片的融冰加熱結構及其製作方法》的融冰加熱結構圖；
圖2是圖1的橫截面圖；
圖3是圖2中局部A的放大圖；
圖4是該葉片一種避雷裝置的連線結構圖（帶連線螺栓）；
圖5是圖4中局部B的放大圖。
圖中代號含義： 1：葉片殼體；2：溫度感測器；3：碳晶電加熱膜；4：雙向玻璃纖維布；5：金屬絲網；6：銅箔帶；7：銅螺栓；8：溫度感測器信號線；9：碳晶電加熱膜電源線；10：加熱控制器；11：碳晶電加熱膜電極；12：抗剪下腹板；13：雷電流引線。
權利要求
1.《風力發電機葉片的融冰加熱結構及其製作方法》所述風力發電機葉片由殼體和位於殼體內的兩塊抗剪下腹板組合構成，所述殼體由迎流面殼體和背流面殼體對接構成空腹結構，兩塊抗剪下腹板在腹腔中縱向並列布置，它們的兩個側邊分別與迎流面殼體、背流面殼體的內壁粘接；其特徵在於，所述風力發電機葉片設有碳晶膜加熱裝置，該裝置包括碳晶電熱膜、溫度感測器、加熱控制器，所述碳晶電熱膜鋪覆在殼體前緣表面的覆冰區域，用於加熱殼體前緣的覆冰區域；所述溫度感測器布置在碳晶電熱膜下，對應覆冰區域，用於檢測殼體前緣覆冰區域的溫度；所述加熱控制器布置在風力發電機控制系統中，根據溫度感測器檢測到的殼體前緣覆冰區域的溫度，調整碳晶電熱膜的加熱電功率，使殼體前緣覆冰區域的溫度恆定在設定值，該設定值略大於凍的熔點，為0℃＜t≤2℃；所述碳晶電熱膜通過其電源線連線電源，所述溫度感測器通過其信號線連線加熱控制器，所述碳晶電熱膜的電源線、溫度感測器的信號線均敷設在葉片殼體的腹腔中，固定在抗剪下腹板上，從葉片根部引出；所述風力發電機葉片還設有避雷裝置，該避雷裝置包括金屬絲網和雷電流引線，所述金屬絲網包覆在葉片前緣殼體表面，對應覆冰區域，其與碳晶電熱膜的結合面設有絕緣層；所述金屬絲網具有釺焊的銅箔帶，所述雷電流引線固定在抗剪下腹板上，它的一端與金屬絲網的銅箔帶釺焊連線，另一端從葉片根部引出接地。
2.權利要求1所述風力發電機葉片融冰加熱結構的製作方法，包括步驟：
（1）在灌注葉片迎流面、背流面殼體之前，先把金屬絲網、高密度雙向纖維布、碳晶電熱膜依序鋪在模具內，對應覆冰區域，把溫度感測器布置在碳晶電熱膜上，並把金屬絲網的雷電流引線、碳晶電熱膜的電源線、溫度感測器的信號線都釺焊好，其中，雷電流引線直接與金屬絲網的銅箔帶焊接；再鋪葉片殼體纖維布及芯材；
（2）抽真空灌注樹脂一起成型，將金屬絲網、高密度雙向纖維布、碳晶電熱膜、溫度感測器固化在葉片殼體內；
（3）在抗剪下腹板灌注成型後，把金屬絲網的雷電流引線、碳晶電熱膜的電源線、溫度感測器的信號線固定在抗剪下腹板上；
（4）將迎流面殼體、背流面殼體、抗剪下腹板組裝粘接，然後合模保溫、保壓，至樹脂和粘接劑徹底固化後脫模，葉片成型；
（5）在葉片整個表面噴塗防風沙耐腐蝕的專用油漆。
3.該發明所述風力發電機葉片由殼體和位於殼體內的兩塊抗剪下腹板組合構成，所述殼體由迎流面殼體和背流面殼體對接構成空腹結構，兩塊抗剪下腹板在腹腔中縱向並列布置，它們的兩個側邊分別與迎流面殼體、背流面殼體的內壁粘接；其特徵在於，所述風力發電機葉片設有碳晶膜加熱裝置，該裝置包括碳晶電熱膜、溫度感測器、加熱控制器，所述碳晶電熱膜鋪覆在殼體前緣表面的覆冰區域，用於加熱殼體前緣的覆冰區域；所述溫度感測器布置在碳晶電熱膜下，對應覆冰區域，用於檢測殼體前緣覆冰區域的溫度；所述加熱控制器布置在風力發電機控制系統中，根據溫度感測器檢測到的殼體前緣覆冰區域的溫度，調整碳晶電熱膜的加熱電功率，使殼體前緣覆冰區域的溫度恆定在設定值，該設定值略大於凍的熔點，為0℃＜t≤2℃；所述碳晶電熱膜通過其電源線連線電源，所述溫度感測器通過其信號線連線加熱控制器，所述碳晶電熱膜的電源線、溫度感測器的信號線均敷設在葉片殼體的腹腔中，固定在抗剪下腹板上，從葉片根部引出；所述風力發電機葉片還設有避雷裝置，該避雷裝置包括金屬絲網、雷電流引線和連線螺栓，所述金屬絲網包覆在葉片前緣殼體表面，對應覆冰區域，其與碳晶電熱膜的結合面設有絕緣層；所述金屬絲網具有釺焊的銅箔帶，銅箔帶上有螺栓穿孔；所述雷電流引線固定在抗剪下腹板上，它的一端通過螺栓與金屬絲網連線，由螺栓將雷電流引線、金屬絲網鎖緊，螺栓與銅箔帶的結合部、螺栓與雷電流引線的結合部均釺焊連線；雷電流引線的另一端從葉片根部引出接地。
4.權利要求3所述風力發電機葉片融冰加熱結構的製作方法，包括步驟：
（1）分別用模具灌注葉片迎流面殼體、背流面殼體、抗剪下腹板，再組裝粘接，合模保溫、保壓，至粘接劑徹底固化後脫模，葉片成型；
（2）在殼體上鑽好碳晶電加熱膜電源線穿孔、溫度感測器信號線穿孔、避雷裝置的螺栓穿孔；
（3）在葉片殼體前緣覆冰區域安裝溫度感測器，並與其信號線釺焊連線；
（4）在葉片殼體前緣覆冰區域表面塗覆粘接劑，再將面積與覆冰區域表面相當的碳晶電加熱膜鋪覆上去，並與其電源線釺焊連線；
（5）在碳晶電加熱膜表面塗覆粘接劑，再將面積與碳晶電加熱膜相當的高密度雙向玻璃纖維布鋪覆上去；
（6）裁剪一塊金屬絲網，其面積應大於碳晶電加熱膜，在金屬絲網的一邊釺焊銅箔帶，在銅箔帶上鑽螺栓孔，將金屬絲網鋪覆在雙向玻璃纖維布上面，其螺栓孔與葉片殼體上的螺栓孔對齊，將螺栓穿進螺栓孔，與雷電流引線連線，並將銅箔與螺栓釺焊連線、雷電流引線與螺栓釺焊連線；
（7）將碳晶電加熱膜電源線、溫度感測器信號線、雷電流引線固定在抗剪下腹板上，並從葉片根部引出；
（8）在金屬絲網上鋪覆低密度雙向玻璃纖維布，將金屬絲網覆蓋，然後在葉片整個表面噴塗防風沙耐腐蝕的葉片專用油漆。
實施方式
操作內容
參見圖1至圖5，《風力發電機葉片的融冰加熱結構及其製作方法》所述風力發電機葉片由殼體1和位於殼體內的兩塊抗剪下腹板12組合構成，所述殼體1由迎流面殼體和背流面殼體對接構成空腹結構，兩塊抗剪下腹板12在腹腔中縱向並列布置，它們分別與迎流面殼體、背流面殼體的內壁粘接；這是風力發電機葉片的基本結構。
該發明的特點，是在風力發電機葉片中增設碳晶膜加熱裝置，該裝置包括碳晶電熱膜3、溫度感測器2、加熱控制器10，所述碳晶電熱膜3鋪覆在殼體1的前緣表面覆冰區域，用於加熱殼體前緣覆冰區域；所述溫度感測器2布置在碳晶電熱膜下，對應覆冰區域，用於檢測殼體前緣覆冰區域的溫度；所述加熱控制器10布置在風力發電機控制系統中，根據溫度感測器2檢測到的殼體1前緣覆冰區域的溫度，調整碳晶電熱膜3的加熱電功率，使殼體1前緣覆冰區域的溫度恆定在設定值，該設定值略大於凍的熔點，通常為0℃＜t≤2℃。 所述碳晶電熱膜3通過其電源線9連線電源，所述溫度感測器2通過其信號線8連線加熱控制器10，所述碳晶電熱膜3的電源線9、溫度感測器2的信號線8均敷設在葉片殼體1的腹腔中，固定在抗剪下腹板12上，從葉片根部引出。
由於設定了碳晶膜加熱裝置，為防止葉片遭受雷擊，該風力發電機葉片還設有避雷裝置，該避雷裝置包括金屬絲網5和雷電流引線13，所述金屬絲網5包覆在葉片前緣殼體表面，對應覆冰區域，其與碳晶電熱膜3的結合面設有絕緣層，該絕緣層是高密度雙向玻璃纖維布（800克/平方米）4作為夾心材料的玻璃鋼絕緣層。所述金屬絲網5具有釺焊的銅箔帶6，所述雷電流引線13固定在抗剪下腹板12上，它的一端與金屬絲網的銅箔帶釺焊連線，另一端從葉片根部引出接地。該結構適合整體灌注工藝；若採用人工手糊工藝，則避雷裝置如圖4、圖5所示，包括金屬絲網5、雷電流引線13和連線螺栓7，所述金屬絲網包覆在葉片前緣殼體表面，對應覆冰區域，其與碳晶電熱膜3的結合面設有絕緣層，該絕緣層是高密度（800克/平方米）雙向玻璃纖維布4作為夾心材料的玻璃鋼絕緣層。所述金屬絲網5具有釺焊的銅箔圍帶6，銅箔圍帶上有螺栓穿孔；所述雷電流引線固定在抗剪下腹板上，它的一端通過螺栓7與金屬絲網5連線，由螺栓7將雷電流引線13、金屬絲網5的銅箔圍帶6鎖緊連線，螺栓7與銅箔圍帶6的結合部、螺栓7與雷電流引線的13結合部均釺焊連線；雷電流引線13的另一端從葉片根部引出接地。
所述金屬絲網5採用銅絲網或鋁絲網；所述螺栓最好用銅螺栓；所述絕緣層是高密度（800克/平方米）雙向玻璃纖維布作為夾心材料的玻璃鋼絕緣層。
實施案例
- 實例一
整體灌注工藝包括如下步驟：
（1）在灌注葉片迎流面、背流面殼體之前，先把低密度雙向玻璃纖維布、金屬絲網5、高密度雙向纖維布4、碳晶電熱膜3依序鋪在模具內，對應覆冰區域，把溫度感測器2布置在碳晶電熱膜3上，並把金屬絲網5的雷電流引線13、碳晶電熱膜3的電源線9、溫度感測器2的信號線8都釺焊好，其中，碳晶電熱膜的電源線9與碳晶電熱膜的電極11焊接，雷電流引線13直接與金屬絲網5的銅箔圍帶6焊接；再鋪覆葉片殼體纖維布及芯材；
（2）抽真空灌注樹脂一起成型，將金屬絲網、高密度雙向纖維布（800克/平方米）、碳晶電熱膜、溫度感測器固化在葉片殼體內；
（3）在抗剪下腹板灌注成型後，把金屬絲網的雷電流引線、碳晶電熱膜的電源線、溫度感測器的信號線固定在抗剪下腹板上；
（4）將迎流面殼體、被流面殼體、抗剪下腹板組裝粘接，然後合模保溫、保壓，至粘接劑徹底固化後脫模，葉片成型；
（5）在葉片整個表面噴塗防風沙耐腐蝕的專用油漆。
- 實例二
人工手糊工藝包括如下步驟：
（1）分別用模具灌注葉片迎流面殼體、背流面殼體、抗剪下腹板，再組裝粘接，合模保溫、保壓，至粘接劑徹底固化後脫模，葉片成型；
（2）在殼體1上鑽好碳晶電加熱膜電源線9的穿孔、溫度感測器信號線8的穿孔、避雷裝置的螺栓7的穿孔；
（3）在葉片殼體1的前緣覆冰區域安裝溫度感測器2，並與其信號線8釺焊連線；
（4）在葉片殼體1的前緣覆冰區域表面塗覆粘接劑，再將面積與覆冰區域表面相當的碳晶電加熱膜3鋪覆上去，並與其電源線9釺焊連線；
（5）在碳晶電加熱膜3表面塗覆粘接劑，再將面積與碳晶電加熱膜3相當的高密度雙向玻璃纖維布4鋪覆上去；
（6）裁剪一塊金屬絲網5，其面積應大於碳晶電加熱膜3，在金屬絲網的一邊釺焊銅箔帶6，在銅箔帶6上鑽螺栓孔，將金屬絲網5鋪覆在雙向玻璃纖維布4上面，其銅箔帶6的螺栓孔與葉片殼體上的螺栓孔對齊，將螺栓7穿進螺栓孔，與雷電流引線13連線，並將銅箔帶6與螺栓7釺焊連線、雷電流引線13與螺栓7釺焊連線；
（7）將碳晶電加熱膜電源線9、溫度感測器信號線8、雷電流引線13固定在抗剪下腹板12上，並從葉片根部引出；
（8）在金屬絲網5上鋪覆低密度雙向玻璃纖維布，將金屬絲網5覆蓋，做為金屬絲網5的防護層，然後在葉片整個表面噴塗防風沙耐腐蝕的葉片專用油漆。
榮譽表彰
2021年11月，《風力發電機葉片的融冰加熱結構及其製作方法》獲得2020年度四川專利獎三等獎。
