CN102811906A - 风轮机的多功能除冰/防结冰*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种除冰/防结冰***，包括：嵌入物体（2）中的至少两个传导性结构（3’、3”），所述物体（2）包括被设计为空气动力表面的外表面（5），所述传导性结构（3’、3”）中的至少一个设置为与所述外表面（5）相邻；控制单元（39），所述控制单元（39）适于对供应至所述传导性结构（3’、3”）以对所述外表面（5）产生热量的能量供应进行控制。一个传导性结构（3’）包括第一传导性纳米结构（19’），所述传导性结构（3’）的传导特性与包括第二传导性纳米结构（19”）的另一传导性结构（3”）的传导特性不同。

Description

风轮机的多功能除冰/防结冰***

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的多功能除冰/防结冰***以及一种物体，该物体包括当该物体相对于空气移动时用作空气动力表面的外表面。

背景技术

在出现特定的天气条件的情况下，穿过空气运动的物体（例如风轮机叶片）可能结冰。现今的风轮机叶片空气动力表面通过设置在空气动力表面处或空气动力表面下方的防结冰及除冰装置而得以保护不致结冰。结冰已知为不期望的现象，其中，冰的逐步形成发生在空气动力表面上。

因此，包括空气动力表面的物体的复合结构或金属结构形成为具有空气动力功能并且在特定的操作条件下在它们的外表面上遭受冰形成。冰形成对受到影响的物体的空气动力效率具有强烈的负面作用。为了补偿由于最后结冰所造成的空气动力功能的损失（例如低效率等），该物体（风轮机叶片）经常被设计为过大尺寸。然而，这意味着物体自身的较高的重量，这当然对于风轮机叶片来说是不期望的。

因而需要防结冰（防止冰形成）和除冰（使已经形成的冰融化）的***，以便确保和保持物体的受影响的空气动力表面的充足的空气动力功能。

当前使用的防冰***包括在风力发电站的使用之前的化学液体的使用、当膨胀时使形成的冰破碎的气动防护罩、在风轮机叶片中嵌入的电线的电阻加热、以及使受影响的结构遭受短期的振动或单一的高能脉冲（冲击波）的电子机械装置。

空气动力表面在此限定为物体的外（湿）表面。物体的结构可包括由层片的层压板制成的树脂基体，其中每个层片包括具有与相邻的层片的纤维定向不同或相同的定向的纤维，其中层压板的外层片形成外表面。该物体还能够被限定为相对于空气移动的部件，其可为主要由金属制成的部件，例如金属结构，并由复合层覆盖。

US 6612810公开了一种风轮机叶片，该风轮机叶片具有第一传导器和第二传导器，第一传导器和第二传导器在叶片的纵向方向上延伸，由薄型金属箔形成的能够运送电流的加热元件设置用以加热叶片的外表面。

WO 98/53200公开了一种可加热的风轮机叶片，其包括传导性的织物，该织物使在叶片的外表面上的冰的堆积停止。加热器元件连接至控制器以控制移除冰所需的热量。

因此需要提供一种除冰/防结冰***，其包括具有提高的可靠性的电加热***，具有高强度和低重量的加热器。还期望该除冰/防结冰***促进低能消耗。

还期望提供一种除冰/防结冰***，其中，该***的加热器能够设置在该物体中尽可能靠近空气动力表面并且处于该空气动力表面的下方的位置处，用于集中防止冰形成于其上或移除冰的热量，同时还不影响物体的空气动力功能（光滑度）和结构和/或强度。

还期望该***具有低功耗并且期望它在使用中是可靠和故障安全的。还存在对于环保技术的需要，以减少或消除使用喷雾式化学液体的除冰设备。

还期望增加风轮机的效率，因为这是环保的，同时能够减少风轮机叶片的生产成本。

还期望提供一种除冰/防结冰***，其允许高的使用温度。

还期望实现该***加热器的有成本效益和灵活的制造。

还需要一种包括空气动力表面的物体，该物体中能够一体形成有除冰/防结冰***以提供节能的防结冰和除冰功能，并且该物体的生产是有成本效益的。

另一个目标是还消除已知技术中的最终的缺点。

发明内容

这已经通过在以权利要求1的特征部分的特征为特征的介绍中所限定的多功能除冰/防结冰***而实现。

由此提供一种除冰/防结冰***，其允许由于纳米结构传导性特性所引起的高的使用温度。同时，部件的强度将借助纳米结构的纳米结构（纳米管/纳米纤维）的定向的纳米丝而增大。通过将传导性的纳米结构用作加热元件（通过传导性纳米结构的丝的不同设置来增大用于经由该传导性结构馈送的电流的电阻），提供了有效的除冰/防结冰***。

纳米结构（包括例如碳纳米管CNT、碳纳米纤维、石墨纳米线等）具有非常良好的导热性和导电性，并且，由于纳米结构能够设置于部件的外表面的附近及下方，因而用于融化冰的能量损失将是较低的，这意味着低功耗。因而实现了节约能量的***。

以这样的方式，风力发电站将被设计为具有除冰/防结冰功能，促进发电站的最佳的能量产生。因此，风力发电站不必在结冰的气候条件下关闭。

适合地，纳米结构包括碳纳米管（CNT）。由于CNT的获得低功耗的适当限定的传导性能力，因而可使用CNT。它们还可设置为连续的层或由具有适当间隔的传导性（电阻的）通道或表面制成的图案。

CNT能够通过为高效率而获得CNT的生长林的新兴的CNT技术来生产。已知CNT能够生长为具有竖向的、倾斜的或水平设置的纳米管的“林”（成簇的对齐的CNT）的形状。这些设置的组合也是可能的，例如，两个或更多的单独的层彼此上下叠置。也可使CNT生长为适当限定的图案，适于期望的应用。加热电路即单独连接的传导性纳米结构能够在CNT的生长过程中得以实现。在本申请中，术语CNT包括所有类型的碳纳米管。这些碳纳米管可以是单层、双层或多层的纳米管。此外，可以使用类CNT材料如石墨烯、石墨化炭黑（graphone）和类似的具有适合的电特性和热特性的碳基材料。这包括设置在防结冰/除冰层的平面中或者相对于该平面成适合的角度设置的单个层或多个层。CNT和上文中描述的类似材料具有非常良好的导热性和导电性，因而是非常适用于除冰/防结冰***的。包括传导性纳米结构的用于除冰/防结冰功能的有效的***的设计应当基于这样的事实：使用了这些填充料的疏松材料例如聚合体的导热性和导电性将随着填充料的含量而改变。根据特定的条件，这种***的导热性可随着CNT填充料的含量而例如增加或减少。对于导电性也是一样。

使用碳纳米管（和适合的传导性纳米结构）的优点是该材料需要较低的能量。其优点还在于：通过仅需要碳纳米管在层中以及在层的不同区段中的不同集中，以根据防冰***的所需模式（即，热量应当被应用至外表面的哪里以及被应用到什么程度以防止/移除在外表面上的冰形成）来实现不同程度的热量，提供了部件的有成本效益的生产。这也意味着，通过优化单独的加热区段即在部件的相同的区域中（在相同区域中彼此叠置或作为交错的电路）或在所选择的区域中的使用，将可以使总的功耗最小化。

优选地，纳米丝（CNT、纳米纤维、纳米多层丝、纳米双层丝、纳米线等）具有小于或等于0.125mm的长度。这适用于在飞机的生产中使用的厚度为0.125mm的普通预浸层片。如果是倾斜的，或者是在平面中使用定向的纳米丝，则该长度优选为更长的。纳米的限定意味着细丝微粒具有至少一个不大于200nm的尺寸。1nm（纳米）定义为10^-9米（0.000000001米）。优选地，多层纳米管的直径为15-35nm，适合地为18-22nm。适合地，单层纳米管的直径为1.2-1.7nm，优选地为1.35-1.45nm。

该物体适合地由树脂基体制成，其包括层片的层压板。每个层片包括具有与相邻层片的大纤维（大纤维的直径约为6-8微米）的定向不同或相同的定向的纤维（在本申请中也可称作大型纤维或传统层压板增强纤维）。

就热延伸而言，第一传导性结构和第二传导性结构优选地与玻璃纤维增强塑料（GFRP）和碳纤维增强塑料（CFRP）的结构都是兼容的。常见的用于冰防护的传导性结构如今由金属制成，其由于较高的热膨胀而与GFRP和CFRP几乎不兼容，这可引起电路径中的剥离、失效等。

由于纳米结构的强度，除冰/防结冰***将比已知的一体式除冰/防结冰***更坚固耐用。还由于纳米丝的高数量以及碳纳米管在用作为电阻加热元件和机械增强件时由于高效率和低的特定密度而引起的低重量，实现了故障安全功能。耐热的碳纳米管允许比大多数现有***更高的使用温度。

因此，在部件的制造期间由于树脂最终的不均匀而引起的在不同层片中的树脂的最终的固化收缩、以及在风轮机叶片结构的制造期间在层片中的不同的热延伸将不通过设置在外表面中的增强传导性纳米结构而影响外表面的光滑度。通过在结构中包括除冰/防结冰***，实现了用于这种***的物体，该物体生产简单并且抵抗在外表面中的裂缝，并且该物体在它的使用期间是抵抗腐蚀的。

替代性地，传导性纳米结构中的至少一个以这样的程度嵌入到树脂层中：使得该传导性纳米结构的至少一部分暴露于外表面。以这样的方式，提供了具有精密几何公差的非常光滑和坚硬的外表面。以这样的方式，实现了物体的外表面将是耐受损坏的以及坚硬的。

因此，纳米结构本身可延伸至外表面，同时它用作加热元件。因而，物体的外表面（湿表面）能够是光滑（没有外部加热器）和坚硬的。所实现的硬度促进空气动力表面的长期的光滑度，由于因光滑度而得的在空气动力表面上的实际的层流，增加了风力发电站的效率。

优选地，能量供应是基于使用常用于现今风力发电站中的DC电源。

替代性地，能量供应基于是基于使用AC电源。

适合地，第一传导性纳米结构用作加热传导器而第二传导性纳米结构用作加热元件。

因此，传导性结构可包括直接向冰传送热能的传导性纳米结构以及传送热量至第二传导性纳米结构的传导性纳米结构。这可通过如下方式来实现：设置传导丝（纳米管、纳米纤维、纳米线等），使得在第二传导性纳米结构的区域中，丝彼此之间具有一定程度的较近的距离（相比于在第一传导性纳米结构中的传导丝之间的距离），使得电阻增加但不丧失导电性。第一传导性纳米结构的传导丝优选地定向为平行于外表面并且基本上沿期望的电流传导方向，其中，第一传导性纳米结构更多地作为加热传导器而不是加热元件来工作。第二传导性纳米结构的传导丝优选地定向为相对于外表面比第一传导性纳米结构的传导丝更为横向地定向，由此将热量集中至外表面。

传导性纳米结构的丝的延伸部（纳米管、纳米纤维、纳米线等的延长部）优选地以这样的方式设置在层中：使得热能将沿期望的方向流动，即，传导丝的延伸与热能的流动的方向相对应。以这样的方式，热能能够通过不同的路径而被运送到外表面的不同区域中——根据此刻希望加热哪个区域，每个路径都具有特定的纳米结构丝延长部。

除冰/防结冰***促进由于CNT的低密度而带来的加热传导器的低重量以及由于低功耗和提高的效率而带来的大范围的应用，其中，外表面的被保护而免于冰的总面积可比在现有技术的除冰/防结冰***的情况下大。

因而提供了除冰/防结冰***的极有成本效益的组件以及具有集成的除冰/防结冰功能的物体，其中，传导性结构（加热元件和加热传导器）由相似的材料制成（即，传导性纳米结构丝）。

优选地，第一传导性纳米结构和第二传导性纳米结构嵌入到形成外表面的树脂层的共平面中。

以这样的方式实现了：两个传导性纳米结构能够在第一模式中协作用于防结冰功能。替代性地，可启动仅其中一个传导性纳米结构，以便在第二模式中产生用于除冰功能的较少热量。

因而还实现了：除冰/防结冰***的传导性结构促进了薄的壳体，这是有益的，即，对于减重是有益的。

因而，由聚合复合基体制成的物体能够结合该传导性结构。因而，包括有包含传导性纳米结构的树脂层的物体壳体将被增强，因为传导性纳米结构本身也促进壳体的强度，这还可减少物体的重量。

替代性地，树脂层包括适合的电绝缘材料例如Kapton（商标名称）以及其他材料中的纳米结构的工程图案。另外，根据***的功能，导电性基体材料也是适合的。

适合地，第一树脂层的第一传导性纳米结构至少设置在与第二树脂层的第二传导性纳米结构隔离并且面对第二树脂层的第二传导性纳米结构的区段中。

因而，第一传导性纳米结构能够以有效的方式产生热量而没有传送至在特定的低能量模式中未启动的面对面设置的第二树脂层的热损失。绝缘层优选可由适合地电绝缘的材料制成，例如聚合体如Kapton（商标名称）或玻璃材料等。

例如，第二纳米结构能够包括在绝缘基材上呈特定图案的CNT生长林，其中，“CNT林”的延伸是根据期望的功能来预先确定的。在第二纳米结构树脂层与第一纳米结构树脂层之间的绝缘层包括开口，相应层的两个传导性纳米结构通过该开口彼此接触。以这样的方式，实现在该物体中建立加热电路。优选地，一个传导性纳米结构（在位于与开口相对应的基材处的区域中）的传导性纳米丝在此区域内生长得更长，以使得它们能够通过绝缘层中的开口与其他的传导性纳米结构接触。因而也实现了与绝缘层在开口的区域内缺乏绝缘材料有关的材料补偿。

能够将竖向的、倾斜的、水平的碳纳米管以这样的方式应用到各个层中：使得能够将它们的热传导性的分离用来提高除冰/防结冰***的功能性。

替代性地，该分离因此可通过使一个层的纳米管相对于相邻层的纳米管的延长部而倾斜来完成。

例如，分离的加热传导器——经由第一树脂层设置以将热量供应至第二传导性纳米结构——能够优选地通过分离的传导器的绝缘碳纳米管来隔离，分离的传导器具有例如氮化硼，其在横向方向上隔离各纳米管。分离的加热传导器自身可包括在加热传导器的方向上延伸的平行地定向的碳纳米管。

优选地，外表面为雷电保护层。

因而，除冰/防结冰***被保护而免于由于最终的雷电冲击所引起的损坏。该雷电保护层可为嵌入树脂层中的铜网。它与传导性纳米结构电隔离。该隔离以这样的方式来提供：使得最终的雷电冲击将不影响该除冰/防结冰***。同时该隔离设置有热特性，使得物体的传导性纳米结构（当该除冰/防结冰***处于除冰/防结冰模式时）能够将热能传递至雷电保护层以及因此传递至外表面。

替代性地，外表面还是防腐蚀层。因而，该物体还在它的表面中被保护而免于由于雨水侵蚀、沙蚀、尘土等所引起的损坏。

优选地，该***的传导性纳米结构暴露在外表面中，用于实现作用为空气动力表面的外表面上的最佳层流。因而，当风轮机叶片相对于空气移动或者移动穿过空气时，外表面用作空气动力表面。

适合地，至少两个传导性结构被包括在一组加热元件中，其各自由控制单元单独控制。

以这样的方式，能够顺序地使用多区段除冰/防结冰的单独加热区域。这意味着，通过优化可以设置在外表面的相同区域中或不同区域中的单独的加热区域的使用，能够使得总的功耗最小化。

因而，能够在具有独立或组合功能的多电路中设置为除冰和/或防结冰所需要的传导纳米结构（例如CNT）图案，由此获得若干个备用的***。根据所连接的启动的（有电的）CNT图案的数量，外表面的相同的已处理（已加热）区域能够被用于防结冰和除冰。

因此，为了根据***所需求的性能来实现该***的特定功能，可通过增加具有热传导或绝缘功能的附加层来修改该除冰/防结冰***。

替代性地，该***还包括设置在外表面中并联接至控制单元的冰检测装置，以及，该控制单元适于与形成的冰的检测相应地启动一组或若干组加热元件。

以这样的方式，传导性纳米结构的使用允许用于在共同应用中的除冰和防结冰功能的提高的可靠性和智能设计的传导性结构的多图案。作为示例，使用相对较低的功率输入，可在风轮机叶片的一个区段（例如前缘）上局部地解除以及部分地融化所形成的冰。这将导致冰后流到空气动力表面的后部区段，在此处，局部的高能除冰或防结冰功能将处理来自空气动力表面的前部区段的冰/水混合物。因而，使***成本、空气动力区域和重量最小化。

优选地，控制单元适于将两个传导性结构启动为防结冰模式，其中，一个传导性结构还是用于除冰/防结冰***的备用加热元件。

因而，实现了防失效的功能。设置电源以经由分离的传导器向备用加热元件供应电流，用于对外表面层增加热量。

适合地，传导性结构覆盖金属结构。

因而，已经存在的部件例如包括铝壳的风轮机叶片或者另外的由包括其他金属材料的结构制成的具有空气动力表面的部件，能够设置有该除冰/防结冰***。在功能性上彼此匹配的、若干传导性纳米结构准备的树脂层（具有或不具有基体纤维）优选地粘附至例如风轮机叶片的铝壳上。

替代性地，该物体可覆盖任何适合的材料。以这样的方式，实现了包括除冰/防结冰功能的薄层，其能够应用于所有类型的用于风力发电站的工程材料。

粘附层优选地应用于传导性结构与金属结构之间，可能具有包括传导性纳米结构的传导性结构的适合分段。

附图说明

现在将参照所附示意图以示例的方式对本发明进行描述，附图中：

图1示出根据第一实施方式的除冰/防结冰***；

图2示出根据第二实施方式的除冰/防结冰***；

图3示出使用图2中的***的物体的截面；

图4示出根据第三实施方式的除冰/防结冰***；

图5示出包括该除冰/防结冰***的风轮机叶片；

图6示出风力发电站；

图7示出两个传导性结构的功能，所述两个传导性结构包括在由控制单元控制的一组加热元件中；

图8a-8b示出图7中的传导性结构的截面；

图9a-9c示出第四实施方式，其中，在一组中的两个传导性纳米结构被嵌入到共同的树脂层中；

图10示出图9a中的由控制单元单独控制的成组的加热元件；

图11示出还用作为用于除冰/防结冰***的备用加热元件的传导性结构；

图12示出具有一体形成于覆盖金属结构的薄膜中的除冰/防结冰***的除冰/防结冰***；

图13示出除冰/防结冰***的包括传导性碳纳米纤维的加热传导器；

图14示出在除冰/防结冰***中的用于热传导的传导性碳纳米管的设置；

图15示出传导性纳米结构的一个示例。

具体实施方式

在下文中，将参照附图详细地描述本发明的实施方式，其中，为了清楚以及对本发明的理解，从附图中删除了一些不重要的细节。另外，示例图示出了不同类型的纳米结构，为了理解本发明而以极度夸张及示意性的方式示出。另外为了理解传导性纳米丝的定向和对准，在附图中夸张地示出传导性纳米结构。

图1示意性示出了根据第一实施方式的除冰/防结冰***（***1）。该图示出了该实施方式中仅仅为了理解所必要的部分。***1包括风轮机叶片2，风轮机叶片2包括嵌入在风轮机叶片壳体中的多个传导性结构3。该壳体包括被设计为空气动力表面的外表面5。因此，当壳体相对于空气移动或移动穿过空气时，外表面5用作空气动力表面。外表面5为雷电保护层7的坚硬光滑的表面。外表面5的光滑度和硬度通过将纳米结构丝至少结合到外表面中来实现，该纳米结构还是传导性的并用于保护风轮机叶片的内部免于最终的雷电冲击。外表面5还包括用于检测冰的传感器9。若干组11传导性结构3（加热器层15中的加热元件13）相邻地设置在雷电保护层7的下方并通过绝缘层17与雷电保护层7隔离。因此为加热器层15设置传导性结构3，以用作加热元件并包括呈碳纳米管（CNT）21的形式的传导性纳米结构19（参见图14），碳纳米管（CNT）21在树脂层23中具有不同的定向和集中度。一个加热元件13’包括第一传导性纳米结构19’（下文中将进一步解释）。

另一个加热元件13”包括第二传导性纳米结构19”。加热元件13’、13”的传导特性彼此不相同（通过在一定方向上以及以一定集中度来设置纳米结构丝），使得将有不同的热量传递至外表面5的不同位置。每个加热元件13的位置都根据对于期望保护壳体免于形成冰的位置的知识来选择。包括传导性纳米结构19”’的另外设计的另外的传导性结构13”’嵌入到树脂层中（加热传导器层25），位于成组11的传导性结构13’、13”（加热器层15）之下方。加热传导器层25的传导性纳米结构19”’用作将热量传导至成组11的传导性结构的加热传导器27。绝缘体层29夹在成组11的传导性结构与加热传导器层25之间。绝缘体层29由适当电绝缘的材料例如聚合体如Kapton（商标名称）或玻璃材料等制成。在绝缘材料的适当位置中设置有开口31，用于在加热传导器层25的传导性纳米结构19”’与成组11的传导性结构（加热元件）之间实现接触。通过绝缘基材上的CNT生长林实现加热传导器27，其中，“CNT林”的延伸部是根据期望的功能性而预先确定的。由铜制成的传导器27’也设置在传导器层25中，用于与传感器9接触。经由部分地隔离接触的铜板30，在绝缘体层29中的开口31’被设置用于此接触。

风轮机叶片壳（壳体）在一个加工步骤中组装。雷电保护层7、加热器层15、包括开口31、31’的绝缘体层29、加热传导器层25以及另外的绝缘层33叠置、形成并固化成最终的物体，在此为壳体。这些层被传送到组装企业并被制造为具有适当的传导性纳米结构，用于实现***1的除冰/防结冰功能。在所制造的具有传导性纳米结构19’、19”、19”’、19””的加热图案在层中产生后，层7、15、25、29、33在辊子（未示出）处卷起。每个层的传导性纳米结构19’、19”、19”’、19””的用于提供不同的防结冰/除冰功能的延伸和定向都通过计算机（未示出）计算，并且每个层在其处于形成***1的预确定的位置中时将彼此匹配。

钛（或其他适合的材料）板35部分地嵌入相应的传导器27、27’的纳米结构中，用于经由电线连接至相应的连接点P。总线37适于设置为经由铜传导器27’和加热传导器27与传感器9和加热元件13接触。控制单元39设置为对经由总线37从电流源38供应至传导性结构3（加热元件13、传导器27）以对外表面5产生热量的能量供应进行控制。电源38是基于使用在现今风力发电厂应用中普遍使用的DC电源。通过传导性纳米结构在加热元件13中的定向和适当的设置，电阻在加热元件13中能够增大，用于加热元件13的预定区段。在物体的生产期间，传导性纳米结构的不同特性被嵌入到壳体中用于实现***1。

除冰/防结冰***1将工作如下。通过多组11中的一组（即，组11’）的区域B中的传感器SB1检测冰。经由传导器CS1和总线37的连接点s1将信号馈送至控制单元39。控制单元39被设定为启动特定的加热元件p1，其中，将电流经由加热传导器CP1从电源总线37的连接点P1中给送至加热元件p1（组11’的加热元件13”）。在此示例中，仅有p1加热元件13”需要被启动，这是节约能量的。加热传导器CS1具有大体平行于传导器层25并沿用于引导热量的方向定向的碳纳米管。加热元件p1具有横向于加热器层15的延伸部定向的碳纳米管，并且该碳纳米管设置为彼此接近，使得电阻增加以产生热量。下文为该***1的使用的示例。在整个晚上竖立不动的风轮机叶片已经在区域B中翼上受冰的影响。***1在起动前检测冰，并且该***启动p1、p2、p3加热元件13”使得在这些区域内的外表面是没有冰的。并且，对于维修人员不可见的透明冰因此将通过***1在启动前被检测并移除。仅有区域B加热元件13”需要被启动，由此节约能量。

在使用期间，风轮机叶片壳体和***1适于检测结冰的风险，其中，区域A加热元件13’（在有形成冰的风险的条件下）被启动。在区域A加热元件13’中的传导性纳米结构丝为密集填充，使得电阻尽可能的高，但未密集到使得传导性纳米结构变为是绝缘的。因此，区域A加热元件13’作用为防结冰元件。区域B加热元件13”需要较少的能量，这是由于翼壳的该部分被加热到这样的程度：使得最终冰变为水并由于空气流而向后吹动。因此区域B加热元件13”作用为除冰元件。将通过传感器SC1、SC2、SC3检测在区域C中形成的最终的冰，即，通过湍流保持在壳体的后部上的由水形成的冰。在此情况下，区域C加热元件13”’将通过***1来启动。***1的智能，与该***1的坚固耐用性、风轮机叶片2的成本效益和简单生产相结合，产生节约能量的***。

图2示意性示出了根据第二实施方式的除冰/防结冰***1。在此情况下，***1包括五个传导性结构3’、3”、3”’、3””、3””’，每个传导性结构都具有传导性纳米结构19，在下文中将进一步解释（参见图3）。在长形树脂层中的传导性纳米结构19’的较短的加热传导器27’延伸至上部内加热元件13’并与上部内加热元件13’接触。传导性纳米结构19”的较长的加热传导器27”延伸至上部外加热元件13”。加热元件13’、13”中的每一个被分成两个区段，每个区段分别设置用于区域A和区域B。这是通过设置倾斜的传导性纳米丝（区域B）和横向的（区域A）传导性纳米丝（也参见图3）而完成的。控制单元39经由开关40和电线来控制对相应的加热元件13’、13”的电流供应（开/关）。由于区域A传导性纳米结构19的较高的电阻，为区域A提供了防结冰功能。由于区域B传导性纳米结构19的较低的电阻，为区域B提供了除冰功能。备用加热元件13”’设置在上部加热元件13’、13”的下方。在极端的结冰条件的情况下，备用加热元件13”’的该额外层被启动，以向区域A（防结冰区）提供更多的热量。在上部加热元件13’、13”的功能失效的情况下，备用加热元件13”’还能够通过关断的上部加热元件13’、13”的传导性纳米结构19产生热量。

图3示意性示出位于叶片两侧的包括图2中示出的***1的风轮机叶片壳体的一部分的截面。此处示出了：传导性纳米结构19的丝43具有多种定向。如图所示，较短的加热传导器27’和较长的加热传导器27”各自具有传导性纳米丝，在此情况下为碳纳米管（CNT），碳纳米管（CNT）在加热传导器27’、27”的延长部（传导性结构3””、3””’）中大体延伸。上部加热元件13”具有用于区域A的横向定向的CNT（传导性结构3’）以及用于区域B的倾斜CNT（传导性结构3”）。倾斜的CNT将形成比横向CNT小的电阻并形成用于除冰功能的合适的传导性结构。在上部加热元件13’、13”的下方为备用加热元件13”’，其被设置并在剖视图中示出。备用加热元件13”’还具有横向定向的CNT（传导性结构3”’），但是为了增加阻抗而更紧凑，由此增加热量。

图4示意性示出根据风力发电站的第三实施方式的除冰/防结冰***1。***1包括控制单元39，控制单元39控制经由电线向除冰/防结冰加热元件的电流供应，该除冰/防结冰加热元件包括一个包括第一传导性纳米结构19’的传导性结构3’和另一个包括第二传导性纳米结构19”的传导性结构3”。由于传导性纳米结构19’、19”的在相应的传导性结构3’、3”中的构造，这两个传导性结构3’、3”具有不同的功能和不同的传导特性。控制单元39通过调节电流水平来控制对除冰/防结冰加热元件的供能。借助于通过传导性纳米结构19’、19”的不同定向所实现的不同的电阻，将通过每个传导性结构3’、3”产生不同温度的热量。

图5示意性示出包括图2中示出的除冰/防结冰***的风轮机叶片2。防结冰区域A位于叶片2的前缘。除冰区域B位于叶片2外表面5的中间区段中。如图5中能观察到的，叶片2包括若干组11（三组）除冰/防结冰加热元件，所述组11能够由控制单元（未示出）根据结冰条件和图6中示出的风轮机站47的转动速度来单独控制。风轮机叶片的顶端设置有一组11除冰/防结冰加热元件，这是由于风轮机叶片2的该部分具有穿过空气的最高的速度并且另外在一些气候条件下对于冰的形成是敏感的。

图7示意性示出包括在加热元件13’、13”的一个第一组11’中的两个传导性结构3’、3”。第一传导性纳米结构19’包括在一个加热元件13’中并连接至第一加热传导器27’。第二传导性纳米结构19”包括在另一加热元件13”中并连接至第二加热传导器27”。***1还包括加热元件13’、13”的另外一组11”，所述另外一组11”以与第一组11’相同的方式组装但是经由电线分离地连接至电流源（未示出）。在图7中的视图Z-Z示出风轮机叶片的前缘51的前视图，图8a示意性示出风轮机叶片的前缘51的截面。在图8b中的放大视图W-W示出了在加热元件13’与加热传导器27’之间的连接。传导性纳米结构19”’定向为与第一加热传导器27’的期望的热量传递路径大体平行，通过使纳米丝42倾斜至第一传导性纳米结构19’中而呈现向加热元件13’的过渡。所述另一加热元件13”的第二加热传导器27”根据相同的原理形成。因为每个传导性纳米结构19’、19”、19”’都嵌入绝缘树脂层23中，所以第一加热传导器27’和第二加热传导器27”彼此相交而没有任何额外的绝缘层。

图9a示意性示出第四实施方式。两个传导性纳米结构19’、19”设置在一组11加热元件13’、13”中并嵌入到风轮机叶片壳体的共同树脂层23中。传导性纳米结构中的一个（内传导性纳米结构19’）包括在两个方向上定向的CNT，即，平行于层（在位置m处）以及横向于（在位置n处）层。铜板36设置为与传导性纳米结构19’、19”接触，以经由电线电连接至电流源（未示出）。外传导性纳米结构19”包括如图9c中示出的与截面Y-Y相符合的倾斜的CNT 43。图9b示意性示出截面X-X，其中示出了内传导性纳米结构19’的横向定向的CNT以及外传导性纳米结构19”的倾斜的CNT。内传导性纳米结构19’和外传导性纳米结构19”嵌入形成外表面5的共同树脂层23中。

图10示意性示出六组11加热元件13’、13”，该六组11中的一组在图9a中示出。每组11都由控制单元（未示出）单独控制，控制单元在其检测（经由传感器，未示出）到在用于该特定组11的区域内的外表面上形成冰的情况下，启动一组11加热元件。每组11都连接至共用的总线37。

图11示意性示出还用作为除冰/防结冰***1的备用加热元件的传导性结构3。风轮机叶片2包括设计为雷电保护层7的外表面5。在雷电保护层7的下方设置有第一加热元件13’，第一加热元件13’包括具有不同的传导特性的两个传导性结构3’、3”。传导特性是通过将传导性纳米结构3’、3”设置为相对于外表面5横向定向以使通过电阻产生的热量集中来实现的。除冰区B与防结冰区A相比，需要纳米丝43之间较宽的距离（传导性纳米结构3”具有较小的电阻，因而产生较少的热量并且需要较少的能量）。在第一加热元件13’下方设置有第二加热元件13”（用作备用加热元件）。第二加热元件13”中的传导性纳米结构与第一加热元件13’的传导性纳米结构大体相同。基于AC电源的电流源38经由电线可转换地连接至相应的加热元件13’、13”。另外在图14中示出的呈对齐的传导性纳米结构丝43的形式的加热传导器27经由横向定向的碳纳米管51’（参见图14）将电流源38的总线连接点37与第二加热元件13”热连接。加热传导器27借助横向定向的CNT 51而部分地与第二加热元件13”热隔离，横向定向的CNT 51形成纳米结构防护以将热量集中至适当的区域。在所形成的防护中的开口31允许附加传导性（稍微长一些的）碳纳米管51’将加热传导器27与第二加热元件13”相连接。这些CNT 51’的额外延长还与用于所选择区域的绝缘层29的厚度相对应。因此，构成第二加热元件13”的传导性纳米结构19至少设置在与同样形成在树脂层之内的加热传导器27的传导性纳米结构19’相隔离以及面对同样形成在树脂层之内的加热传导器27的传导性纳米结构19’的区段中。

图12示意性示出一种除冰/防结冰***1，其具有一体形成于覆盖风轮机叶片的金属结构55的薄的树脂膜53中的除冰/防结冰传导性纳米结构19。在其他方面，功能性设置为如图4的实施方式那样。因而，已经存在的部件例如包括铝壳的风轮机叶片、或另外的由包括金属材料的结构制成的具有空气动力表面的部件，能够设置有该除冰/防结冰***1。在功能性上彼此匹配的若干传导性纳米结构19准备的树脂层23（具有或不具有结构基体纤维）粘附至铝壳。***1的传导性纳米结构暴露在外表面5中以在用作空气动力表面的外表面上获得最佳的层流。

优选地，在传导性结构3与金属结构55之间应用粘附层（未示出），可具有包括传导性纳米结构19的传导性结构3的适合的分区。

图13示出包括传导性碳纳米纤维57的除冰/防结冰***1的加热传导器27。传导性碳纳米纤维57未如图14中的CNT那样被良好限定，但适合用于例如***1的树脂层中的加热传导器27，用于节省成本。

图14示意性示出横向定向的碳纳米管51、51’（CNT）。CNT被非常良好地限定并且对于生产而言是相对较有成本效益的，因此适合用于形成加热元件13。它们还用作高度增强的风轮机叶片2，同时能够实现低功耗。因此，在该示例中，在CNT的生长过程期间实现了***1的热回路。CNT材料具有非常好的导热性，因而很适于该***1。将CNT用作填充材料的疏松材料（例如聚合体）的导热性将随着填充料的含量而改变。在该示例中，加热元件的导热性能够随着CNT填充料的含量而增加或减少。

图15示出传导性纳米结构19的示例，该传导性纳米结构19将传导性纳米线59用作***的一部分。以各加热层61’、61”的纳米丝43生长成的“林”彼此上下设置。下部层61”包括填充有绝缘材料63的开口31。还包括有所述类型的纳米线59的传导性纳米丝43的加热传导器27延伸穿过绝缘材料63。该传导器27将上部层61’与加热源（未示出）相连接。下部层61”具有与加热传导器27相比不同的传导特性。

呈嵌入电绝缘树脂中的铜网的形式的雷电保护层7覆盖加热层61’、61”并与所述加热层电隔离。然而，树脂具有如下热特性：即，促进来自加热层61’、61”的热量传递至雷电保护层7的外表面5，即，空气动力表面。由此实现了具有多功能且在所有方面都坚固耐用的除冰/防结冰***1。

当然，本发明不以任何方式受上述优选实施方式的限制，而是有修改或结合上述实施方式的许多可能，在不背离所附权利要求所限定的本发明的基本思想的情况下，这些修改或结合对于本领域的普通技术人员而言应当是明显的。例如，在***中的加热层的数量能够是任何数量。CNT能够生长为具有竖向的、倾斜的或水平设置的CNT的“林”（成簇的对齐的CNT）的形状。这些设置的组合也是可能的，例如，两个或更多的单独的层彼此上下叠置。还可使CNT生长为良好限定的图案，适用于期望的应用。在本申请中，术语CNT包括适用于该***的所有类型的碳纳米管。CNT可以是单层的、双层的或多层的纳米管。此外，可以使用类CNT材料，如石墨烯、石墨化炭黑和类似的具有适合的热特性的碳基材料。这包括设置在除冰/防结冰层的平面中或相对于该平面成合适的角度设置的单个层或多个层。物体的复合基体可为环氧树脂、聚酰亚胺、双马来酰亚胺、酚醛树脂、氰酸酯、PEEK、PPS、聚酯、乙烯酯以及其他可固化的树脂或它们的混合物。如果被使用，则基体中的纤维结构可具有陶瓷、碳和金属或者它们的混合物。

Claims (9)

1.一种除冰/防结冰***，包括：嵌入风轮机叶片（2）中的至少两个传导性结构（3’、3”），所述风轮机叶片（2）包括设计为空气动力表面的外表面（5），所述传导性结构（3’、3”）中的至少一个设置为与所述外表面（5）相邻；控制单元（39），所述控制单元（39）适于对供应至所述传导性结构（3’、3”）以对所述外表面（5）产生热量的能量供应进行控制，其特征在于：一个传导性结构（3’）包括第一传导性纳米结构（19’），所述传导性结构（3’）的传导特性与包括第二传导性纳米结构（19”）的另一传导性结构（3”）的传导特性不同。

2.根据权利要求1所述的***，其中，所述第一传导性纳米结构用作加热传导器（27、27’、27”），所述第二传导性纳米结构用作加热元件（13、13’、13”）。

3.根据权利要求1或2所述的***，其中，所述第一传导性纳米结构（19’）和所述第二传导性纳米结构（19”）嵌入在形成所述外表面的树脂层（23）的共有平面中。

4.根据权利要求1或2所述的***，其中，第一树脂层的所述第一传导性纳米结构（19）至少设置在与第二树脂层的所述第二传导性纳米结构（19’）相隔离且面对第二树脂层的所述第二传导性纳米结构（19’）的区段中。

5.根据权利要求1-4中的任一项所述的***，其中，所述外表面（5）为雷电保护层。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的***，其中，所述至少两个传导性结构（3’、3”）包括在一组（11）加热元件中，所述至少两个传导性结构（3’、3”）中的每一个由控制单元（39）单独地控制。

7.根据权利要求6中所述的***，其中，所述***还包括冰检测装置（9），所述冰检测装置（9）设置在所述外表面（5）中并且联接至所述控制单元（39），以及，所述控制单元（39）适于与已形成的冰的检测相对应地启动一组或若干组（11）加热元件。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的***，其中，所述控制单元（39）适于将所述两个传导性结构（3’、3”）启动为防结冰模式，其中，一个传导性结构（3”’）也是用于所述除冰/防结冰***（1）的备用加热元件。

9.一种具有根据前述权利要求中的任一项所述的除冰/防结冰***的物体，其中，所述传导性结构（3’、3”）覆盖金属结构。

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