CN1910366A - 制造风轮机叶片的方法以及包括分段导体装置的叶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风能设备的纤维加强叶片的制造方法，该叶片至少构造有一个叶片外壳和将雷电电流导向接地连接件的装置。该方法的新颖方面包括，该叶片设置有分段的导体装置，该导体装置构造用来将叶片外的雷电电流导向与地导通的装置；并且其中导体装置分布和固定在叶片外壳的外表面，并且使导体装置基本上与叶片外壳的外表面齐平。当分段导体装置分布和连接在叶片外壳的外表面上时，雷电电流将不用通过导体装置进行传导，而是在导体装置上方空气中的电离通道中进行传导。

Description

制造风轮机叶片的方法以及包括分段导体装置的叶片

技术领域

本发明涉及一种制造风能设备的纤维加强叶片的方法，所述叶片至少构造有叶片外壳和导体装置，该导体装置适于将雷电电流传导给接地连接件。本发明还涉及一种风能设备的叶片。

背景技术

在风能设备领域越来越多的改进都朝着越来越大单元的方向前进，这些单元具有越来越高的塔和越来越长的叶片，因而被雷电击中的风险也增加了。这些设备在防雷击方面典型地按以下方式进行保护，即以可控制的方式捕捉雷电电流，如果有的话，并将其引导到地面，从而避免对风能设备的敏感元件造成损害。一种最广为使用的防雷方法是安装一个或多个为导电元件的所谓雷电接受器，它们设置在例如叶片的尖端，并且连接到叶片中的内部雷电导体。例如，这可以从EP0783629中查到。US6457943中公开了一种相似的方法，其中风轮机叶片贯穿其整个长度构造有较长的碳纤维材料部分。该碳纤维是导电的从而用作雷电接受器，于是雷电电流通过该材料被引导向下进入内部设置的雷电导体。因而，该方法涉及整个叶片结构，并且一方面需要在叶片的整个主要部分使用碳纤维，而这通常是不希望的，另一方面需要碳纤维部分具有一定厚度，这样才能使该材料可以引导雷电电流而不会随之受到损害。

典型地，叶片是风能设备伸入空中最远的部分，因而遭受雷击的风险也较大。风能设备以风力农场的形式大量设置在例如海上的地方，这样由于天气条件和不易到达的原因必然带来保养和维护相当昂贵和麻烦的缺陷。而且海上空气中的盐分会沉淀在例如叶片上，并且使它们成为导电的，从而增加遭受雷击的风险。

在WO01/77527中提出了这样的建议，即将铜带条粘附到叶片上，并且将这些条连接到接受器上。这些条可以用来将雷电电流传导给接受器，然后雷电电流从这里通过缆线输送给大地。这种方法要求这些条必须具有足够的导电率以能够输送可能超过50KA的雷电电流。由于雷电电流强加热引起的损伤，因而在雷击之后有可能需要替换这些条，这样就带来需要监视风能设备、在替换期间停工以及高成本的问题。而且，还存在这些条松落从而对叶片的空气动力属性造成不利影响的风险。作为另一种选择，这些条必须具有非常重的构造，这样就给叶片增加了不期望的附加重量。当要制造较长的叶片时，在设计上存在的一个问题是如何准确地减少这种重量，因为它不仅在叶片上构成了负荷，而且在轮毂、吊舱和塔上都构成了负荷。

飞机也会被雷击，因而它们也必须进行防雷。飞机设置有用于航行目的的雷达设备，该设备典型地设置在飞机的机头中以可以观察前方。当雷达设备设置在机头中时，该机头不能与飞机剩余部分相同地由铝构成，而是由塑料材料构成，因为如果不这样，则雷达不能透视机头。同样存在飞机机头或经由该机头受到雷击的风险，它必须进行防雷；然而其防雷方式必须不会干扰到雷达。自从1960年以来，人们已经知道通过可有各种构造的所谓雷电分流器条来防雷。US4237514公开了一个例子，其中具有铝粉的原料以条的形式粘附到尤其是飞机的机头。铝粉没有构成连续的导体，而是构成了中断的或分段的导电颗粒。当这些金属的彼此分离的导电颗粒由于雷击而暴露于较大的电压场中时，这些颗粒就会短路并且在这些颗粒之上空气中形成导电的电离通道，雷电电流可以在该通道中被导给例如飞机的金属外壳。作为铝粉的替代物，US4506311指出可以将钮扣或棒形的金属片分离地包括在形成带状的原料中。带状物和条状物用来安装在飞机机头的外面，在这里它们被设置成从机头的尖端对称地伸出。这种设置可以带来良好的保护，但还是会产生一些程度的空气动力干扰。在风轮机设备的叶片上，在叶片空气动力外形的顶部设置条和带会给设备的效率和性能带来不期望的不利影响。这种方式设置的条或带还将成为噪音的来源，这就限制了设备可以设置的地点和接近程度。此外，金属的带或条或金属格架与通常使用的用来对叶片外壳进行纤维加强的纤维相比具有更为显著不同的弹性。它们要硬得多，因而由于在使用中叶片受到非常高的应力变形，它们承受着较大的张力，因此这种条或带由于疲劳而容易形成裂纹。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种叶片和制造风能设备叶片的方法，其中通过使用导体装置，叶片上的雷击可以以安全的方式传导给大地，这种导体装置可以被构造成使雷击不需要进行交换，而且对叶片的重量和空气动力属性的影响最小。

其它的目的可以从描述部分中看出来。

本发明方法的新颖方面在于该方法包括叶片设置有分段导体装置，该分段导体装置构造用来将叶片外的雷电电流导给与地导通的装置，并且其中该导体装置分布和固定在叶片外壳的外表面，并使该导体装置基本上与叶片外壳的外表面齐平。导体装置基本上与叶片外壳外表面齐平意味着对叶片空气动力属性产生的影响最小。当分段导体装置分布和固定在叶片外壳的外表面上时，雷电电流将不需要通过导体装置进行传导，而是在导体装置上方空气中的电流通道中进行传导。因而导体装置可以实现具有非常小的重量，因为它们不需要可以承受雷电电流。从而叶片重量所受的影响也最小。由于导体装置不需要承受雷电电流，因此产生的加热也是有限的，并因而对导体装置造成的损害也最小。由于导体装置可以构成具有很小的重量，因此它们还可以以例如成双的方式构造而不会产重量问题，由此就有可能产生多余的容量，从而得到令人满意的较长寿命。导体装置被分段，它们的硬度受到限制。由于导体装置被准确地进行分段，因此它们不容易破裂；相反它们可以承受较大的应力变形。

该方法的一个优选实施例包括以下步骤：

a)在模型上设置分段导体装置；

b)在模型上包括导体装置的顶部上放置纤维；

c)用树脂连接纤维和导体装置。

因此，就可以实现将导体装置与叶片铸造成一体，因而不会受天气条件的影响而脱离。而且，导体装置可以准确地设置成与叶片外壳的外表面齐平，从而将对叶片空气动力属性的影响减至最小。

一个方便的实施例包括在模型上涂敷物质，包括凝胶涂料、树脂、聚合物或脱模剂。这可以在步骤a)之前或之后完成。从而尤其有可能使导体装置结合到导体装置表面中达到一特殊的程度。风能设备的叶片经常通过传统的手动敷设或VARTM方法(真空辅助树脂转移模制)或其它合适的方法进行模制。使用阴模是该方法的共同特征，在该阴模中叶片的最外层是第一个形成有凝胶涂料层或树脂层的，它们像这样被参入到叶片中。作为另一种选择，最先涂敷到模型上的物质是聚合物或脱模剂。

另一个优选实施例可以包括对叶片进行砂磨或抛光以露出导体装置。由于导体装置需要暴露于环境空气中的自由表面，因此这样可以确保导体装置的性能。

根据又另一个优选实施例，导体装置可以设置在预先制造的带中，该带由不导电的材料制成，包括热塑性材料。因而导体装置可以在使用前完成和测试，这样可以确保一致性和防止缺陷，并且它还简化了处理。

根据一个可选实施例，导体装置可以设置在细长的包状带中，所述带构造成由树脂渗透。然后具有导体装置的带可以与叶片外壳铸造成一体，以使导体装置可以通过树脂固定。在模制以后必须将导体装置暴露出来，例如可以通过砂磨。

另一个优选实施例可以包括在步骤b)之前，在进行模制时，分段导体装置和/或带通过粘性装置固定在模型上，该粘性装置包括双面胶带。在这种方式中，导体装置在模制过程中可以固定在精确的位置，甚至固定在倾斜或弯曲表面上。

根据又另一个优选实施例，导体装置可以是导电颗粒，该导电颗粒的扩展距离在0.05和10mm之间，优选在1和8mm之间。这些尺寸给导体装置带来了良好的性能，并同时使导体装置具有较小的重量。

根据另一个可选实施例，该方法可以包括在模型上设置至少一个罩，然后将凝胶涂料和导电颗粒的混合物设置在罩中。这个实施例在导电颗粒的定位方面是非常灵活的，并且同样地这些颗粒可以很好地结合在叶片外壳表面中。这样提供了一种令人视觉愉悦的叶片构造，这对于空气动力并因而对风能设备的效率和性能来说同样是一个产生积极作用的特征。

根据又另一个可选实施例，导电颗粒与不导电颗粒混合到一起，例如陶瓷颗粒、色素等。这样可以有利地在导电颗粒之间产生合适的距离，即为了实现和保证合适的分段以避免产生连续的导体。这种使用还带来了视觉效果，例如指示叶片上何处设置了导电颗粒，如果例如在风能设备运行时想从地面观察的话。

根据一个优选实施例，颗粒是扁平的和细长的，并且长度在2和10mm之间，横向扩展距离在1和5mm之间。根据另一个优选实施例，颗粒可以是扁平的并基本上是圆的，并且直径在2和10mm之间，厚度在0.1和1mm之间。在这两种情况中，对于在颗粒上方空气中产生电离通道来引导雷电电流可以产生有益的效果。

根据又另一个优选实施例，导体装置是金属削片，该金属削片优选通过刨削、碾磨或车削制成。金属削片可以制成非常一致并且可以按合适的尺寸以低成本制成。

根据一个可选实施例，该方法可以包括叶片外壳构造有许多凹槽，导体装置固定在这些凹槽中。在这种方式中，这种构造使导体装置在偶尔发生的需要替换的情况中可以容易地进行替换。

根据另一个优选实施例，导体装置分布在至少一个路径上，所述路径的宽度在3和50mm之间，包括5和20mm之间，优选为8和12mm之间。这种尺寸意味着导体装置可以被雷电电流接通许多次。

至少一个路径优选基本上与叶片纵向扩展部分横向地设置，并且基本上从叶片的前边缘延伸到叶片的后边缘。作为另一种选择，导体装置可以设置成星形，其中接受器设置在中心并连接到与地导通的装置。其它的图案也同样是可选的。

根据又另一个优选实施例，导体装置分布在至少一个路径上，该路径基本上与叶片纵向扩展部分横向地布置，并且跨越叶片外壳中的至少一个主薄片，该主薄片包括导电纤维。这样可以实现由导体装置保护导电纤维，从而减少雷电击入其中的风险。

根据又另一个可选实施例，导体装置是金属丝，其基本上布置在相同的方向上，并且按预定的间隔隔开。这种导体装置可以以较高的精度和相对较低的成本进行制造。

导体装置可以优选由金属制成，包括黄铜、镍、紫铜、涂有镍的黄铜或涂漆的紫铜。优选使用在与环境空气接触时氧化趋势有限的金属。而且，金属可以抵抗叶片在使用时受到的磨损。

根据又另一个优选实施例，与地导通的装置包括至少一个设置在叶片表面的接受器。该接受器适于在叶片表面收集雷电电流，并在叶片内部将其输送给例如与接地连接件导通的缆线。接受器还可以设置在遭受雷击风险较高的叶片尖端，因为接受器可以承受相当多次的雷击。

接受器还可以设置在叶片中的凹槽内，所述凹槽基本上被导体装置包围。因而雷电电流被传递给接受器，然后可以从这里传导给接地连接件。

本发明还包括一种风能设备的叶片，所述叶片包括纤维加强叶片外壳和与地导通的装置，该装置适于将雷电电流导给接地连接件。该叶片的新颖方面在于叶片设置有分段导体装置，该分段导体装置构造用来将叶片外的雷电电流导向与地导通的装置，并且其中导体装置优选分布和固定在叶片外壳的外表面，并且该导体装置基本上与叶片外壳的外表面对齐。

因而，可以得到这样一种叶片，该叶片具有与上面概述的在本发明方法基础上制造的叶片相同的优点，这些优点包括叶片可以承受许多次雷击，雷击电流在导体装置上方空气中的电离通道中进行传导；以及导体装置可以具有较小的重量；导体装置不会破裂等等。

一个优选实施例包括导体装置设置在多个从接受器延伸的路径中，该接受器设置在叶片的表面，并且连接到与地导通的装置。因而雷击被导体装置捕捉到的可能性很高，雷电电流可以安全地从该导体装置传导给接受器然后继续传导给接地连接件。

根据另一个实施例，导体装置可以固定在叶片外壳的表面中的凹槽中。这样，导体装置可以从外面安装，但应使其与叶片外壳的外表面对齐，由此对叶片空气动力属性的影响最小。

根据又另一个优选实施例，导体装置可以与叶片外壳的表面铸造成一体。因而，可以实现安全的连接，这样还可以对叶片的空气动力属性影响最小。

根据另一个优选实施例，导体装置包括基本上均匀分布的金属削片层。这样可以得到较低的成本和较长的寿命。在一些削片会燃烧掉的情况中，短路路径通过其它的削片可以有许多可选的选择，这意味着导体装置甚至在稍微损伤的状态下仍然可起作用。

在下文中，通过附图来描述本发明，这些附图表示本发明的示例性实施例。

附图说明

图1a-b示出了包括导体装置的风能设备叶片的截面；

图2是设置有导体装置的模型的截面图；

图3示出了设置有导体装置和凝胶涂层的模型的截面；

图4是设置有罩的模型的截面图；

图5是具有预先制造的带的模型的截面图，该带具有导体装置；

图6是设置有导体装置和凝胶涂层的模型的截面图；

图7是设置有包状带的模型的截面图，该包状带中容纳有导体装置；

图8是图7所示模型的截面图；

图9是包括导体装置的风能设备叶片的截面图；

图10示出了分段导体装置的制造；

图11示出了分段导体装置带。

具体实施方式

图1a和1b示出了风能设备的叶片，该叶片包括具有加强件2的叶片外壳1。叶片外壳1包括设置有分段导体装置4的外表面3。导体装置4以一定路径设置并且连接到与地导通的装置。在图1a和1b中，导体装置4被设置成从接受器5伸出，该接受器连接到未示出的与地导通的装置，该装置可以连接到接地连接件上。在图1a中，导体装置4在叶片1的前后边缘之间基本上与叶片1横向地延伸。在图1b中，导体装置4设置成星形排列。在图1a和1b所示的实施例中，导体装置4对于叶片外壳1中的任何导电纤维具有象天线一样的作用。

图2示出了具有内侧7的模型6，该内侧将形成叶片的空气动力外形。在其一侧，一片双面胶带15设置有导电颗粒，这些颗粒分布组成分段导体装置4。带15粘附到内侧7上，然后可以以通常的方式来铸造叶片外壳。模制过程的开始由图3显示，其中模型6的内侧7覆盖有用来固定导体装置4的带15，该导体装置为导电颗粒的形式，并且由凝胶涂层8覆盖。在完成和固化以后，导体装置4可以通过除掉带15而暴露出来，该带15在从模型中取出以后面向叶片的外表面。导电颗粒与叶片浇铸成一体，因而在去掉带15时已经被固定。为了确保得到平滑的表面，可以对颗粒所处的区域进行砂磨和抛光。

图4示出了具有内侧7的模型6，在该内侧上设有自设置的罩9，该罩具有预先确定的宽度10和厚度11。原则上，罩9构成了一个或多个具有较低高度的模型，例如凝胶涂料和导电颗粒的混合物16可以注入其中从而构成导体装置4。作为另一种选择，还可能在罩9内放上较薄的粘胶层，接着将导电颗粒洒在合适的层上，然后移除罩9，并且准备将模型6涂上凝胶涂料。

图5示出了具有内侧7的模型6，在该内侧上设置有预先制造的容纳有导体装置4的带17。从图6可看出带17是如何设置在内侧7上并且被凝胶涂料8覆盖的。在涂覆了凝胶涂料以后，就可以装配未示出的纤维敷设层，然后注射树脂。在完成和固化以后，带17将与叶片外壳的外表面齐平。

图7示出了具有内侧7的模型6，在该内侧上设置有包状带18，该带可以被凝胶涂料、树脂等渗透，并且其中容纳了导体装置4。带18具有粘性侧表面19，该表面可以将带18稳固地保持在模型6的内侧7上。图8示出了具有侧表面19的带18是如何附着在内侧17上和被凝胶涂料8覆盖的，该凝胶涂料渗入带18并因而铸成导体装置4。在完成和固化以后，带18将与叶片外壳的外表面齐平。例如，通过砂磨，被整体铸造的导体装置将暴露出来，并因而与叶片外壳的外表面在同一平面上。

图9示出了风能设备的叶片，该叶片包括具有加强件2的叶片外壳1。叶片外壳1包括设置有分段导体装置4的外表面3。导体装置4以一定路径设置并且从接受器5伸出，该接受器连接到未示出的与地导通的装置，该装置可以连接到接地连接件上。在图9中，导体装置4在叶片1的前后边缘之间基本上与叶片横向地延伸。在该实施例中，叶片外壳1包括两个容纳导电纤维的主薄片20，例如碳纤维或钢纤维。最上面的主薄片20具有横向扩展部分，该部分的定界由线21表示。如图所示，导体装置4从接受器5延伸并且横向于主薄片20，由此保护它不受雷击，因为导体装置的天线作用得到了实现。在所示的实施例中，接受器5设置在距离主薄片20一定距离的地方。

图10示出了设置有多个凹槽23的金属板22，这些凹槽以一定路径设置。这些凹槽可以通过激光切削、钻孔、冲孔等方式制成。在构造完凹槽以后，就给它们填充例如聚合材料，然后将该板按照虚线24所示地切开。从而如图11所示产生了带27。从图中可看出，带由许多十字形的段25组成，这些段设置成彼此相距给定距离并且由聚合材料26保持在一起。因此，具有分段导体装置的带27以简单的方式进行制造。

通过导体装置4的分段，在它们之间形成一定的间隔，该间隔的范围包括在0.1到5mm，优选地从0.3到1.5mm。

可以理解，本说明书中结合附图所公开的发明可以进行修改和改变，然而这些修改和改变也仍包括在后面权利要求授予的保护范围内。

Claims (26)

1.一种风能设备的纤维加强叶片的制造方法，所述叶片至少构造有叶片外壳和与地导通的装置，该装置适于将雷电电流导给接地连接件，其中该方法包括给叶片设置分段导体装置，该分段导体装置构造用来将叶片外的雷电电流导向将电流导给大地的装置；并且其中所述方法的特征在于，该导体装置以使其基本上与叶片外壳的外表面齐平的方式分布和固定在叶片外壳的外表面。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：a)在模型上设置分段导体装置；b)在模型上包括在导体装置的顶部放置纤维；c)用树脂连接纤维和导体装置。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述方法包括在模型上涂敷物质，所述物质包括凝胶涂料、树脂、聚合物或脱模剂。

4.根据权利要求1-3一项或多项所述的方法，其特征在于所述方法包括对叶片进行砂磨或抛光以露出导体装置。

5.根据权利要求1-4一项或多项所述的方法，其特征在于所述导体装置设置在预先制造的带中，该带由不导电的材料制成，包括热塑性材料。

6.根据权利要求1-4一项或多项所述的方法，其特征在于所述导体装置设置在细长的包状带中，所述带构造成被包括树脂和/或凝胶涂料的材料渗透。

7.根据权利要求2-6一项或多项所述的方法，其特征在于所述方法包括在步骤b)之前，在进行模制时，通过包括双面胶带的粘性装置将分段导体装置和/或带固定在模型上。

8.根据权利要求1-7一项或多项所述的方法，其特征在于所述导体装置是导电颗粒，该导电颗粒的扩展距离在0.05和10mm之间，优选在1和8mm之间。

9.根据权利要求2-8一项或多项所述的方法，其特征在于所述方法包括在模型上设置至少一个罩，然后将包括凝胶涂料的聚合物材料和导电颗粒的混合物涂敷在罩中。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于所述导电颗粒与不导电颗粒混合到一起，该不导电颗粒例如陶瓷颗粒、色素等。

11.根据权利要求8-10一项或多项所述的方法，其特征在于所述颗粒是扁平的和细长的，并且长度在2和10mm之间，横向扩展距离在1和5mm之间。

12.根据权利要求8-10一项或多项所述的方法，其特征在于所述颗粒是扁平的并基本上是圆的，并且长度在2和10mm之间，厚度在0.1和1mm之间。

13.根据权利要求1-12一项或多项所述的方法，其特征在于所述导体装置是金属削片，该金属削片优选通过刨削、碾磨或车削制成。

14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述方法包括叶片外壳，该叶片外壳构造有多个凹槽，所述导体装置固定在这些凹槽中。

15.根据权利要求1-14一项或多项所述的方法，其特征在于所述导体装置分布在至少一个路径上，所述路径的宽度在3和50mm之间，包括5和20mm之间，优选为8和12mm之间。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于所述至少一个路径基本上横向于叶片的纵向设置，并且基本上从叶片的前边缘延伸到叶片的后边缘。

17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于所述导体装置分布在至少一个路径上，该路径基本上横向于叶片的纵向布置，并且跨越叶片外壳中的至少一个主薄片，该主薄片包括导电纤维。

18.根据权利要求1-7一项或多项所述的方法，其特征在于所述导体装置是基本上布置在相同方向上并按预定间隔分布的金属丝。

19.根据权利要求1-18一项或多项所述的方法，其特征在于所述导体装置优选由金属制成，包括黄铜、镍、紫铜、涂有镍的黄铜或涂漆的紫铜。

20.根据权利要求1-19一项或多项所述的方法，其特征在于所述与地导通的装置包括至少一个设置在叶片表面的接受器。

21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于所述接受器设置在叶片中的凹槽中，所述凹槽基本上由导体装置包围。

22.一种风能设备的叶片，所述叶片包括纤维加强叶片外壳和与地导通的装置，该装置适于将雷电电流导向接地连接件，其中所述叶片设置有分段导体装置，该分段导体装置构造用来将所述叶片外的雷电电流导向所述与地导通的装置，其中所述叶片的特征在于，所述导体装置以使其基本上与叶片外壳的外表面齐平的方式基本上分布和固定在叶片外壳的外表面。

23.根据权利要求22所述的叶片，其特征在于所述导体装置设置在多个从接受器延伸的路径中，该接受器设置在叶片的表面，并且与所述与地导通的装置连接。

24.根据权利要求22或23所述的叶片，其特征在于所述导体装置固定在叶片外壳表面上的凹槽中。

25.根据权利要求22或23所述的叶片，其特征在于所述导体装置与叶片外壳的表面铸造成一体。

26.根据权利要求25所述的叶片，其特征在于所述导体装置包括基本上均匀分布的金属削片层。

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