CN120303481A - 具有电热系统的风力涡轮机叶片 - Google Patents

Abstract

一种风力涡轮机叶片包括：在根部端与末梢端之间沿纵向方向延伸，并且在前缘与后缘之间沿横向方向延伸的空气动力学外壳体的吸力侧外壳部分和压力侧外壳部分；以及电热系统，该电热系统包括：吸力侧加热层和压力侧加热层，吸力侧加热层和压力侧加热层包括导电纤维，以减轻风力涡轮机叶片上的结冰；用于接收雷击，并且布置在加热层外部并与其重叠的吸力侧金属防雷层和压力侧金属防雷层；以及引下线，该引下线电连接到金属防雷层，以便能够将雷击电流从金属防雷层传导到风力涡轮机叶片的根部，其中电热系统包括至少一个等电位结合导体，该等电位结合导体电连接吸力侧加热层的导电纤维和压力侧加热层的导电纤维，以形成等电位结合。

Description

具有电热系统的风力涡轮机叶片

技术领域

本发明涉及一种具有电热系统的风力涡轮机叶片。

背景技术

当风力涡轮机在寒冷气候下操作时，可能积聚在风力涡轮机叶片上的冰对涡轮机性能带来挑战。在第一方面中，叶片表面上的任何结冰都将扰乱叶片的空气动力学性能，这可能导致涡轮机效率降低和/或操作噪音水平提高。在另一方面中，从叶片表面脱落的冰可存在掉落危险。有鉴于此，在此类地方中的风力涡轮机叶片通常设有带来防冰和/或除冰的系统。

已知提供热空气电热系统，其操作原理是向风力涡轮机叶片的内部供应加热空气，以使叶片的表面温度升高到冰点以上。此类热空气电热系统的实例可在美国专利申请公开号US2013/0106108中看到。

还已知利用嵌入叶片的电加热系统和机械电热系统。然而，在叶片中包括导电材料会伴随这些导电材料带来雷击的风险，尤其是当导电材料包括在叶片的末梢附近时，因为叶片的该区面临高雷击风险。对于电加热系统，需要防雷措施并减少表面干扰，以避免降低年发电量。因此，需要新的解决方案。

发明内容

基于此背景，本公开的目的可视为提供一种具有电热系统的风力涡轮机叶片，其克服或改善了现有技术的缺点中的至少一个或提供了有用的备选方案。

这些目的中的一个或多个可通过如下所述的本公开的方面来实现。

本公开的第一方面涉及一种风力涡轮机叶片，其包括形成风力涡轮机叶片的外表面的空气动力学外壳体和用于减轻风力涡轮机叶片上的结冰的电热系统。空气动力学外壳体在根部端与末梢端之间沿纵向方向延伸，并且在前缘与后缘之间沿横向方向延伸。空气动力学外壳体包括吸力侧外壳部分、压力侧外壳部分，以及吸力侧外壳部分与压力侧外壳部分之间的纵向延伸的结合线。结合线优选地沿空气动力学外壳体的前缘和/或后缘延伸。电热系统包括：

·形成空气动力学外壳体的吸力侧外壳部分的一部分的吸力侧加热层，该吸力侧加热层包括至少布置在吸力侧外壳部分的前缘区段中的导电纤维；

·形成空气动力学外壳体的压力侧外壳部分的一部分的压力侧加热层，该压力侧加热层包括至少布置在压力侧外壳部分的前缘区段中的导电纤维；

·优选地，电缆，其构造成用于向吸力侧加热层和压力侧加热层供应电力，并且构造成用于连接到电源，其中加热层的导电纤维优选地构造成用于在从电源(例如经由电缆)接收到电力时，向风力涡轮机叶片的外表面提供电阻加热，优选地，以便减轻，诸如融化或防止，风力涡轮机叶片上的结冰；

·吸力侧金属防雷层，其布置在吸力侧加热层外部并与其重叠，并且构造成用于传导来自雷击的电流；

·压力侧金属防雷层，其布置在压力侧加热层外部并与其重叠，并且构造成用于传导来自雷击的电流；以及

·引下线，其具有布置在风力涡轮机叶片的根部处的构造成用于接地的第一端，引下线电连接到吸力侧金属防雷层和压力侧金属防雷层，优选地，以便能够将雷击电流从吸力侧金属防雷层和压力侧金属防雷层传导到引下线的第一端；

其中吸力侧加热层的前缘和压力侧加热层的前缘布置成邻近结合线，并且横向于结合线分开一距离，其中电热系统包括至少一个等电位结合导体，至少一个等电位结合导体将吸力侧加热层的导电纤维和压力侧加热层的导电纤维电连接，以便形成吸力侧加热层和压力侧加热层的等电位结合。

在雷击期间，雷电电流具有非常快的上升时间，这典型地引起吸力侧加热层与压力侧加热层之间的电位差。由于加热层由结合线分开，故如果电位差太大，则加热层之间可能会发生闪络事件。有利地，通过包括至少一个等电位结合导体，可减小加热层之间的该电位差。

这可提供若干优点。首先，可降低加热层之间在前缘上的闪络的风险。其次，在前缘处的加热层之间的距离可变窄，导致前缘处的热传递增加，并因此提高冰减轻能力。第三，加热层的范围可朝向后缘增加，以增加风力涡轮机叶片的冰减轻面积。

另外或备选地，风力涡轮机叶片可包括吸力侧翼梁帽和压力侧翼梁帽。翼梁帽也可称为主层压件。翼梁帽可整体结合在相应的外壳部分中，或可形成单独提供的翼梁(例如箱形翼梁)的一部分。翼梁帽可包括导电纤维或主要由导电纤维构成，诸如碳纤维复合材料，例如以灌注和固化的碳纤维片材或碳纤维拉挤成型件的形式。吸力侧加热层可布置成与吸力侧翼梁帽至少部分地重叠，可选地完全地重叠，和/或压力侧加热层可布置成与压力侧翼梁帽至少部分地重叠，可选地完全地重叠。在此背景下，重叠部视为垂直于风力涡轮机叶片的外表面。换句话说，吸力侧加热层和/或压力侧加热层可在从前缘处的结合线到相应翼梁帽的距离之间延伸，并且可选地朝向后缘延伸超出相应翼梁帽。此重叠部可增加加热层之间的电位差，例如在雷击期间，但可通过加入至少一个等电位结合导体来减轻。

因此，至少一个等电位结合导体可形成与电缆(包括电缆的任何导体)分开的电连接。另外或备选地，至少一个等电位结合导体可布置成距电缆与吸力侧加热层和压力侧加热层的根部部分之间的连接部一距离，并且布置成距电缆与吸力侧加热层和压力侧加热层的末梢部分之间的连接部一距离。

另外或备选地，至少一个等电位结合导体形成沿纵向方向分布在吸力侧加热层和压力侧加热层的根部部分与末梢部分之间的多个等电位结合导体的一部分。

另外，多个等电位结合导体中的相邻等电位结合导体之间沿纵向方向的距离可为最多20米，优选最多15米，更优选最多10米，最优选最多5米。

另外或备选地，至少一个等电位结合导体可包括布置在后缘处(例如，在吸力侧外壳部分和压力侧外壳部分的后缘区段中)的至少一个后缘等电位结合导体(或多个后缘等电位结合导体)。此类导体缩写为TE-EB导体。例如，空气动力学外壳体的后部部分从翼梁帽(或空气动力学外壳体的最大厚度线)延伸至后缘。

另外，(一个或多个)TE-EB导体可包括吸力侧导体和压力侧导体。吸力侧导体可电连接到吸力侧加热层的导电纤维，并且可嵌入吸力侧外壳部分中。压力侧导体层可电连接到压力侧加热层的导电纤维并且可嵌入压力侧外壳部分中。嵌入导体可提供有利的制造工艺，其中导体可在相应外壳部分的其它层的铺层中加入。吸力侧加热层可电连接到吸力侧导体的前部部分，并且压力侧加热层可电连接到压力侧导体的前部部分。这可通过例如将金属导电层邻近相应加热层层压来实现，这可为相应的加热层提供良好的电接触。导体(包括其前部部分)可与翼梁帽间隔开(并且可因此不会重叠)。在其它实施例中，一个或两个导体(包括其前部部分)可分别与对应的一个或多个翼梁帽至少部分地重叠(可选地完全地重叠)。导体的前部部分可为布置成更接近风力涡轮机叶片的前缘的部分(但优选地与风力涡轮机叶片的前缘间隔开)，并且导体的后部部分可为布置成更接近风力涡轮机叶片的后缘的部分。

吸力侧导体和/或压力侧导体可为导体层并且可由金属或塑料材料制成。例如金属网，诸如铜网、铝网、钢网或青铜网，或导电塑料，例如固有导电性或包括炭黑，并且可为条带的形式。优选地，吸力侧导体和压力侧导体是铜网的条带。

另外或备选地，TE-EB导体包括布置成与相应导体(例如相应导体的后部部分)电接触的吸力侧连接器部分和压力侧连接器部分。连接器部分可各自包括实心导电部分，该导电部分可为相对薄的元件的形式，诸如板或盘，并且可包括螺纹元件，例如螺母。实心导电部分可嵌入相应的外壳部分内，例如在相应的导体的外侧上。实心导电部分可包括金属(诸如青铜或铜)或主要由该金属构成。

(一个或多个)TE-EB导体可进一步包括桥接装置，该桥接装置优选地经由相应的实心连接器部分电连接吸力侧导体的后部部分和压力侧导体的后部部分。桥接装置可包括从吸力侧连接器部分延伸至压力侧连接器部分的桥接导体(例如线缆)。桥接导体可布置成具有松弛度，这允许空气动力学外壳体的相对柔性的吸力侧和压力侧在后缘附近归因于变化的气压而在厚度方向上挠曲，而不会损害(一个或多个)TE-EB导体的功能。桥接导体可封装在布置于吸力侧外壳部分和压力侧外壳部分的内侧之间的块体的腔(例如，孔)中。该块体可有利地由回弹性材料制成，例如由泡沫聚合物制成，优选地构造成允许空气动力学外壳体的吸力侧和压力侧在后缘处归因于变化的气压而在厚度方向上挠曲。另外或备选地，桥接导体可连接到相应的外部实心连接器部分。此外，线缆的编织物可铺展到桥接装置的两端处的实心连接器部分上，以确保良好的电接触。

备选地，桥接装置可为螺栓。在此情况下，吸力侧导体的后部部分和压力侧导体的后部部分可延伸至邻近后缘的位置，后缘具有最多20cm，优选最多15cm，更优选最多10cm的厚度。螺栓头可布置成与吸力侧导体的后部部分和压力侧导体的后部部分中的一者电接触，优选地与相应导体的后部部分的连接器部分电接触。布置成与螺栓头相对的端部可布置成与吸力侧导体的后部部分和压力侧导体的后部部分中的另一者电接触，优选是相应导体的后部部分的连接器部分，其优选包括用于与螺栓的端部接合并建立电接触的螺母。

另外或备选地，(一个或多个)TE-EP导体的吸力侧导体和压力侧导体的后部部分可完全地延伸至后缘。吸力侧导体的连接器部分可限定吸力侧导体的后缘。压力侧导体的连接器部分可限定压力侧导体的后缘。连接器部分可为实心导电材料，例如实心金属板。桥接装置的间隔物可夹在吸力侧导体的后缘与压力侧导体的后缘之间。间隔物可为金属间隔物并且因此可限定桥接装置的桥接导体。除了间隔物为金属之外或作为其备选方案，桥接装置的桥接导体可包括延伸穿过吸力侧导体(例如吸力侧导体的连接器部分)、间隔物和压力侧导体(例如压力侧导体的连接器部分)的一个或多个导电接片。吸力侧导体可嵌入吸力侧外壳部分中，并且压力侧导体可嵌入压力侧外壳部分中。在吸力侧外壳部分和压力侧外壳部分的闭合期间，间隔物可布置在吸力侧导体与压力侧导体之间。可选地，一个或多个导电接片可插入穿过延伸穿过吸力侧导体和压力侧导体以及可选地穿过桥接导体的一个或多个相应的孔。这些孔可在外壳部分闭合之前预先钻取，或可在吸力侧外壳部分和压力侧外壳部分闭合之后钻取。在一些实施例中，可省略间隔物以实现风力涡轮机叶片的更薄后缘。

另外或备选地，至少一个等电位结合导体可包括布置在前缘处(例如，在吸力外壳部分和压力外壳部分的前缘区段中)的至少一个前缘等电位结合导体(或多个等电位结合导体)。此类导体缩写为LE-EB导体。LE-EB导体可为条带的形式并且可包括导电材料或主要由导电材料构成。导体材料可为柔性材料，诸如导电纤维(例如碳纤维)或网(诸如铜网、铝网或青铜网)。

另外或备选地，电热系统可包括沿纵向方向延伸的第一电绝缘膜和可选的第二电绝缘膜。第一电绝缘膜可布置成使吸力侧加热层和压力侧加热层中的一者的前缘电绝缘。可选的第二电绝缘膜可布置成使吸力侧加热层和压力侧加热层中的另一者的前缘电绝缘。

第一电绝缘膜和可选的第二电绝缘膜可包括外部部分、内部部分以及连接外部部分和内部部分的中间部分。

外部部分可布置在相应加热层的外侧上，内部部分可布置在相应加热层的内侧上，并且中间部分可布置成邻近相应加热层的前缘。外部部分和/或内部部分可从相应加热层的前缘延伸预定距离，例如至少30mm，优选至少50mm，更优选至少70mm的预定距离。

优选地，第一电绝缘膜和可选的第二电绝缘膜可纵向延伸，以使相应加热层的整个前缘从其根部端到其末梢端电绝缘。

第一电绝缘膜和/或可选的第二电绝缘膜可包括电绝缘聚合物膜(例如PET膜)或主要由电绝缘聚合物膜构成，可选地用电绝缘纤维(诸如玻璃纤维)增强。

在一些实施例中，第一电绝缘膜和/或可选的第二电绝缘膜的加入可提供足够的电绝缘，以降低加热层之间闪络的风险，以允许省略加热层的等电位结合连接。

另外或备选地，吸力侧加热层和压力侧加热层的前缘可基本上沿纵向方向延伸。吸力侧加热层和压力侧加热层的前缘之间的距离可沿纵向方向基本恒定。恒定的距离可简化加热层的铺层。在其它实施例中，吸力侧加热层和压力侧加热层的前缘之间的距离可变化。改变距离可允许电位差针对沿纵向长度的特定位置而定制。例如，该距离可从加热层的根部部分处的第一距离变化到加热层的末梢部分处的第二距离，第一距离可大于第二距离。第一距离处的前缘的较大分离实际上可提供附加的绝缘，以允许在发生闪络事件之前产生更大的电位差。此外，该距离可沿纵向方向从第一距离到第二距离线性地变化(例如减小)。

另外或备选地，吸力侧加热层(优选地吸力侧加热层的导电纤维)和/或吸力侧金属防雷层可嵌入吸力侧外壳部分中并与其共同灌注。压力侧加热层(优选地压力侧加热层的导电纤维)和/或压力侧金属防雷层可嵌入压力侧外壳部分中并与其共同灌注。

将吸力侧加热层和压力侧加热层以及吸力侧金属防雷层和压力侧金属防雷层嵌入空气动力学外壳体的相应外壳部分中并与其共同灌注可提供更光滑的外表面，以改善空气动力性能，尤其是与将加热层和/或金属防雷层覆压到空气动力学外壳体上的布置相比时。另外，将吸力侧金属防雷层和压力侧金属防雷层布置在外部，并与吸力侧加热层和压力侧加热层重叠，可降低雷击闪到加热层的风险。

另外或备选地，吸力侧金属防雷层和压力侧金属防雷层可构造成用作雷电接收器和/或用于电位均衡。

另外或备选地，吸力侧金属防雷层和压力侧金属防雷层可为金属网，优选地是铜网，例如扩张铜网或穿孔铜网。

另外或备选地，导电纤维可为碳纤维。导电纤维可布置在一个或多个纤维层中，优选是双轴的。纤维层可为非织造的和/或可相对于纵向方向以+/-45度布置。

另外或备选地，电缆可包括连接到吸力侧加热层和压力侧加热层的根部部分的第一电力导体，以及连接到吸力侧加热层和压力侧加热层的末梢部分的第二电力导体。根部部分可朝向风力涡轮机叶片的根部布置，并且末梢部分可朝向风力涡轮机叶片的末梢布置。

在本公开的上下文中，当两个部分“共同灌注”时，应理解为两个部分在同一过程中同时灌注有树脂并固化。因此，共同灌注两个纤维增强部分(诸如风力涡轮机叶片的空气动力学外壳体的相应外壳部分中的吸力侧加热层和压力侧加热层)涉及将两个纤维增强部分的干纤维布置在模具中，在同一过程中同时向它们灌注树脂，并引起或使树脂固化。这与将两个单独制造的部分连结的过程或将一个部分覆压到另一个部分上的过程形成对比。

另外或备选地，电热系统可包括介于吸力侧金属防雷层和压力侧金属防雷层中的每一个与相应的加热层之间的电绝缘层，该电绝缘层可构造成用于防止雷击闪到吸力侧加热层和压力侧加热层，并且优选地可由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，例如PET膜制成。电绝缘层可嵌入空气动力学外壳体的相应外壳部分中并与其共同灌注。

使电绝缘层介于加热层与相应金属防雷层之间降低了雷击事件中加热层损坏的风险，同时也降低了电热系统的操作期间加热层与相应金属防雷层之间短路的风险。

电绝缘层可构造成通过选择电绝缘层的材料以及电绝缘层相对于相应的加热层和相应的金属防雷层的定位来防止雷击闪到加热层，使得闪过金属防雷层的端部到加热层的对应端部所需的闪络电压大于雷击击穿电绝缘层所需的击穿电压。例如可通过实验获得闪络电压和击穿电压。

另外，电绝缘层可包括层压结构，该层压结构包括夹在两个纤维层(优选为玻璃纤维层)之间的聚合物膜(例如PET膜)。可在灌注和固化吸力侧加热层和压力侧加热层、吸力侧金属防雷层和压力侧金属防雷层以及可选的吸力侧电绝缘层和压力侧电绝缘层之前预制层压结构。层压结构可包括将聚合物膜粘合结合到纤维层的粘合剂。粘合剂优选不同于用于固化吸力侧加热层和压力侧加热层、吸力侧金属防雷层和压力侧金属防雷层以及可选的吸力侧电绝缘层和压力侧电绝缘层的树脂。

此外，在加热层中的至少一个或两个延伸到对应的翼梁帽附近(这将存在加热层与翼梁帽之间闪络和/或击穿的风险)的实施例中，电热系统可有利地包括介于(一个或多个)对应的翼梁帽与(一个或多个)加热层之间的另外的(一个或多个)电绝缘层。(一个或多个)另外的电绝缘层可由与上述电绝缘层相同的材料并且使用相同的铺层工艺来提供。

另外或备选地，吸力侧加热层和压力侧加热层可包括根部边缘和末梢边缘。吸力侧金属防雷层和压力侧金属防雷层可包括根部边缘和末梢边缘。吸力侧金属防雷层和压力侧金属防雷层的末梢边缘可朝向风力涡轮机叶片的末梢定位于吸力侧加热层和压力侧加热层的末梢边缘之外，并且可布置成与相应加热层的末梢边缘具有纵向间隙。

这可提供进一步降低风力涡轮机叶片的末梢附近雷击闪到吸力侧加热层和压力侧加热层而不是相应的金属防雷层的风险的优势。

另外或备选地，电绝缘层可包括根部边缘、末梢边缘、前缘和后缘。电绝缘层的吸力侧后缘和压力侧后缘可延伸超出吸力侧加热层和压力侧加热层两者的后缘，例如，进一步朝向后缘延伸。

吸力侧加热层和压力侧加热层、吸力侧金属防雷层和压力侧金属防雷层以及电绝缘层的边缘可按如下方式识别。根部边缘可定位成最接近根部，并且末梢边缘可定位成最接近末梢。后缘和后缘可基本沿纵向方向延伸。后缘可位于吸力侧外壳部分中并且后缘可位于压力侧外壳部分中。此外，吸力侧后缘和压力侧后缘是最外侧的纵向边缘，例如最接近后缘。

另外，吸力侧电绝缘层的后缘可延伸超出与吸力侧加热层的后缘和吸力侧金属防雷层的后缘相交的线或平面。压力侧电绝缘层的后缘可延伸超出与压力侧加热层的后缘和压力侧金属防雷层的后缘相交的线或平面。

另外，电热系统可包括由电绝缘聚合物材料(优选PET膜)制成的前缘绝缘层。前缘绝缘层可沿前缘处的结合线延伸并且与结合线重叠。前缘绝缘层可从结合线横向延伸并且沿吸力侧外壳部分和压力侧外壳部分的圆周与吸力侧金属防雷层和压力侧金属防雷层重叠。

通过包括前缘绝缘层，降低结合线上雷击击穿至结合线附近加热层部分的端部的风险。

另外或备选地，吸力侧加热层和压力侧加热层可包括邻近结合线的至少两个碳纤维垫。这可确保在结合线处供应足够的热量以减轻结冰。

另外或备选地，空气动力学外壳体可包括与结合线重叠并且优选地与前缘绝缘层重叠的前缘保护帽。前缘保护帽可具有暴露于风力涡轮机叶片的外部的外侧，并且可构造成用于为风力涡轮机叶片的前缘提供抗侵蚀性。前缘保护帽可优选地包括聚氨酯(PUR)或主要由聚氨酯(PUR)构成。

另外或备选地，电热系统可包括覆盖吸力侧金属防雷层和压力侧金属防雷层的第一外层。第一外层可具有覆盖吸力侧金属防雷层和压力侧金属防雷层的内侧。第一外层可优选地包括涂料，诸如聚氨酯(PUR)涂料，和/或遮盖物，诸如聚酯基遮盖物。第一外层可优选为最多0.8mm厚，更优选在0.1至0.4mm的范围内，甚至更优选在0.2至0.3mm的范围内。

通过由第一外层覆盖吸力侧金属防雷层和压力侧金属防雷层，可减少吸力侧金属防雷层和压力侧金属防雷层的侵蚀。此外，提供足够薄的第一外层可降低雷击闪到第一外层表面而不是穿过第一外层到达吸力侧金属防雷层和压力侧金属防雷层的风险。

另外或备选地，第一外层可具有暴露于风力涡轮机叶片的外部的外侧。可选地，空气动力学外壳体可包括布置在第一外层上的第二外层。第二外层可具有暴露于风力涡轮机叶片的外部的外侧。第二外层可与第一外层基本上齐平并且可不同于第一外层。第二外层优选可为凝胶涂层，优选聚酯基凝胶涂层。

另外或备选地，第二外层可不覆盖至少吸力侧金属防雷层和压力侧金属防雷层，和/或空气动力学外壳体的其余部分。

另外或备选地，电热系统可包括数个线缆夹持装置，其至少包括第一线缆夹持装置。数个线缆夹持装置可将电缆和引下线电连接，以在叶片的根部和末梢之间沿纵向方向的不同纵向位置处形成等电位结合连接。

线缆夹具可有利地在电缆与雷电线缆之间提供等电位结合连接，以减少或避免在叶片遭受雷击的情况下的任何闪络，并且因此减少或甚至避免叶片损坏。

另外或备选地，电缆包括屏蔽层，并且数个线缆夹持装置电连接到电缆的屏蔽层。

另外或备选地，数个线缆夹持装置可各自包括壳体和金属夹持部分。每个金属夹持部分可接收并夹持引下线和电缆，优选地是电缆的屏蔽层，以形成等电位结合连接。壳体可围绕金属夹持部分，以便使金属夹持部分和等电位结合连接电绝缘。壳体可包括容纳引下线和电缆的通孔。壳体可优选由诸如聚氨酯(PUR)的聚合物制成。

另外或备选地，电热系统可包括数个浪涌保护装置，包括一个或多个第一浪涌保护装置和/或一个或多个第二浪涌保护装置和/或一个或多个第三浪涌保护装置。第一浪涌保护装置可连接到吸力侧加热层和压力侧加热层以及引下线。第二浪涌保护装置可连接到吸力侧加热层和压力侧加热层以及吸力侧金属防雷层和压力侧金属防雷层。第三浪涌保护装置可连接到引下线和电缆。

另外或备选地，电热系统可包括数个温度传感器，其包括配置成用于感测风力涡轮机叶片的外部温度的至少一个外部温度传感器和/或配置成用于感测风力涡轮机叶片的内部温度的至少一个内部温度传感器。

另外或备选地，数个温度传感器可配置成用于向可布置在风力涡轮机的毂中的控制装置提供温度信号。控制装置可基于来自数个温度传感器的温度信号控制吸力侧加热层和压力侧加热层的电力供应，以便减轻风力涡轮机叶片上的结冰。温度传感器的类型可为光纤。

另外或备选地，电热系统可包括末梢接收器，该末梢接收器布置在风力涡轮机叶片的末梢处并且构造成用于传导来自雷击的电流，末梢接收器电连接到引下线。

本公开的第二方面涉及一种制造用于优选地根据本公开的第一方面的风力涡轮机叶片的空气动力学外壳体的方法。该方法包括以下步骤：将包括导电纤维的加热层、金属防雷层和电绝缘层与空气动力学外壳体的一个或多个外壳层一起作为干层(即非固化层，例如只有纤维而没有树脂)铺设，并且随后在单个真空辅助树脂传递模塑过程中共同灌注和固化各层，以便将加热层、金属防雷层和电绝缘层嵌入空气动力学外壳体中。优选地，加热层、金属防雷层和电绝缘层因此嵌入到空气动力学外壳体的吸力侧外壳部分和压力侧外壳部分中的一者中，并且重复该方法以单独提供空气动力学外壳体的吸力侧外壳部分和压力侧外壳部分中的另一者。然后，吸力侧外壳部分和压力侧外壳部分可经由分开吸力侧外壳部分和压力侧外壳部分的结合线闭合并且附接，可选地粘合地闭合并且附接。

本公开的第三方面涉及一种制造优选地根据本公开的第一方面的风力涡轮机叶片的方法。该方法包括以下步骤：

·提供：

o吸力侧外壳部分，其包括吸力侧加热层和吸力侧金属防雷层，吸力侧加热层具有至少布置在吸力侧外壳部分的前缘区段中的导电纤维，其中吸力侧金属防雷层布置在吸力侧加热层的外部并与其重叠，并且构造成用于传导来自雷击的电流，以及

o压力侧外壳部分，其包括压力侧加热层和压力侧金属防雷层，压力侧加热层具有至少布置在压力侧外壳部分的前缘区段中的导电纤维，其中压力侧金属防雷层布置在压力侧加热层的外部并与其重叠，并且构造成用于传导来自雷击的电流；

·将电缆连接到吸力侧加热层和压力侧加热层，该电缆构造成用于连接到电源，其中加热层的导电纤维构造成用于在从电缆接收到电力时，向风力涡轮机叶片的外表面提供电阻加热，以便减轻，诸如融化或防止，风力涡轮机叶片上的结冰；

·将引下线连接到吸力侧金属防雷层和压力侧金属防雷层，以便能够将雷击电流从吸力侧金属防雷层和压力侧金属防雷层传导到布置在风力涡轮机叶片的根部处的引下线的第一端；

·沿结合线闭合吸力侧外壳部分和压力侧外壳部分，从而形成空气动力学外壳体，其中吸力侧加热层的前缘和压力侧加热层的前缘布置成邻近结合线，并且横向于结合线分开一距离；并且

·经由至少一个等电位结合导体将吸力侧加热层的导电纤维和压力侧加热层的导电纤维电连接，以便形成吸力侧加热层和压力侧加热层的等电位结合。

另外，吸力侧外壳部分和压力侧外壳部分可通过根据本公开的第二方面的方法来提供。

另外或备选地，其中至少一个等电位结合导体可包括至少一个后缘等电位结合(TE-EB)导体，该后缘等电位结合(TE-EB)导体包括电连接到吸力侧加热层的导电纤维的吸力侧导体、电连接到压力侧加热层的导电纤维的压力侧导体。将吸力侧加热层的导电纤维和压力侧加热层的导电纤维电连接的步骤可包括：

·优选地，例如通过从风力涡轮机叶片的外部钻孔，形成穿过吸力侧导体的吸力侧连接器部分(144)和压力侧导体的压力侧连接器部分(144')的孔(148)；和/或

·优选地，在孔中布置桥接装置(145)(例如，桥接装置的桥接导体)；和/或

·优选地，将桥接装置与吸力侧连接器部分和压力侧连接器部分电连接(例如通过施加导电膏)，以便在吸力侧加热层的导电纤维与压力侧加热层的导电纤维之间建立等电位结合。

另外或备选地，至少一个等电位结合导体可包括至少一个前缘等电位结合(LE-EB)导体。将吸力侧加热层的导电纤维与压力侧加热层的导电纤维电连接的步骤可包括：

·优选地，在空气动力学外壳体的前缘处形成至少一个凹陷，该凹陷可在吸力侧外壳部分的前缘区段与压力侧外壳部分的前缘区段之间延伸；和/或

·优选地，将前缘等电位结合导体布置在至少一个凹陷中；和/或

·优选地，将前缘等电位结合导体的吸力侧部分电连接(例如通过施加导电膏)到吸力侧加热层的导电纤维；和/或

·优选地，将前缘等电位结合导体的压力侧部分电连接(例如，通过施加导电膏)到压力侧加热层的导电纤维；和/或

·优选地，再建立空气动力学外壳体的外表面(例如，通过用诸如凝胶涂层的层覆盖LE-EB导体)。

在整个本公开中，风力涡轮机叶片的构件可描述为具有带诸如“前缘”、“后缘”、“根部”和“末梢”的相对定位用语的“边缘”或“部分”。应当理解，此类构件的“根部边缘”朝向风力涡轮机叶片的根部端布置，而不必布置在风力涡轮机叶片的根部端处。例如，吸力侧加热层的“后缘”布置得比吸力侧加热层的“前缘”更接近风力涡轮机叶片的后缘，但不一定与风力涡轮机叶片的后缘相交或重合。

本领域中的技术人员将认识到，本公开及其实施例的上述方面中的任何一个或多个可与本公开及其实施例的其它方面中的任何一个或多个相结合。

附图说明

下面将结合附图对本公开的实施例进行更详细的描述。附图示出了实现本发明的一种方式，并且不应解释为限制落入所附权利要求集的范围内的其它可能的实施例。

图1是风力涡轮机的示意性透视图。

图2是用于如图1中所示的风力涡轮机的具有纵向前缘区段的风力涡轮机叶片的示意性透视图。

图3是如图2中所示的风力涡轮机叶片的纵向区段中并入的电热系统的沿纵向方向的示意图。

图4A是图3的电热系统的后缘等电位结合导体的示意性透视图，其中为了可视化目的，省略了外层。

图4B是图4A的后缘等电位结合导体的吸力侧连接器的示意性透视图。另外，为了可视化目的，省略了金属防雷层和电绝缘层。

图5A是图4A的后缘等电位结合导体的示意性横截面视图。

图5B是图5A中标记为“A”的虚线圆处的后缘等电位结合导体的桥接装置的示意性详细视图。

图6A-6B为后缘等电位结合导体的另一实施例的示意图。仅示出了吸力侧导体和压力侧导体，同时为了可视化目的，省略了风力涡轮机叶片的其余层。

图7是图3的电热系统的多个前缘等电位结合导体的示意性透视图，其中为了可视化目的，省略了外层。

图8是图2中所示的风力涡轮机叶片的纵向区段的示意性横截面视图。

图9A至图9C为线缆夹持装置的示意图。

具体实施方式

在下面的附图描述中，相同的参考标记指代相同的元件并且因此可不针对所有附图进行描述。此外，在参考标记后附加上后缀“'“表示该参考标记的压力侧等同物。例如，参考标记23表示吸力侧翼梁帽，而23'表示压力侧翼梁帽。

图1示出了根据所谓的“丹麦构想”的常规现代迎风风力涡轮机2，其具有塔架4、机舱6和具有基本上水平的转子轴的转子，转子轴可包括几度的倾角。转子包括毂8和从毂8沿径向延伸的三个叶片10，叶片各自具有最接近毂的叶片根部16和最远离毂8的叶片末梢14。

图2示出了示例性风力涡轮机叶片10的示意图。风力涡轮机叶片10具有带根部端17和末梢端15的常规风力涡轮机叶片的形状，并且包括最接近毂的根部区30、最远离毂的廓型或翼型区34，以及根部区30与翼型区34之间的过渡区32。叶片10包括当叶片安装在毂8上时面向叶片10的旋转方向的前缘18，以及面向前缘18的相反方向的后缘19。

翼型区34(也称为廓型区)具有相对于生成升力理想或几乎理想的叶片形状，而根部区30归因于结构考虑具有基本圆形或椭圆形的横截面，例如这使得更容易并且更安全地将叶片10安装到毂。根部区30的直径(或翼弦)可沿整个根部区30恒定。过渡区32具有从根部区30的圆形或椭圆形逐渐变化到翼型区34的翼型轮廓的过渡轮廓。过渡区32的弦长典型地随着距毂的距离r增加而增加。翼型区34具有翼型轮廓，翼型轮廓具有在叶片10的前缘18与后缘19之间延伸的翼弦。翼弦的宽度随着距毂的距离r的增加而减小。

叶片10的肩部38限定为叶片10具有其最大弦长的位置。肩部38典型地设在过渡区32与翼型区34之间的边界处。

应当注意，叶片的不同区段的翼弦一般不位于共同平面中，因为叶片可扭曲和/或弯曲(即，预弯曲)，因此向翼弦平面提供了对应扭曲和/或弯曲的路线，这是为了补偿取决于距毂的半径的叶片局部速度的最常见情况。

叶片10典型地由吸力侧外壳部分20和压力侧外壳部分20'制成，它们沿叶片的前缘18和后缘19处的结合线28胶合到彼此，以形成风力涡轮机叶片10的空气动力学外壳体12。

转到图3，示意性地示出了并入叶片10的此类空气动力学外壳体12中的电热系统40的电连接和层压结构。如图2中所示，电热系统40旨在减轻(例如通过防止或融化)风力涡轮机叶片前缘区段22中的结冰。

如图3中最佳所见，电热系统40包括吸力侧加热层50和压力侧加热层50'。在本实施例中，吸力侧加热层50和压力侧加热层包括非织造双轴碳纤维垫，其布置成基本在前缘区段22中延伸(图2中所示)，并且相对于纵向方向成+/-45度定向。然而，也可采用吸力侧加热层50和压力侧加热层50'的其它布置。吸力侧加热层50和压力侧加热层50'分别包括根部边缘54、54'和末梢边缘54、54'。如图4A中最佳所见，吸力侧加热层50和压力侧加热层50'进一步分别包括前缘52、52'和后缘53、53'。在下文中，吸力侧加热层和压力侧加热层、吸力侧金属防雷层和压力侧金属防雷层、吸力侧电绝缘层和压力侧电绝缘层的边缘可按如下方式识别。根部侧边缘和末梢边缘基本上沿横向于纵向方向的方向(例如弦向方向)延伸，而吸力侧后缘和压力侧后缘以及任何前缘基本上沿纵向方向延伸。根部边缘位于最接近根部，并且末梢边缘位于最接近末梢。吸力侧后缘位于吸力侧外壳部分20处，并且压力侧后缘位于压力侧外壳部分20'处。此外，后缘是最外面的纵向边缘，例如最接近风力涡轮机叶片的后缘。

回到图3，电热系统40还包括构造成用于传导来自雷击的电流的吸力侧金属防雷层60和压力侧金属防雷层60'。在本实施例中，吸力侧金属防雷层60和压力侧金属防雷层60'呈扩张铜网或穿孔铜网的形式。吸力侧金属防雷层60和压力侧金属防雷层60分别布置在吸力侧加热层50和压力侧加热层50'的外部并与其重叠，并因此降低了雷击闪到吸力侧加热层50和压力侧加热层50'的风险。吸力侧金属防雷层60和压力侧金属防雷层60'分别包括根部边缘64、64'和末梢边缘65、65'。如图8中最佳所示，吸力侧金属防雷层60和压力侧金属防雷层60'进一步分别包括后缘62、62'。如图3中最佳所见，吸力侧金属防雷层60和压力侧金属防雷层60'的末梢边缘65、65'分别朝向风力涡轮机叶片的末梢端15定位于吸力侧加热层50和压力侧加热层50'的末梢边缘55、55'之外，并且布置成与吸力侧加热层50和压力侧加热层50'的末梢边缘55、55'具有纵向间隙。

电热系统40进一步包括电缆90，电缆90包括第一电力导体91和第二电力导体92。第一导体91电连接到吸力侧加热层50和压力侧加热层50'的根部部分，并且第二电力导体92电连接到吸力侧加热层50和压力侧加热层50'的末梢部分。根部部分比末梢部分更接近风力涡轮机的根部。电缆90的根部端构造成连接到电源，该电源例如可位于毂8中或叶片10中。因此，电缆90可向吸力侧加热层50和压力侧加热层50'供应电力。因此，吸力侧加热层50和压力侧加热层50'的导电碳纤维在从电缆90接收到电力时，可向风力涡轮机叶片10的前缘区段22的外侧提供电阻加热，并因此减轻(例如通过融化或防止)风力涡轮机叶片10上的结冰。

电热系统40包括引下线95，该引下线95具有布置在风力涡轮机叶片10的根部处的第一端96。第一端96构造成用于经由毂8的引下线接地。引下线95电连接到吸力侧金属防雷层60和压力侧金属防雷层60'，以便能够将雷击电流从吸力侧金属防雷层60和压力侧金属防雷层60'传导至引下线95的第一端。风力涡轮机叶片10的末梢端15处的引下线95的相对端电连接到构造成用于传导来自末梢15处的雷击的电流的电热系统40的末梢接收器98。

电热系统40进一步包括电连接吸力侧加热层50的导电纤维和压力侧加热层50'的导电纤维的多个等电位结合导体130、140，以便形成吸力侧加热层50和压力侧加热层50'的等电位结合。因此，多个等电位结合导体130、140形成与电缆90(包括电缆的导体91、92)分开的电连接。在本实施例中，等电位结合导体130、140的数目为两个，然而在其它实施例中，此类等电位结合导体的数目也可仅为单个，或甚至多于两个。例如，该数目可至少为3、4、5、6、7、8、9、10、15、20或25。此外，多个等电位结合导体可沿纵向方向L分布在吸力侧加热层50和压力侧加热层50'的根部边缘54、54'与末梢边缘55、55'之间。相邻等电位结合导体130、140之间沿纵向方向L的距离可为最多20米，优选最多15米，更优选最多10米，最优选最多5米。

如图4A中所示，吸力侧加热层50的前缘52和压力侧加热层50'的前缘52'布置成邻近结合线28，并且横向于结合线28分开一距离。在雷击期间，如果加热层50、50'之间的电位差变得太大，则加热层50、50'之间的结合线上可能会发生闪络事件。此外，风力涡轮机叶片包括吸力侧翼梁帽23和压力侧翼梁帽23'。翼梁帽也可称为主层压件。翼梁帽可整体结合在相应的外壳部分中，或可形成单独提供的翼梁(例如箱形翼梁)的一部分。翼梁帽包括导电纤维或主要由导电纤维构成，诸如碳纤维复合材料，例如以灌注和固化的碳纤维片材和/或碳纤维拉挤成型件的形式。如图4A和5A中所见，吸力侧加热层50与吸力侧翼梁帽23完全地重叠，并且压力侧加热层50'与压力侧翼梁帽23'完全地重叠。在此背景下，重叠部视为垂直于风力涡轮机叶片的外表面。换句话说，吸力侧加热层50和压力侧加热层50'在前缘18处从结合线28延伸并朝向后缘19超出相应的翼梁帽23、23'。如上文所提到，电热系统40包括等电位结合导体130、140。这些可为前缘等电位结合导体130(缩写为LE-EB导体)和/或后缘等电位结合导体140(缩写为TE-EB导体)。在图4A-4B、5A-5B和6A-6B中，示出了TE-EB导体140的结构构成。TE-EB导体140布置在吸力侧外壳部分20和压力侧外壳部分20'的后缘区段中并朝向后缘19。如图4A和5A中最佳所见，TE-EB导体140包括吸力侧导体141和压力侧导体141'。吸力侧导体141和压力侧导体141'分别嵌入吸力侧外壳部分20和压力侧外壳部分20'中。吸力侧导体141和压力侧导体141'主要由扩张铜网构成，但也可采用其它导电材料，诸如青铜或铝。在图7中，示出了LE-EB导体130的结构构成。

如图4B和5A中最佳所见，吸力侧导体141包括前缘部分142，其电连接到吸力侧加热层50的导电纤维，例如通过作为吸力侧外壳部分20'的层压堆叠中的相邻层。在该图中，包括其前部部分142的吸力侧导体141(并因此还有压力侧导体)与吸力侧翼梁帽23完全地重叠。在其它实施例中，吸力侧导体和压力侧导体(包括其前部部分)可与翼梁帽保持一距离(并且因此可不重叠)。如图所见，吸力侧电绝缘层70包括朝向后缘19延伸的舌部部分76，并且部分地覆盖吸力侧导体141朝向后缘19的范围。吸力侧金属防雷层60还包括朝向后缘19延伸的舌部部分66，并且部分地覆盖吸力侧电绝缘层70的舌部部分76朝向后缘19的范围。其布置成向吸力侧导体141提供防雷保护。图4B中的视图中省略了压力侧导体，但压力侧上的布置与吸力侧上所示的布置类似。

转到图5B，TE-EB导体140进一步包括吸力侧连接器部分144和压力侧连接器部分144'，其与相应导体141、141'的后部部分143、143'电接触。连接器部分144、144'是实心且相对薄的导电部分，诸如板或盘，其嵌入相应的外壳部分20、20'内并且布置在相应的导体141、141'的后部部分143、143'的外侧上。实心连接器部分144、144'由铜制成，但也可由其它导电材料制成，诸如青铜。

TE-EB导体140进一步包括桥接装置145，其经由相应的实心连接器部分144、144'将吸力侧导体141的后部部分143和压力侧导体141'的后部部分143'电连接。桥接装置145包括从吸力侧连接器部分144延伸至压力侧连接器部分144'的桥接导体146。桥接导体146以布置成具有松弛度的线缆的形式提供，这允许空气动力学外壳体的相对柔性的吸力侧和压力侧在后缘附近归因于变化的气压而在厚度方向上挠曲，而不会损害TE-EB导体140的功能。线缆封装在布置于吸力侧外壳部分20和压力侧外壳部分20'的内侧之间的块体147的通孔腔148中。块体147由回弹性材料制成，例如由泡沫聚合物制成，其构造成允许空气动力学外壳体的吸力侧和压力侧在后缘处归因于变化的气压而在厚度方向上挠曲。在图5B中所示的实施例中，桥接装置145进一步包括吸力侧螺栓组件149和压力侧螺栓组件149'，以形成连接器部分144、144'与桥接导体146之间的连接。在备选实施例中，可省略螺栓组件，并且可将线缆的编织物铺展到桥接装置的两端处的实心连接器部分144、144'上，以确保良好的电接触。

备选地，桥接导体146可为螺栓(未示出)。在此情况下，吸力侧导体141的后部部分143和压力侧导体141'的后部部分143'延伸至邻近后缘19的位置，后缘具有最多为20cm，优选最多15cm，更优选最多10cm的厚度。螺栓头可布置成与吸力侧导体141的后部部分143和压力侧导体141'的后部部分143'中的一者电接触，优选地与相应导体的后部部分的连接器部分144、144'电接触。布置成与螺栓头相对的端部可布置成与吸力侧导体的后部部分和压力侧导体的后部部分中的另一者电接触，优选是相应导体的后部部分的连接器部分，其优选包括用于与螺栓的端部接合并建立电接触的螺母。

风力涡轮机叶片的TE-EB导体可按如下方式组装。吸力侧导体141和压力侧导体141'以及吸力侧连接器部分144和压力侧连接器部分144'嵌入相应的外壳部分20、20'中。在外壳部分20、20'沿结合线28闭合并粘合以形成空气动力学外壳体12后，孔148从壳体12的外部钻取，并且延伸穿过连接器部分144、144'。桥接导体146(例如线缆)插入穿过该孔，并且在一端处电连接到吸力侧连接器部分144，并且在相对端处电连接到压力侧连接器部分144'，例如通过将线缆的编织物铺展到连接器部分144、144'上并用导电粘合剂粘合。然后对其余的TE-EB导体重复这些步骤。

转到图6A-6B，示出了TE-EB导体140的另一个实施例。在该实施例中，TE-EP导体140的吸力侧导体141和压力侧导体141'的后部部分143、143'完全地延伸至风力涡轮机叶片10的后缘19。吸力侧导体141的连接器部分144限定了吸力侧导体141的后缘，其与风力涡轮机叶片10的后缘19重合。压力侧导体141的连接器部分144'限定了压力侧导体141的后缘，该后缘也与风力涡轮机叶片10的后缘19重合。连接器部分144、144'是实心金属板，其与吸力侧导体141和压力侧导体141'一起嵌入相应的吸力侧外壳部分20和压力侧外壳部分20'内。桥接装置145的间隔物146a夹在吸力侧导体141的后缘与压力侧导体141'的后缘之间。该间隔物为金属间隔物，并且因此限定了桥接装置145的桥接导体146。另外，桥接装置145的桥接导体146包括一个或多个金属接片146b(示出了两个)，金属接片146b布置在延伸穿过吸力侧导体141和压力侧导体141'的连接器部分144、144'以及间隔物146a的相应孔148中。在吸力侧外壳部分20和压力侧外壳部分20'闭合期间，间隔物布置在吸力侧连接器部分144与压力侧连接器部分144'之间。孔148可在外壳部分20、20'闭合之前预先钻取，或可在吸力侧外壳部分20和压力侧外壳部分20'闭合之后钻取。

风力涡轮机叶片的LE-EB导体130在图7中可最佳看到，并且可按如下方式组装。在外壳部分20、20'闭合并沿结合线28粘合以形成空气动力学外壳体12之后，在前缘处确定用于提供LE-EB导体的位置。在前缘处形成凹陷(未示出，但存在于所示的LE-EB导体130下方)，例如通过磨削，露出吸力侧加热层50和压力侧加热层50'的导电纤维。导电材料(例如碳纤维)的条带布置在凹陷中并且电连接到吸力侧加热层50和压力侧加热层50'的暴露纤维。然后再建立所形成的凹陷处的外表面，以便保持外壳部分20、20'的空气动力学外表面。然后对剩余的LE-EB导体重复这些步骤。

转到图8，电热系统40包括构造成用于防止雷击闪到相应的加热层的吸力侧电绝缘层70和压力侧电绝缘层70'(图3上省略)。吸力侧电绝缘层70和压力侧电绝缘层70'分别介于吸力侧金属防雷层60和压力侧金属防雷层60'与吸力侧加热层50和压力侧加热层50'之间。在本实施例中，吸力侧电绝缘层70和压力侧电绝缘层70'由层压结构制成，该层压结构包括夹在两层玻璃纤维层之间的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜。其它布置也可提供足够的电绝缘。吸力侧电绝缘层70和压力侧电绝缘层70'分别包括后缘73、73'。相比于吸力侧加热层50和压力侧加热层50'的相应后缘53、53两者，吸力侧电绝缘层70和压力侧电绝缘层70'的后缘73、73'延伸超出并进一步朝向后缘(图8中未示出，但位于与前缘18相对)。特别地，吸力侧电绝缘层70的后缘73延伸超出与吸力侧加热层50的后缘53和吸力侧金属防雷层60的后缘62相交的第一平面P₁。对应地，压力侧电绝缘层70'的后缘73'延伸超出与压力侧加热层50'的后缘53'和压力侧金属防雷层60'的后缘62'相交的第二平面P₂。

如图8中最佳所见，风力涡轮机叶片包括由PET膜制成的吸力侧电绝缘膜150和压力侧电绝缘膜150'，其基本沿相应加热层50、50'的整个纵向长度在纵向方向上延伸。吸力侧电绝缘膜150使吸力侧加热层50的前缘52绝缘，并且压力侧电绝缘膜150'使压力侧加热层50'的前缘52'绝缘。吸力侧电绝缘膜150和压力侧电绝缘膜150'各自包括外部部分、内部部分以及连接外部部分和内部部分的中间部分。外部部分布置在相应加热层50、50'的外侧上，内部部分布置在相应加热层50、50'的内侧上，并且中间部分布置成邻近相应加热层50、50'的前缘52、52'。外部部分和内部部分从相应加热层50、50'的前缘52、52'朝向其后缘延伸预定距离，例如至少30mm的预定距离，使得吸力侧电绝缘膜布置成电绝缘吸力侧加热层的前缘，并且使得压力侧电绝缘膜布置成电绝缘压力侧加热层的前缘。因此，可增大前缘52、52'之间发生闪络事件之前的电位限度。

如图3中最佳所见，在本实施例中，电热系统40包括三个线缆夹持装置100。线缆夹持装置100将电缆90的屏蔽层(未示出)与引下线95电连接，以在叶片10的根部端17与末梢端15之间沿纵向方向的不同纵向位置处形成等电位结合连接。

电热系统40进一步包括四个第一浪涌保护装置110和单个第二浪涌保护装置111。四个第一浪涌保护装置110电连接到吸力侧加热层50和压力侧加热层50'以及吸力侧金属防雷层60和压力侧金属防雷层60'，并且构造成用于在雷击风力涡轮机叶片10时防止吸力侧加热层50和压力侧加热层50'中的浪涌电流。单个第二浪涌保护装置布置在引下线95与电缆90的屏蔽层之间。

电热系统40进一步包括：配置成用于感测风力涡轮机叶片10的外部温度的外部温度传感器121；以及配置成用于感测风力涡轮机叶片10的内部温度的内部温度传感器120。在一些实施例中，可省略外部温度传感器121。温度传感器120、121配置成用于向控制装置提供温度信号，该控制装置例如可布置在风力涡轮机2的机舱6或毂8中。此类控制装置可基于来自温度传感器120、121的温度信号来控制对吸力侧加热层50和压力侧加热层50'的电力供应，以便减轻风力涡轮机叶片上的结冰。内部温度传感器可为光纤的，而外部温度传感器可为无线的。

图8中所示的布置是通过以下获得的：将吸力侧加热层50和压力侧加热层50'、吸力侧金属防雷层60和压力侧金属防雷层60'以及吸力侧电绝缘层70和压力侧电绝缘层70'与空气动力学外壳体12的其余的外壳层24、24'(例如碳纤维层或玻璃纤维层以及可选的核心层，诸如泡沫聚合物或轻木，然而一些部分，例如翼梁帽23，可由诸如碳纤维拉挤成型件的拉挤成型件制成)一起作为干层铺设在相应的吸力侧壳体模具和压力侧壳体模具(未示出)中，并且随后在并行真空辅助树脂传递模塑工艺中灌注和固化层50、60、70、24和层50'、60'、70'、24'。因此，吸力侧加热层50和压力侧加热层50'、吸力侧金属防雷层60和压力侧金属防雷层60'以及吸力侧电绝缘层70和压力侧电绝缘层70'嵌入空气动力学外壳体12的相应吸力侧外壳部分20和压力侧外壳部分20'中并与其共同灌注。

如图8中最佳所见，空气动力学外壳体12包括吸力侧外壳部分20与压力侧外壳部分20'之间的纵向延伸的结合线28。在前缘18处，结合线28将吸力侧加热层50和压力侧加热层50'、吸力侧金属防雷层60和压力侧金属防雷层60'，以及吸力侧电绝缘层70和压力侧电绝缘层70'分开。吸力侧加热层50、吸力侧金属防雷层60和吸力侧电绝缘层70嵌入吸力侧外壳部分20中并与其共同灌注，而压力侧加热层50'、压力侧金属防雷层60'和压力侧电绝缘层70'嵌入压力侧外壳部分20'中并与其共同灌注。

为了使邻近结合线28的吸力侧加热层50和压力侧加热层50'的端部电绝缘，电热系统40包括由电绝缘PET膜制成的前缘绝缘层80。如图8中所示，前缘绝缘层80沿前缘18处的结合线28延伸并与其重叠。前缘绝缘层具有沿空气动力学外壳体12的圆周与结合线28间隔开的后缘81和后缘81'。因此，如图8中最佳所见，前缘绝缘层80从结合线28横向延伸，并沿空气动力学外壳体12的圆周与吸力侧金属防雷层60和压力侧金属防雷层60'重叠。

如图8中所示，空气动力学外壳体12包括与结合线28和前缘绝缘层80重叠的前缘保护帽83。前缘保护帽83构造成向风力涡轮机叶片10的前缘18提供抗侵蚀能力，并且具有暴露于风力涡轮机叶片10外部的外侧84。前缘保护帽83主要由聚氨酯(PUR)构成。前缘绝缘层80的吸力侧后缘81和压力侧后缘81'分别比前缘保护帽83的吸力侧后缘和压力侧后缘进一步朝向后缘(图8上省略)延伸。边缘密封材料设在前缘绝缘层80和前缘保护帽83的相应后缘之间以及前缘绝缘层80和前缘保护帽83的相应后缘之间。边缘密封材料用于平滑层之间的表面过渡以减少湍流。

电热系统40进一步包括覆盖吸力侧金属防雷层60和压力侧金属防雷层60'的第一外层85。第一外层85具有面向并覆盖吸力侧金属防雷层60和压力侧金属防雷层60'的内侧87，并且具有部分暴露于风力涡轮机叶片10的外部并部分地由前缘保护帽83覆盖的外侧86。第一外层是聚氨酯(PUR)涂料并且相对薄，厚度在0.2–0.3mm范围内。

空气动力学外壳体12包括第二外层88，该第二外层88具有暴露于风力涡轮机叶片10的外部的外侧89。第二外层88与第一外层85基本上齐平。第二外层88不覆盖吸力侧金属防雷层60和压力侧金属防雷层60'，而是改为覆盖空气动力学外壳体12的其余暴露部分。第二外层88由与第一外层85不同的材料形成。在本实施例中，第二外层88是聚酯基凝胶涂层。

如图9A-9C中最佳所见，每个线缆夹持装置100包括聚合物壳体101和金属夹持部分102。金属夹持部分102接收并夹持引下线95和电缆90的电力导体91、92的屏蔽层，以形成等电位结合连接。壳体101围绕金属夹持部分101，以便使金属夹持部分101与等电位结合连接电绝缘。如图9C中最佳所见，壳体101包括四个通孔103，以容纳引下线95和电力导体91、92。在其它实施例中，壳体101和金属夹持部分102可包括三个或甚至两个通孔，诸如当电热系统包括单条引下线95和单条电缆90时。

参考标记列表

2 风力涡轮机

4 塔架

6 机舱

8 毂

10 叶片

12 外壳

14 叶片末梢

15 末梢端

16 叶片根部

17 根部端

18 前缘

19 后缘

20 吸力侧壳部分

22 前缘区段

23 翼梁帽

24 外壳层

25 后缘区段

20'压力侧外壳部分

22'前缘区段

23'翼梁帽

24'外壳层

25'后缘区段

28 结合线

30 根部区

32 过渡区

34 翼型区

36 末梢区

38 肩部

40 电热系统

50 吸力侧加热层

52 前缘

53 后缘

54 根部边缘

55 末梢边缘

50'压力侧加热层

52'前缘

53'后缘

54'根部边缘

55'末梢边缘

60 吸力侧金属防雷层

63 后缘

64 根部边缘

65 末梢边缘

66 舌部部分

60'压力侧金属防雷层

63'后缘

64'根部边缘

65'末梢边缘

70 吸力侧电绝缘层

73 后缘

76 舌部部分

70'压力侧电气绝缘层

73'后缘

80 前缘绝缘层

81 吸力侧后缘

81'压力侧后缘

83 前缘保护帽

84 外侧

85 第一外层

86 外侧

87 内侧

88 第二外层

89 外侧

90 电力线缆

91 第一电力导体

92 第二电力导体

95 引下线

96 第一端

98 末梢接收器

100 线缆夹持装置

101 壳体部分

102 金属夹持部分

103 通孔

110 第一浪涌保护装置

111 第二浪涌保护装置

112 第三浪涌保护装置

120 内部温度传感器

121 外部温度传感器

130LE-EB导体

140TE-EB导体

141 吸力侧导体

142 前部部分

143 后部部分

144 连接器部分

141'压力侧导体

142'前部部分

143'后部部分

144'连接器部分

145 桥接装置

146 桥接导体

146a 间隔物

146b 接片

147 块体

148 通孔

149 吸力侧螺栓组件

149'压力侧螺栓组件

150吸力侧电绝缘膜

150'压力侧电绝缘膜

D 距离

L 纵向方向

P₁ 第一平面

P₂ 第二平面

Claims (15)

1.一种风力涡轮机叶片(10)，包括：

-空气动力学外壳体(12)，其在根部端(17)与末梢端(15)之间沿纵向方向(L)延伸，并且在前缘(18)与后缘(19)之间沿横向方向延伸，所述空气动力学外壳体包括吸力侧外壳部分(20)、压力侧外壳部分(20')以及所述吸力侧外壳部分与所述压力侧外壳部分之间的纵向延伸的结合线(28)，以及

-用于减轻所述风力涡轮机叶片上的结冰的电热系统(40)，所述电热系统包括：

-形成所述空气动力学外壳体的吸力侧外壳部分的一部分的吸力侧加热层(50)，所述吸力侧加热层包括至少布置在所述吸力侧外壳部分的前缘区段(22)中的导电纤维；

-形成所述空气动力学外壳体的压力侧外壳部分的一部分的压力侧加热层(50')，所述压力侧加热层包括至少布置在所述压力侧外壳部分的前缘区段(22')中的导电纤维；

-电缆(90)，其构造成用于向所述吸力侧加热层和所述压力侧加热层供应电力，并且构造成用于连接到电源，其中所述加热层的导电纤维构造成用于在从所述电缆接收到电力时，向所述风力涡轮机叶片的外表面提供电阻加热；

-吸力侧金属防雷层(60)，其布置在所述吸力侧加热层外部并与其重叠，并且构造成用于传导来自雷击的电流；

-压力侧金属防雷层(60')，其布置在所述压力侧加热层外部并与其重叠，并且构造成用于传导来自雷击的电流；以及

-引下线(95)，其具有布置在所述风力涡轮机叶片的根部处的构造成用于接地的第一端(96)，所述引下线电连接到所述吸力侧金属防雷层和所述压力侧金属防雷层，以便能够将雷击电流从所述吸力侧金属防雷层和所述压力侧金属防雷层传导到所述引下线的第一端；

其中所述吸力侧加热层的前缘(52)和所述压力侧加热层的前缘(52')布置成邻近所述结合线，并且横向于所述结合线分开一距离(D)，其中所述电热系统包括至少一个等电位结合导体(130、140)，所述至少一个等电位结合导体将所述吸力侧加热层的导电纤维和所述压力侧加热层的导电纤维电连接，以便形成所述吸力侧加热层和所述压力侧加热层的等电位结合。

2.根据前述权利要求所述的风力涡轮机叶片，其中所述吸力侧外壳部分包括吸力侧翼梁帽(23)，并且所述压力侧外壳部分包括压力侧翼梁帽(23')，所述吸力侧翼梁帽和所述压力侧翼梁帽包括导电纤维，其中所述吸力侧加热层布置成至少部分地与所述吸力侧翼梁帽的导电纤维重叠，和/或所述压力侧加热层布置成至少部分地与所述压力侧翼梁帽的导电纤维重叠。

3.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中所述至少一个等电位结合导体形成沿所述纵向方向分布的多个等电位结合导体的一部分，所述多个等电位结合导体中的相邻等电位结合导体之间沿所述纵向方向的距离为最多20米。

4.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中所述至少一个等电位结合导体可包括布置在吸力侧外壳部分和压力侧外壳部分的后缘区段(25、25')中的至少一个后缘等电位结合(TE-EB)导体(140)。

5.根据权利要求4所述的风力涡轮机叶片，其中所述至少一个TE-EB导体包括吸力侧导体(141)、压力侧导体(141')和桥接装置(145)，其中所述吸力侧导体的前部部分(142)电连接到所述吸力侧加热层的导电纤维，并且其中压力侧导体的前部部分(142')电连接到所述压力侧加热层的导电纤维，其中所述桥接装置在所述吸力侧导体的后部部分(143)与所述压力侧导体的后部部分(143')之间形成电接触。

6.根据权利要求5所述的风力涡轮机叶片，其中所述TE-EB导体包括布置成与所述相应导体电接触的吸力侧连接器部分(144)和压力侧连接器部分(144')，其中所述桥接装置经由所述吸力侧连接器部分和所述压力侧连接器部分形成所述电接触。

7.根据权利要求5至权利要求6中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中所述吸力侧导体嵌入所述吸力侧外壳部分中，并且其中所述压力侧导体嵌入所述压力侧外壳部分中。

8.根据权利要求5至权利要求7中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中所述桥接装置包括桥接导体(146)，所述桥接导体从所述吸力侧导体，优选地所述吸力侧连接器部分延伸至所述压力侧导体，优选地所述压力侧连接器部分，其中所述桥接导体布置成具有松弛度。

9.根据权利要求8所述的风力涡轮机叶片，其中所述桥接装置包括布置在所述吸力侧外壳部分和所述压力侧外壳部分的内侧之间的保持部件(147)，并且其中所述桥接导体延伸穿过所述保持部件的腔，例如孔，并且具有松弛度地布置在所述保持部件的腔中，其中所述保持部件包括回弹性材料，所述回弹性材料构造成允许所述空气动力学外壳体的吸力侧和压力侧在所述后缘处归因于气压变化而在厚度方向上挠曲。

10.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中所述至少一个等电位结合导体包括布置在所述吸力外壳部分和压力外壳部分的前缘区段中的至少一个前缘等电位结合(LE-EB)导体(130)。

11.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中所述吸力侧加热层和所述压力侧加热层的前缘之间的距离沿所述纵向方向从所述加热层的根部边缘(54、54')处的第一距离变化到所述加热层的末梢边缘(55、55')处的第二距离，所述第一距离大于所述第二距离。

12.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中所述电热系统包括沿所述纵向方向延伸的吸力侧电绝缘膜(150)和/或压力侧电绝缘膜(150')，所述吸力侧电绝缘膜和所述压力侧电绝缘膜每个均包括外部部分、内部部分和连接所述外部部分和所述内部部分的中间部分，其中所述外部部分布置在相应加热层的外侧上，所述内部部分布置在相应加热层的内侧上，并且所述中间部分布置成邻近相应加热层的前缘，所述外部部分和/或所述内部部分从相应加热层的前缘朝向其所述后缘延伸预定距离，例如至少30mm的预定距离，使得所述吸力侧电绝缘膜布置成使所述吸力侧加热层的前缘电绝缘，并且使得所述压力侧电绝缘膜布置成使所述压力侧加热层的前缘电绝缘。

13.一种制造根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片(10)的方法，包括以下步骤：

-提供：

o吸力侧外壳部分(20)，其包括吸力侧加热层(50)和吸力侧金属防雷层(60)，所述吸力侧加热层具有至少布置在所述吸力侧外壳部分的前缘区段(22)中的导电纤维，其中所述吸力侧金属防雷层布置在所述吸力侧加热层的外部并与其重叠，并且构造成用于传导来自雷击的电流，以及

o压力侧外壳部分(20')，其包括压力侧加热层(50')和压力侧金属防雷层(60')，所述压力侧加热层(50')具有至少布置在所述压力侧外壳部分的前缘区段(22')中的导电纤维，其中所述压力侧金属防雷层(60')布置在所述压力侧加热层的外部并与其重叠，并且构造成用于传导来自雷击的电流；

-将电缆(90)连接到所述吸力侧加热层和所述压力侧加热层，所述电缆构造成用于连接到电源，其中所述加热层的导电纤维构造成在从所述电缆接收到电力时，向所述风力涡轮机叶片的外表面提供电阻加热，以便减轻，诸如融化或防止，所述风力涡轮机叶片上的结冰；

-将引下线(95)连接到所述吸力侧金属防雷层和所述压力侧金属防雷层，以便能够将雷击电流从所述吸力侧金属防雷层和所述压力侧金属防雷层传导到布置在所述风力涡轮机叶片的根部处的引下线的第一端；

-沿结合线(28)闭合所述吸力侧外壳部分和所述压力侧外壳部分，从而形成空气动力学外壳体(12)，其中所述吸力侧加热层的前缘(52)和所述压力侧加热层的前缘(52')布置成邻近所述结合线，并且横向于所述结合线分开一距离(D)；以及

-经由至少一个等电位结合导体(130、140)将所述吸力侧加热层的导电纤维和所述压力侧加热层的导电纤维电连接，以便形成所述吸力侧加热层和所述压力侧加热层的等电位结合。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述至少一个等电位结合导体包括至少一个后缘等电位结合(TE-EB)导体(140)，所述后缘等电位结合(TE-EB)导体(140)包括电连接到所述吸力侧加热层的导电纤维的吸力侧导体(141)，以及电连接到所述压力侧加热层的导电纤维的压力侧导体(141')，并且其中将所述吸力侧加热层的导电纤维与所述压力侧加热层的导电纤维电连接的步骤包括：

-例如通过从所述风力涡轮机叶片的外部钻孔，形成穿过所述吸力侧导体的吸力侧连接器部分(144)和所述压力侧导体的压力侧连接器部分(144')的孔(148)；

-在所述孔中布置桥接装置(145)；以及

-将所述桥接装置与所述吸力侧连接器部分和所述压力侧连接器部分电连接，以便在所述吸力侧加热层的导电纤维与所述压力侧加热层的导电纤维之间建立等电位结合。

15.根据权利要求13至权利要求14中任一项所述的方法，其中所述至少一个等电位结合导体包括至少一个前缘等电位结合(LE-EB)导体(130)，并且其中将所述吸力侧加热层的导电纤维和所述压力侧加热层的导电纤维电连接的步骤包括：

-在所述空气动力学外壳体的前缘处形成至少一个凹陷，所述凹陷在所述吸力侧外壳部分的前缘区段与所述压力侧外壳部分的前缘区段之间延伸；

-将所述前缘等电位结合导体布置在所述凹陷中；

-将所述前缘等电位结合导体的吸力侧部分电连接到所述吸力侧加热层的导电纤维；

-将所述前缘等电位结合导体的压力侧部分电连接到所述压力侧加热层的导电纤维；以及

-优选地，再建立所述空气动力学外壳体的外表面。