一種具有除冰防冰功能的風力發電機葉片前緣保護層的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明創造屬于風力發電技術領域，具體涉及一種具有除冰防冰功能的保護層， 及其在風力發電機葉片上的應用。
【背景技術】
[0002] 風電葉片是風電機組的主要部件之一，風電葉片的狀態直接影響風電機組的發電 效率。風電葉片前緣長期受到風力的摩擦，以及沙粒、鹽霧和雨水的沖擊，是風電葉片上最 容易出現磨蝕的部位；同時葉片葉尖的前緣部位比較薄，葉尖運轉時的線速度很大，因此該 部位的磨蝕最為嚴重。
[0003]風電葉片前緣出現磨蝕之后，風電葉片的氣動外形就受到影響；此外，如果葉片前 緣磨蝕得不到及時維修，隨著時間的推移，葉片會發生更為嚴重的損傷，最終給風電運營商 以及風電設備制造商帶來巨大的風險。
[0004] 隨著葉片表面涂層的磨損，葉片在低溫環境中運行時，葉片前緣容易結冰或者冰 凍，葉片結冰會造成測量誤差、導致能量損失、引起風機負荷超載產生停機，嚴重時將造成 機械損傷和電子線路損壞，因此葉片結冰具有較大的安全風險和電能損失。
[0005]目前全球風電行業中對于葉片前緣磨損保護和除冰都是獨立開展的，其中前緣磨 損保護主要通過采用高耐磨聚氨酯涂料以及葉片粘貼前緣保護膜予以實現（如3M專利產 品：聚氨酯保護帶 8607/8607R--PolyurethaneProtectiveTape8607/8607R) 〇
[0006] 葉片除冰目前風電行業應用還不太成熟，還處于起步階段，據了解，主要通過在葉 片前緣涂刷具有防結冰功能的聚氨酯油漆、葉片內部鼓風機鼓熱風、葉片殼體成型灌注樹 脂中加入導熱顆粒、葉片前緣鋪覆碳纖維層等方法。綜合效果而言，前兩種方案有一定的成 效，但是都沒有廣泛應用；加熱導熱顆粒除冰還處于實驗室階段；在葉片前緣鋪覆碳纖維 層，通過給碳纖維加熱，使得葉片前緣溫度升高而達到除冰效果是目前研究熱點之一，但一 方面由于葉片長時間處于嚴苛多變的外部工作環境以及反復加熱的溫度變換之下，碳纖維 層在葉片前緣結合穩固性的可靠程度不高，另一方面其沒有同時解決葉片前緣磨損保護問 題。
【發明內容】
[0007]本發明創造為解決現有技術中的問題，提供了一種具有除冰防冰功能的風力發電 機葉片前緣保護層，能夠一體快速成型，在對葉片前緣實施耐磨和防腐防護的同時還可實 現除冰防冰效果。
[0008]本發明創造所提供的具有除冰防冰功能的風力發電機葉片前緣保護層，由環氧改 性聚氨酯樹脂和碳纖維布復合制成。其中，所述環氧改性聚氨酯樹脂為邵A硬度在90及以 上，優選為95及以上；粘度（25°C)在500~4000mPa?s，優選為1500~3000mPa?s之 間；玻璃化轉變溫度（tg)在_30°C及以下的環氧改性聚氨酯樹脂。其中，所述碳纖維布為 面密度在200~600g/m2之間的碳纖維布。
[0009] 聚氨酯樹脂是由硬段和軟段交替構成的一類高分子材料，具有良好的耐磨、耐撕 裂、耐腐蝕和抗震等性能，但是其較差的熱穩定性和耐老化性能均限制了其在風力發電機 葉片前緣作為保護層的應用。環氧改性后向聚氨酯中引入了剛性的環氧基團，在進一步提 高其本身耐磨、力學強度等性能的同時，也極大地改善了聚氨酯樹脂在耐熱和耐老化方面 的性能，提高了其耐候性，使其具有作為風力發電機葉片前緣作為保護層的應用前景。選擇 具有較高硬度的環氧改性聚氨酯樹脂能夠保證其滿足葉片前緣耐磨保護的需求，同時，合 適的粘度使得其具有良好的浸潤性，能夠與碳纖維布良好潤濕和結合，合適的玻璃化轉變 溫度使得其與葉片本體玻璃鋼相當或更優，能夠滿足多變的溫度環境。所述碳纖維布合適 的面密度有利于其與聚氨酯復合結構的穩定，面密度太大，復合成型時不利于纖維布浸潤， 面密度太小容易變形，不利于編織和鋪覆成型。本發明提供的由環氧改性聚氨酯樹脂和碳 纖維布復合制成的保護層具有牢固并穩定的復合結構，在使用過程中不會發生開裂、翹曲、 變形、老化等不良缺陷。
[0010] 優選的，所述環氧改性聚氨酯樹脂的凝膠時間（25°c，142g)為20~70min，能夠滿 足造作時間且快速成型。
[0011] 優選的，所述環氧改性聚氨酯樹脂的拉伸強度在15MPa以上，撕裂強度在50kN/m 以上，斷裂伸長率為400 %~600%。合適的機械性能使得聚氨酯樹脂與碳纖維復合后發揮 優良的耐磨防護作用，滿足葉片前緣耐磨保護需求。
[0012] 優選的，所述碳纖維布中，碳纖維原絲為抗拉強度在3500MPa及以上，彈性模量在 230GPa及以上的聚丙烯腈基碳纖維。
[0013] 更優選的，所述碳纖維原絲表面經偶聯劑處理，例如硅烷偶聯劑，更有利于聚氨酯 與碳纖維布通過化學鍵合作用形成致密的復合結構。
[0014] 本發明提供的前緣保護層應用于風力發電機葉片的方法包括如下步驟：S1 :在葉 片壓力側（PS)和吸力側（SS)兩瓣合模前布置電源線和溫度傳感器信號線；S2 :葉片脫模 后對葉片前緣待制作保護層區域進行表面處理使其具有粗糙表面結構；S3 :在葉片前緣待 制作保護層區域預埋溫度傳感器，并將傳感器信號線引入葉片內部；S4 :采用手糊袋壓成 型工藝制作本發明具有除冰防冰功能的風力發電機葉片前緣保護層，并使其中碳纖維布起 始端和結束端分別直接或間接與電源線相連；S5 :連接電源線和溫度傳感器信號線，并接 入控制系統。
[0015] 所述步驟Sl中，電源線和溫度傳感器信號線布置在葉根隔板里側，靠近葉尖方 向。
[0016] 所述步驟S2中，表面處理的方法包括下述兩種：一是葉片在殼體鋪層前，預先在 將待制作保護層區域放置脫模布，葉片脫模后撕開脫模布即具有粗糙的表面；二是葉片脫 模后打磨葉片表面并用丙酮清理，獲得粗糙的表面。粗糙的表面結構有利于葉片前緣保護 層的鋪設以及層間結構的穩固結合。
[0017] 所述步驟S2中，保護層區域的長度優選為葉片前緣自葉尖至葉片總長度1/4~ 2/3處，更優選為葉片前緣自葉尖至葉片總長度1/3處；寬度優選為以前緣合模縫為中心， PS和SS分別為100-500mm。此區域范圍內葉片尖端磨損最為嚴重且最易結冰，能夠獲得更 好的耐磨保護和除冰防冰效果。
[0018] 所述步驟S3中溫度傳感器位置優選為待制作保護層區域的起始和結束位置。
[0019] 所述步驟S4中，通過在待制作保護層區域的起始和結束位置粘貼焊接有金屬導 線的銅箱，并將碳纖維布兩端與銅箱相接，使得碳纖維布通過金屬導線與電源線相連。
[0020] 所述步驟S4中，手糊袋壓成型工藝為玻璃鋼-FRP行業常用的工藝方法，具體的， 本發明包括如下步驟：S41 :準備真空耗材（密封膠條、脫模布、隔離膜、吸膠氈、真空袋模）， 并將其固定在葉片后緣；S42 :在葉片表面標記加熱區域、保護層、銅箱粘貼的位置；S43 :在 葉片表面滾涂環氧改性聚氨酯樹脂；S44 :沿標記線鋪覆碳纖維布并使其與銅箱相接；S45 : 在碳纖維布表面滾涂環氧改性聚氨酯樹脂，使其完全浸透碳纖維布；S46:使用真空耗材將 保護層區域完全覆蓋，并接入真空栗控制真空度在-0. 7~0. 9bar ;S47: