风力涡轮机叶片、风力涡轮机及风力涡轮机叶片制造方法.pdf

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1、10申请公布号CN101999038A43申请公布日20110330CN101999038ACN101999038A21申请号200880113086122申请日20081024PA20070152720071024DKF03D1/06200601H02N6/00200601H02J15/00200601H02H9/0220060171申请人维斯塔斯风力系统有限公司地址丹麦兰德斯72发明人约翰约翰内斯马蒂亚斯胡贝图斯纽文胡岑74专利代理机构北京三友知识产权代理有限公司11127代理人李辉54发明名称风力涡轮机叶片、风力涡轮机及风力涡轮机叶片制造方法57摘要本发明涉及包括一个或更多个电动模块的风。

2、力涡轮机叶片。所述模块具有将能量源转换为所述一个或更多个模块用电力的供电装置，其中所述能量源是从外部光源发射到叶片结构中和/或叶片内部的供电装置的光束。本发明还涉及风力涡轮机和风力涡轮机叶片制造方法。30优先权数据85PCT申请进入国家阶段日2010042386PCT申请的申请数据PCT/DK2008/0003752008102487PCT申请的公布数据WO2009/052828EN2009043051INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书7页附图6页CN101999045A1/2页21风力涡轮机叶片5，其包括一个或更多个电动模块9、以及将能量源转换为所。

3、述一个或更多个模块用的电力的供电装置13，其中所述能量源是从外部光源12发射到位于叶片结构24中和/或位于叶片内部25的所述供电装置的光束。2根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片5，其中所述电动模块9是叶片中的例如用于对应变、振动、雷击、冰及灰尘等的表面沉积进行感测的一个或更多个传感器模块，和/或其他类型的状况监视传感器模块。3根据权利要求1或2所述的风力涡轮机叶片5，其中所述一个或更多个电动模块9集成在所述叶片结构24中，例如利用环绕的导电网或罩进行EMC保护。4根据权利要求1到3中任意一项所述的风力涡轮机叶片5，其中所述一个或更多个电动模块9经由优选地呈至少一个光纤10、20形式的波导连接到。

4、毂6和/或吊舱3，该至少一个光纤例如作为所述模块的外部光数据通信的一部分或者与所述模块的外部光数据通信相关。5根据权利要求4所述的风力涡轮机叶片5，其中所述光波导至少部分地铸在所述风力涡轮机叶片5中。6根据权利要求1到5中任意一项所述的风力涡轮机叶片5，其中所述一个或更多个电动模块9的所述供电装置13包括用于将光束转换为电力的至少一个光伏电池15和/或用于存储所述电力的存储装置17，该存储装置17例如是一个或更多个电容器，例如超高容量电容器。7根据权利要求6所述的风力涡轮机叶片5，其中所述至少一个光伏电池15从所述至少一个光纤10、20接收光束，所述至少一个光纤10、20例如是专用于所述供电装。

5、置的至少一个光纤或是共用于能量传输和数据通信的至少一个光纤。8根据权利要求1到7中任意一项所述的风力涡轮机叶片5，其中所述供电装置13与另外的能量源相结合，该另外的能量源例如是位于所述叶片的表面上或集成在所述叶片结构中并位于完全或部分透明的覆盖材料之下的一个或更多个太阳能电池26，和/或位于所述叶片中的动能源。9根据权利要求1到8中任意一项所述的风力涡轮机叶片5，其中所述一个或更多个电动模块9位于所述风力涡轮机叶片的外半部中，并优选地位于所述风力涡轮机叶片的末端8附近。10根据权利要求1到6中任意一项所述的风力涡轮机叶片5，其中所述一个或更多个电动模块9包括诸如超低功率微处理器装置之类的微处理。

6、器装置18和/或用于将能量源和/或数据通信以级联方式耦合至其他电动模块9的耦合装置。11根据权利要求1到10中任意一项所述的风力涡轮机叶片5，其中所述一个或更多个电动模块9集成在所述风力涡轮机叶片5中。12根据权利要求4和7所述的风力涡轮机叶片5，其中所述至少一个光纤10集成在所述风力涡轮机叶片5中。13风力涡轮机1，其包括根据权利要求1到12中任意一项所述的至少一个风力涡轮机叶片5。权利要求书CN101999038ACN101999045A2/2页314根据权利要求1到12中任意一项所述的风力涡轮机叶片的制造方法，所述方法包括以下步骤部分地建立风力涡轮机叶片，在叶片结构中将一个或更多个电动模。

7、块与供电装置集成，其中能量源是光束，在所述叶片结构中和/或在所述叶片内部建立从外部光源到所述供电装置的光束发射的可能性，以及完成所述风力涡轮机叶片的建立。权利要求书CN101999038ACN101999045A1/7页4风力涡轮机叶片、风力涡轮机及风力涡轮机叶片制造方法技术领域0001本发明涉及一种风力涡轮机叶片、风力涡轮机以及风力涡轮机叶片的制造方法。背景技术0002现代的风力涡轮机叶片具有用于勘测和保护叶片以防止过载和损坏的诸如传感装置之类的不同设备。传感装置通常经由穿过叶片内部的电缆从外部供电。0003风力涡轮机叶片还可以包括雷电保护系统，其通常包括例如位于叶片末端表面上并与雷电传导器。

8、LIGHTNINGDOWNCONDUCTOR相连接的多个雷电接收器。雷电传导器穿过叶片的内部并且经过风力涡轮机的其他部件而到地电势。0004在风力涡轮机中针对传感器和雷电保护系统使用内部电缆存的问题是具有在雷电闪络LIGHTNINGFLASHOVER之后雷电电流流过电缆到达地电势而不是到达传导器的风险。0005即使当雷电击中风力涡轮机叶片时不发生闪络，但由于雷电传导器和传感器系统之间的电磁干扰，可能引起其他问题。0006上述雷电情形的结果可能是对传感器系统进行费时和昂贵的维修。0007本发明的目的是建立一种具有电动装置的风力涡轮机叶片，该电动装置不易由于对叶片的雷电袭击而损坏。发明内容0008。

9、本发明涉及风力涡轮机叶片，其包括一个或更多个电动模块、以及将能量源转换为用于所述一个或更多个模块用电力的供电装置，其中所述能量源是从外部光源发射到位于叶片结构中和/或位于叶片内部的所述供电装置的光束。0009由此，通过使用光束作为能量源并在模块本地将能量源转换为电力而实现了电动模块与地电势之间的电流隔离。由于电流隔离，雷电电流将因此不影响或损坏电动模块。0010在本发明的一个方面，所述电动模块是叶片中的例如用于对应变、振动、雷击、冰及灰尘等的表面沉积进行感测的一个或更多个传感器模块，和/或其他类型的状况监视传感器模块。由此，实现了对电动模块的可靠供电，该电动模块需要在物理上具有小尺寸以在叶片结。

10、构中实现和/或装配到诸如叶片末端之类的叶片内部的受限制部位中。在不显著地增大传感器模块的尺寸的情况下该传感器模块将很难得到保护而不受雷电电流的影响，因此传感器模块在叶片中的定位是受限的。此外，能够以有利的方式在风力涡轮机叶片中实现高级的传感器“智能”。0011在本发明的一个方面中，所述一个或更多个电动模块集成在所述叶片结构中，例如利用环绕的导电网或罩进行EMC保护。由此实现了获得用于精确和快速感测叶片值的更好位置的可能性，例如不使用经由叶片内表面上的传感器接口而进行的间接感测。对模块的防电磁干扰保护还以有利方式使感测值有效。0012在本发明的又一方面中，所述一个或更多个电动模块经由至少一个光纤。

11、连接到毂说明书CN101999038ACN101999045A2/7页5和/或吊舱，该至少一个光纤例如作为所述模块的外部光数据通信的一部分或者与所述模块的外部光数据通信相关。由此实现了电动模块与诸如光源和用于模块的数据通信的任何接收装置之类的其他装置之间的明显的非导电距离，并因此建立了有保证的电流隔离。0013在本发明的再一方面中，该光纤可以被理解为沿着其长度方向承载光的玻璃或塑料。光纤有时还可以被称为光波导、光导、或纤维光缆、甚至具有反射内表面的中空管道。0014在本发明的又一个和有利的方面中，与具有例如铝或铜之类导体的电缆相比，使用光导增大了通信速度。此外，使用光导使得能够在同一光纤中具有。

12、多于一个通信信道，甚至使得双向全双工通信成为可能。0015在本发明的又一个和有利的方面中，与具有例如铝或铜之类导体的电缆相比，使用光导确保了能够长期持久使用和小尺寸。0016在本发明的又一方面中，所述一个或更多个电动模块的所述供电装置包括用于将光束转换为电力的至少一个光伏电池和/或用于存储所述电力的存储装置，该存储装置例如是一个或更多个电容器，例如超高容量电容器。由此实现了电动模块中的电源的有利实施方式，即，用于将非电力能量源在本地转换为电力并优选地随后存储在空间高效电容器中的的可靠电源。0017在本发明的一个方面中，其中所述至少一个光伏电池从所述至少一个光纤接收光束，该所述至少一个光纤例如是。

13、专用于所述供电装置的至少一个光纤或是共用与能量传输和数据通信的至少一个光纤。由此，能够经由单独的供电光纤来发射光束并由此建立增大了可靠性和灵活性的电源解决方案。此外，能够例如在限定的时段内使用数据通信光纤进行能量发送，以建立具有到叶片外部的简单电力连接及数据通信连接的模块系统。0018在本发明的另一方面中，所述供电装置与另外的能量源相结合，该另外的能量源例如是位于所述叶片的表面上或集成在所述叶片结构中并位于完全或部分透明覆盖材料下方的一个或更多个太阳能电池，和/或位于所述叶片中的动能源和/或电磁能量源。由此，实现了利用电力来补充从外部光源提供的电力光的有利方式。0019在本发明的又一方面中，所。

14、述一个或更多个电动模块位于所述风力涡轮机叶片的外半部中，并优选地位于所述风力涡轮机叶片的末端附近。由此，实现了对位于叶片中尺寸小且经常遭受雷电击中即由于模块定位在雷电传导器和接收器附近而增大了雷电闪络的风险的部位中的电动模块的有利的电流保护。应注意的是，该一个或更多个电动模块的位置不影响该一个或更多个电动模块的操作或功能。因此，当该一个或更多个电动模块位于叶片根部附近时，与位于叶片末端时一样，可以工作良好。0020在本发明的又一方面，所述一个或更多个电动模块包括诸如超低功率微处理器装置之类的微处理器装置和/或用于将能量源和/或数据通信以级联方式耦合至其他电动模块的耦合装置。由此，实现了可以利用。

15、能够从外部光源发送的少量电力而工作和运转良好的电动模块。此外，级联方式的耦合允许关于数据通信和电力发送来连接多个模块，例如用于减少风力涡轮机叶片内或当中所必需的光纤的数量。0021具有多于一个光纤可以为系统提供冗余，由于很难替换风力涡轮机叶片中损坏的光纤，因此这是优选的。0022根据本发明的一个方面，优选地使用单模类型的光纤，但也可以使用多模光纤。单模类型光纤可能是优选地，因为与多模光纤不同，单模类型光纤不表现出由于多空间模式说明书CN101999038ACN101999045A3/7页6而引起的模态色散MODALDISPERSION。因此，单模光纤在长距离上保持各光脉冲的保真度FIDELIT。

16、Y方面比多模光纤更好。此外，由于这些原因，单模光纤比多模光纤能够具有更高的带宽。0023根据本发明的又一方面，光导可以被铸造在叶片结构中。因为光导得到保护而不受力学例如扭曲和拉伸和化学例如水或溶剂方面的外部影响，所以是非常有利的。此外，当光导被铸造在叶片结构中时，光导将不对服务人员构成任何不便。因此，消除了当必须维护或更换叶片中的传感器或其他设备时对光导造成损坏的风险。0024根据本发明的再一方面，在风力涡轮机叶片的生产中，如果光导被铸造在叶片结构中，则能够获得各单独生产的叶片之间的更大的一致性。这可以例如利于对光纤等的计算，因为各叶片中的光纤的长度是相同的。此外，由于能够提供具有期望的预定长。

17、度的光导，因此可以优化风力涡轮机叶片的生产。0025本发明还涉及一种包括至少一个风力涡轮机叶片的风力涡轮机，以及用于制造根据权利要求1到12中任意一项所述的风力涡轮机叶片的方法，其中该方法还包括以下步骤0026部分地建立风力涡轮机叶片，0027在叶片结构中将一个或更多个电动模块与供电装置集成，其中能量源是光束，0028在所述叶片结构中和/或在所述叶片内部建立从外部光源到所述供电装置的光束发射的可能性，以及0029完成所述风力涡轮机叶片的建立。0030由此，实现了本发明的其他有利实施方式。附图说明0031将参照附图描述本发明，在附图中0032图1例示了大型现代风力涡轮机；0033图2示意性地例示。

18、了根据本发明的风力涡轮机叶片；0034图3例示了根据本发明的风力涡轮机叶片中用于诸如传感器之类电动模块的供电装置的一个实施方式；0035图4例示了根据本发明的风力涡轮机叶片的传感器应用中的电动模块的一个更详细的实施方式；0036图5示意性地例示了具有所实现的多个电动模块的根据本发明的风力涡轮机叶片；以及0037图6例示了风力涡轮机的截面图，其例示了对光纤和电动模块进行集成的不同解决方案。具体实施方式0038图1例示风力涡轮机1，其包括塔2和位于塔2顶部的风力涡轮机吊舱NACELLE3。风力涡轮机转子4包括至少一个风力涡轮机叶片，例如在该图中例示了3个风力涡轮机叶片5。转子安装在毂HUB6上，毂。

19、6通过延伸出吊舱前部的低速轴而连接到吊舱3。说明书CN101999038ACN101999045A4/7页70039图2示意性地例示了根据本发明的风力涡轮机叶片。0040该图特别地例示了位于风力涡轮机叶片5外部的光源12与位于风力涡轮机叶片5中或位于风力涡轮机叶片5内部的电动模块9之间的光纤连接10。0041光源12可以例如位于毂6中或位于吊舱3中在图中未示出，并且朝向光纤10的一端11。该光源可以是可能发射特定和限定功率密度的光的任意种类的光源，例如高功率氙灯或激光源。0042该光纤或多个光纤10可以被集成在叶片结构中或定位于风力涡轮机叶片的内部。参见图6，并不限定将光纤10集成在叶片结构中。

20、或是风力涡轮机叶片5内部的实现方法。如所例示的，光纤从叶片的根部7延伸到电动模块9的叶片中的任意位置，例如在叶片末端8的附近。0043图3例示根据本发明的风力涡轮机叶片中的诸如传感器之类电动模块9的供电装置13的实施方式。0044如在图的放大部分中所例示的，供电装置13具体包括用于将光束转换为电力的光伏电池15。光束从朝向供电装置的光纤端部14发出，其中该光纤端部是光纤10的末端部分，该末端部分优选地从毂中的光源12或从风力涡轮机的位于叶片5外部的其他部分引出。0045此外，供电装置13可以包括用于控制光伏电池15的电力的供电部件以及诸如一个或更多个电容器的电力存储装置17。0046图4例示了。

21、传感器应用中的电动模块9的一个更详细的实施方式。0047传感器模块包括例如上述供电装置13，光束从光纤10发射到所包括的光伏电池，如用箭头和“电力光”进一步例示的。经过转换的电力被提供到诸如超低功率微处理器之类的微处理器装置18。该微处理器还接收并控制来自电动模块9的传感器部件19的电信号。该信号被微处理器传送到模块中的光源21，该光源21对该信号进行转换以用于光纤20的光数据通信，如箭头和“数据光”所例示的。0048该数据通信例如经由到控制中心的SCADA连接而被传送到位于风力涡轮机的其他部件中或甚至位于风力涡轮机外部的处理装置。0049借助于光纤连接10、20，建立电动模块9与位于风力涡轮。

22、机叶片外部的任何地电势之间的电流隔离其示意性地用附图标记22表示。0050图4中例示的光纤10、20仅仅是为了例示一个或更多个光纤将电动模块9与风力涡轮机中或之外的其他部件相连接。应注意的是，对于本发明的全部实施方式，可以采用利用了一个或更多个光纤的不同组合。因此，如图4所例示的，一个光纤10被用于相对于电动模块9的上电POWERUP和/或上行通信，一个光纤20被用于相对于电动模块9的下行通信。0051除了图4所例示的实施方式以外或结合图4所例示的实施方式，以下示例仅表示了根据本发明的范围可以使用多个不同解决方案。0052在本发明的未例示的实施方式中，一个光纤被用于对电动模块9供电上电，另两个。

23、光纤用于电动模块9与位于风力涡轮机中或之外的其他部件之间的全双工通信。0053在本发明的另一未例示的实施方式中，一个光纤被用于对电动模块9供电上电，另一个光纤被用于电动模块9与位于风力涡轮机中或之外的其他部件之间的双向半说明书CN101999038ACN101999045A5/7页8双工通信。0054因此，如所述，在本发明的范围内，可以使用光纤数量和光纤用途二者的任何组合，甚至在电动模块9与位于风力涡轮机中或之外的其他部件之间仅有一个光纤。0055图5示意性地例示了根据本发明的具有所实现的多个电动模块9的风力涡轮机叶片。0056该多个电动模块9可以作为传感器而分散在风力涡轮机叶片的全部长度上，。

24、或集中在叶片的几个部分中如此存在的风险是叶片例如风力涡轮机末端发生应变或损坏的风险增大。此外，叶片部件中的传感器可以感测相同类型的信息例如振动，由此借助于大量的传感器而建立冗余。0057如该图中的放大部分所例示，电动模块9可以集成在叶片结构24中，例如集成在叶片壳体或梁BEAM结构中。0058该集成可以作为叶片制造方法的一部分而建立，例如当在叶片制造过程中应用玻璃或碳纤维材料衬垫时使该集成位于玻璃或碳纤维材料衬垫之间。0059所描述的本发明已经参照具体示例进行举例说明。然而，应该理解本发明不限于特定示例，而是可以在如权利要求书中指出的本发明的范围内进行多种设计和改变，例如，在多个模块之间具有不。

25、同的数据和/或电力连接诸如级联连接。此外，该供电装置可以位于风力涡轮机叶片内的其他位置而不是作为该模块的集成部件，例如在该模块的附近而不集成在该模块中。此外，该供电装置可以结合有位于完全或部分透明覆盖材料下方并集成在叶片结构24中的诸如一个或更多个太阳能电池26之类的本地电源或叶片中的动能源。0060如所提到的，可以包括用于支持或备份来自光纤10的供应的另外的能量源。除了提到的技术之外，可以使用例如电化学技术诸如电池。通过实现这种可再充电能量存储器，可以对光纤10进行补充，因此当例如太阳能电池能够提供比微处理器所要使用的能量更多的能量时，太阳能电池可以对一个或更多个电池充电。0061图6例示了。

26、风力涡轮机叶片5的截面图，其例示了光纤10和/或一个或更多个电动模块9如何能够集成到风力涡轮机叶片5中的示例。0062一个或更多个光纤10和/或所述一个或更多个电动模块9在叶片结构29中的集成例如可以解释成一个或更多个光纤10和/或所述一个或更多个电动模块9至少部分地铸造在组成风力涡轮机叶片5的材料中。0063叶片材料29被限定在风力涡轮机叶片5的最内部分30和最外部分31之间。0064风力涡轮机叶片5例如可以分层构建，因此，光纤10或所述一个或更多个电动模块9可以位于最外层/部分31与最内层/部分30之间。应注意不需要完全将电动模块9和光纤10铸造在风力涡轮机叶片5中。0065风力涡轮机叶片。

27、5可以例如基于对玻璃纤维加强聚合物复合物、碳、木、或优选地环氧基复合物的变型而制成，使用环氧基复合物还有可能使得比使用其他常规树脂的固化时间更短。0066如所例示的，可以通过使电动模块9部分位于风力涡轮机叶片5结构中而部分位于风力涡轮机叶片5内部的方式将电动模块9集成在风力涡轮机叶片5中。0067根据本发明的一个方面，管道28还可以被铸造在风力涡轮机叶片结构29中。因说明书CN101999038ACN101999045A6/7页9此，在风力涡轮机叶片5被铸造之后，可以拖动一个或更多个光纤10通过管道28。这在当风力涡轮机1被投入运行时要对光纤10进行改变的情况下是有利的。0068当然，这种管道。

28、可以位于风力涡轮机叶片5中的其他位置。这种位置的一个示例是叶片5的内部。另一示例未示出是在叶片5的构造允许的情况下将管道定位在构成叶片5的材料的空腔内。应注意这种空腔中还可以设置光导LIGHTGUIDE，诸如光纤10。0069如以上提到的，根据本发明的一个实施方式，光纤10可以位于风力涡轮机叶片5内部。根据这种实施方式，还可以在风力涡轮机叶片5被铸造之后去除和替换光纤10。0070如上所述，由于风力涡轮机叶片5内部的环境以及与风力涡轮机叶片5相关的环境，在选择光纤10的类型时应当加以注意。该光纤或多个光纤例如可能暴露于振动、温度变化、压力和湿度等。0071此外，因为与风力涡轮机中的环境以及风力。

29、涡轮机所涉及的环境相关的上述因素的长期影响，必须仔细考虑光纤的走线以例如管道形式铸造在叶片中的走线，或铸造在叶片的内部的走线。0072应注意，风力涡轮机叶片5可以具有如图6所示的内部支撑结构27。内部支撑结构27的形式或形状可以变化，但可以在涉及光纤10和/或所述一个或更多个电动模块9的集成时使用内部支撑结构27。0073如果需要，可以集成多于一个光纤10。具有多于一个光纤使得供电和数据通信能够分离，并且如果光纤中的一个被损坏，由于随后能够使用另一光纤，因此不会有任何影响。0074在本文中，术语光纤10用于描述光学地向电动模块9传送能量的装置。应注意，光纤仅仅是光波导还称为光导的一个优选实施方。

30、式。在适当情况下，光波导包括但不限于玻璃、塑料、或聚合物、反射镜、晶体等。0075在本发明的另选实施方式中，可以仅借助于激光束将光能传送到电动模块9。该实施方式将要求某种电学或光学的校准或调节装置，以确保激光束被接收使得激光束的能量被最优地使用。这种校准或调节可以例如是一个或更多个光学透镜、反射镜、棱镜等，并可以设置在光源与接收器之间或设置在光源或接收器处。0076在本发明的又一另选实施方式中，可以仅借助于被一个或更多个反射镜从光源导向接收器的激光束将光能传送到电动模块9。根据本发明的一个实施方式，这种反射镜可以是可移动的。0077关于风力涡轮机叶片内部的布线管道28和/或光纤10上述示例，应。

31、注意的是，管道28和/或光纤10可以被固定。可以优选地借助于诸如胶水、浆糊之类的粘性材料进行这种固定，还可以使用诸如卡具CLIP或浮标BUOY之类的机械固定装置进行这种固定。有利的是，可以至少部分地沿着光纤10的长度方向进行该固定。0078列表00791风力涡轮机00802风力涡轮机塔00813风力涡轮机吊舱00824风力涡轮机转子00835风力涡轮机叶片说明书CN101999038ACN101999045A7/7页1000846风力涡轮机毂00857风力涡轮机叶片的根部，包括毂连接法兰00868风力涡轮机叶片的末端部00879电动模块008810用于发射光束以便供电的光纤008911朝向位于。

32、风力涡轮机叶片外部例如在毂中的光源的光纤末端009012作为能量源而发射光束的光源009113供电装置009214朝向供电装置的光纤末端009315用于将光束转换为电力的光伏电池009416电源009517电力存储装置诸如一个或更多个电容器009618诸如超低功率微处理器之类的微处理器装置P009719电动模块的传感器部件009820至少用于数据通信的光纤009921用于来自电动模块的光数据通信的光源010022电动模块与任意地电势之间的电流隔离示意地例示010123风力涡轮机叶片的外部010224风力涡轮机叶片结构，例如叶片壳体或梁010325风力涡轮机叶片的内部010426太阳能电池以及部。

33、分或完全透明的叶片表面层010527风力涡轮机叶片的内部支撑结构010628管道010729风力涡轮机叶片结构010830风力涡轮机叶片的最内部分010931风力涡轮机叶片的最外部分说明书CN101999038ACN101999045A1/6页11图1说明书附图CN101999038ACN101999045A2/6页12图2说明书附图CN101999038ACN101999045A3/6页13图3说明书附图CN101999038ACN101999045A4/6页14图4说明书附图CN101999038ACN101999045A5/6页15图5说明书附图CN101999038ACN101999045A6/6页16图6说明书附图CN101999038A。