本发明专利技术涉及一种具有叶片结构的风力涡轮机叶片，叶片结构包括表面和支撑外壳结构的负载梁，其中所述叶片结构包括功能化的含石墨烯的材料。本发明专利技术涉及一种风力涡轮机的混凝土塔架，其包括垂直延伸至某一高度的负载结构，包括功能化的含石墨烯的材料。本发明专利技术还涉及在风力涡轮机的部件中使用功能化的含石墨烯的材料。本发明专利技术还涉及一种改装叶片结构的方法和功能化的含石墨烯的材料在风力涡轮机塔架地基的维修系统中的应用。此外，本发明专利技术还涉及至少一个含石墨烯的传感器的应用。
Application and method of a new material in components and devices of wind turbine
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】一种新材料在风力涡轮机的部件与装置中的应用及其方法
本专利技术涉及通过使用新材料来改进风力涡轮机部件的一般概念。
技术介绍
风力涡轮机的发展一直在追求能量输出的提高，并且风力涡轮机中的所有组件都有待改进，包括风力涡轮机的设计。对提高能量输出的追求还包括风力涡轮机的位置，以实现最佳的风力条件。风力涡轮机设计上的变化，及其在条件恶劣的地方，尤其是海上的使用的增加，对组成风力涡轮机的各个零件以及整个风力涡轮机的空气动力特性、耐用性和维护方面都提出了新的挑战。对更长的涡轮机叶片的需求推动了一项重大变化。叶片越长，风力发电机可以产生的电量就越大。如今的叶片长度最高可达80m，但下一代叶片很可能会超过100m。在如今的风力涡轮机叶片的结构的基础上，加长叶片会大大增加其质量。质量可能增加将近三倍。如今的风力涡轮机叶片的尺寸和质量都已经接近临界点，与空气动力学引起的载荷相比，叶片的重力在风力涡轮机上产生的载荷占主导。因此，减小风力涡轮机叶片的重量已成为叶片设计的重中之重。应当在不降低能量输出和叶片耐用性的情况下实现重量的减轻。这给从事材料开发的人员带来了巨大的挑战。风力涡轮机周围的环境条件可能会影响风力涡轮机叶片的设计。特别是风力涡轮机中海上风力涡轮机的兴起已经展开了风力涡轮机叶片的开发。在英国沿海地区的海上涡轮机所承受的平均风速约为14m/s，这远高于陆上涡轮机。暴露于紫外线辐射、再加上雨水、咸海水的高湿度、极端的风力条件和海上风力涡轮机的高速旋转的叶片，共同形成了强侵蚀性的环境，远远超过了飞机所经历的一切。这严重影响了风力涡轮机叶片、塔架和地基的耐久性。如今，现有风力涡轮机的叶尖已经能够以每小时400公里的速度在空中移动。对于海上风力涡轮机而言，耐久性是尤其首要的特性。海上风力涡轮机的偏远位置导致风力涡轮机的维修和保养费用高昂。因此，寻找一种延长材料寿命的方法是该行业的首要任务。因此，风力涡轮机行业中的一些挑战涉及在耐久性方面优化用于组成风力涡轮机的单个部件的材料，优化作用于风力涡轮机的单个部件的力和环境条件方面的性能，以及优化部件的高效生产。对能够应对恶劣的工作环境，包括海上环境的大型、轻质叶片的高效生产的需求正推动着重大变化。对增加风力涡轮机的轮毂高度，特别是陆上位置的风力涡轮机的轮毂高度的需求推动着另一重大变化。增加轮毂高度会极大地增加风力涡轮机的输出功率——据说轮毂高度每增加一米，每年的能源产量就会增加0.5-1％。如今的陆上轮毂高度高达150米，但是下一代陆上风力涡轮机可能会超过200m。因此，增加风力涡轮机的轮毂高度也已成为塔架设计的首要任务。应当实现轮毂高度的增加，同时在塔架每米高度的重量显著降低的情况下，提高塔架的强度和耐久性。这给从事材料开发的人员带来了巨大的挑战。为了超越传统复合材料目前的可能性，可能需要对叶片、塔架和地基设计以及所使用的材料进行重大改变。然而，不仅仅是新的风力涡轮机要继续发展。已有的风力涡轮机的维修和保养的发展也可能需要方法和材料的重大改变，从而实现持续的具有成本效益的运行。专利技术目的本专利技术的目的在于克服现有技术的上述缺陷中的一个或多个。
技术实现思路
上述方面可以通过一种风力涡轮机叶片实现，该风力涡轮机叶片的叶片结构包括表面和支撑外壳结构的负载梁，其中该叶片结构包括功能化的含石墨烯的材料。负载梁也可以被称作梁、梁肋或主梁等等。其可以形成为柱结构，一个或多个棒。这只是几个示例，且结构不限于此。该结构也可以是承重结构。风力涡轮机叶片包括前缘、后缘、吸力侧和压力侧，并且从叶根延伸至叶尖。压力侧也称为迎风侧，吸力侧也称为背风侧。石墨烯是排列成蜂巢(六边形或六角形网眼铁丝网)晶格的单原子层厚的碳原子层。可以将石墨烯基材料用不同的侧基进行功能化得到不同的性能。每个碳原子的侧基的数量可以不同，这取决于要获得的功能化和/或性能。功能化的石墨烯基的材料可以是干粉形态、液体或油墨——这些是非穷举的例子。功能化的石墨烯基材料能够具有更优越的性能，例如比方说大的表面面积、机械稳定性、可调节的电学和光学性能，使其用在风力涡轮机中时具有优势。这些性能还包括其强度高于钢铁、具有薄的二维结构、高导电性、高延展性、可拉伸并且还具有透明、柔韧、疏水、吸光、雷达波吸收和防渗的性能。可以以多种方式来构造、设计或呈现石墨烯基材料：多孔，该结构中缺少若干碳原子，可以将其堆叠或折叠以形成3D结构，横向尺寸可以变化。石墨烯基材料和功能化的石墨烯基材料可分别称为源石墨烯基材料和功能化的源石墨烯基材料。一种将石墨烯基材料功能化的方法可包括以下步骤：-选取石墨烯基材料，-选取适当的化学侧基，以及-功能化的等级和/或密度。这是非穷举的示例。功能化的含石墨烯的材料可包括一种或多种功能化的含石墨烯的材料。功能化的石墨烯基材料是极其多样的材料，且能够嵌入基质添加剂主体/载体材料中，以用于中间体或主体/载体材料的材料组成基质，从而生产具有各种显著改善的性能的不同材料，将混合物转变为高性能的功能化的含石墨烯的材料。所述主体/载体材料可以添加一种以上功能化的含石墨烯的材料，这取决于需要将哪一种或哪几种性能合成到功能化的含石墨烯的材料中。功能化的含石墨烯的材料中所包含的功能化的石墨烯基材料的比例取决于主体/载体材料和功能化的含石墨烯的材料要实现的性能。恰当功能化的石墨烯基材料具有独特的能力，可以将其属性赋予中间体或主体/载体材料的基质。功能化可导致基于石墨烯基材料的粗糙纹理扩大，从而产生相当大的表面积。功能化的石墨烯基材料的平面结构产生相当大的表面，由于石墨烯片的顶面和底面都与主体/载体材料紧密接触，从而导致与主体/载体材料的接触面积较大。主体/载体材料可以是在基质中与此功能化的石墨烯基材料相结合的材料。一方面，可对石墨烯基材料进行功能化以使其与周围的聚合物紧密结合，改善界面载荷转移并增加与聚合物接触的表面积。此外，单个石墨烯片的纵横比(石墨烯片的横向尺寸与厚度之比)可以达到2000以上。理论上，单个石墨烯片的表面积可以达2600m2/g，这可以提供大量的潜在位点，用于有利的化学或物理相互作用。因此，这可以改善石墨烯片与主体/载体材料之间的结合。包括具有功能化的含石墨烯的材料的叶片结构的实施例的一个效果是，相比使用不含石墨烯的材料，叶片的强度、刚度和/或韧性可以提高。这可以使叶片能够更长、更坚硬、更轻而且/或者更加耐损伤。不含石墨烯的材料是指不含功能化的石墨烯基材料的材料。此外，由于与使用不含石墨烯材料的材料相比，具有功能化的含石墨烯的材料的同等叶片的强度、刚度和/或韧性更高，因此实现了较小的叶片重量同时提高了叶片的稳定性。更高的叶片强度、刚度和/或韧性，对于在叶片的单位面积上获得更高的能量产出也可能是有利的，因为作用在叶片上的风力使叶片发生挠曲的风险更小。这对于延长叶片的长度以使每个风力涡轮本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种风力涡轮机叶片(10)，其具有叶片结构(12)，叶片结构(12)包括表面(70)和支撑外壳结构(20)的负载梁(30)，其中所述叶片结构(20)包括的表面(70)具有功能化的含石墨烯的材料(40)，用于提供功能性表面区域(27)。/n
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171002 EP 17194393.91.一种风力涡轮机叶片(10)，其具有叶片结构(12)，叶片结构(12)包括表面(70)和支撑外壳结构(20)的负载梁(30)，其中所述叶片结构(20)包括的表面(70)具有功能化的含石墨烯的材料(40)，用于提供功能性表面区域(27)。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片(10)，其特征在于，所述表面(70)包括多层结构(21)，所述多层结构(21)设置有至少一个包含功能化的含石墨烯的材料(40)的功能层(47)，所述多层结构(21)提供功能性表面区域(27)。
3.根据权利要求2所述的风力涡轮机叶片(10)，其特征在于，所述多层结构(21)是包括多个功能层(47)的夹层结构(22)，其中至少一个功能层(47a)的功能(48a)不同于另一个功能层(47b)的功能(48b)。
4.根据权利要求2或3所述的风力涡轮机叶片(10)，其特征在于，顶层(23)由树脂制成，其厚度(29)在固化状态为100-1000μm(1E-6m)的范围内，优选地在100-500μm的范围内，更优选地在200-400μm的范围内，底层(25)由树脂制成，其厚度(29)在固化状态为200-500μm的范围内，优选地在50-300μm的范围内，更优选地在70-150μm的范围内。
5.根据权利要求2-4任一项所述的风力涡轮机叶片(10)，其特征在于，
-所述多层结构(21)包括由热塑性聚氨酯制成的顶层(23)、由聚乙烯制成的底层(25)和至少两个作为功能层(47)设置在顶层和底层之间的中间层(24)。
6.根据权利要求2-5任一项所述的风力涡轮机叶片(10)，其特征在于，所述表面(70)包括两个或多个多层结构(21)，每个所述多层结构(21)提供一个功能性表面区域(27)，且其中至少一个功能性表面区域(27a)的功能(48)不同于另一个功能性表面区域(27b)的功能(48)。
7.根据前述权利要求中的任一项或多项所述的风力涡轮机叶片(10)，其特征在于，所述叶片结构(20)包括表面(70)，所述表面(70)包括功能化的含石墨烯的材料(40)，用于提供疏水表面(72)。
8.根据前述权利要求中的任一项或多项所述的风力...
【专利技术属性】
技术研发人员：波尔·安克尔·斯高鲁普·鲁伯克，沙夫卡特·明加利耶夫，
申请(专利权)人：风力工程有限责任公司，
类型：发明
国别省市：奥地利;AT
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。