[发明专利]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

说明书

本发明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，本发明还涉及至少一个含石墨烯的传感器的应用。

技术领域

本发明涉及通过使用新材料来改进风力涡轮机部件的一般概念。

背景技术

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。

发明目的

本发明的目的在于克服现有技术的上述缺陷中的一个或多个。

发明内容