用于组合式叶片的闪电保护系统
技术领域
本发明涉及一种在风力涡轮机的叶片中使用的闪电保护系统，并且尤其涉及一种用于组合式叶片的闪电保护系统。
背景技术
叶片是风力涡轮机中最易受到闪电攻击的部分。很多因素使得设计出令人满意的防闪电破坏系统变得复杂：它的巨大长度、非导电材料(例如玻璃纤维)与其它导电材料(例如碳纤维)的组合、所使用树脂的耐热性低等等。
在现有的关于雷击的文献中已经揭示了需要将叶片的所有导电元件都设成等电位并将它们连接到用于风力涡轮机其它部分的闪电避雷器系统。
碳纤维，作为一种导电材料，必须与避雷器系统等电位。将导电材料隔离的难题是，当闪电穿过避雷器系统时，由闪电引起的电磁感应现象将在它们之间产生非常高的电能差。这种电能差能够变成跳跃电弧，这对于叶片的纤维层将是毁灭性的情形。
多数的叶片设计包括闪电保护系统，该闪电保护系统由设置在最靠近叶尖的区域中的一组接收器组成，这些接收器通过电缆连接，电缆向下延伸穿过叶片的内部至位于风力涡轮机轮毂中的将闪电引导到其基部的系统。该系统必须使闪电的冲击被接收器吸收，以防止叶片的其它更多暴露的部分受到雷击。一旦闪电被捕获，该系统必须在闪电的巨大能量不对叶片结构造成破坏的情况下，将其引导到叶片的基部。
基于这种类型的不同的解决方案是已知的。它们在如专利DE4436197、WO0177527、US6612810、WO9607825、EP0707145或者本申请人的专利ES2255436和ES2255454中揭示。
另一方面，最新的叶片设计中达到的大尺寸使得叶片的设计分成几个部分实行，在风力涡轮机坐落的地点对这几个部分进行组装。这样，简化了机械部件的后勤和运输，并且可以到达那些无法运输大尺寸叶片的地点。
可以有两种叶片连接系统：化学连接(通过粘合手段)或机械连接(通过螺栓连接)。考虑到粘合连接对周围环境的敏感程度，基于螺栓连接系统的叶片连接更加坚固且更适宜用于在现场组装。
本申请人的专利EP1584817和ES2265760示出了两个组合式叶片方案，其机械连接由螺栓连接的方法完成。
还有其它已知的组合式叶片方案，各个部分通过如专利US20030138290和DE3109566中示出的螺栓接头机械连接。
因此，设置在叶片各部分之间的螺栓连接是通过设置在叶片连接部分的金属元件完成的。
当叶片直接面对雷击时，考虑到这些金属元件将变成潜在的雷击吸引点，它们直接影响叶片的性能，同时，考虑到闪电对螺栓连接部分的冲击会造成损害(产生裂纹开始点，破坏螺纹连接，破坏可能存在的监视系统，在不同的金属元件之间电弧的跳跃，等等)，因此在闪电叶片保护系统的设计中必须将它们考虑在内。
基本的保护方案应包括将金属元件连接至叶片的地线，但是将它们连接到大地使得它们更易受雷击影响。不将这些金属元件连接到接地电缆可以减小风险，但是必须考虑到，如果发生雷击，电流只能通过电弧传递到接地电缆，随后将破坏连接部分。
还有已知的雷击保护系统方案，如欧洲专利EP2019204，其提出将接收器像夹具一样布置在叶片复合材料的外表面上(嵌入到层板中或然后放置在复合材料的顶上)。这种方案的工作方式与典型的叶尖接收器相同，只是改变了接收器的形式，其具有大于典型接收器的表面。然而，由于这些方案是在外壳的表面上，所以它们不能解决在叶片各部分连接器上的雷击问题，倘若接收器像以上方案示出的那样设置在叶片连接部分的一侧上将不能消除对叶片连接部分的金属元件的雷击的可能性。
发明内容
本发明由用于中间风力涡轮机叶片连接部分的闪电保护系统构成，该闪电保护系统由覆盖叶片连接元件的金属整流罩组成，在防止内部连接元件受到闪电袭击的同时保持叶片部分的空气动力学的几何形状。
本发明适用于由多个模块组成的叶片，该多个模块通过螺栓连接彼此连接在一起，并且叶片具有雷击保护系统，该雷击保护系统包括在叶片的一端上的接收器和接地电缆，接地电缆在贯穿叶片结构梁的长度上延伸。
一旦完成叶片模块之间的结构连接，所述连接部分被一组整流罩覆盖，使得叶片外表面成为连贯的整体，屏蔽由整流罩构成的空间，连接部分的金属元件位于该空间，即，它们产生封闭空间，封闭空间的电场为零。这种现象使得当叶片暴露于在闪电冲击之前产生的强电场中时，叶片连接元件没有垂直放电，而金属整流罩则有一些，由此保证该冲击在叶片的金属元件上发生之前先在整流罩上发生。这样，连接元件与闪电冲击隔离。
一旦叶片连接元件免受直接冲击，就可选择将该元件连接到或不连接到接地电缆连接，以解决其它现象(元件中的涡流电流，静电释放，等等)。
通过螺栓连接将该整流罩固定到叶片模块。
另一方面，该整流罩连接到闪电保护系统的接地电缆，由此成为避雷系统的辅助接收器。
整流罩连接到接地电缆可这样完成：
1.直接方式：将辅助电缆螺栓连接到整流罩和接地电缆
2.间接方式：在叶片模块的连接整流罩的外部区域安装若干辅助导电元件、金属轮廓，它们连接到接地电缆。这样，当将金属整流罩放置在该轮廓上时，整组整流罩电连接到接地电缆。
通过在放置整流罩之前，在梁的一侧上用螺栓将配件固定到每个模块来完成每个模块的接地电缆的连接。
最后，所提出的设计的另一优点是，如果整流罩遭受闪电袭击，可很容易替换，或者通过拆卸位于连接部分上面的整流罩，很容易检查中间连接部分的情形。
附图说明
图1示出组合式叶片的透视图。
图2示出螺栓连接的叶片连接部分的细节。
图3示出根据本发明放置了若干整流罩的两个叶片模块的连接部分的细节。
图4示出接地电缆与放置在叶片模块的结构梁中的固定装置的耦接的细节透视图。
图5示出根据本发明用于整流罩的直接连接的叶片模块之间连接部分的截面细节。
图6示出根据本发明用于整流罩的间接连接的叶片模块之间连接部分的截面细节。
图7示出根据本发明在叶片模块连接部分的轮廓上放置整流罩的分解图。
图8显示了根据本发明的轮廓与接地电缆之间的连接的示意性细节。
具体实施方式
大尺寸风力涡轮机的叶片具有模块化设计，这意味着它们由通过例如螺栓连接等机械连接彼此连接在一起的不同部分构成，这种设计将大量金属元件组合成叶片的中间部分，这些部分构成闪电的潜在冲击点。
图1示出具有该特点的组合式叶片1，其由通过如图2中所示的一组金属元件5彼此连接在一起的模块3和模块4构成。
通常，闪电保护系统根据接收器在最远离风力涡轮机的端部即叶尖上的设置划分类型，并且接收器连接到接地电缆，接地电缆沿叶片梁的长度方向延伸到接地点。
然而，如前所述，这些方案不能保护由几个模块组成的叶片的连接部分，因此本发明提出一种辅助闪电保护系统，该系统应用于构成组合式叶片1的不同模块3、4的所述连接区域2。
如图3所示，该辅助保护系统基于若干整流罩6的接合，其中至少两个整流罩是金属的，并且优选是每个壳体在连接部分2上彼此相对的两个部分，它们以这样的方式整合到叶片1自身的结构中，产生一个光滑的表面并且由此防止可引起噪声和引起空气动力学性能减弱的空气动力学问题。
金属整流罩6以这样的方式设置，它们屏蔽叶片的连接部分，以便消除接合区域2中的电场5，从而防止闪电对连接元件的冲击。万一闪电冲击整流罩6，闪电被排放到接地电缆7，并从接地电缆7传送到大地，这样电流不会通过连接元件2形成回路。另一方面，如果冲击在主保护系统的接收器上，则电流将通过接地电缆7排电，直到电流到达大地，而不会经整流罩6或连接部分2的金属元件5形成回路。
整流罩6与主闪电保护系统的接地电缆7的连接可以直接或间接完成。
直接连接(见图5)包括辅助电缆，以通过叶片1的结构梁9上的固定装置8将接地电缆7(见图4)连接到覆盖在叶片1的模块3和4的连接部分2的金属整流罩6。
如图6、7和8所示，间接连接包括若干轮廓10，轮廓10需要若干连接突起11，且轮廓10布置在叶片1的模块3和4的端部的边缘1.1上。整流罩6被螺栓固定在所述轮廓10上，轮廓10事先通过辅助电缆12彼此连接并且连接到与接地电缆7连接的位于叶片1的结构梁9的侧壁上的固定装置8。