风力涡轮机雷电保护系统 【技术领域】
本发明大致涉及风力涡轮机，更具体地，涉及用于风力涡轮机及其相关的叶片的雷电保护系统和方法。
背景技术
很多种的用于保护风力涡轮机及其相关的叶片的雷电保护系统在本领域是已知的。风力涡轮机经常直立在开阔空间中或者在近些年位于海上，它们经常是所处地方的最高点，因此经常遭到雷电袭击。风力涡轮机叶片的尖端达到最高位置，因此是雷电冲击的常见位置。
过去，叶片经常由非导电材料诸如玻璃纤维制成的事实导致相信雷电不是问题。然而，这样的叶片经常被薄层的尘埃、盐或污染物以及湿气覆盖，传导电流的风险是存在的并导致若干未被保护的叶片被雷电损坏或破坏。
建立用于风力涡轮机叶片的雷电保护的问题已产生若干不同的解决方案。一个解决方案意在防止来自冲击风力涡轮机叶片的雷电的电流进入发电机和其它位于风力涡轮机上部的电气和电子部件。这通过从叶片传导电流至风力涡轮机的塔筒并传导至大地来完成。
基于其高度和暴露的位置，风力涡轮机为雷电冲击提供优选的冲击位置。在雷电高发区的风力涡轮机装置特别需要完善的保护系统。最受危及的部件是电气装置、控制电子装置和叶片。后者由玻璃纤维加强塑料制成。由于雷电对它们的损坏或破坏导致设备很长的停工期。
现代风力涡轮机装备有大约50m长的叶片。尽管由绝缘的玻璃纤维加强塑料制成，叶片形成雷电放电优选的冲击位置。这些叶片装备有雷电保护系统(LPS)以避免雷电冲击的损坏或破坏。最普通的LPS由若干在叶片壳中填充并在内部通过引下线连接大地的金属离散接收器构成。接收器为雷电冲击提供限定的冲击位置。对于更短的叶片，此想法被证实是满足需要的，但对于更长的叶片，叶片表面的一些部分依旧是未被保护的。
由于此问题，其它的雷电保护系统已被提出。一种系统包括在叶片壳的外部上的金属格、导电和柔性的薄片的迭片结构。然而，包括金属格到迭片结构中的过程的工艺步骤使得迭片结构更复杂并由于更高的材料费用还可增加成本。
考虑到前面所述，提供避免这些问题和费用的涡轮机叶片雷电保护系统是有利的。
【发明内容】
简要地，根据一个实施例，风力涡轮机雷电保护系统(LPS)包括玻璃增强纤维或碳增强的风力涡轮机叶片，叶片包括尖端部分，尖端部分适配有设置在尖端部分上或在其内部中的封装尖端部分以增加雷电流和先导流在电场控制区域的放射并促使雷电放电施加在尖端部分的电场控制区域，电场控制区域与设置在风力涡轮机叶片中的风力涡轮机叶片引下线电连通，其中，电场控制区域和引下线一起操作以通过控制雷电冲击在尖端部分产生的电场来保护风力涡轮机叶片不由于在风力涡轮机叶片尖端的雷电冲击而损坏。
根据另一个实施例，风力涡轮机雷电保护系统(LPS)包括纤维或碳增强的由吸力侧和压力侧构成的风力涡轮机叶片，风力涡轮机叶片包括尖端部分，风力涡轮机叶片的尖端部分由完全地封装尖端部分的导电或半导电材料构成，其限定电场控制区域，风力涡轮机叶片的吸力侧和压力侧各由具有与电场控制区域类似的特性的增强区域构成，其中电场控制区域和增强区域一起构造成在预定的通道上传导和引导雷电放电以控制在尖端部分的雷电冲击产生地电场。
根据又一个实施例，风力涡轮机雷电保护系统(LPS)包括：
纤维或碳增强的风力涡轮机叶片；
设置在风力涡轮机叶片的尖端部分上或在其内部中并完全地封装风力涡轮机叶片的尖端部分以限定电场控制区域的导电或半导电材料；和
设置在风力涡轮机叶片的其余部分上或在其内部中以完全地封装风力涡轮机叶片的其余部分并限定具有与电场控制区域类似的特性的增强区域的导电或半导电材料，电场控制区域和增强区域一起限定构造成提供在风力涡轮机叶片尖端的雷电放电的电场控制的法拉第笼区域。
【附图说明】
通过下文的具体介绍并结合附图，可以更好地理解本发明的这些以及其它特征、方面和优点。附图中同样的符号代表同样的部分，其中：
图1显示根据本发明的一个实施例的风力涡轮机叶片尖端的雷电保护机构；
图2显示根据本发明的另一个实施例的风力涡轮机叶片尖端的雷电保护机构；和
图3显示根据本发明的又一个实施例的风力涡轮机叶片尖端的雷电保护机构。
尽管上述附图阐明特别的实施例，本发明的其它实施例还可被构思出，如所论述的。在所有情况下，本公开提出本发明的举例说明的实施例作为代表而不是限制。落在本发明的原理的范围和主旨内的许多其它修改和实施例可被本领域技术人员设计出。
部件列表
10 风力涡轮机叶片尖端雷电保护机构 12 风力涡轮机叶片的尖端部分
14 风力涡轮机叶片 16 风力涡轮机叶片的吸力侧 18 风力涡轮机叶片的压力侧 20 引下线 22 导电/半导电材料 24 风力涡轮机叶片的其余部分 50 风力涡轮机叶片尖端雷电保护机构 52 风力涡轮机叶片的上部区域 54 风力涡轮机叶片的下部区域 56 风力涡轮机叶片的其余部分 100 风力涡轮机叶片尖端雷电保护机构 102 风力涡轮机叶片的其余部分
【具体实施方式】
在雷电冲击期间在传统的风力涡轮机转子叶片中产生的雷电电流流过接收器(定位在叶片上)，然后沿定位在叶片内部的引下线流动。雷电电流流至轴承凸缘，通过转子叶片轴承，然后通过轴毂。在齿轮箱和发电机之间放置的绝缘物防止雷电电流到达发电机。放电器阵列和/或滑环允许雷电电流到达中空主轴内部的杆，此杆传导雷电电流至塔筒。接地片定位于通过各塔筒凸缘接合点以保证与基础接地的紧密接合，因为塔底座是经由接地系统连接至大地的。
用于风力涡轮机发电机系统的传统雷电保护使用沿风力涡轮机叶片表面或在其内部中分布的离散雷电电流接收器。由于受限制的接收器数量，很有可能雷电冲击会击到两个接收器之间的叶片，导致叶片复合材料的破坏，可导致叶片的整体破坏和风力涡轮机雷电保护系统的失效。
考虑到上面的论述，特别是，克服上述问题的本发明的实施例，现在在下文参考图1-3介绍；其中图1显示根据本发明的一个实施例的风力涡轮机叶片尖端雷电保护机构10。
雷电保护机构10应用于风力涡轮机叶片14的尖端部分12。更具体地，雷电保护机构10应用于风力涡轮机叶片14的吸力侧16和压力侧18。根据本发明的一个方面，风力涡轮机叶片14由预定的玻璃增强纤维或碳增强材料构成。风力涡轮机叶片14还可包括设置在叶片14中的引下线20。
雷电保护机构10容易适配在已经安装的转子叶片上，即所谓的改造。包括吸力侧和压力侧16、18两者的尖端部分12通过向可为复合材料的转子叶片尖端部分12表面上施加或在其内部层叠导电或半导电材料22，即，金属片、金属网、柔性薄片、陶瓷、聚合物等得到增强。导电或半导电材料22构造成形成围绕转子叶片14的尖端部分的绝缘结构或复合材料的一类法拉第笼。导电或半导电材料22与引下线20电连通，使得引下线20和导电或半导电材料22一起作用以控制在转子叶片14的尖端部分12的雷电冲击产生的电场。
由于导电或半导电材料22的导电特性，结合它相比离散接收器的大尺寸，通过复合叶片材料(也就是纤维或碳增强的)的击穿放电被降低。这通过相比复合材料阻抗减少表面阻抗来实现，使得雷电先导流在大电流闪络发生之前被引导至最近的导电连接点。本实施例的最近的导电连接点是经由现有的引下线20提供的。由于导电或半导电材料22的大尺寸，雷电冲击产生的转子叶片14的电流密度被降低，导致热负荷降低。
因为当适配已安装的转子叶片上时雷电保护机构10是尤其有效的，转子叶片14的其余部分24可任选地被涂层覆盖，例如，导电、半导电或不导电涂层以达到所希望的雷电冲击产生的结果。上述雷电保护机构10提供若干超过已知的雷电保护系统的优点，其包括但不限于：
i.由于全部或部分覆盖转子叶片表面的涂覆而增加的叶片表面接收器尺寸；
ii.雷电电流的外部表面传导使得在叶片14中的内部雷电弧(闪络和由雷电冲击产生的声压波导致的可能的爆炸)的可能性降低；
iii.没有观察到叶片重量的显著增加；
iv.易适应全部叶片机械动力学；
v.不需要改变叶片设计；
vi.仅通过稍微的修改，现有的叶片制造(层叠)工艺可被使用；
vii.低附加材料和制造成本；
viii.电流密度的降低将导致在叶片材料上的更低的热负荷；
ix.由于部分或全部覆盖导电或半导电涂层/材料，在叶片表面上的防雷技术增加了雷电接收效率；
x.在击穿脉冲电流闪络发生之前通过安全通道传导雷电流；
xi.通过降低表面阻抗避免击穿和因此带来的转子叶片损坏；
xii.连接导电和导电掺杂材料至有效保护系统的组合的雷电保护；
xiii.增加的用于风力涡轮机叶片的雷电保护效率；
xiv.不需要改变叶片设计；
xv.延伸的转子叶片表面保护；
xvi.增加的雷电电流增强导电通道；
xvii.不需要内部雷电保护系统和因此带来的在转子叶片内部放置雷电保护系统的额外的制造工艺；
xviii.在沿转子叶片的雷电施加过程期间的电场强度分布控制。
图2显示根据本发明的另一个实施例的风力涡轮机叶片尖端雷电保护机构50。雷电保护机构50容易适配在已经安装的转子叶片上，还可用在新的转子叶片的构造中。与上述参考图1的实施例类似，包括吸力侧和压力侧16、18两者的尖端部分12通过向可为复合材料的转子叶片尖端部分12表面上施加或在其内部层叠导电或半导电材料22，即，金属片、金属网、柔性薄片、陶瓷、聚合物等得到增强。导电或半导电材料22构造成形成围绕转子叶片14的尖端部分的绝缘结构或复合材料的一类法拉第笼。
当在现有的转子叶片的改造应用中使用时，导电或半导电材料22与已经存在的引下线20电连通，使得引下线20和导电或半导电材料22一起作用以控制在转子叶片14的尖端部分12的雷电冲击产生的电场。
然而，当风力涡轮机叶片尖端雷电保护机构50应用于新的转子叶片时，引下线20可被消除以简化叶片14的制造。在此实施例中，简单地通过使用具有与叶片14的电场控制区域(尖端部分)12类似的特性的导电或半导电材料增强上部和下部区域52，54以避免使用引下线20。增强区域52，54在响应雷电冲击的大电流闪络发生之前作用以提供需要的导电连接点。
由于导电或半导电材料22的导电特性，结合它相比离散接收器的大尺寸，通过复合叶片材料(也就是纤维或碳增强的)的击穿放电被降低，如上所述的。这通过相比复合材料阻抗减少表面阻抗而实现，使得雷电先导流在大电流闪络发生之前被引导至最近的导电连接点。本实施例的最近的导电连接点是经由增强区域52，54提供的。由于导电或半导电材料22的大尺寸，雷电冲击产生的转子叶片14的电流密度被降低，导致热负荷降低。
因为当改造已安装的转子叶片或构造新的转子叶片时雷电保护机构50是尤其有效的，转子叶片14的其余部分56可任选地被涂层覆盖，例如，导电的、半导电的或不导电的涂层以达到所希望的雷电冲击产生的结果。上述的雷电保护机构50提供若干超过已知的雷电保护系统的优点，诸如上述参考雷电保护机构10所述的。
图3显示根据本发明的又一个实施例的风力涡轮机叶片尖端雷电保护机构100。雷电保护机构100适合于新的转子叶片的构造。与上述参考图1和2所描述的实施例类似，包括吸力侧和压力侧16、18两者的电场控制区域(尖端部分)12通过向可为复合材料的转子叶片的尖端部分12表面上施加或在其内部层叠导电或半导电材料22，即，金属片、金属网、柔性薄片、陶瓷、聚合物等得到增强。导电或半导电材料22构造成形成围绕转子叶片14的电场控制区域(尖端部分)的绝缘结构或复合材料的一类法拉第笼。
在此实施例中，简单地通过使用具有与叶片14的电场控制区域(尖端部分)12类似的特性的导电或半导电材料增强上部和下部区域52，54以避免使用引下线20。导电或半导电材料可经由用导电或半导电涂层或材料来涂覆、覆盖或嵌入上部和下部区域52，54而被应用。根据一个实施例，导电或半导电材料可，例如，层叠在转子叶片复合材料的所希望的部分中。在此实施例中，任何其余部分102可涂覆或覆盖具有导电或半导电性质的材料以实现在转子叶片14上所希望的电流密度。增强区域52，54在响应雷电冲击的大电流闪络发生之前作用以提供需要的导电连接点。
由于导电或半导电材料22的导电特性，结合它相比离散接收器的大尺寸，通过复合叶片材料(也就是纤维或碳增强的)的击穿放电通过相比复合材料击穿阻抗减少表面阻抗而降低，使得雷电先导流在大电流闪络发生之前被引导至最近的导电连接点，如上所述的。本实施例的最近的导电连接点是经由增强区域52，54单独地或结合安装在与转子叶片的其余部分102相关联的叶片复合材料表面上或层叠在其内部的另外的导电或半导电材料而提供的。由于导电或半导电材料22的大尺寸，雷电冲击产生的转子叶片14的电流密度因此被减少，导致热负荷降低。
与上述参考图1和2所述的实施例类似，转子叶片14的部分102可任选地被涂层覆盖，例如，导电的、半导电的或不导电的涂层以实现所希望的雷电冲击产生的结果。上述的雷电保护机构100提供若干超过已知的雷电保护系统的优点，诸如上述参考雷电保护机构10所述。
总结地说明，根据特定的实施例，已经介绍包括纤维或碳增强的风力涡轮机叶片的风力涡轮机雷电保护系统(LPS)，风力涡轮机叶片包括适配有设置在尖端部分上或在其内部并完全地封装尖端部分的电场控制区域的尖端部分。电场控制区域与设置在风力涡轮机叶片上或在其内部的放电传导机构电连通，使得电场控制区域和放电传导机构一起操作以通过控制雷电冲击在尖端部分产生的电场来保护风力涡轮机及其相关的叶片不由于在风力涡轮机叶片尖端的雷电冲击而损坏。本发明者发现电场控制区域在传导和引导预定通道上的放电是成功的，同时增加风力涡轮机叶片经受雷电冲击产生的若干高幅值的冲击电流的能力。
这样产生的电场区域，延伸转子叶片表面的保护，为雷电电流提供增加的增强的导电通道，消除了设置在转子叶片中的雷电保护系统的需要，在雷电施加的过程期间控制在转子叶片上的电场强度分布。
尽管本文仅说明和介绍了本发明的一定的特征，但本领域技术人员可做出许多修改和改变。因此，应该理解，权利要求旨在覆盖落在本发明真实主旨内的所有这样的修改和改变。