CN101336342A - 用于风力涡轮机叶片的避雷系统 - Google Patents

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CN101336342A CNA2006800521021A CN200680052102A CN101336342A CN 101336342 A CN101336342 A CN 101336342A CN A2006800521021 A CNA2006800521021 A CN A2006800521021A CN 200680052102 A CN200680052102 A CN 200680052102A CN 101336342 A CN101336342 A CN 101336342A
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Abstract

本发明涉及一种用于风力涡轮机叶片的避雷系统，其中所述叶片是由复合材料制成的壳体并且包括根部区域和末梢。所述避雷系统包括至少一个布置成在叶片尖端处或在叶片尖端紧接的邻区内的壳体表面内/上可以自由使用的接闪器以及由导电材料制成的在壳体内沿着叶片的大致整个纵向进行延伸的避雷导体。所述接闪器和所述避雷导体经由连接区域电连接在一起。所述避雷导体在其整个纵向上以及在介于避雷导体与接闪器之间的连接区域内是电绝缘的，以防止雷击穿过叶片表面。

Description

用于风力涡轮机叶片的避雷系统
技术领域
本发明涉及一种用于风力涡轮为机叶片的避雷系统，其中所述叶片是由复合材料制成的壳体并且包括根部区域和末梢，且其中所述避雷系统包括至少一个布置成在叶片尖端处或在叶片尖端紧接的邻区内的壳体表面内/上可以自由使用的接闪器以及由导电材料制成的在壳体内沿着叶片的大致整个纵向进行延伸的避雷导体，且其中所述接闪器和所述避雷导体经由连接区域电连接在一起。
背景技术
已公知的是采用带有避雷系统的叶片来保护叶片不受雷击。例如，WO96/07825中披露了一种避雷系统，其中叶片的尖端装设有由导电材料制成的所谓的接闪器。此接闪器可以“捕获”雷击，并经由避雷导体传导电流，所述导体在叶片的纵向内延伸、并通过风力涡轮机的转子毂接地。此系统已经常被视作对抗雷击提供令人满意的保护。
然而，因为水是导电的，因此存在着从接闪器或避雷导体到蓄积有水的叶片内的一些区域产生闪络(flashover)或火花放电(sparkover)的危险。在此情况下，雷电电流对水加热，这可能会导致“蒸汽喷发”。这可能会导致压力增加到足够高而损坏叶片。由于例如在叶片表面上的来自空气的微粒、盐分和昆虫的沉积，也可能会发生闪络。闪络引起的损坏会导致必须对叶片加以修理，或在最坏的情况下要更换叶片，这是费时费钱的过程，这是因为修理或更换叶片十分复杂，尤其是对于离岸的风力发电厂而言。
此外，存在着雷击避雷导体(或闪络)穿过叶片表面的危险，这至多会产生仅一个穿过叶片表面的小孔，但经常导致对叶片造成的更大损坏。为了更好地控制经过叶片的雷电电流而不使叶片受到损坏，避雷系统上面可以装设有若干接闪器(多个接受体)或沿叶片纵向的避雷导体。优选地，接闪器以5米的最大间隔进行布置以确保没有雷击(或闪络)通过叶片表面。然而，这是相对昂贵且复杂的解决方案。
发明内容
本发明的目的在于为风力涡轮机提供一种新的改进的避雷系统。
根据本发明，通过使得避雷导体在其整个纵向内、与介于避雷导体与接闪器之间的连接区域电绝缘，以便防止积聚闪流(streamer)和/或先导(leader)，从而达到目的。这样的闪流或先导是雷击的前奏，因此防止了闪流和/或先导的积聚也就防止了雷击。这产生了与现有避雷系统相比有所改进的效率，现有的避雷系统最常应用不绝缘的避雷导体。而且，避免了多个接受体的必要性。
在避雷导体根部端，其优选地经由毂接地从而使得来自雷击的电流从接闪器安全地传导到避雷导体并最终传导到地。然而，只要在避雷导体与毂之间具有火花隙放电器(spark gap)就足以满足更求了。
根据本发明的一个特定实施例，避雷导体和/或接闪器至少电绝缘至叶片壳体，并优选为至少部分穿过壳体电绝缘。因此，在叶片末梢处发生损毁性雷击或闪络的风险被最小化。
根据本发明的避雷系统的一个优选实施例，避雷导体包括由导电材料诸如铜或铝制成的内导体、和由优选为高密度聚乙烯(HDPE)的聚乙烯制成的基层绝缘体(bedding insulation)。令人惊讶地，此合成物已被认为特别能抵抗雷击或闪络穿过叶片表面。
优选地，内导体具有在3到30毫米、5到15毫米或7.5到12毫米范围内的直径，且基层绝缘体具有2到15毫米、3到10毫米或4到7毫米范围内的厚度。已发现这些尺寸足以防止雷击通过叶片表面、并传导雷击电流经过避雷导体。
根据一个适当的实施例，在内导体和基层绝缘体之间装设一层半导体材料。优选地，此半导体材料具有0.5到1毫米的厚度。此半导体材料通过使导体中的电场密度最小化而提供了抗闪络的额外保护。
根据一个特定实施例，接闪器和介于接闪器与避雷导体之间的连接区域借助于同基层材料分离的绝缘材料而绝缘。此绝缘材料可以例如是收缩套筒或硅树脂。附加的绝缘材料使得在接闪器与避雷导体之间的连接区域中发生雷击或闪络的危险最小化。
根据本发明的一个备择实施例，叶片尖端被形成为由绝缘材料制成的大致实心本体。优选地，此绝缘材料是塑性材料，诸如聚氯乙烯(PVC)、纤维增强聚合物或聚氨酯(PUR)，例如发泡聚氨酯。这提供了一种特别简单的实施例，其中使得在接闪器与避雷导体之间的连接区域中的雷击的危险最小化。
根据本发明的一个适当的实施例，避雷导体在其外端装设有例如螺纹的连接机构，以将所述导体连接到接闪器上的相应机构。接闪器可以是例如适于包括内螺纹，从而使得接闪器和避雷导体可以螺旋式拧到一起。根据另一适当实施例，接闪器装设有具备外螺纹的连接片，而同时避雷导体包括了例如切入由高密度聚乙烯(HDPE)制成的绝缘套的内螺纹。
根据本发明的一个实施例，接闪器定位在叶片的后缘。因而，可以减少来自叶片的噪声发射。给叶片的表面装设避雷针(diverter)从而将叶片前缘处的雷击传导到接闪器可能是有利的。
根据本发明的一个特别适当的实施例，在叶片尖端处或在叶片尖端紧接的邻区内布置额外的至少一个排水孔，且可选地，将大致在排水孔位置与接闪器位置之间延伸的避雷针定位到叶片表面。排水孔确保了在叶片内不形成积水，积水增加了从接闪器到所述积水的闪络的危险。避雷针确保了对排水孔的雷击经由避雷针传导到接闪器、并最终经由接闪器传导到地。另外，用于收集微粒的过滤器优选地布置在叶片内侧从而使得所述微粒不阻塞排水孔。
根据一个优选实施例，接闪器具有富兰克林避雷针(Franklin rod)的形式或大致呈蛋状。此形式确保了接闪器不具有被雷击以及例如被熔炼损坏的“尖锐”边缘。圆形的接闪器表面延长了接闪器使用寿命，因为其几何形状在雷击下仅有最小的改变。
根据本发明的一个备择实施例，叶片的一部分尖端适于作为由例如钨、铜或黄铜制成的接闪器。这提供了叶片尖端的一个特别适当的实施例。优选地，接闪器为流线型的从而使得其匹配叶片的尖端。
附图说明
下面借助于附图中所示的实施例，对本发明进行更具体地说明，其中：
图1a是朝向叶片的后缘进行观察的根据本发明的第一实施例的叶片的示意图，
图1b是同一叶片的顶视图，
图1c示出了图1b中所示的叶片的放大细节，
图2a是根据本发明的另一实施例的一部分叶片沿着图2b中的线11b-11b截取的示意性剖视图，
图2b是同一叶片沿着图2a中的线11a-11a截取的局部剖视图，
图3是根据本发明的第三实施例的一部分叶片的示意性局部顶剖视图，和
图4是穿过根据本发明的避雷导体的剖视图。
具体实施方式
优选地，本发明涉及在工业中以根据“丹麦理念”的风力涡轮机闻名的那些类型的风力涡轮机。通常，这样的风力涡轮机包括塔架、带齿轮和发电机的短舱、以及包括毂和三个叶片的转子，其中转子轴是大致水平的。
用于根据“丹麦理念”的风力涡轮机上的叶片的现有避雷系统经常使用一种在叶片尖端装设由导电材料制成的所谓“接闪器”的构造。此接闪器可以“捕获”雷击并传导电流经过避雷导体，所述导体在叶片的纵向延伸并经由毂接地。通常，接闪器与锚定块(anchoring block)的一侧相连，而同时避雷导体与同一锚定块的另一侧相连。已发现此构造提供有效的抗雷击保护，然而，也已发现此构造易受到穿过叶片表面的雷击的损害-尤其是在转子旋转期间当雷击发生的同时叶片处于近似水平位置的情况下。而且，锚定块往往是矩形的且具有尖锐边缘，这增加了在所述尖锐边缘处积聚闪流的可能性，并因而增加了雷击或闪络的可能性。
为了更好地控制穿过叶片的雷电电流而不损坏叶片，叶片的避雷系统可以装设有若干接闪器或沿着叶片纵向的避雷导体。优选地，接闪器以5米的最大间隔布置以确保没有雷击穿过叶片表面。然而，这是相对昂贵且复杂的解决方案。
图1示出了根据本发明的叶片1的第一实施例。根据此实施例，接闪器3布置在叶片1的末梢，所述接闪器优选地主要是蛋状或形成为所述的“富兰克林避雷针”，但不总是如此。接闪器3连接到大致在叶片1的整个纵向上从叶片1尖端处的接闪器3延伸到转子毂处的叶片1的根部区域的避雷导体2。优选地，避雷导体部分被电连接到毂，且来自雷击接闪器3的雷电电流因而可以经由避雷导体2和毂引导至地，所述毂经由借助于例如塔架和短舱连接到地的第二避雷导体(未示出)而接地。此外，可以在避雷导体2与毂之间、或在避雷导体2与塔架之间设置一个或多个火花隙放电器。避雷导体和接地棒可以是铜导体或可以由任何其它导电材料制成。
避雷导体2大致在其整个纵向方向从叶片1的根部区域到介于避雷导体2和接闪器3之间的连接区域是绝缘的。叶片1是由优选地纤维增强聚合物制成的壳体构成，从而使得叶片1分别包括层压壳6和叶片1内的空腔9。避雷导体2和接闪器3例如借助于螺纹而连接，其中避雷导体2和接闪器3优选地设置有内螺纹。然而，也可以想到，提供一个实施例，其中接闪器3装设有具备外螺纹的连接片，所述连接片与避雷导体2的内螺纹螺旋式地拧到一起。
接闪器3以这样的一种方式定位于叶片1的层压壳6内，即一部分接闪器3在叶片1的后缘处从叶片表面突伸出，在该处避雷导体2穿过一部分层压壳6。此处示出的避雷导体2包括基层绝缘体或覆盖层绝缘体形式的第一绝缘体。另外，接闪器3与避雷导体2之间的连接区域借助于收缩套筒形式的又一绝缘体5而电绝缘。收缩套筒5延伸一段短距离进入避雷导体2的基层绝缘体，并延伸一段短距离进入接闪器3。因此，避雷导体2完全绝缘至接闪器3。
此外，叶片1设置有同样穿过层压壳6的、并定位在叶片1后缘处的排水孔4。排水孔4连接到空腔9，后者(即空腔9)因而与环境连通。这样，无论何时均避免了叶片1内部的积水，因为在转子旋转期间通过离心力经由排水孔4从叶片1排空了水。同时，叶片1可以装设过滤器7，以收集可能出现在叶片1内从而不能被抛向排水孔4并将排水孔阻塞的尘埃和其它污垢。优选地，过滤器7定位成跨越空腔9的整个横截面。通过将接闪器3和排水孔4定位在叶片1后缘处，减少了转子旋转产生的噪声。
另外，叶片1的表面装设有从叶片1后缘处邻近接闪器3的区域延伸到叶片1前缘处的区域的避雷针8。此避雷针确保了在叶片1大致处于水平位置且其中接闪器朝下的同时，对叶片1前缘的雷击传导到接闪器3、并经由后者(即接闪器3)传导到避雷导体2。避雷针8可以是导电材料的连续条带，但也可以是分段的，其中离子化空气的先导在雷击时在各独立时间段之间形成，雷电电流由此沿着避雷针8在其纵向传导。
如图1c中所示，接闪器3可以被分为两部分从而使得一部分接闪器模塑到叶片1的层压壳6内，而同时第二部分借助于例如螺纹连接而附接到第一部分。因此，如果在雷击后从叶片1的表面突伸出的一部分接闪器3耗损或损坏，则所述部分易于更换。
图2示出了根据本发明的叶片101的第二实施例。根据此实施例的叶片101具有形成为例如聚氨酯、PVC或纤维增强聚合物的固体的尖端105。叶片101的其余部分是由具有层压壳106的壳体制成。如图1中所示的实施例，叶片的避雷系统包括大致在叶片101的整个纵向上从转子毂处的根部端延伸到末梢的避雷导体102。避雷导体102被引导出叶片101的空腔、且被引导入尖端105内产生的孔穴、并匹配避雷导体102。避雷导体可以被引导到此孔穴。避雷导体与大致蛋状的接闪器103相连。接闪器103被定位在尖端105的表面处，从而使得它的一小部分突伸出该表面。接闪器103的位置和形式均适于匹配叶片101的尖端104的所需空气动力特性，而同时具有大的金属表面，这确保了良好的耐久性和长的寿命，因为它包含大量可以在雷击时熔化的材料。
如图1所示的实施例，避雷导体102和接闪器103优选地借助于螺纹连接相连，其中介于避雷导体102和接闪器103之间的连接区域可以是借助于例如收缩套筒或硅树脂形式的另外的绝缘物而电绝缘的。然而，固体尖端105可以是足以提供所需的电绝缘的。
固体尖端105设置有连接到两个排水孔104的空腔109从而使得空腔可以经由孔穴与环境连通。当转子旋转时，由于离心力，因而使有可能积聚在叶片101内的水被引导到尖端105的空腔109、并从该处经排水孔104流出。优选地，尖端105另外在尖端105的表面上设置有在邻近排水孔104的区域与邻近接闪器103的区域之间延伸的避雷针。任何对排水孔104的雷击因而经由避雷针传导到接闪器103，再经由后者(接闪器103)传导到避雷导体102，并最终经由毂、塔架或类似物传导到地。尖端105借助于胶接108紧固到叶片101的其余部分。
图3示出了根据本发明的叶片201的第三实施例。根据此实施例的叶片201具有如图2所示的实施例中的形成为例如聚氨酯、PVC或纤维增强聚合物的大致实心本体的尖端205。叶片201的其余部分是由具有层压壳206的壳体制成。如图1和图2中所示的实施例，叶片201的避雷系统包括大致在叶片201的整个纵向上从转子毂处的根部端延伸到末梢的避雷导体202。避雷导体202被引导出叶片201的空腔、且被引导入尖端205内产生的孔穴、并匹配避雷导体202。
避雷导体202被连接至具有圆形并定位在尖端205的顶点处的接闪器203。接闪器203被改造，从而使得在尖端205和接闪器203之间存在大致光滑的过渡、并使得接闪器具有尖端201所需的空气动力特征。换句话说，根据此实施例的接闪器203是叶片201的尖端的一部分。
如图1和图2所示的实施例，避雷导体202和接闪器203借助于夹持连接或螺纹连接211连接。而且，避雷导体借助于两个带外螺纹的塑性杆件210和接闪器203中的两个螺纹孔而锚定到尖端205。介于避雷导体202和接闪器203之间的连接区域借助于例如收缩材料或硅树脂形式的又一种绝缘物而电绝缘。然而，固体尖端205可以是足以提供所需的电绝缘的。
因为雷电“试图”找出到地的最短路径，雷电经常对雷击时在空中突伸出最高的转子叶片进行雷击。然而，在转子旋转期间，当转子叶片处于大致水平位置时仍有雷击叶片的危险。雷击穿过叶片的层压壳、或雷击两半叶片壳之间的接合处是具有最大雷击可能性的情形。
发明人已进行了大量试验来检查用于这种最坏情况的情形中的叶片的避雷系统。在试验期间，通过将叶片暂停在试验室地面或表面上方的水平位置，实施所谓的高压切换和雷电脉冲仿真，来仿真等电势面。在雷击之前，正当叶片接近水平位置时所述等电势面出现在叶片上。在试验室表面与叶片的避雷系统之间建立电势差，以在叶片的避雷系统与试验室地面之间激发闪络。正极性和负极性的试验都被执行，其中在1050kV实现带正极性的闪络，而在1400kV实现带负极性的闪络。
用具有不同的避雷系统的、艾尔姆玻璃纤维制品公司(LM Glasfiber)生产的各种LM28.8P叶片进行试验。很快即证明了，接闪器和避雷导体均连接到锚定块的传统避雷系统不足以防止雷击穿过叶片层压壳、或雷击两半叶片壳的接合处。
当测试用于与图2所示避雷系统对应的避雷系统的不同避雷导体时，令人惊讶地发现，具有铜芯和由高密度聚乙烯(HDPE)制成的绝缘层的电缆形式的避雷导体在防止雷击穿过叶片表面方面尤为有效。在22次仿真雷击后，12次为正极性和10次为负极性，叶片未示出可见损坏或其它负面效应。在所有仿真的雷击期间，只观察到叶片的接闪器处形成闪流。
如图4所示，检查的电缆是由铜丝制成的50mm2的芯21和HDPE制成的大约4、5mm厚的绝缘套22构成。在芯21和绝缘物22之间，设置有半导体材料23，目的是使得在各条独立的铜丝处的电场密度最小化。然而，要达到避雷系统所需效果，半导体材料并不是绝对必要的。已经发现使用相对薄的HDPE绝缘物就足够了。这是有利的，因为此种电缆不会导致叶片重量非必要的大量增加。而且，这样的电缆非常便宜。因而，这种新颖的避雷系统不仅有效地防止了雷击穿过叶片表面，也提供了更简单的构造、且并不比带有或不带有多个接闪器的传统避雷系统的制造更昂贵。
上面已经结合多个优选实施例对本发明进行了描述。可以想到许多变型而不会由此偏离本发明的范畴。对本领域的技术人员显而易见的变型和修改被认为是属于本发明的范畴内的。
附图标记列表
1,101,201  叶片
2,102,202  避雷导体
3,103,203  接闪器
4,104,204  排水孔
5          收缩套筒或收缩材料
105,205    尖端
6,106,206  层压壳
7          过滤器
8          避雷针
108,208    胶接
9,109,209  空腔
21         内导体
22         绝缘基层或覆盖物
23         半导体材料
210        塑性杆
211        螺纹连接
212        螺纹孔

Claims (12)

1、一种用于风力涡轮机叶片的避雷系统(1，101，201)，其中所述叶片(1，101，201)是由复合材料制成的壳体且包括根部区域和末梢，且其中所述避雷系统包括：
-至少一个接闪器(3，103，203)，所述至少一个接闪器被布置成在叶片(1，101，201)尖端处或在叶片(1，101，201)尖端紧接的邻区内的壳体单元表面内/上可以自由使用，和
-避雷导体(2，102，202)，所述避雷导体由导电材料制成、在壳体内沿着叶片(1，101，201)的大致整个纵向进行延伸，且其中
-所述接闪器(3，103，203)和所述避雷导体(2，102，202)借助于连接区域而电连接在一起，
其特征在于，
避雷导体(2，102，202)在其整个纵向上以及在介于避雷导体(2，102，202)与接闪器(3，103，203)之间的连接区域内是电绝缘的，以防止积聚闪流和/或先导。
2、如权利要求1所述的避雷系统，其特征在于，避雷导体(2，102，202)和/或接闪器(3，103，203)至少电绝缘至叶片(1，101，201)壳体，并且优选为至少部分穿过壳体电绝缘。
3、如权利要求1或2所述的避雷系统，其特征在于，避雷导体(2，102，202)包括由导电材料诸如铜或铝制成的内导体(21)、和由优选为高密度聚乙烯(HDPE)的聚乙烯制成的基层绝缘体(22)。
4、如权利要求3所述的避雷系统，其特征在于，内导体(21)具有在3到30毫米、5到15毫米或7.5到12毫米范围内的直径，且基层绝缘体(22)具有2到15毫米、3到10毫米或4到7毫米范围内的厚度。
5、如权利要求3或4所述的避雷系统，其特征在于，在内导体(21)和基层绝缘体(22)之间装设半导体材料(23)层。
6、如权利要求3到5中任一项所述的避雷系统，其特征在于，接闪器(3，103，203)和介于接闪器(3，103，203)与避雷导体(2，102，202)之间的连接区域借助于同基层材料分离的绝缘材料而绝缘。
7、如权利要求3到5中任一项所述的避雷系统，其特征在于，叶片(1，101，201)的尖端(105，205)形成为由绝缘材料制成的大致实心本体。
8、如权利要求7所述的避雷系统，其特征在于，所述绝缘材料是塑性材料，诸如聚氯乙烯(PVC)、纤维增强聚合物或聚氨酯(PUR)，例如发泡聚氨酯。
9、如前述权利要求中任一项所述的避雷系统，其特征在于，避雷导体(2，102，202)在其外端装设有例如螺纹的连接机构，以将所述导体连接至接闪器上的相应机构。
10、如前述权利要求中任一项所述的避雷系统，其特征在于，在叶片(1，101，201)尖端处或在叶片尖端紧接的邻区内布置至少一个排水孔(4，104，204)，且可选地，将大致在排水孔(4，104，204)位置与接闪器(3，103，203)位置之间延伸的避雷针定位到叶片(1，101，201)表面上。
11、如前述权利要求中任一项所述的避雷系统，其特征在于，接闪器(3，103，203)具有富兰克林避雷针(Franklin rod)的形式或大致呈蛋状。
12、如前述权利要求中任一项所述的避雷系统，其特征在于，叶片(201)的一部分尖端(205)适于作为由例如钨、铜或黄铜制成的接闪器(203)。
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