CN101094986A - 用于具有碳纤维叠层的风力涡轮机叶片的雷电保护系统 - Google Patents

用于具有碳纤维叠层的风力涡轮机叶片的雷电保护系统 Download PDF

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Abstract

通过在叶片(1)的碳纤维叠层(2)上安排不同的连接，形成了风力涡轮机叶片的雷电保护系统，利用各个辅助电缆(5)通过主电缆(6)的分支使梁(10)的翼面(4)的表面电位相等。辅助电缆连接到金属片状体(3)，金属片状体(3)与碳纤维叠层(2)直接连接，并在叶片(1)层叠和固化处理期间定位，或者辅助电缆连接到穿过混合叠层的金属销，优选圆锥形。在连接的周围安排基于纳米合成物的导电树脂(11)。在碳纤维层和玻璃纤维层的混合叠层的情况下，利用玻璃纤维层中的窗口、间断分布和开放空间实现不同层之间的等电位状态。

Description

用于具有碳纤维叠层的风力涡轮机叶片的雷电保护系统
技术领域
本发明的主题是用于传递和接收风力涡轮机叶片中的雷电的保护系统。重要特征是叶片的该部分是碳纤维叠层。
背景技术
近期在风力涡轮机叶片的制造中使用了碳纤维，虽然在该领域的重要公司中它的使用是相当广泛的，但是关于防雷电保护方法的经验还是很有限，还没有任何公知常识展示出其技术的效用性。
风力涡轮机适用的管理和关于该主题的现有文献涉及保护玻璃纤维叶片防雷击的有效方法，其中包括基于临时接受器的雷电保护系统，接受器沿叶片的长度方向放置，还包括将所述接受器连接到叶片根部并穿过叶片内部的电缆。
在这一方面，可以引用以下专利，WO 96/07825提出了“用于风力涡轮机叶片的雷电保护”，其包括从叶片尖端延伸、穿过叶片的内部、终止在销杆中的叶片根部的电导体，销杆使叶片能旋转。该导体可以具有或不具有绝缘涂层，并有助于支撑叶片本身。
从WO 0177527中可知一种叶片，WO 0177527提出了用内部和外部的导体进行防雷电保护，这些导体相互连接并沿整个叶片分布。其还提出了一系列穿透点和一对用于叶片尖端和叶片其余部分的构造。
美国专利第6,612,810号提出了一种保护，其中叶片包括一对沿叶片表面纵向延伸的导体(其还结合了防冰加热元件)。叶片尖端具有连接到第三导体的冲击接受器，第三导体沿叶片的内部分布。所有的导体和加热器都相互连接。
关于雷电冲击的现有文献还表明需要使接受冲击的目标与雷电保护系统电位相等。换句话说，为了使所有的元件处于相同的电位，它们必须通过受保护区域中的导体电连接。
碳纤维，作为一种导电材料，必须保持与防雷电系统电位相等。关于导体元件绝缘的问题是当雷电通过防雷电系统时，在他们之间由于感应现象产生的高电位差。电位差可以引起电弧放电，这对由碳纤维叠层组成叶片的主电阻部分的情形是致命的。
不同金属底座系统试图防止在碳纤维化合物中引入电位差的问题，但是还没有一个显示出其对解决该问题有效。
发明内容
包括碳纤维叠层的叶片上的雷电保护系统，碳纤维叠层是本发明的主题，采用基于主电缆的雷电保护系统，向主电缆增加其他的分支以将主电缆直接连接到碳纤维叠层，使用该方法可以确保两个系统都是等电位的。
本发明的另一主题是提供一种新方法，用于改进在主电缆与叶片的碳纤维叠层之间的叶片防雷电系统中的连接电特性。该方法包括在连接的周围或紧邻连接以受控的方式施加基于纳米合成物的导电树脂。使用该方法，可以获得用于恰当操作叶片防雷电系统的最优电特性。
具体实施例可以包括到两个叠层中的每一个的两个连接，所述叠层安排在朝向称为翼面的叶片外壳的两个表面上。进行的连接一个在梁的根部区域另一个在尖端区域，以这种方式梁的翼面成为可选的雷电通路。
所使用的系统具有差分特性，由于辅助电缆的小零件使用螺纹连接接合到金属片状体，在主电缆和碳叠层之间进行连接的方法是采用主电缆的分支。金属片状体的任务是直接与碳连接。在梁的层叠处理期间放置片状体，且当随后层叠玻璃纤维层时，片状体与所使用的连续的碳纤维层直接接触。片状体在正常的叶片固化过程中固化，因此实现了与适当的碳纤维的电连接是具有机械强度的接合。
通过在接合区域使用导电树脂，能够额外地改进电连接。所使用的导电树脂是基于受控混合物的树脂，该树脂通常用于与碳纤维的纳米纤维或纳米管共同制造风力涡轮机叶片。增加这些碳纤维纳米纤维或纳米管使原来的树脂出现了多种幅值的电特性，这些特性不同于其原始特性。
该树脂的具体实施例预期在通常用于制造风力涡轮机叶片的环氧型树脂中增加特定数量的碳纳米纤维或纳米管，优选比例在3％-30％之间。而后，该导电树脂混合物施加到电缆外部连接和碳叠层周围的区域。
在使用金属片状体进行到碳的连接的具体实施例中，在组成部分层叠期间，在将要连接的金属部件和碳叠层之间和连接周围的区域施加基于纳米合成物的树脂，显著改进了电连接的特性，因为其改进了从金属部件到每一个碳纤维叠层的电流传输方式。
导电树脂的另一种应用是将其施加在需要降低叠层电阻的区域，例如将树脂施加到整个梁的外表面。
本发明的另一特征主题是正确地确定到叶片梁的连接的半径，以促进良好的电连接并避免由于感应现象导致的电弧放电。
附图说明
图1表示了碳翼面与穿过叶片截面内部的电缆之间的相对位置。
图2表示了使用辅助电缆连接碳纤维和分支的片状体。
图3详细表示了片状体与碳纤维及到主电缆的辅助电缆分支之间的连接。
图4表示了叶片的截面，其中可见所有的系统元件和其间的连接。
图5表示了施加基于纳米合成物的导电树脂以达到最佳连接导电性的理想区域。
具体实施方式
如图1所示，包括碳纤维叠层2的叶片1上的雷电保护系统，碳纤维叠层2是本发明的主题，采用了基于主电缆6的雷电保护系统，在主电缆6中增加其他的分支以将主电缆直接连接到碳纤维层2，使用该方法可以确保系统都是等电位的。
如图2和3所示，使用到两个碳纤维叠层2的每一个的两个连接形成分支，一个连接在梁10的上部，另一连接个在梁10的下部，如上一张图所示。所述叠层安排在面向称作翼面4的叶片外壳的两面。在梁的根部区域和在梁的尖端区域进行连接，以这种方式梁的翼面4成为可选的雷电通路。所使用的系统具有差分特性，这是因为采取了在主电缆6和碳叠层2之间进行连接的方法，由于辅助电缆5的小零件使用连接头连接到金属片状体3，该方法使用主电缆的分支实现。金属片状体3负责直接与碳2连接。在梁的层叠处理期间在梁的碳纤维层上放置片状体3，接下来以随后在梁的层叠处理中使用的玻璃纤维层覆盖片状体3。片状体在正常的叶片固化过程中固化，因此实现了与适当的到碳纤维2的电连接是具有机械强度的接合。通过在图5所示的接合区域使用导电树脂，能够额外地改进电连接。
如图4所示，叶片尖端11结合了金属接受器7，金属接受器7通过主电缆6沿着梁10的主干8的长度方向延伸。如前所述，该连接一端在梁的根部，另一端在尖端区域。
如图5所示，改进接合的电特性的理想方法包括在片状体与最后的碳层之间和环绕片状体连接的区域上都施加基于碳纳米纤维或纳米管(11)的导电树脂。导电树脂和片状体(3)都在正常的叶片固化过程中进行固化，因此实现了与适当的碳纤维2的电连接是具有机械强度的接合。最终连接的电特性比不使用导电树脂有显著的提高。
在使用混合叠层的情况下，即碳纤维层和玻璃纤维层交替，由于混合叠层的玻璃纤维层中的窗口、间断分布或开放空间，不同的玻璃纤维和碳层之间实现了等电位。可选地，通过沿初始绝缘的整个玻璃纤维层或在其特定的区域中例如放置窗口的位置使用基于纳米合成物的导电树脂，能够实现被玻璃纤维层分隔的不同碳纤维层之间的等电位状态。
在本发明的第二实施例中，使用主电缆6的分支实现雷电保护系统的等电位状态，且由于辅助电缆5连接到金属销，金属销优选圆锥形，并穿过薄玻璃纤维和碳纤维层的薄混合叠层，以这种方式所述销建立了所有碳纤维层之间的连接。还是在这种情况下，使用基于碳纳米纤维或纳米管的导电树脂能够额外地改进电连接。第二实施例还具有的优点是在混合叠层的情况下，即碳纤维层和玻璃纤维层交替，由于圆锥形的销实现了不同碳纤维层之间的等电位状态，因此不需要提供玻璃纤维层中的窗口、间断分布或开放的空间。

Claims (9)

1、具有碳纤维叠层的风力涡轮机叶片上的雷电保护系统，其结合主电缆(6)，其特征在于所述主电缆(6)与叶片(1)上的不同位置的碳纤维叠层(2)等电位，优选在叶片尖端(11)和根部的位置。
2、根据权利要求1所述的具有碳纤维叠层的风力涡轮机叶片上的雷电保护系统，其特征在于实现等电位状态是通过主电缆(6)的分支经辅助电缆(5)使用螺纹连接接合到金属片状体(3)，金属片状体(3)继而连接到碳纤维叠层(2)。
3、根据权利要求2所述的具有碳纤维叠层的风力涡轮机叶片上的雷电保护系统，其特征在于到辅助电缆(5)的金属连接包括金属销，优选圆锥形，其建立与叠层的电连接。
4、根据前述任一权利要求所述的具有碳纤维叠层的风力涡轮机叶片上的雷电保护系统，其特征在于片状体(3)用于与碳纤维叠层(2)直接连接，且在层叠处理期间放置在叶片或叶片的一部分上，例如梁(10)，与所述叶片的碳纤维层(2)或梁(10)接触，随后被紧随的玻璃纤维层覆盖，并在叠层固化的同时固化。
5、根据前述任一权利要求所述的具有碳纤维叠层的风力涡轮机叶片上的雷电保护系统，其特征在于到碳叠层的等电位连接包括在连接碳叠层的区域周围的导电树脂，碳叠层包含片状体和销。
6、根据权利要求5所述的具有碳纤维叠层的风力涡轮机叶片上的雷电保护系统，其特征在于通过向最初不导电的树脂优选环氧树脂添加碳纳米纤维或纳米管形成导电树脂。
7、根据前述任一权利要求所述的具有碳纤维叠层的风力涡轮机叶片上的雷电保护系统，其特征在于碳纤维叠层(2)与玻璃纤维和碳纤维织物结合在混合叠层中，其中利用玻璃纤维层中的窗口、间断分布或开放空间或通过在整个玻璃纤维层表面或其一部分上施加导电树脂，实现不同碳纤层之间的等电位状态。
8、根据前述任一权利要求所述的具有碳纤维叠层的风力涡轮机叶片上的雷电保护系统，其特征在于叠层的外表面用导电树脂浸渍。
9、根据前述任一权利要求所述的具有碳纤维叠层的风力涡轮机叶片上的雷电保护系统，其特征在于叶片尖端(11)在主电缆(6)的起端处结合金属接受器(7)，金属接受器(7)沿梁(10)的侧面延伸到叶片(1)的根部。
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