CN101354016A - 风轮机保护 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及风轮机保护。用于风轮机(100)的风轮叶片(108)的雷电保护系统(200)可包括用于安装在涡轮叶片(108)的表面(212)处的传导性雷电接受器(201)，由此当安装在所述表面(212)时，该雷电接受器(201)的一部分伸出涡轮叶片(108)的尾缘(210)和/或所述雷电接受器(201)具有基本细长的形状，并且构造为安装成使雷电接受器(201)的最大尺寸基本平行于涡轮叶片(108)设计移动的方向设置。
Description
技术领域
[0001]本发明通常涉及诸如用于发电的风轮机的保护。本发明特别涉及用于风轮机的防雷方法。
背景技术
[0002]由于在公众心目中环境问题日益突出，因此近来利用可再生能源发电的情况增长迅速。一种已被发现非常有利的这种能源是风轮机。
[0003]为了高效操作，并且为了从风中汲取最多的可用能源，只要有可能，风轮机有必要被安置在相对多风的区域。然而，这种区域常常位于世界上比较荒凉和偏僻的地方，并且常常遭受相对多的雷雨天气。为了使可能需要的检修时间和维修数量最小化，希望提供这种带有防雷保护的风轮机，并由此改善源自这些风轮机的电源供应的稳定性。
[0004]考虑到这些期望，已经开发了很多用于保护风轮机免受雷击所引发的损坏的系统、和其中各种部件。例如，目前存在有用于保护风轮机毂和轴承的系统[1，2，3，4]、用于保护涡轮叶片的系统[5，6，7，8，9，10]、甚至用于保护整个风轮机的系统[11，12，13，14]。
[0005]当雷电击中目标时，雷电放电的连接过程遵循放电的物理定律。例如，雷电对风轮机的冲击以两种方式中的一种方式体现：即，向上的雷电，其中雷电从涡轮开始放电，并朝着云层向上移动；或者向下的雷电，其中雷电从带电的雷雨云开始放电，并朝着风轮机下降。International Electrotechnical Commission 2002 Technical Report[15]为感兴趣的读者提供了这些结构的更多细节，以及保护风轮发电机系统免受雷电冲击所包含的一些原理和问题的全面背景介绍。
[0006]通常，由于风轮机要在具有良好风条件的雷雨天气下运转，因此利用了风轮机转子的高转速。然而，这种高速转动，加上雷电放电方向的不可预测性，会导致雷电冲击，其中涡轮叶片上的冲击放电不会保持在静态位置上，而是实际上连接到涡轮叶片表面上并在该表面上移动。这反过来会产生所谓的扫射冲击(swept stroke)，导致叶片表面产生多个小孔(或者小洞)。而且，即使不产生这种多个小孔，在受击叶片的尾缘处也容易出现雷电的最终击穿，这就是为什么大多数涡轮叶片损坏常常发生在这个边缘处的一个原因。
[0007]因此，虽然常规的雷电保护系统常常要比完全没有保护的好，但是对于采用这种常规雷电保护系统的风轮机的叶片而言，当它们受到雷电冲击时，它们的尾缘遭受分层和/或遭受扫射冲击所带来的损坏的情况并非罕见。
[0008]相应的，仍旧存在要求提供保护风轮机叶片免受雷电冲击的改进的系统和方法的需求。
发明内容
[0009]申请人发现，通常常规的风轮机雷电保护系统并没有设计成解决了风轮机是转动系统的事实，而是通常意识中按照风轮机静止的静电特性进行设计。例如，由于当叶片处在第一位置“A”时的静电场电势不必要与当叶片处在第二位置“B”时的静电场电势相等，所述静电场电势可能会随着时间变化。因此，根据本发明的不同方面，申请人通过考虑了雷电与活动风轮机叶片作用时风轮机系统的动态电学特性，解决了这种常规系统的缺点。
[0010]因此，根据本发明的第一方面，提供了用于风轮机叶片的雷电保护系统。所述雷电保护系统包括用于安装在涡轮叶片的表面处的传导性雷电接受器，由此当安装在涡轮叶片的表面时雷电接受器的一部分超出涡轮叶片的尾缘。
[0011]通过提供超出涡轮叶片的尾缘的雷电接受器，为移动中的叶片尾缘提供了保护。另外，这种雷电接受器的不同实施例可用于将静电荷从叶片上排出。它们还可用于控制围绕叶片的动态静电场电势的形状，由此实现了用于将雷电冲击引出活动叶片的受控放电路线。这种雷电接受器可例如被嵌在叶片的外壳结构内或者可安装在表面上，后者对于现存涡轮叶片而言更容易改进。
[0012]根据本发明的第二方面，提供了用于风轮机叶片的雷电保护系统。所述雷电保护系统包括用于安装在涡轮叶片的表面处的传导性雷电接受器。所述雷电接受器具有基本细长的形状，并且构造为安装成使雷电接受器的最大尺寸基本平行于涡轮叶片的设计移动方向设置。
[0013]通过提供具有基本细长形状的雷电接受器，所述雷电接受器构造为安装成使雷电接受器的最大尺寸基本平行于涡轮叶片的设计移动方向设置，提供了沿叶片的表面移动的扫射冲击的保护。
[0014]例如，相对薄的金属线状或须状结构可用作雷电接受器，并且这些接受器可设置在叶片上的位置上，由此它们基本上与叶片转动时所预定的弓形路线相切展开，或者基本上沿这种弓形路线的路线的至少一部分展开。而且，这种雷电接受器的相对薄或窄的细长结构的采用提供了另外的优点，即没有明显增大的表面摩擦力施加到叶片上。由于这种雷电接受器随着时间逐步发展，使得当叶片移动时任何雷电冲击不易引发未受控的扫射冲击，因此还进一步改善了静电场电势的可靠性。
[0015]根据本发明的第三方面，提供了用于风轮机的涡轮叶片。所述涡轮叶片包括设有一个或多个由导电材料制造的雷电总线的成形叶片结构和安装在涡轮叶片表面并电连接到一个或多个雷电总线的根据本发明第一或第二方面的雷电保护系统。本发明的不同实施例将采用多个这种设置在涡轮叶片内的雷电总线。这就提供了电线冗余，这将进一步提高可靠性，增大维修间隔，并且增长这种叶片的整个操作寿命。
[0016]根据本发明的第四方面，提供了用于发电的风轮机。所述风轮机包括：支撑塔架结构，所述塔架包括雷电导体，用于在其一端电连接到接地级；由塔架支撑的机舱；容纳在机舱内的发电机；机械连接到发电机的可转动毂；和机械连接到所述毂的至少一个根据本发明第三方面的涡轮叶片。所述至少一个的涡轮叶片的一个或多个雷电总线穿过可转动毂电连接到雷电导体的第二端，由此雷电保护系统电连接到雷电导体的第一端。
[0017]例如，正如现有技术所公知的，雷电导体的第一端可经由埋入土壤内的地面/接地板连接到接地级，第二端可终止于连接到涡轮叶片雷电总线的滑动环连接器处的毂内。在不同实施例中，雷电导体可提供用作固定到或设置在塔架结构内的内部或外部引下线。
[0018]根据本发明的第五方面，提供了发电的方法。该方法包括操作根据本发明第四方面的风轮机，将产生的电供应给电网，供消费者随后消费。这种方法的一个优点在于提高了供电的可靠性，特别是在风暴天气和雷电条件下。
[0019]根据本发明的第六方面，提供了用于保护风轮机免受雷电冲击的方法。该方法包括通过将至少一个的雷电接受器中每一个都电连接到现存风轮机的各个涡轮叶片的各自雷电总线并且将所述雷电接受器或每个雷电接受器都安装在现存风轮机的各个涡轮叶片的各自表面上，实现为现存风轮机装配根据本发明第一或第二方面的雷电保护系统。由于各种现存涡轮叶片常常设有雷电总线，例如带有销尖(pin-point)类型的外部雷电导体，这种方法可以以适度成本和相对不费力的安装为各种常规风轮机提供改进的雷电保护。为此，所需要的一个或多个闪电接受器可以以成套形式提供。
附图说明
[0020]图1显示了根据本发明实施例的风轮机；
[0021]图2显示了常规风轮机转子叶片；
[0022]图3显示了沿穿过图2中转子叶片的A-A平面的横剖视图；
[0023]图4显示了根据本发明实施例的风轮机叶片；
[0024]图5显示了沿穿过图4中转子叶片的B-B平面的横剖视图；
[0025]图6显示了穿过根据本发明实施例的转子叶片的替换实施例的横剖视图；
[0026]图7显示了穿过根据本发明实施例的转子叶片的另一实施例的横剖视图；
[0027]图8显示了穿过根据本发明实施例的转子叶片的又一实施例的横剖视图；
[0028]图9显示了根据本发明实施例的雷电接受器；
[0029]图10显示了根据本发明另一实施例的雷电接受器；
[0030]图11显示了根据本发明又一实施例的雷电接受器。
具体实施方式
[0031]图1显示了根据本发明实施例的风轮机100。该风轮机100包括机舱102、塔架104、设有至少一个转子叶片108的转子106和可转动毂110。机舱102安装在塔架104上，并且还容纳有发电机112。转子叶片108固定到毂110上并且当风强度足够大转动叶片108时转动毂110。毂110通过可包括齿轮结构的连接机构114(图中未示)机械连接到发电机112上，由此毂110的转动促使发电机112运转，从而发电。
[0032]塔架104结构包括在其第一端处电接通地级的雷电导体或引下线。所述雷电导体的第一端经由埋入土壤118内的地面/接地板116连接到地级，第二端在滑动环连接器(为了清楚起见，图中未示)处终止于毂110。正如现有技术中已知的，滑动环连接器将引下线的第二端连接到涡轮叶片108的各个雷电总线215(图5中示出)。
[0033]接着，涡轮叶片108的每个雷电总线215电连接到根据本发明实施例的各个雷电保护系统200(图5中示出)。为了解释，下文将详细描述这种雷电保护系统的各个实施例。
[0034]为了帮助理解本发明，图2和3显示了常规的风轮机转子叶片8。图3显示了沿穿过图2中转子叶片8的A-A平面的横剖视图。
[0035]转子叶片8由设有中空的中心部16的机翼形状的玻璃强化塑料(GRP)形成。所述转子叶片还设有由GRP材料的相对薄的部分形成的前沿9和后缘10。
[0036]嵌在机翼形状结构的吸力面/低压面12内的是至少三个雷电接受器11。这些雷电接受器11由沿叶片8的表面12径向隔开的垫片状导电材料形成。每个雷电接受器11都经由各自的连接器14连接到内部电线(例如由钢铁、铝、铜等制造)上，所述电线形成了设置在叶片8中空的中心部16内的雷电总线15。所述雷电总线15由内部支架13支撑，所述支架用于加强和保持叶片8的形状，并且可连接到设置在靠近叶片8根端的风轮结构内的常规雷电引下线。
[0037]图4显示了根据本发明实施例的风轮机叶片108。叶片108的结构本身与常规叶片8的相似点在于：转子叶片108由设有中空的中心部216的机翼形状的GRP结构形成。该转子叶片也设有由GRP材料相对薄的部分形成的前沿209和尾缘210(例如与为该结构的其余部分提供的两个GRP材料相对应，提供单个GRP片)。使用GRP材料是因为它相对轻并且具有良好的强度重量比。
[0038]然而，常规叶片8和本发明实施例的叶片108之间的关键区别在于雷电保护系统200的设置。本发明的雷电保护系统200优选包括至少三个嵌在叶片108的吸力面212内的雷电接受器201、202、203。这些雷电接受器201、202、203由沿叶片108的表面212径向隔开的细长针状导电材料形成。
[0039]在不同实施例中，在层压过程中，所述雷电接受器201、202、203可以是固定的，例如通过嵌入到GRP外壳/表面内。所述雷电接受器的形状的横截面最经常的是圆形，材料可以从铜到铝到钢铁(即任意具有良好导电和导热性能的金属)，虽然通常它们应当足够大以便承载所有的最大预期电流并且消散可能产生的相关最大热量，但是尺寸也可以变化。
[0040]在不同实施例中，采用层压的GRP材料。例如，可采用GRP材料的交叉层，GRP层设有PVC中间层。申请人还想到为叶片提供使用碳加强塑料(CRP)，这是因为由于GRP不能很轻松的将可能产生的热量驱散，GRP(是绝热器)的使用会导致增大的穿孔或分层的风险，伴随着它可能开始燃烧的风险。
[0041]这三个雷电接受器201、202、203仅仅是通过示例显示，应当注意本发明的各个不同实施例可采用位于涡轮转子叶片的吸力和/或压力面上的一个或多个这种雷电接受器进行操作。然而，在特定实施例中，由于雷电接受器确实为涡轮叶片108的整个长度提供增强的保护，因此提供多个雷电接受器是优选的。
[0042]图5显示了沿穿过图4中转子叶片108的B-B平面的横剖视图。每个雷电接受器201、202、203经由各个连接器214电连接到设置在叶片108中空的中心部216内的雷电总线215。所述雷电总线215通过内部支架213支撑，所述支架用于加强和保持叶片108的形状，并且可连接到设置在靠近叶片108根端的风轮结构100内的雷电引下线。所述支架213由GRP或CRP材料形成，它或者与叶片108的机翼形状结构整体形成，或者作为固定在其中的单独构件。
[0043]所述雷电接受器201、202、203由狭窄形状的细长金属导电材料(例如防腐铜、钢铁或铝)形成，并设有超过涡轮叶片108的尾缘210伸出的锥形端203。例如，雷电接受器201可包括超出涡轮叶片108的尾缘210伸出的部204，所述部在B-B平面内具有从雷电接受器201总体长度的大约5％到大约20％、30％、40％、50％等等的长度，雷电接受器201、202、203的总体长度依赖于它们在根到尖的方向上沿叶片108的半径的相对引用位置。这种突出部204的长度可以至少为几厘米，由此它可用作雷击的最终击穿位置。
[0044]由于它们的形状以及在叶片108外表面上的位置，所述雷电接受器201、202、203特别适于吸引雷击，即使是当叶片108转动时。另外，由于雷电接受器201、202、203悬挂在叶片108的尾缘210上，当雷电在叶片108的尾缘210附近排放时，雷电接受器将持续吸引雷击。这有助于确保雷击持续连接到位于叶片108的尾缘210处的雷电接受器201、202、203，直到它完全放电，由此有助于减少雷击对尾缘210处的叶片108造成损坏的机会。
[0045]图6显示了穿过根据本发明的转子叶片308的另一实施例的横剖视图。在该实施例中，支架313形成为单独的注塑GRP或/和CRP构件，并且不作为叶片308的结构整体的一部分。支架313通过采用环氧树脂的粘合固定到叶片308结构和雷电接受器205上。
[0046]雷电接受器205是细长形式，并且在叶片308的吸力面的一部分上延伸超出叶片308的尾缘310。雷电接受器205由此在叶片308的吸力面上以及尾缘310处为叶片308提供了改进的雷电保护。
[0047]图7显示了穿过根据本发明实施例的转子叶片408的另一实施例的横剖视图。所述转子叶片408包括形成为粘合到叶片408的内部结构的单独注塑GRP和/或CRP构件。所述支架支撑通过连接器414电连接到雷电接受器206的雷电总线415。
[0048]所述雷电接受器206是细长形式，并且从前沿409开始在叶片408的吸力面上延伸超出叶片408的尾缘410。雷电接受器206由此基本上在叶片408的整个吸力面上以及在前沿409上方为叶片408提供了改进的雷电保护。
[0049]图8显示了穿过根据本发明实施例的转子叶片508的又一实施例的横剖视图。所述转子叶片508包括形成为粘合到叶片508的内部结构的单独注塑GRP构件。所述支架支撑通过连接器514电连接到雷电接受器207的雷电总线515。
[0050]所述雷电接受器207是细长形式，并且在叶片508的吸力和压力面上以及在前沿509上方延伸超出叶片509的尾缘510。雷电接受器207由此基本上绕叶片508的横剖面环绕或延伸。通过大体环绕叶片508，雷电接受器207为叶片508提供了改进的雷电保护，由此当叶片508被雷电的上/下冲击击中时以及当叶片508在转动时上升/下降时，保护它免于受到雷电冲击。
[0051]图9显示了根据本发明实施例的雷电接受器201。所述雷电接受器201基本上呈细长形状并设有锥形端203。所述锥形端203设计为伸出叶片108的尾缘210。例如，雷电接受器201可以是锥形/尖形/销形等，由此对增强静电排放(ESD)和/或雷电接受器201对雷电冲击的吸引性是有益的。采用薄的须状或线状细长导体来形成雷电接受器201还具有保持重量下降以及基本上不增大叶片108转动时所受摩擦力的优点。雷电接受器201的最小尺寸可根据IEC指南确定[15]。
[0052]雷电接受器201由防腐导电材料制造，例如铜或钢铁，并设有固定装置218。所述固定装置218可以是例如螺钉、螺栓、铆钉、焊接等，其可穿过叶片108的表面固定到设置在其中的连接器214上，由此提供雷电接受器201和连接器204之间的电连接。
[0053]图10显示了根据本发明另一实施例的雷电接受器208。所述雷电接受器208基本上呈细长形状并设有锥形端229。所述锥形端203设计为伸出叶片的尾缘。所述雷电接受器208还在形状上基本沿弧220弯曲，当叶片沿箭头222的方向转动时，叶片设计为沿所述弧前行。
[0054]雷电接受器208由防腐导电材料制造，例如铜或钢铁，并设有两个固定装置218、219。所述固定装置218、219可以是例如螺钉、螺栓、铆钉、焊接等，其可穿过叶片表面固定到设置在其中的连接器上，由此提供雷电接受器208连接器之间的电连接。多个固定装置的采用为雷电接受器208和连接器之间提供了改进的物理可靠性和耐久性，并且可用于将雷电接受器208电连接到形成为引下线(图中未示)的一部分的一个或多个单独元件。因此，为改善雷电接受器208的长期可靠性，可提供较低阻力连同内嵌连接器冗余元件。
[0055]图11显示了根据本发明又一实施例的雷电接受器211。所述雷电接受器211基本上呈眼泪形状并设有锥形端228。所述锥形端228设计为超出叶片的尾缘。
[0056]雷电接受器211由防腐导电材料制造，例如铜或钢铁，并设有三个固定装置225、226、227。所述固定装置225、226、227可以是例如螺钉、螺栓、铆钉、焊接等，其可穿过叶片表面固定到设置在其中的连接器上，由此提供雷电接受器211与连接器之间的电连接。多个固定装置的采用提供了各种如上所述的优点。
[0057]当然，本领域技术人员将意识到可将多个雷电接受器安装在单个涡轮叶片上，以进一步增强其中的雷电保护。例如，多个这种雷电接受器可从尖端向内以规则的间距构造安装，或者可替换的可在更靠近叶片尖处设有更大的密度(减小的间距)，以增强那儿的雷电保护。另外，各种固定装置以及其数量和类型的采用对于本领域技术人员而言也是显而易见的。
[0058]虽然已经根据不同方面和优选实施例对本发明进行了描述，但是应当理解本发明的范围不仅仅局限于此，申请人的意图是所有的变形和其等同替代都落入附带的权利要求的范围内。
[0059]参考文献
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如果许可，通过参引上述参考文献整体，它们的内容因此也包含在这篇申请中。
Claims (14)
1.一种用于风轮机叶片的雷电保护系统(200)，该雷电保护系统(200)包括用于安装在涡轮叶片(108)的表面(212)处的传导性雷电接受器(201)，由此当安装在所述表面(212)时，该雷电接受器(201)的一部分(204)伸出涡轮叶片(108)的尾缘(210)。
2.根据权利要求1的雷电保护系统(200)，其特征在于：所述雷电接受器(201)具有基本细长的形状，并且构造为安装成使雷电接受器(201)的最大尺寸基本平行于涡轮叶片(108)设计移动的方向设置。
3.一种用于涡轮叶片(108)的雷电保护系统(200)，该雷电保护系统(200)包括用于安装在涡轮叶片(108)的表面(212)处的传导性雷电接受器(201)，其中：所述雷电接受器(201)具有基本细长的形状，并且构造为安装成使雷电接受器(201)的最大尺寸基本平行于涡轮叶片(108)设计移动的方向设置。
4.根据权利要求3的雷电保护系统(200)，其特征在于：当安装在其中的所述表面(212)时，该雷电接受器的一部分(204)伸出涡轮叶片(108)的尾缘(210)。
5.根据前述任意一项权利要求的雷电保护系统(200)，其特征在于：所述雷电接受器(201，208)是线状或者须状。
6.根据前述任意一项权利要求的雷电保护系统(200)，其特征在于：所述雷电接受器(201，208，211)具有至少一个锥形端(203，228，229)。
7.根据前述任意一项权利要求的雷电保护系统(200)，其特征在于：所述雷电接受器(206，207)延伸到涡轮叶片(408，508)的前沿(409，509)。
8.根据前述任意一项权利要求的雷电保护系统(200)，其特征在于：所述雷电接受器(207)基本上围绕叶片(508)的横剖面环绕或延伸。
9.根据前述任意一项权利要求的雷电保护系统(200)，包括一个或多个附加的雷电接受器(202，203，208，211)。
10.一种用于风轮机(100)的涡轮叶片(108)，该涡轮叶片(108)包括：
成形叶片结构，设有一个或多个由导电材料制造的雷电总线(215)；和
安装在涡轮叶片(108)表面并电连接到一个或多个雷电总线的根据任意前述权利要求的雷电保护系统(200)。
11.根据权利要求10的涡轮叶片(108)，其特征在于：所述叶片结构包括玻璃强化塑料(GRP)和/或碳强化塑料(CRP)。
12.一种用于发电的风轮机(100)，该风轮机(100)包括：
支撑塔架结构(104)，该支撑塔架结构(104)还包括雷电导体，用于在其一端(116)电连接到接地级；
由所述塔架结构(104)支撑的机舱(102)；
容纳在该机舱(102)内的发电机(112)；
机械连接到该发电机(112)的可转动毂(110)；和
机械连接到所述毂(110)的根据权利要求10或11的至少一个涡轮叶片(108)，其中该至少一个的涡轮叶片(108)中的一个或多个雷电总线(215)穿过可转动毂(110)电连接到雷电导体的第二端，由此该雷电保护系统(200)电连接到雷电导体的第一端(116)。
13.一种发电的方法，该方法包括：
操作权利要求12的风轮机(100)；和
将由发电机(112)产生的电供应给电网，供消费者随后消费。
14.一种用于保护风轮机免受雷电冲击的方法，该方法包括为现存风轮机更新装配根据权利要求1-9中任意一项的雷电保护系统(200)，通过：
将至少一个的雷电接受器(201，202，203)中每一个都电连接到现存风轮机的各个涡轮叶片的各自雷电总线；和
将至少一个的雷电接受器(201，202，203)中每一个都安装在现存风轮机的各个涡轮叶片的各自表面上。
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
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