CN102365454B - 具有闪电保护系统的风力涡轮机叶片 - Google Patents
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Abstract
公开了具有闪电保护系统的风力涡轮机叶片，其中，所述叶片（1，51，101，201）包括由复合材料制成的壳体，具有根端和尖端的纵向，和异型轮廓，所述异型轮廓在受到入射空气流的冲击时会产生升力。所述闪电保护系统包括至少一个接闪器（3，53，103，203），被可自由接近地布置在所述壳体表面的表面内或上。所述闪电保护系统还包括由导电材料制成的引下线（2，52，102，202），该引下线在所述壳体内从所述接闪器延伸到所述叶片的根端。所述接闪器和所述引下线是电连接的。所述壳体包括至少第一导电层（60，62），该第一导电层沿着该引下线的至少纵向部分并距其一定横向距离地延伸。所述第一导电层是与所述引下线和所述接闪器电绝缘的，其薄层电阻在每平方1-5兆欧的范围内。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有闪电保护系统的风力涡轮机叶片，其中，所述叶片包括由复合材料制成的壳体，并且包括具有根端和尖端的纵向。所述叶片还包括一种包括压力侧和吸力侧、以及前缘和后缘的异型轮廓，弦具有在前缘和后缘之间延伸的弦长，所述异型轮廓，在受到入射空气流的冲击时会产生升力。所述闪电保护系统包括至少一个接闪器，其被可自由接触地布置在所述壳体表面内或上。所述闪电保护系统还包括一个由导电材料制成或包括导电材料，并且在所述壳体内从所述接闪器延伸到所述叶片的根端的引下线。所述接闪器和所述引下线是电连接的。
背景技术
众所周知的是为叶片提供闪电保护系统以保护其免受雷击。例如，WO 96/07825披露了一种闪电保护系统，其中，所述叶片的尖部设有由导电材料制成的所谓接闪器。该接闪器能够“捕获”雷击并且通过引下线传导电流，所述引下线沿所述叶片的纵向延伸，并且通过所述风力涡轮机的转子毂接地。该系统通常被证明能够提供令人满意的防雷击作用。
不过，一旦有了积水，就存在从所述接闪器或引下线到达所述叶片的区域的飞弧或火花放电的风险，因为污水是导电的。在这种情况下，雷电电流加热所述污水，可能导致“蒸汽爆炸”。这可能导致压力升高，该压力高到足以损坏所述叶片。飞弧还可能因为叶片表面上的例如盐分、昆虫或来自空气的颗粒物的沉积物而发生。由于飞弧造成的损伤导致必须修理所述叶片，或者最坏的情况是需要进行叶片更换，这是一个耗资费时的过程，因为修复或更换叶片是个复杂的过程，特别是对于海上风力发电厂来说更是如此。
另外，还存在通过所述叶片表面击中所述引下线（或飞弧）的风险，其最好的结果是仅形成穿透所述叶片表面的小孔，不过，通常会对所述叶片造成更大的损伤。为了更好地控制雷电电流通过所述叶片而又不对叶片造成损伤，所述闪电保护系统可以沿所述叶片的纵向方向设有若干接闪器（多接闪器）或引下线。优选的是，所述接闪器以5米的最大间距安装，以确保没有雷击（或飞弧）通过所述叶片表面。不过，这是一种比较昂贵和复杂的解决方案。
WO 2007/062659提供了一种解决方案，其中，内避雷针沿其整个纵向长度是被电绝缘的。
US 2008/062659披露了一种具有闪电保护系统的转子叶片，其包括一个绝缘的引下线，其中，将介电片材用作绝缘层。
WO 00/14405披露了一种风力涡轮机叶片，其中，所述叶片包括叶片壁，该叶片壁包括含有碳纤维强化塑料的椭圆形条，这些条是与内引下线电连接的。
EP 1 011 182披露了一种在其外表面设有导电带层的风力涡轮机叶片。
WO 01/77527披露了一种包括闪电保护系统的风力涡轮机叶片，该系统包括一个或多个内部导电装置和一个或多个外部闪电导电装置。
WO 2008/006377披露了一种包括一个短舱和至少一个风力涡轮机叶片的风力涡轮机，其中，至少一个所述零件包括与大地电位连接的导电薄膜层。
发明内容
本发明的目的是获得一种新型风力涡轮机叶片，它克服或改善了现有技术的至少一个缺陷或它提供了有用的替代方案。
根据本发明，这一目的是通过以下方案实现的：一种壳体，所述壳体至少包括第一导电层，所述第一导电层沿着引下线的至少纵向部分且与其有一定横向距离地延伸，其中，所述第一导电层是与所述引下线和/或所述接闪器电绝缘的，并且，其中，所述第一导电层的薄层电阻在每平方1 -5兆欧（1-5 Mega Ohm pr. square）的范围内。所述接闪器，引下线，和导电层的布置有助于防止闪流和/或先导的增长。为所述叶片提供在雷击过程中作为寄生导体的导电层，减弱了雷击期间在所述引下线和接闪器周围的电场。这最小化了与垂直闪流相关的问题，这种问题尤其与正雷击一起出现，正雷击占所述雷击的约10%。这种闪流和先导是雷击的预备阶段，因此，防止它们的增长也能预防雷击。另外，避免了多接闪器的必需性。如果所述导电层的薄层电阻太小，所述导电层可以作为接闪器，并且加大了飞弧的风险，有可能损坏所述引下线和风力涡轮机叶片的绝缘层。另一方面，如果所述薄层电阻太大，所述层对所述引下线周围电场的影响不足以提供需要的保护作用。用相当于正雷击的高负压下的模拟雷击对现有叶片进行的试验表明，装配了所述新型闪电保护系统的叶片没有表现出对所述叶片的损伤，因此满足了IEC61400-24 CDV标准要求。 因此，惊喜地发现，与传统闪电保护系统相比，增加具有相对低导电性的所述第一导电层提供了针对正雷击的改进得多的、高效的保护作用。
在其根端，所述引下线优选通过所述转子毂接地，以便将来自雷击的电流被安全地从所述接闪器传导至所述引下线，并最终传导至大地。不过，在所述引下线和转子毂之间具有火花隙可能就足够了。
有利的是，所述接闪器被可自由接触地布置在所述叶片的尖部或非常靠近所述叶片的尖部。
根据一种实施方案，所述第一导电层的薄层电阻在每平方1.5 – 4.5兆欧的范围内，或在每平方2 – 4兆欧的范围内。
在一种优选实施方案中，所述叶片的异型轮廓被划分成最接近于所述转子毂的具有大体上圆形或椭圆形型面的根部区，离所述转子毂最远的具有升力形成型面的翼面区，和位于所述根部区和所述翼面区之间的过渡区。所述过渡区具有沿径向方向从所述根部区的圆形或椭圆形型面逐渐变化到所述翼面区的升力形成型面的型面。
根据本发明的一种具体的实施方案，所述引下线和/或接闪器至少一直到所述叶片的壳体都是电绝缘的，并且优选在至少部分地穿过所述壳体的程度上是电绝缘的。因此，进一步最小化了在所述叶片尖端发生破坏性雷击或飞弧的风险。
根据本发明闪电保护系统的一种优选实施方案，所述引下线包括由导电材料，如铜或铝制成的内导体，和由聚乙烯，优选HDPE制成的衬垫绝缘件。令人惊喜的是，业已发现这种复合材料特别能阻抗通过所述叶片表面的雷击或飞弧。
优选的是，所述内导体的直径在3-30 mm，5-15 mm或7.5-12 mm的范围内，所述衬垫绝缘件的厚度在2-15 mm，3-10 mm或4-7 mm的范围内。业已发现这种尺寸足以防止通过所述叶片表面的雷击，并且能通过所述引下线传导雷击电流。
根据一种合适的实施方案，在所述内导体和衬垫绝缘件之间提供半导体材料层。优选的是，该半导体材料的厚度为0.5-1 mm。所述半导体材料通过最小化所述导体中的电场集中来提供对飞弧的额外防护作用。
根据一种具体的实施方案，所述接闪器和所述接闪器与所述引下线之间的所述连接部位是通过绝缘材料绝缘的，该绝缘材料是与所述衬垫材料分开的。例如，该绝缘材料可以是收缩套或硅酮。所述额外的绝缘材料最小化了在所述接闪器和所述引下线之间的连接部位发生雷击或飞弧的风险。
根据本发明的另一种实施方案，所述叶片的尖部是以绝缘材料形成的大体实心体。优选的是，该绝缘材料是塑料，如PVC，纤维加强的聚合物或聚氨酯（PUR），例如，泡沫PUR。这提供了一种特别简单的实施方案，其中，最小化了在所述接闪器和所述引下线之间的连接部位发生雷击的风险。
根据本发明的一种合适的实施方案，为所述引下线提供一种在其外端的用以连接所述引下线到所述接闪器上的对应装置的连接装置，例如，螺纹。例如，所述接闪器例如被改进以包括内螺纹，以便所述接闪器和所述引下线可以拧在一起。根据另一种合适的实施方案，所述接闪器设有具有外螺纹的连接部件，同时，所述引下线包括例如，切入由HDPE制成的绝缘套的内螺纹。
根据本发明的一种实施方案，所述接闪器位于所述叶片的后缘。因此，可以减弱来自所述叶片的噪音排放。优选的是在所述叶片表面提供一个引流器，以便将所述叶片前缘的雷击传导至所述接闪器。
根据一种特别合适的实施方案，至少一个额外的排水孔被设置在位于或非常接近所述叶片的尖部，并且任选地，大体上在所述排水孔的位置和所述接闪器的位置之间延伸的引流器被定位于所述叶片表面上。所述排水孔确保不会在所述叶片内部形成水的积累，水的积累加大了从所述引下线到所述积水的飞弧的风险。该引流器确保击中排水孔的闪电通过所述引流器被传导至所述接闪器，并通过所述引下线最终传入大地。另外，优选将用于收集颗粒的过滤器安装在所述叶片内部，所述颗粒不会堵塞所述排水孔。
根据一种优选实施方案，所述接闪器具有富兰克林避雷针的形状或大体上类似于卵形。这种形状确保所述接闪器没有“尖锐的”被雷电击中、并且被损坏（例如熔化损坏）的边缘。圆形的接闪器表面延长了所述接闪器的使用寿命，因为其几何形状仅被雷击实施了微小变化。
根据本发明的另一种实施方案，所述叶片尖部的一部分适合作为，例如，由钨，紫铜或黄铜制成的所述接闪器。这提供了所述叶片的尖部的特别简单的实施方案。优选的是，所述接闪器是流线型的，以便与所述叶片的尖部匹配。
根据本发明的另一种实施方案，所述第一导电层包括一个导电涂层。导电涂层用于简单的生产工艺，因为所述涂层可以通过传统涂层工艺涂覆在所述叶片上，例如，可以用油漆滚将导电漆涂在所述叶片上。
根据本发明的另一种实施方案，所述第一导电层包括一个导电网。所述网必须适合具有相当于上述薄层电阻的阻抗，并且可以在生产过程中埋入所述壳体。
根据本发明的另一种实施方案，所述第一导电层位于所述壳体的外表面上。因此，所述层必须以生产和叶片性能的最小改变的代价被附加在现有的叶片设计中。另外，该实施方案可用于不是作为分离的壳体半部生产、并且随后再结合在一起的叶片。
根据本发明的另一种实施方案，所述第一导电层位于所述壳体的内表面上。在所述壳体内部上形成该导电层确保对在空气动力系特性方面对所述叶片的外部的优化，而与所述导电层的特性无关。所述导电层的这种配置的另一个优点是层材料可以有更宽的选择范围，因为对环境稳定性的要求，例如，有关耐水性的要求可能不那么严格。
根据一种具体实施方案，所述层可以在所述壳体的两个半部模制好之后，但在它们被胶粘在一起形成叶片之前涂覆。在这种情况下，现有的生产方法之需要做微小的改变。
根据本发明的另一种实施方案，所述第一导电层被包含在所述壳体材料内部。这样，所述导电层可以在所述复合材料层叠期间包含在所述壳体材料内部。这使得所述壳体的内部和外部保持不变，以便生产的表面抛光步骤可以按惯常方式进行。另外，所述导电层可适合为所述叶片提供结构强度，例如，如果以网的形式提供的话。
在一种具体实施方案中，所述导电层是在凝胶涂层涂覆之后，在，例如玻璃纤维垫叠放之前作为涂层被应用到所述模具。
根据本发明的另一种实施方案，所述第一导电层可以是一个具有大体上沿所述叶片纵向取向的纵向方向的条。
所述风力涡轮机叶片还可以包括具有薄层电阻的第二导电层，第二导电层的薄层电阻与所述第一导电层的薄层电阻在相同范围内。
根据本发明的另一种实施方案，所述第一导电层位于或靠近所述前缘，第二导电层位于或靠近所述后缘。这为叶片提供了在任何旋转位置中的对垂直闪流的有效抑制。
所述（一个或多个）导电层可以设置在所述叶片的吸力侧和/或压力侧。
本发明的目的还可以通过具有转子的风力涡轮机实现，其中，所述转子包括多个叶片，根据上述实施方案优选两个或三个。通过为风力涡轮机提供本发明的叶片，提供了一种特别有效的闪电保护系统，它可以保护风力涡轮机免受所有类型的闪电。
另外，本发明的目的可以通过一种将闪电保护系统加装到风力涡轮机叶片的方法实现，其中，所述叶片包括由复合材料制成的壳体，并且包括具有根端和尖端的纵向，所述叶片还包括一种包括压力侧和吸力侧，以及前缘和后缘的异型轮廓，弦具有在前缘和后缘之间延伸的弦长，所述异型轮廓，在受到入射空气流的冲击时会产生升力，该方法包括以下步骤：
- 为所述叶片提供至少第一接闪器，其被可自由接近地布置在所述壳体装置表面的表面内或上，并且任选地被布置在所述叶片的尖端或紧邻所述叶片的尖端，
-为所述叶片提供由导电材料制成的引下线，所述引下线在所述壳体内从所述接闪器延伸到所述叶片的根端，所述接闪器和所述引下线是电连接的，和
-为所述壳体提供至少第一导电层，所述第一导电层至少沿着所述引下线的纵向部分并距其一定横向距离地延伸，其中，所述第一导电层是与所述引下线和/或所述接闪器电绝缘的，并且其中，所述导电层的薄层电阻在每平方1 – 5兆欧的范围内。根据本发明的方法，可以防止现有的风力涡轮机叶片发生飞弧和闪流/先导增长。
当然，所述第一导电层可以被加装到带有闪电保护系统的现有风力涡轮机叶片，例如，通过将所述第一导电层涂在所述叶片的外表面上。
所述新型闪电保护系统还可应用于具有外部引下线的风力涡轮机叶片，即，其中所述引下线被布置在所述叶片的外表面上或在所述叶片的外表面处，例如，通过将所述引下线布置在所述叶片的前缘和/或后缘。因此，所述第一导电层可大体平行于所述（一个或多个）下引线并距所述下引线一定横向距离地延伸，例如，通过将所述导电层涂在所述叶片的压力侧和/或吸力侧。
附图说明
下面通过在附图中示出的实施方案对本发明做更详细的说明，其中
图1a是本发明的第一种实施方案叶片的朝着所述叶片的后缘观察时的示意图，
图1b同一叶片的俯视图，
图1c表示图1b所示叶片的放大细节，
图2a是本发明第二种实施方案叶片的示意性俯视图，
图2b 表示图2a所示叶片的放大细节，
图3a是根据本发明的另一种实施方案的叶片的一部分的沿图3b所示线IIb-IIb的示意性剖视图，
图3b沿图3a所示线IIa-IIa的相同叶片的局部剖视图，
图4是本发明另一种实施方案的叶片的一部分的局部剖视俯视图，
图5是通过本发明引下线的剖视图，
图6表示风力涡轮机，和
图7表示本发明风力涡轮机叶片的另一种实施方案的示意图。
具体实施方式
图6 表示根据所谓的"丹麦概念"的常规现代迎风风力涡轮机25 ，具有塔架26，短舱27和具有大体上水平的转子轴的转子。所述转子包括转子毂28和三个从毂28径向延伸的叶片30，各自具有最接近所述毂的叶根36和离毂28最远的叶尖34。
用于根据丹麦概念的风力涡轮机上的叶片的现有闪电保护系统通常使用一种结构，其中，在所述叶片的尖部提供了由导电材料制成的所谓的接闪器。该接闪器能够"捕获" 雷击，并且通过引下线传导电流，所述引下线沿所述叶片的纵向延伸，并且通过所述转子毂接地。一般来说，所述接闪器与锚定块的一侧连接，同时，所述引下线与同一锚定块的另一侧连接。业已发现，该结构能提供有效的防雷击保护，不过，还发现它易受通过所述叶片表面的雷击的伤害-特别是在雷击发生时叶片在所述转子旋转期间处于大体上水平位置的情况中。另外，所述锚定块通常是矩形的，并且具有锐边，这加大了闪流在所述锐边增长的可能性，并因此加大了发生雷击或飞弧的可能性。
为了更好地控制通过所述叶片的雷电电流而又不损坏所述叶片，可以沿所述叶片的纵向方向为所述叶片的闪电保护系统提供若干接闪器或引下线。优选的是，所述接闪器以5米最大的间距布置，以确保没有通过所述叶片表面的雷击。不过，这是一种比较昂贵而且复杂的解决方案。
图7表示根据本发明风力涡轮机叶片30实施方案的示意图。风力涡轮机叶片30具有传统风力涡轮机叶片的形状，并且包括最接近于所述转子毂的根部区 40，离毂最远的异型或翼面区 44和根部 区40与翼面区44之间的过渡区 42。所述叶片30包括当所述叶片安装在所述毂上时朝向叶片30旋转方向的前缘 48，和朝向前缘 48的相反方向的后缘 50。
所述翼面区 44（又被称作异型区）具有理想的或近乎理想的用于产生升力的叶片形状，而根部 40 出于结构考虑具有大体上圆形或椭圆形剖面，例如，这使得将所述叶片30安装在所述转子毂上更容易和更安全。根部 区40的直径（或弦）通常是沿整个根部区40恒定的。过渡区 42具有从根部区 40的圆形或椭圆形形状向翼面区 44的翼面型面逐渐过渡的过渡型面。过渡区 42 的宽度通常随着离开所述转子毂的距离r的加大而大体上线性增加。
翼面区 44具有一种翼面型面，它的弦在所述叶片30的前缘 48 和后缘 50之间延伸。所述弦的宽度随着离开所述转子毂的距离r的加大而减少。
应当指出的是，所述叶片的不同剖面的弦一般不位于相同的平面，因为所述叶片可能被扭曲和/或弯曲（即，预先弯曲），因此，为所述弦平面提供了相应的被扭曲和/或弯曲的过程，这在用于补偿所述叶片的依赖于距离所述转子毂的半径的局部速度的情况中非常常见。
在叶片30的尖端为叶片30提供接闪器53’，所述接闪器是与内部引下线（未示出）导电连接的。在所述叶片的前缘48提供第一导电层60’，并且该第一导电层沿着叶片30的纵向部分并且因此沿着内部引下线以第一条的形式延伸。在叶片的后缘50提供第二导电层62’，并且第二导电层也沿着叶片30的纵向部分并因此也沿着内部引下线以第二条的形式延伸。所述第一导电层 60’和第二导电层62’的薄层电阻在每平方1-5兆欧的范围内。
所述第一导电层 60’具有第一纵向长度 L 1 ，而所述第二导电层62’具有第二纵向长度 L 2 。所述风力涡轮机叶片30具有总长度L，所述翼面区44具有纵向长度L a 。在所示出的实施方案中，导电层60’，62’仅沿翼面区44的一部分延伸。不过，在一种优选实施方案中，导电层60’，62’大体上沿整个翼面区44延伸。所述导电层还可以延伸到过渡区42和/或根部区40中。 所述导电层还可沿所述纵向方向带有缺口，即，多个导电层定位于所述叶片的不同纵向部分中。在一种优选实施方案中，第一导电层60’的第一纵向长度 L 1 和/或第二导电层62’的第二纵向长度 L 2 为所述翼面区44的纵向长度L a 的至少20%，或至少30%，或至少40%，或至少50% 。在另一个优选实施方案中，第一导电层60’的第一纵向长度 L 1 和/或第二导电层62’的第二纵向长度 L 2 至少沿着所述风力涡轮机叶片30的纵向长度 L的至少20%，或至少30%，或至少40%，或至少50%。
图1a-c表示本发明叶片1的一种实施方案的尖部区。根据该实施方案，一个接闪器3安装在叶片1的尖端，所述接闪器优选，但不是必须，主要地是卵形的或形成所谓的富兰克林避雷针。接闪器3与引下线2 连接，引下线大体上沿叶片1的整个纵向延伸，从位于叶片1尖部的接闪器3延伸到位于转子毂处的叶片1根部。与图7所示实施方案类似，导电层（未示出）沿着引下线的长度的一部分并距其一定横向距离地延伸。优选的是，所述引下线部分与所述转子毂电连接，因此，击中接闪器3的闪电产生的雷电电流可通过引下线2和所述毂导入大地，所述毂通过第二引下线（未示出）接地，第二引下线通过，例如塔架和短舱与接地棒连接。另外，可以在引下线2和所述毂之间或在引下线2和所述塔架之间提供一个或多个火花隙。所述引下线和所述接地棒可以是铜导体或可以用任何其他导电材料制成。
引下线2沿其从叶片1根部区到在引下线2与接闪器3之间连接部位的整个纵向上是大体上绝缘的。叶片1由壳体组成，壳体优选由纤维加强的聚合物制成，以便叶片1分别包括层压材料的壳 6和叶片1 内部的空腔9。引下线2和接闪器3是通过，例如螺纹方式连接的，其中，接闪器3优选具有内螺纹。不过，还可以提供这样一种实施方案：其中，接闪器3具有带外螺纹的连接件，所述连接件与引下线2的内螺纹拧在一起。
接闪器3以如下方式被定位在叶片1的层压材料壳 6中：接闪器3 的一部分从位于叶片1后缘处的叶片1表面伸出，其中，引下线2穿过层压材料壳 6的一部分。这里所示出的引下线2包括衬垫或覆盖物绝缘件形式的第一绝缘件。另外，接闪器3和引下线2之间的连接区域是通过收缩套形式的另一个绝缘件5电绝缘的。收缩套 5向引下线2的衬垫绝缘件内延伸短距离，并且向接闪器3内延伸短距离。因此，引下线2一直到接闪器3是完全绝缘的。
另外，叶片1上具有排水孔 4，排水孔同样通过层压材料壳6，并且被位于叶片1的后缘处。排水孔 4与空腔9连接，因此，后者与环境相通。这样，无论何时都能避免叶片1内部水的积累，因为在转子旋转期间，通过离心力的作用，通过排水孔 4将水从叶片1 中排尽。同时，可以为叶片1提供过滤器7，以便收集可能出现在叶片1内部的灰尘和其他污物，使其不会被抛向排水孔 4 并堵塞排水孔。优选的是，过滤器7被安装成横跨空腔9的整个剖面。通过将接闪器3和排水孔 4设置在叶片1的后缘处，可降低由转子旋转产生的噪音。
另外，可以在叶片1的表面提供从位于叶片1后缘处的靠近接闪器3的区域延伸到位于叶片1前缘处的区域的引流器8。该引流器确保在叶片1大体上处于水平状态，其中，接闪器3朝下时，击中叶片1的前缘的闪电被传导至接闪器3，并且通过后者传导至接闪器2。引流器8可以是导电材料的连续的条，不过，也可以是分段的，其中，在雷击时，在所述单独的段之间会形成离子化空气的先导，由此，雷电电流沿引流器8的整个纵向方向被传导。
参见图1c，接闪器3可以划分成两个部分，以便所述接闪器的一部分被模制成叶片1的层压材料壳 6，而第二部分通过诸如螺纹连接的方式与所述第一部分接合。因此，便于更换接闪器3的从叶片1的表面伸出的部分，如果上述部分被磨损或雷击后损坏的话。
图2表示本发明叶片51的另一种实施方案。叶片51包括大体上沿叶片51的整个纵向长度从所述根端延伸到所述尖端的引下线52。引下线52的路线可以沿所述叶片内的支撑梁61，至少沿所述叶片长度的一部分。在靠近尖部处，叶片51具有三个排水孔54，这些孔与所述叶片的内部空腔连通。在所述尖部，引下线52与接闪器53连接。所述接闪器通过粘结剂58固定在所述叶片内。第一导电层60被设置在所述叶片的前缘，而第二导电层62被设置在所述叶片的后缘。所述导电层可以在所述叶片的后缘和前缘，以及迎风和背风侧，即所述叶片的压力侧和吸力侧形成。因此，所述叶片还可以具有第三和第四导电层。不过，根据本发明，单一导电层可能就足够了。 在一个例子中，所述导电层可以通过用短毛油漆滚在所述叶片的外侧的凝胶涂层表面上刷一层交联形成的APC8116D抗静电涂层。所述导电涂层还可以在制造所述壳体时涂在所述凝胶涂层的内部。这样，所述导电涂层被夹在所述凝胶涂层和所述复合材料之间。所述导电层的薄层电阻在每平方1 – 5兆欧的范围内，它被证实能够提供对正雷击的高效防护。因此，所述导电层具有较低的导电性，因此确保所述导电层不会起着接闪器的作用，不过，能提供足够高的导电性以作为寄生导体。
图3表示本发明叶片101的第三种实施方案。根据该实施方案的叶片101具有尖部105，该尖部形成为，例如，聚氨酯，PVC或纤维加强的聚合物材质的实心体。叶片101的其余部分由具有层压材料壳 106的壳体组成。与图1和图2所示实施方案相同，所述叶片的闪电保护系统包括大体上沿叶片101的整个纵向从位于所述转子毂的根端延伸到所述尖端的引下线102，以及在壳体内或上的并且沿着引下线102的长度的一部分并距该引下线一定横向距离地延伸的一个或多个导电层（未示出）。引下线102被引出叶片101的空腔，并且进入在尖部105形成的、与引下线102匹配的孔。所述引下线可粘着在该孔上。所述引下线与大体上卵形的接闪器103连接。接闪器103位于尖部105表面处，以便它的一小部分从所述表面突出。接闪器103 的位置和形状适合匹配叶片101的尖部105理想的空气动力学特性，同时具有大的金属表面，这确保良好的耐久性和长的寿命，因为它含有大量的在雷击时会熔化的材料。
如图1和图2所示实施方案，引下线102和接闪器103优选通过螺纹连接而连接，其中，引下线102和接闪器103之间的连接区域可以是通过诸如收缩套或硅酮形式的额外的绝缘件电绝缘的。不过，实心尖部105可足以提供理想的电绝缘。
尖部105具有与两个排水孔104连接的空腔109，以便所述空腔能够通过所述孔与环境连通。因此，当所述转子旋转时，有可能积累在叶片101内部的水被导到尖部105的空腔109，并且在离心力作用下由此通过排水孔104排出。优选的是，尖部105还提供有引流器，该引流器在尖部105上的靠近排水孔104的区域和靠近接闪器103的区域之间延伸。因此，击中排水孔104的任何闪电都通过引流器传导至接闪器103，并且通过后者传导至引下线102，最终通过转子毂、塔架或等传至大地。尖部105通过粘合接合部108固定在叶片101的其余部分。
图4表示本发明叶片201的第四种实施方案。根据该实施方案的叶片201具有以诸如聚氨酯，PVC或纤维加强的聚合物材质的形成为大体上实心体的尖部205，与图3所示实施方案类似。叶片201的其余部分由具有层压材料壳 206的壳体组成。如图1，图2，和图3所示实施方案，叶片201的闪电保护系统包括大体上沿叶片201的整个纵向从所述转子毂上的根端延伸到所述尖端的引下线202，以及所述壳体内或上的并且沿着引下线202的长度的一部分并距该引下线一定横向距离地延伸的一个或多个导电层（未示出）。引下线202被引出叶片201的空腔，并且进入在尖部205形成的并且匹配引下线202的形状的孔。
引下线202与具有圆形形状并且位于尖部205 的顶点的接闪器203连接。接闪器203被改进以便在尖部205和接闪器203之间具有大体上平滑的过渡，并且以便它具有尖部201的理想的空气动力学特性。换言之，根据该实施方案的接闪器203是叶片201尖部的一部分。
如图1，图2和图3所示实施方案，引下线202和接闪器203是通过夹紧连接装置或螺纹连接装置211连接的。另外，引下线通过两个带有外螺纹的塑料棒 210和接闪器203内的两个螺纹孔固定在尖部205。引下线202和接闪器203之间的连接区域是通过诸如收缩材料或硅酮形式的额外绝缘件电绝缘的。不过，实心尖部205可足以提供需要的电绝缘。
由于闪电“试图”寻找到达大地的最短路径，所以闪电通常会击中发生闪电时在空气中伸得最高的所述转子的叶片。不过，存在闪电在转子旋转期间叶片大体上处于水平状态时击中叶片的风险。这就是雷击最有可能穿过叶片的层压材料或击中叶片壳半部的接合部的情况。
申请人业已进行了多次试验，以检验叶片闪电保护系统在这种最坏情况下的表现。通过在雷击发生在叶片之上以前，将叶片悬挂在高于实验室地面或在试验过程中模拟等位面的台面的水平位置处，同时接近处于水平姿态，来进行所谓的高压切换和闪电脉冲模拟。在所述实验室表面和所述叶片的闪电保护系统之间形成了电位差，以便在所述叶片的闪电保护系统和所述实验室地面之间激发飞弧。所述试验用正极性和负极性进行，其中，具有正极性的飞弧是在1050 kV的电压下进行，而具有负极性的飞弧是在1400 kV的电压下进行。
所述试验是利用LM Glasfiber公司出售的具有不同闪电保护系统不同的LM28.8P和LM53.2P叶片进行的。很快就证实了接闪器和引下线与锚定块连接的传统闪电保护系统不足以预防通过所述叶片层压材料或所述叶片壳体半部的接合部的雷击。
在试验用于对应于图1所示没有导电层的闪电保护系统的闪电保护系统的不同引下线时，令人惊异地发现，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引下线，在防止通过所述叶片表面的雷击方面特别有效。在22次模拟雷击之后，12次正雷击，10次负雷击，所述叶片没有出现可见损伤或其他负面效果。在所有模拟雷击期间，仅观察到在所述叶片的接闪器处形成闪流。
随后在相当于正雷击的更高负电压下对没有导电层的叶片进行了试验，不过，发现需要额外的保护。因此，随后用电压为-1410 kV，-1416 kV，和-1880 kV的三种连续的切换脉冲对装有图2所示包括导电层的闪电保护系统的LM53.2P 叶片部件进行的试验没有出现损伤，因此，满足IEC61400-24 CDV标准的要求。因此，令人惊异地发现，增加所述导电层提供了对正雷击的高效保护作用，即使在所述叶片的方向以相对水平面成5度角的几乎平行于地面的最糟糕的取向下也是如此。
参见图5，试验的电缆是由铜线制成的50 mm2芯21和大约4，5 mm厚的由HDPE制成的绝缘套22构成。在芯21和绝缘套22之间，提供了半导体材料23，其目的是最小化单根铜线上的电场密度。不过，要实现所述闪电保护系统的理想的效果，半导体材料23不是绝对必要的。业已发现，使用较薄的HDPE绝缘层就足够了。这是有利的，因为所述电缆不会导致所述叶片重量的不必要的大幅增加。而且，这种电缆成本非常低。因此，所述新型闪电保护系统不仅能够有效预防穿过所述叶片表面的雷击，而且还能提供较简单的构，并且生产成本比有或没有多接闪器的传统闪电保护系统低。
不过，通过使用导电层60，60’，62，62’，使用没有任何绝缘层的引下线就足够了。
业已结合优选实施方案对本发明进行了说明。在不脱离本发明范围的前提下，可以设想多种改进。对本领域技术人员来说显而易见的改进和改变被视为落入本发明的保护范围。
附图标记说明
1，51，101，201 叶片
2，52，102，202 引下线
3，53，103，203 接闪器
4，54，104，204 排水孔
5 收缩套或收缩材料
105，205 尖部
6，106，206 层压材料壳
7 过滤器
8 引流器
58，108，208 粘合接合部
9，109，209 空腔
21 内导体
22 绝缘衬垫或覆盖物
23 半导体材料
25 风力涡轮机
26 塔架
27 短舱
28 转子毂
30 叶片
34 叶尖
36 叶根
40 根部区
42 过渡区
44 翼面区
48 前缘
50 后缘
60 第一导电层
61 支撑梁
62 第二导电层
210 塑料棒
211 螺纹连接
212 螺纹孔
Claims (16)
1.一种具有闪电保护系统的风力涡轮机叶片（1，51，101，201），其中，所述叶片（1，51，101，201）包括由复合材料制成的壳体，并且包括具有根端和尖端的纵向，所述叶片还包括异型轮廓，所述异型轮廓包括压力侧和吸力侧、以及前缘和后缘，弦具有在前缘和后缘之间延伸的弦长，所述异型轮廓，在受到入射空气流的冲击时会产生升力，其中，所述闪电保护系统包括：
-至少一个接闪器（3，53，103，203），被可自由接近地布置在所述壳体表面的表面内或上，和
-引下线（2，52，102，202），由导电材料制成或包括导电材料，并且在所述壳体内从所述接闪器（3，53，103，203）延伸到所述叶片（1，51，101，201）的根端，其中
-所述接闪器（3，53，103，203）和所述引下线（2，52，102，202）是电连接的，其特征在于
-所述壳体包括至少第一导电层（60，62），该第一导电层沿着所述引下线（2，52，102，202）的至少纵向部分且距所述引下线一定横向距离地延伸，其中，所述第一导电层（60，62）是与所述引下线（2，52，102，202）和所述接闪器（3，53，103，203）电绝缘的，其中，所述第一导电层（60，62）的薄层电阻在每平方1-5兆欧的范围内。
2. 如权利要求1所述的风力涡轮机叶片（1，51，101，201），其中，所述至少一个接闪器（3，53，103，203）被布置在所述叶片（1，51，101，201）的尖部或非常接近所述叶片（1，51，101，201）的尖部。
3. 如权利要求1或2所述的风力涡轮机叶片（1，51，101，201），其中，所述异型轮廓被划分成：
-根部区，其最接近于风力涡轮机的转子的转子毂并具有大体上圆形或椭圆形的型面，
-翼面区，其离所述转子毂最远并具有升力产生型面，和
-位于所述根部区和所述翼面区之间的过渡区，所述过渡区具有沿径向方向从所述根部区的圆形或椭圆形型面逐渐变化成所述翼面区的升力产生型面的型面。
4. 如权利要求3所述的风力涡轮机叶片（1，51，101，201），其中，所述第一导电层沿所述翼面区的纵向长度的至少20%，或至少30%，或至少40%，或至少50%延伸。
5. 如权利要求1所述的风力涡轮机叶片（1，51，101，201），其中，所述第一导电层沿所述风力涡轮机叶片的纵向长度的至少20%，或至少30%，或至少40%，或至少50%延伸。
6. 如权利要求1所述的风力涡轮机叶片（1，51，101，201），其中，所述引下线包括由导电材料，制成的内导体（21）；和由聚乙烯制成的衬垫绝缘件（22）；任选地具有一层在所述内导体和所述衬垫绝缘件之间提供的半导体材料。
7. 如权利要求1所述的风力涡轮机叶片（1，51，101，201），其中，所述第一导电层包括导电涂层。
8. 如权利要求1所述的风力涡轮机叶片（1，51，101，201），其中，所述第一导电层包括导电网。
9. 如权利要求1所述的风力涡轮机叶片（1，51，101，201），其中，所述第一导电层位于所述壳体的外表面上。
10. 如权利要求1所述的风力涡轮机叶片（1，51，101，201），其中，所述第一导电层位于所述壳体的内表面上。
11. 如权利要求1所述的风力涡轮机叶片（1，51，101，201），其中，所述第一导电层被嵌入所述壳体的复合材料中。
12. 如权利要求1所述的风力涡轮机叶片（1，51，101，201），其中，所述第一导电层能够是具有大体上沿着所述叶片的纵向取向的纵向的条。
13. 如权利要求1所述的风力涡轮机叶片（1，51，101，201），其中，所述第一导电层位于或接近所述前缘，而第二导电层位于或接近所述后缘。
14.如权利要求6所述的风力涡轮机叶片（1，51，101，201），其中，所述导电材料为铜或铝，而所述聚乙烯为HDPE。
15. 一种具有转子的风力涡轮机，其特征在于所述转子包括多个如权利要求1-14中任一项所述的叶片（1，51，101，201）。
16. 一种将闪电保护系统加装到风力涡轮机叶片的方法，其中，所述叶片（1，51，101，201）包括由复合材料制成的壳体，并且包括具有根端和尖端的纵向，所述叶片还包括异型轮廓，所述异型轮廓包括压力侧和吸力侧、以及前缘和后缘，弦具有在前缘或后缘之间延伸的弦长，所述异型轮廓在受到入射空气流的冲击时会产生升力，该方法包括以下步骤：
- 为所述叶片（1，51，101，201）提供至少第一接闪器（3，53，103，203），该第一接闪器被可自由接近地布置在所述壳体表面的表面内或上，并且任选地位于或紧邻所述叶片（1，51，101，201）的尖端，
- 为所述叶片（1，51，101，201） 提供由导电材料制成的引下线（2，52，102，202），该引下线在所述壳体内从所述接闪器（3，53，103，203）延伸到所述叶片（1，51，101，201）的根端，所述接闪器（3，53，103，203）和所述引下线（2，52，102，202）是电连接的，和
-为所述壳体提供至少第一导电层（60），所述第一导电层沿所述引下线（2，52，102，202）的至少纵向部分并距该引下线一定横向距离地延伸，其中，所述第一导电层（60）是与所述引下线（2，52，102，202）和/或所述接闪器（3，53，103，203）电绝缘的，并且，其中，所述导电层（60）的薄层电阻在每平方1-5兆欧的范围内。
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