CN102869882B - 具有雷电防护系统的风力涡轮机叶片 - Google Patents

具有雷电防护系统的风力涡轮机叶片 Download PDF

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Abstract

本发明描述了一种具有雷电防护系统的风力涡轮机叶片。叶片包括壳体并包括具有根端和尖端的纵向方向。叶片进一步包括包含压力侧和吸力侧的成型轮廓、以及具有弦的前缘和后缘，弦具有在前缘和后缘之间延伸的弦长，成型轮廓当被入射气流冲击时产生升力。雷电防护系统包括：在壳体表面内或壳体表面上布置为可自由到达的至少一个接闪器、以及雷电引下导体，雷电引下导体电连接于接闪器并包括由嵌入于铺垫绝缘体的导电材料制成的内导体，铺垫绝缘体由不导电材料制成。雷电引下导体进一步包括具有在每米10兆欧姆至10000兆欧姆的范围内的阻抗的第一传导层，第一传导层位于离内导体于横向距离并且与内导体电隔绝。

Description

具有雷电防护系统的风力涡轮机叶片
技术领域
本发明涉及具有雷电防护系统的风力涡轮机叶片，其中叶片包括壳体并且包括具有根端和尖端的纵向方向，叶片进一步包括包含压力侧和吸力侧的成型轮廓，以及具有弦的前缘和后缘、弦具有在前缘和后缘之间延伸的弦长，成型轮廓当被入射气流冲击时产生升力。雷电防护系统包括：在壳体表面内或壳体表面上布置为可自由到达的至少一个接闪器、以及雷电引下导体，雷电引下导体电连接于接闪器并且包括由嵌入于铺垫绝缘体的导电材料制成的内导体，铺垫绝缘体由不导电材料制成。本发明还涉及包括这种风力涡轮机叶片的风力涡轮机。
背景技术
提供具有雷电防护系统的叶片以防护其免受雷电电击是公知的。WO96/07825作为实例公开了一种雷电防护系统，其中叶片尖提供有由导电材料制成的所谓的接闪器。该接闪器可“捕获”雷电电击并且通过雷电引下导体传导电流，所述导体在叶片的纵向方向上延伸并且通过风力涡轮机的转子毂接地。该系统已经常被证明是提供抵御雷电电击的理想防护。
然而，由于污水是导电的，因此从接闪器或雷电引下导体到叶片上水积聚的区域存在闪络或火花放电的风险。在该情况下，雷电电流将水加热，这可能会引起“蒸汽喷发”。这会导致压力增加，压力增加高到足以破坏叶片。闪络还可能由于如来自空气中的微粒的沉淀、叶片表面上的盐分或昆虫而产生。由于闪络的破坏导致叶片不得不修理，或者在最糟糕的情况下不得不替换，由于修理或替换叶片复杂，这是耗时和昂贵的过程，尤其是对离岸风力发电站而言。
此外，存在通过叶片表面电击雷电引下导体(或闪络)的风险，其虽然最多只是产生穿过叶片表面的小孔，但经常会对叶片引起更大的破坏。为了在没有叶片破坏下更好地控制通过叶片的雷电电流，雷电防护系统可以提供有沿叶片纵向方向的数个接闪器(多接收器(multi-receptors))或雷电引下导体。优选地，接闪器以五米的最大区间布置以保证没有通过叶片表面的雷电电击(或闪络)。然而，这是一个相对昂贵和复杂的方案。
WO2007/062659提供了内雷电导体在其整个纵向长度(extent)上电绝缘的方案。
US2008/095624公开了具有雷电防护系统的转子叶片，所述雷电防护系统包括绝缘引下导体，其中电介质层被用于绝缘。
WO00/14405公开了风力涡轮机叶片，其中叶片包括叶片壁，所述叶片壁包含含有碳纤维增强塑料的矩圆形(oblong)的条，其电连接于内雷电引下导体。
EP1011182公开了提供有设在外表面上的导电带层(tapelayer)的风力涡轮机叶片。
WO01/77527公开了包括雷电防护系统的风力涡轮机叶片，所述雷电防护系统包括一个或多个内部传导装置和一个或多个外部雷电传导装置。
WO2008/006377公开了包括机舱和至少一个风力涡轮机叶片的风力涡轮机，其中至少一个所述部件包括连接于地电势的传导膜层。
DE10228665、DE10233528和WO2006/099880介绍了提供有用于避免滑闪放电的雷电引下导体和连接件的外部雷电防护系统。雷电引下导体具有嵌于绝缘外壳内的导电体，其继而可以涂覆有具有多达每米1兆欧姆阻抗的传导层。
WO98/18186公开了雷电导体，其包括内电导体、包围内电导体的绝缘层、以及包围绝缘层的阻抗式半导层。半导层具有落在从大约每米100欧姆到大约每米100000欧姆的范围内的阻抗。
US4687882公开了包括由电缆绝缘体分隔开的内和外导体的屏蔽电力电缆，所述电缆绝缘体定义在用于高频电流的导体之间的位移电流路径。
发明内容
本发明的一个目标是得到新型风力涡轮机叶片，其克服或改进现有技术的至少一个缺点或其提供了有用的可替代物。
根据本发明，该目标通过雷电引下导体获得，所述雷电引下导体进一步包括具有在每米10至10000兆欧姆范围内的阻抗的第一传导层，所述第一传导层位于离内导体于横向距离并且与内导体电隔离。有利地，雷电引下导体电连接于接闪器和接地连接之间。这可以通过直接电连接和/或使用火花隙实施。
有利地，当在20摄氏度测量时，第一传导层具有在每米10兆欧姆至10000兆欧姆范围内的阻抗。第一传导层还可以具有覆盖-10摄氏度至35摄氏度的温度范围、有利地覆盖-20摄氏度至50摄氏度的温度范围、且更有利地覆盖-40摄氏度至50摄氏度的温度范围的每米10兆欧姆至10000兆欧姆范围内的阻抗。
装备有相对低传导率的第一传导层的引下导体的布置有助于避免形成闪流(streamers)和/或导流(leaders)。通过起寄生(parasitic)导体作用，在雷电电击期间降低了内导体周围的电场。这最小化了尤其连同正雷电电击出现的竖直闪流的问题，该正雷电电击一般占雷电电击的大约10％。这种闪流和导流是雷电电击的前阶，且因而避免了它们的建立也避免了雷电电击。而且，可以避免需要多接收器。如果传导层的阻抗太小，其为对于在WO2006/099880中所示的具体实施方式的情况，传导层可以作为接闪器并且增加了闪络的风险，潜在地破坏雷电引下导体的绝缘以及风力涡轮机叶片。另一方面，如果层(sheet)阻抗太大，层对雷电引下导体周围的电场的影响不足以提供必要的防护。已意外发现到的是，相较于常规的雷电防护系统和引下导体，添加具有相对低传导率的第一传导层针对正雷电电击提供很大改进的、有效的防护。
在其根端，雷电引下导体优选通过转子毂与地面连接，致使来自雷电电击的电流被安全地从接闪器传导到雷电引下导体并最终传导到地面。然而，使用在雷电引下导体和转子毂之间的火花隙可能是足够的。
通常，第一传导层涂覆在铺垫绝缘体的外部。然而，具有覆盖第一传导层的第二铺垫绝缘体也是可能的。该第二铺垫绝缘体可以继而涂覆有第二传导层。
第一传导层沿引下导体的至少一个部分延伸，有利地沿引下导体长度的至少50%、或60％或70％或80％或90％延伸。有利地，第一传导层可以沿引下导体的整个长度延伸。
根据优选的具体实施方式，壳体由复合材料，诸如增强纤维聚合材料制成。有利地，壳体由不导电材料制成。这样，增强纤维优选不是由金属或碳制成。根据具体的有利的具体实施方式，增强纤维是玻璃纤维。聚合材料可以例如是环氧树脂、聚脂纤维或乙烯基脂。因而，壳体自身是不导电的，因而最小化了雷电电击击中风力涡轮机叶片的风险而且进一步最小化了闪络对壳体的风险。
根据一个有利的具体实施方式，雷电引下导体是在壳体内延伸的内雷电导体。
有利地，雷电引下导体从接闪器延伸到叶片根端。
铺垫绝缘体可以是任意合适的不导电材料。根据一个有利的具体实施方式，铺垫绝缘体包括或由聚乙烯，有利地是高密度聚乙烯(HDPE)制成。雷电引下导体可以进一步包括在内导体和铺垫绝缘体之间的半导材料层。
根据一个具体实施方式，第一传导层的阻抗在每米50至10000兆欧姆的区间内、或每米100至10000兆欧姆、或每米250至10000兆欧姆、每米350至10000兆欧姆、或在每米500至10000兆欧姆的范围内。实践中，已表明的是，为了得到预期效果，对于具有4.5mm厚度的铺垫绝缘体，第一传导层的阻抗应至少为350兆欧姆/米。然而，所期待的是如果铺垫绝缘体较厚，可以使用较低的阻抗(或等同地较高的传导率)。当在20摄氏度测量时阻抗可以呈现(exhibit)在上述范围内的数值。再一次，阻抗可以呈现覆盖(over)前述温度区间的数值。
有利地，第一传导层位于离内导体至少3mm的距离处、或离内导体至少4mm、或者离内导体至少5mm的距离处。换言之，铺垫绝缘体可以具有至少3mm、或4mm、或5mm的厚度。还预期到的是离内导体的距离可以是至少6、7、8、9或10mm。
然而，对于内导体和第一传导层之间的距离还可以具有上限以为了得到预期效果。因此，根据另一有利的具体实施方式，第一传导层位于离内导体的小于10cm、或者离内导体小于7cm、或者离内导体小于4cm的距离处。换言之，铺垫绝缘体可以具有小于10cm、或7cm或4cm的厚度。所述距离甚至可以离内导体小于3cm、或离内导体小于2cm。
有利地，所述至少一个接闪器布置在叶片尖处或紧邻于叶片尖。所以，当风力涡轮机叶片朝上指向时，接闪器会位于高位，因而最大化了雷电电击击中接闪器而不是叶片其他部分的可能性。然而，原则上根据本发明的引下导体还可以与多接收器方案结合，其中使用多个接闪器，以及使用一根或多根雷电引下导体。
例如可以使用本申请人的WO2007/062659专利公开的任意一种提出方案中的雷电引下导体。那个专利申请的公开具体实施方式均包括内部引下导体。然而原则上，所述方案还可以适用于外部绝缘引下导体或引下导体嵌入于叶片壳体的方案。
根据一种具体实施方式，第一传导层被分为具有不同阻抗的不同部分。因而，所述部分具有不同的传导率。阻抗沿纵向方向(从尖端向地面)可以例如是持续地或逐级地增加或减少。
根据第二方面，本发明提供了具有转子的风力涡轮机，所述转子包括根据任意一项在前权利要求的一定数目的叶片，有利地为两个或三个。
根据第三更宽泛的方面，本发明提供了包括由导电材料制成的内导体的雷电引下导体，所述导电材料嵌入于由不导电材料制成的铺垫绝缘体中，其中雷电引下导体进一步包括第一传导层，所述第一传导层具有在每米10至10000兆欧姆范围内的阻抗，第一传导层位于离内导体的于横向距离并且与内导体电隔绝。任意前述具体实施方式适用所述雷电引下导体。
根据第四方面，本发明提供了雷电防护系统，所述雷电防护系统包括根据所述第三方面的雷电引下导体、接闪器和接地连接，其中引下导体电连接于接闪器和接地连接之间。雷电防护系统通常可以例如用于风力涡轮机，如通过将接闪器安装于风力涡轮机的机舱的顶部上。雷电系统还可以用于房屋或其他建筑物。接闪器可以例如安装于房屋或建筑物的屋顶顶部上，而引下导体可以例如位于房屋或建筑物的外墙内。
附图说明
以下结合附图中所示的具体实施方式具体地阐述本发明，其中
图1显示风力涡轮机；
图2显示根据本发明的风力涡轮机叶片的第一具体实施方式；
图3显示根据本发明的风力涡轮机叶片的第二具体实施方式；以及
图4-9显示根据本发明的雷电引下导体的多种具体实施方式的截面。
具体实施方式
图1示出根据所谓的“丹麦概念(Danishconcept)”的常规现代逆风风力涡轮机，其具有塔4、机舱6和具有基本水平转子轴的转子。转子包含毂8和从毂8径向延伸的三个叶片10，每一叶片具有离毂最近的叶片根16和离毂8最远的叶片尖14。
图2显示根据本发明的风力涡轮机叶片10的第一具体实施方式的示意图。风力涡轮机叶片10具有常规风力涡轮机叶片的形状，并且包括离毂最近的根区域30、离毂最远的成型区域或翼面区域34以及在根区域30和翼面区域34之间的过渡区域32。叶片10包括当叶片安装在毂上时面对叶片10旋转方向的前缘18、以及面对前缘18的相反方向的后缘20。
翼面区域34(也称为成型区域)具有相对于产生升力的理想叶片形状或近乎理想叶片形状，而出于结构考虑根区域30具有基本圆形的或椭圆形的截面，其例如使叶片10安装到毂变得更简单和更安全。根区域30的直径(或弦)沿整个根区域30通常是恒定的。过渡区域32具有从根区域30的圆形或椭圆形形状40逐渐改变到翼面区域34的翼面轮廓50的过渡轮廓42。通常过渡区域32的宽度随离毂的距离r的增加而基本线性增加。
翼面区域34具有翼面轮廓50，其具有在叶片10的前缘18和后缘20之间延伸的弦。弦的宽度随离毂的距离r的增加而减少。
叶片的不同部分的弦一般不位于一个共有的平面内，由于叶片可以是扭转的和/或曲线的(即预弯曲过)，因而提供了对应扭转和/或曲线进程(course)的弦平面，这是最经常的情况以为了补偿取决于离毂半径的叶片局部速度。
风力涡轮机叶片10提供有包括接闪器60的雷电防护系统，接闪器60布置在邻近叶片10尖端的叶片10后缘20处。内雷电导体70在风力涡轮机叶片10的壳体内从接闪器60延伸至叶片的根端并且从那儿被连接至接地连接80。这种接地连接通常经过转子毂和/或机舱，并且通过塔至地矛(groundspear)等等。雷电防护系统的设计意仅是作为实例，且布局可以是例如WO2007/062659或WO96/07825所示出的任意具体实施方式，然而提供有根据本发明的引下导体。
图3显示根据本发明的风力涡轮机叶片110的第二具体实施方式，其中相似的数字标号指的是图2中所示出的第一具体实施方式的相似部分。在本具体实施方式中，叶片的尖端提供有由例如铝制成的导电网的形式的接闪器160。接闪器160电连接于第一引下导体170和第二引下导体170’，第一引下导体170和第二引下导体170’两者继而连接至接地连接180。第一引下导体170布置于邻近叶片110的后缘120，而第二引下导体170’布置于叶片110的前缘118。引下导体可以例如是嵌入于风力涡轮机叶片110的壳体中。
图4显示根据本发明的引下导体270的第一具体实施方式的截面。引下导体包括由导电材料制成的内导体271并且内导体由不导电材料制成的绝缘套或铺垫绝缘体272覆盖。套272涂覆有第一传导层273，其具有在10-10000兆欧姆/米的区间内的阻抗，并且有利地在100-10000兆欧姆/米的区间内，即相对低的传导率。通过提供具有这种传导层的引下导体，通过起寄生导体作用，在雷电电击期间降低了内导体周围的电场。然而，传导率如此低以致于该层没有以其自身起到引下导体的作用。这最小化了尤其连同正雷电电击出现的竖直闪流的问题，正雷电电击一般占雷电电击的大约10%。这种闪流和导流是雷电电击的前阶，且因而避免了他们的建立也避免了雷电电击。由半导材料制成的中间层274可以可选地提供在内导体271和套272之间以为了最小化内导体271的各根电线的电场集中。
在经检验的具体实施方式中，引下导体包括由铜电线制成的50mm2的核或内导体271和由HDPE制成的约4.5mm厚的绝缘套272，并且在内导体271和绝缘套272之间装备半导材料274。在本具体实施方式中，我们发现，为了得到预期效果（即非常低的电传导率），第一传导层的阻抗应该至少为350兆欧姆/米。然而，如果套272的厚度增加，则使用下降到如100兆欧姆/米或甚至10兆欧姆/米的较低的阻抗是有可能的。
图5、6和7分别显示根据本发明的引下导体的第二、第三和第四具体实施方式的截面，并且其中相似的数字标记指的是图4所示的第一具体实施方式的相似部分。这些具体实施方式不同于第一具体实施方式在于第一传导层仅以带形式提供，图5所示的第二具体实施方式具有两条带，图6所示的第三具体实施方式具有三条带，及图7所示的第四具体实施方式具有四条带。
图8显示根据本发明的引下导体670的第五具体实施方式的截面，其中相似的数字标记指的是图4所示的第一具体实施方式的相似部分。本具体实施方式不同于第一具体实施方式在于第二绝缘套或铺垫绝缘体675提供于第一传导层673的顶部之上。
图9显示根据本发明的引下导体770的第六具体实施方式的截面，其中相似的数字标记指的是图4所示的第一具体实施方式的相似部分。本具体实施方式不同于第一具体实施方式在于第二绝缘套或铺垫绝缘体775提供于第一传导层773的顶部之上，在第二绝缘套或铺垫绝缘体775的顶部之上涂覆有第二传导层776。第二传导层可以有利地具有比第一传导层772更低的阻抗(或等同地更高的传导率)。
图4-8的具体实施方式所示为具有半导材料的中间层。然而，从先前的描述中清楚的是该中间层仅是可选的。
参考数字标记的清单
2风力涡轮机
4塔
6机舱
8毂
10、110叶片
14、114叶片尖
16、116叶片根
18、118前缘
20、120后缘
30、130根区域
32、132过渡区域
34、134翼面区域
40圆形或椭圆形轮廓
42过渡轮廓
50翼面轮廓
60、160接闪器
70、170、170’、270、370、470、引下导体
570、670、770
271、371、471、571、671、771内导体
272、372、472、572、672、772铺垫绝缘体或套
273、373、473、573、673、773第一传导层
274、374、474、574、674、774可选的半导材料的中间层
675、775第二铺垫绝缘体
776第二传导层

Claims (28)

1.具有雷电防护系统的风力涡轮机叶片(10、110)，其中所述叶片包括壳体并包括具有根端和尖端的纵向方向，所述叶片(10、110)进一步包括包含压力侧和吸力侧的成型轮廓、以及具有弦的前缘(18、118)和后缘(20、120)，所述弦具有在所述前缘和所述后缘之间延伸的弦长，所述成型轮廓当被入射气流冲击时产生升力，并且其中所述雷电防护系统包括：
－在所述壳体表面内或所述壳体表面上布置为可自由到达的至少一个接闪器(60、160)；以及
－雷电引下导体(70、170、170’、270、370、470、570、670、770)，其电连接于所述接闪器(60、160)并包括内导体(271、371、471、571、671、771)，所述内导体(271、371、471、571、671、771)由嵌入于由不导电材料制成的铺垫绝缘体(272、372、472、572、672、772)中的导电材料制成，其特征在于：
－所述雷电引下导体(70、170、170’、270、370、470、570、670、770)进一步包括具有在每米10至10000兆欧姆范围内的阻抗的第一传导层，所述第一传导层(273、373、473、573、673、773)位于离所述内导体(271、371、471、571、671、771)于横向距离并且与所述内导体(271、371、471、571、671、771)电隔绝。
2.根据权利要求1的风力涡轮机叶片，其中当在20摄氏度测量时，所述第一传导层(273、373、473、573、673、773)具有在每米10至10000兆欧姆范围内的阻抗。
3.根据权利要求2的风力涡轮机，其中覆盖-10摄氏度至35摄氏度的温度范围，所述第一传导层(273、373、473、573、673、773)具有每米10兆欧姆至10000兆欧姆的范围内的阻抗。
4.根据权利要求2的风力涡轮机，其中覆盖-20摄氏度至50摄氏度的温度范围，所述第一传导层(273、373、473、573、673、773)具有每米10兆欧姆至10000兆欧姆的范围内的阻抗。
5.根据权利要求2的风力涡轮机，其中覆盖-40摄氏度至50摄氏度的温度范围，所述第一传导层(273、373、473、573、673、773)具有每米10兆欧姆至10000兆欧姆的范围内的阻抗。
6.根据权利要求1-5中任一项的风力涡轮机叶片，其中所述壳体由复合材料制成。
7.根据权利要求1-5中任一项的风力涡轮机叶片，其中所述壳体由增强纤维聚合材料制成。
8.根据权利要求1-5中任一项的风力涡轮机叶片，其中所述雷电引下导体(70、170、170’、270、370、470、570、670、770)为在所述壳体内延伸的内雷电导体(70)。
9.根据权利要求8的风力涡轮机叶片，其中所述雷电引下导体从所述接闪器延伸到所述叶片的根端。
10.根据权利要求1-5中任一项的风力涡轮机叶片，其中所述铺垫绝缘体包括聚乙烯。
11.根据权利要求1-5中任一项的风力涡轮机叶片，其中所述铺垫绝缘体包括HDPE。
12.根据权利要求1-5中任一项的风力涡轮机叶片，其中所述雷电引下导体进一步包括在所述内导体(271、371、471、571、671、771)和所述铺垫绝缘体之间的半导材料(274、374、474、574、674、774)的层。
13.根据权利要求1-5中任一项的风力涡轮机叶片，其中所述阻抗在每米50兆欧姆至10000兆欧姆的范围内。
14.根据权利要求1-5中任一项的风力涡轮机叶片，其中所述阻抗在每米100兆欧姆至10000兆欧姆范围内。
15.根据权利要求1-5中任一项的风力涡轮机叶片，其中所述阻抗在每米250兆欧姆至10000兆欧姆的范围内。
16.根据权利要求1-5中任一项的风力涡轮机叶片，其中所述阻抗在每米350兆欧姆至10000兆欧姆的范围内。
17.根据权利要求1-5中任一项的风力涡轮机叶片，其中所述阻抗在每米500兆欧姆至10000兆欧姆的范围内。
18.根据权利要求1-5中任一项的风力涡轮机叶片，其中所述第一传导层(273、373、473、573、673、773)位于离所述内导体(271、371、471、571、671、771)至少3mm的距离处。
19.根据权利要求1-5中任一项的风力涡轮机叶片，其中所述第一传导层(273、373、473、573、673、773)位于离所述内导体(271、371、471、571、671、771)至少4mm的距离处。
20.根据权利要求1-5中任一项的风力涡轮机叶片，其中所述第一传导层(273、373、473、573、673、773)位于离所述内导体(271、371、471、571、671、771)至少5mm的距离处。
21.根据权利要求1-5任一项的风力涡轮机叶片，其中所述第一传导层(273、373、473、573、673、773)位于离所述内导体(271、371、471、571、671、771)小于10cm的距离处。
22.根据权利要求1-5任一项的风力涡轮机叶片，其中所述第一传导层(273、373、473、573、673、773)位于离所述内导体(271、371、471、571、671、771)小于7cm的距离处。
23.根据权利要求1-5任一项的风力涡轮机叶片，其中所述第一传导层(273、373、473、573、673、773)位于离所述内导体(71、371、471、571、671、771)小于4cm的距离处。
24.根据权利要求1-5中任一项的风力涡轮机叶片，其中所述至少一个接闪器(60、160)布置在所述叶片尖处或紧邻于所述叶片尖。
25.根据权利要求1-5任一项的风力涡轮机叶片，其中所述第一传导层被分为具有不同阻抗的不同部分(373、473、573)。
26.具有转子的风力涡轮机，其特征在于所述转子包括根据权利要求1-25中任一项的一定数目的叶片。
27.具有转子的风力涡轮机，其特征在于所述转子包括根据权利要求1-25中任一项的两个叶片。
28.具有转子的风力涡轮机，其特征在于所述转子包括根据权利要求1-25中任一项的三个叶片。
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