CN102985688A - 风力发电用叶片的雷电保护结构 - Google Patents

风力发电用叶片的雷电保护结构 Download PDF

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Abstract

在具有雷电接受器的风力发电机叶片上，尽可能地防止了对于在叶片和雷电接受器之间的边界的雷击。存在被设置成形成风力发电机叶片(3)的表面的一部分的雷电接受器(31)和从雷电接受器的表面向外突出的雷电接受突起(4)。雷电接受突起(4)被设置于在叶片(30)和雷电接受器(31)之间的表面边界(32)。防雷电的表面边界(32a)被设置在圆(5)的半径方向内侧，该圆以雷电接受突起(4)的末端为中心并且具有是雷电接受突起(4)的长度的两倍的半径，在雷电接受器的表面上电场集中最高的点从边界移动到突起的末端，并且当雷电袭击叶片时，与袭击边界区域的雷电相关联的叶片损坏的可能性显著地降低。

Description

风力发电用叶片的雷电保护结构
技术领域
本发明涉及一种风力发电用叶片的雷电保护结构，该雷电保护结构防止风力发电所利用的叶片由于雷电袭击而被损坏。
背景技术
当前地使用的风力发电用叶片主要由玻璃纤维增强塑料(GFRP)制成，并且叶片自身是绝缘体并且不具有导电性。相应地，在小型风力发电机时期，认为叶片不受雷电袭击。然而，随着风力发电机的尺寸变大，受到雷电袭击的叶片的损坏加重。相应地，将由金属制成的构件(雷电接受器)联接到叶片并且将引线(引下线)连接到金属钩件和地面的方法已经得到普及。各种形状或者类型的雷电接受器已经被提出并且投入实际使用。
例如，在特许文献1中，公开了一种风力发电的雷电保护系统，该雷电保护系统包括被设置在叶片上的导体环和被设置于在其中配备有风力发电机的转子外壳中的非线性电阻体或者氧化锌类型避雷元件，其中非线性电阻体或者氧化锌类型避雷元件面对导体环。
在特许文献2中，公开了一种雷电保护结构，除了被电绝缘的风轮机叶片，该雷电保护结构能够通过在设备上方安装早期的流光发射式避雷导体而改进雷电保护效果。
而且，为了保护由GFRP制成的叶片，在特许文献3中，公开了一种能够防止叶片受到雷击的用于风轮机的避雷器设备，其中一个或更多个电极板被联接在叶片的末端和根部之间以使得雷电流从电极板流动到电极板或者从电极板直接在叶片表面上沿面放电。在毂中收集的雷电流从毂通过吊舱和塔架而被引导到地面，从而能够完全地防止叶片燃烧。
在特许文献4中，公开了一种用于风力涡轮发电机的避雷器，其中在与叶片的下端间隔开的位置处与叶片的下端相对的金属构件被联接到风轮机塔架，并且金属构件位于主要地围绕金属构件旋转的叶片的末端附近，从而对于叶片的每一次旋转，在叶片上的电荷被排放到靠近该叶片的金属构件，从而防止雷电袭击叶片。
在特许文献5中，公开了一种避雷保护装置，其中用于突出的由耐热传导材料制成的避雷针的安装基座被装配到驱动发电机的风轮机的叶片的末端从而覆盖该末端，然后吸收由霹雳产生的光/热能并且被热熔合的突出的避雷针被以可拆卸方式安装到用于突出的避雷针的安装基座。该突出的避雷针从用于突出的避雷针的安装基座的外表面以抛物线形式凸出，用于突出的避雷针的安装基座和在叶片的中央部分处的传导毂被布置在叶片中的雷电保护导体电连接，被热熔合的放电管本体被以可拆卸方式安装到在毂的发电机侧处的端面，通过放电间隙与放电管本体对正的传导放电环被装配到在吊舱的风轮机侧处的端部，并且然后放电环通过雷电保护引线而被接地。
引用列表
专利文献
特许文献1：JP-A-2000-265938
特许文献2：JP-A-2001-123934
特许文献3：JP-A-2002-227757
特许文献4：JP-A-2003-282295
特许文献5：JP-A-2005-302399
发明内容
技术问题
然而，利用在特许文献1和4中公开的构造，如果叶片变大，则在叶片的末端和非线性电阻体或者雷电导体之间的距离延长，从而充分地防止叶片的末端被雷电袭击是不可能的。
此外，在根据如在特许文献2、3和5中所公开的相关技术的金属芯片末端的雷击保护设备中，在金属部分和FRP部分之间存在边界部分，接受雷电引起温度突然地增加，并且在一些情形中，叶片受到损坏。另外，电场很可能在边界部分上集中，从而难以说雷电接受频率是低的。而且，因为进行风轮机的叶片的维护需要很高的成本，所以需要一种不再需要定期维护的设备。
已经鉴于上述问题实现了本发明，并且本发明的一个目的在于提供一种雷电保护结构，其中突起被设置于在雷电接受器和叶片本体之间的边界附近以抑制边界被雷电袭击。
问题的解决方案
即，根据本发明的第一方面，提供一种根据本发明的风力发电用叶片的雷电保护结构，包括：雷电接受器，所述雷电接受器被构造为形成风力发电用叶片的表面的一部分；和雷电接受突起，所述雷电接受突起被构造为从所述雷电接受器的表面向外突出，其中所述雷电接受突起被设置于在叶片本体和所述雷电接受器之间的表面边界，并且被构造为防雷电的所述表面边界位于一个圆的半径方向内侧，所述圆以所述雷电接受突起的末端为中心，并且所述圆具有是所述雷电接受突起的长度的两倍的半径。
根据本发明，电场强烈地在雷电接受突起而非在雷电接受器和叶片本体之间的表面边界上集中。雷电在表面边界之前由雷电接受突起接受。相应地，能够抑制雷电袭击表面边界，由此防止叶片受到损坏。
此外，因为被构造为防雷电的表面边界位于以雷电接受突起的末端为中心且具有是雷电接受突起的长度的两倍的半径的圆的半径方向内侧，所以雷电接受突起可靠地抑制雷电直接袭击表面边界。如果被构造为防雷电的表面边界并不位于该圆的半径方向内侧，则防止雷电袭击表面边界的效果可能减小。
相应地，优选的是，雷电接受突起被设置在表面边界的很可能接受雷电的位置(例如，雷电接受器在该雷电接受器的扁平化方向上的周向边缘)处。
此外，在雷电接受突起中，更加优选的是，被构造为防雷电的表面边界位于以雷电接受突起的末端为中心且具有是雷电接受突起的长度的√2倍的半径的圆的半径方向内侧。相应地，防止雷电袭击表面边界的效果更加得到改进。而且，因为放大率是低的，所以雷电接受突起更加靠近表面边界。
在本发明中雷电接受突起的数目不受特别限制。可以设置一个或者至少两个雷电接受突起，并且该雷电接受突起的位置和高度可以是相互不同的。该圆的中心可以在雷电接受突起的末端的周向边缘处。
附带说一句，在表面边界的不需要防止雷击的部分处，在该圆的半径方向内侧定位表面边界是不必要的。
优选的是，雷电接受突起被设置在表面边界附近。雷电接受突起可以被设置在靠近表面边界的一侧(雷电接受器在叶片轴向方向上的最大距离的50%或者更小的距离)处。
通过靠近表面边界设置雷电接受突起，有效地防止雷电袭击表面边界是可能的。此外，因为雷电接受突起靠近表面边界，所以获得防止雷电袭击表面边界的相同效果是可能的。结果，能够有效地防止在表面边界上的雷击，而不降低空气动力学特性。鉴于空气动力学特性，优选的是将对应于雷电接受突起的一个设置于远离表面边界的一侧。
根据本发明的第二方面，在根据第一方面的风力发电用叶片的雷电保护结构中，雷电接受器介于叶片本体的半部之间，或者被设置于叶片本体的末端。
雷电接受器可以介于叶片本体的半部之间，或者被设置于叶片本体的末端。对于本发明而言，优选的是本发明的雷电接受器被设置于叶片本体的末端以改进雷电接受效果。末端侧被构造成雷电接受器，并且雷电接受器被连接到形成叶片的叶片本体。雷电接受器可以从叶片的形状延续，并且可以具有锥形形状从而雷电接受器的宽度朝向该雷电接受器的末端减小。这使得捕获雷电的功能是良好的，并且还使得空气动力学特性是良好的。
此外，在其中雷电接受器介于叶片本体的半部之间的情形中，在雷电接受器介入叶片本体的半部之间的情况下，分离的叶片本体被相互连接。
雷电接受器可以由导电材料制成，并且能够使用纯金属诸如Al、Cu或者W、其合金、复合材料(不同的材料被与基础材料混合或者在基础材料中分散，或者不同种类的材料相互层叠或者混合)等。
雷电接受器和雷电接受突起可以由相同的材料制成，并且可以由不同的材料制成。在由相同的材料制成的情形中，防止在雷电接受器和雷电接受突起之间的边界由于当发生雷击时的热膨胀差异而受到损坏是可能的。
根据本发明的第三方面，在根据第一或者第二方面的风力发电用叶片的雷电保护结构中，雷电接受突起具有5到1000mm2的横截面面积。
雷电接受突起的横截面面积优选地为5到1000mm2，更加优选地20到490mm2，并且最优选地78到310mm2。相应地，对于周向形状，雷电接受突起优选地具有25到35mm的直径。由于相同的原因，雷电接受突起更加优选地具有5到25mm的直径，并且最优选地10到20mm的直径。
优选的是雷电接受突起具有足以不被雷电流分解的横截面面积。相应地，能够如上所述地取决于雷电接受突起的材料设定适当的横截面面积。然而，如果横截面面积过大，则这可以使空气动力学特性降低或者噪声增加。
根据本发明的第四方面，在根据第一到第三方面中的任何一个的风力发电用叶片的雷电保护结构中，所述雷电接受突起相对于所述叶片的轴向方向以45到135度的角度设置。
雷电接受突起被设置成从雷电接受器的表面突出。该雷电接受突起的突出方向不受特别限制，但是优选的是该突出方向以预定角度(45到135度)与叶片的轴向方向交叉从而防止雷电接受突起受到雷击的效果能够有效地达到表面边界。由于相同的原因，突出方向更加优选地为60到120度，最优选地75到105度。
根据本发明的第五方面，在根据第一到第四方面中的任何一个的风力发电用叶片的雷电保护结构中，在与所述叶片的所述轴向方向垂直的设置所述雷电接受突起的所述末端的方向上，所述雷电接受突起的所述末端越过被构造为防雷电的所述表面边界位于外侧。
因为雷电接受突起垂直于叶片的轴向方向，并且雷电接受突起的末端在设置雷电接收突起的末端的方向上越过被构造为防雷电的表面边界地位于外侧，所以雷电接受突起的捕获雷电的作用可靠地优于表面边界，由此有效地防止雷电袭击表面边界。
根据本发明的第六方面，在根据第一到第五方面中的任何一个的风力发电用叶片的雷电保护结构中，被构造为防雷电的所述表面边界位于所述雷电接受器的在所述雷电接受器的扁平化方向上的边缘处。
雷电接受很可能在相对薄的部分或者尖形部分处发生，并且在平坦接受器的边缘处的表面边界很可能受到雷击。相应地，因为雷电接受器被设置在边缘的表面边界处，所以有效地防止雷电袭击表面边界是可能的。
附图简要说明
图1是示意包括根据本发明的一个实施例的雷电保护结构的风轮机的透视图；
图2是示意雷电保护结构的叶片末端的前视图；
图3是示意雷电保护结构的叶片末端的侧视图；
图4(a)是示意当从图1中的雷电保护结构的叶片末端的前侧看时根据本发明的一个实例的尺寸和电场测量点的图表，并且图4(b)是示出当接受雷电时分析电场的结果的曲线图。
具体实施方式
现在将参考图1至图3描述本发明的实施例。
风轮机1包括被以可旋转方式支撑的转子2和被以放射式联接到转子2的多个(在图中三个)叶片3。每个叶片3均具有叶片本体30和被连接到叶片本体30的末端的雷电接受器31。表面边界32形成在叶片本体30和雷电接受器31之间的边界处。
雷电接受器31被以平坦形状形成，并且成锥形从而朝向雷电接受器的末端侧该雷电接受器的宽度变细并且该雷电接受器的厚度变小。雷电接受器31的末端具有小直径的弯曲形状。雷电接受器31和叶片本体30被以如下方式相互结合，使得雷电接受器与叶片齐平，并且雷电接受器31具有良好的空气动力学特性。
雷电接受器31设有在该雷电接受器31的在扁平化方向上的边缘处从雷电接受器31的表面向外突出的雷电接受突起4，雷电接受突起4靠近表面边界32。理想的是雷电接受器31被设置成具有在叶片3的轴向方向上从表面边界32开始的10到150mm的距离。如果雷电接受器31太靠近表面边界32，则当雷击时表面边界32受到热影响，这可以使表面边界损坏。如果该距离太远离表面边界32，则有必要延长雷电接受突起4的长度，这具有对于空气动力学特性的不良的效果。该距离优选地在20到100mm的范围中，更加优选地在30到50mm的范围中。
雷电接受突起4在与叶片3的叶片轴线6(从转子2的中心沿着叶片3的延伸方向的假想线)垂直的方向上沿着扁平化方向延伸，并且在扁平化方向上叶片3的末端比表面边界部分32a更向外侧定位。附带说一句，在该实施例中，通过对于空气动力学特性加以考虑地，雷电接受突起4位于在旋转中的叶片3的旋转方向上的后侧处的边缘处。仅通过在旋转方向上的后侧处设置雷电接受突起4便能够减小对于空气动力学特性的影响。然而，在本发明中，雷电接受器的位置可以不限于在旋转方向上的后侧。
此外，在雷电接受突起4中，在扁平化方向上被设置的表面边界部分32a位于圆5内，圆5以雷电接受突起4的末端为中心并且具有是雷电接受突起4的长度的两倍的半径r。表面边界32的一部分在雷电接受突起4一侧处位于圆5内侧，而表面边界的与雷电接受突起4隔开的一部分在与雷电接受突起4隔开的一侧处被定位在圆5外侧，这是在本发明的范围内的。在该情形中，另一个雷电接受突起可以被设置在与雷电接受突起4隔开的一侧处，并且表面边界可以位于以雷电接受突起为中心的圆的直径方向内。
即，优选的是用于防止叶片受到雷击的表面边界部分的一部分位于该圆的半径方向内侧。在该情形中，该圆沿着雷电接受突起的末端和设置用于防止雷击的表面边界部分的表面生成。
在图3中，表面边界32在雷电接受突起4一侧处位于圆内，从而有效地获得了雷电接受突起4的效果。然而，对于本发明，表面边界32的一部分可以位于该圆内。该形式由具有半径ra的圆5a代表。在扁平化方向上的边缘处的表面边界部分32a的附近位于圆5a内，并且有效地防止了雷击。在位于圆5a外侧的表面边界32处，可能没有有效地获得利用雷电接受突起4防止雷击的效果。
根据该雷电保护结构，雷电接受器31有效地捕获雷电以避免在叶片本体30上的雷击。另外，雷电接受突起4在表面边界32附近捕获雷电，从而有效地抑制雷电袭击表面边界部分32。
实例1
下面，在图2中示意的包括由铝材料制成的雷电接受器31和由铝材料制成的雷电接受突起4的雷电保护结构被联接到模仿叶片本体制成的FRP材料，并且使用模拟对该雷电保护结构进行2-D电场分析以预测受到雷击的位置。
附带说一句，在该分析中，利用分析软件MARC2007R1(由MSC软件公司制造的产品)，并且点电荷被置于距叶片的前端部1m的距离处。令在叶片的末端的正上方的位置为0°，点电荷被置于30°、60°和90°的位置处和在±90°的位置的正下方降低200mm和500mm的位置处以执行分析。此时，引下线的端部被设为固定的电势。
在图4(a)中，H和L表示雷电接受突起4到雷电接受器31的联接位置和长度。即，在图4(a)中的L示意雷电接受突起4的长度，并且在图4(a)中的H示意雷电接受突起4的联接位置到表面边界的距离。
对于在如上所述6个点处的放电对于具有改变的H和L的分别的雷电接受突起进行分析。在图4(b)中，基于雷电接受突起的末端B示意了雷电接受装置的分别的点(点A、点B和点C)的电场强度比。点A代表雷电接受器的末端，点B代表雷电接受突起的末端，并且点C代表在雷电接受器在扁平化方向上的边缘处的表面边界。
在图4(b)中示出电场分析的结果，在其中点C的电场强度比并不超过点B的电场强度比的范围中的雷电接受突起是更加优选的。更加优选的是，雷电接受突起具有其中点C的电场强度比并不超过点B的电场强度比的更多的放电位置。
如根据图4将会清楚地，在本发明的实例中，电场在雷电接受突起上集中，并且电场在叶片本体和雷电接受器之间的表面边界上的集中保持是低的。结果，在大多数情形中，与放电位置无关地，点C的电场强度比并不超过点B的电场强度比。在基于雷电接受突起的末端的H/L为1.67倍的位置处，点C的电场强度比在一个放电位置处基本等于点B的电场强度比。相应地，当放大率被设为1.5倍时，预期点C的电场强度比在所有的放电位置处均不超过点B的电场强度比。而且，当放大率被设为1.0倍时，预期与点B的电场强度比相比，点C的电场强度比显著地降低。
在另一方面，在比较例中，因为在雷电接受突起上的电场的集中等于或者高于在表面边界上的电场的集中，所以将会理解，没有充分地实现雷电接受突起的效果。为了减小对于空气动力学特性的影响，距表面边界30mm的位置和具有30mm的长度的雷电接受突起是有效的，即，放大率被设为1.0或者更小。
本发明不限于上述实施例，并且可以做出适当的变化、变型等。另外，分别的构成元件的材料、形状、尺寸、形式、数目、放置位置等是任意的而不限于此，如果它们能够实现本发明。
虽然已经参考具体实施例详细描述了本发明，但是本领域技术人员可以理解，在不偏离本发明的范围和精神的情况下，各种变型或者变化是可能的。
该申请要求在2010年6月30日提交的日本专利申请JP2010-150103的优先权，并且其全部公开在此通过引用而被并入。
工业实用性
如上所述，雷电接受器被设置为形成风力发电用叶片的表面的一部分，并且雷电接受突起从雷电接受器的表面向外突出。雷电接受突起被设置于在叶片本体和雷电接受器之间的表面边界。被构造为防雷电的表面边界位于以雷电接受突起的末端为中心且具有是雷电接受突起的长度的两倍的半径的圆的半径方向内侧。因此，在雷电接受器的表面上电场集中最高的点从边界移动到雷电接受突起的末端，并且当雷电袭击叶片时，与袭击边界的雷电相关联的叶片损坏的可能性显著地降低。此外，雷击的极性通常为负极性，从而从风轮机的上部放电的可能性是非常高的。然而，根据情况发生正极性放电，并且正极性雷电的一部分可以被从风轮机的横向部分或者底部部分放电。在该情形中，因为相对于风轮机叶片的放电角度增加，所以利用边界捕获雷电的可能性增加。因为电场集中点作为地形成，所以本发明对于处于任何方向的雷击均具有高度的效果。
附图标记列表
1：风轮机
2：转子
3：叶片
30：叶片本体
31：雷电接受器
32：表面边界
4：雷电接受突起
5：圆
6：叶片轴线

Claims (6)

1.一种风力发电用叶片的雷电保护结构，包括：
雷电接受器，所述雷电接受器被构造为形成所述叶片的表面的一部分；和
雷电接受突起，所述雷电接受突起被构造为从所述雷电接受器的表面向外突出，
其中所述雷电接受突起被设置于在叶片本体和所述雷电接受器之间的表面边界，并且
其中被构造为防雷电的所述表面边界位于一个圆的半径方向内侧，所述圆以所述雷电接受突起的末端为中心，并且所述圆具有是所述雷电接受突起的长度的两倍的半径。
2.根据权利要求1所述的风力发电用叶片的雷电保护结构，其中所述雷电接受器介于所述叶片本体的半部之间，或者被设置于所述叶片本体的所述末端。
3.根据权利要求1或2所述的风力发电用叶片的雷电保护结构，其中所述雷电接受突起具有5到1000mm2的横截面面积。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的风力发电用叶片的雷电保护结构，其中所述雷电接受突起相对于所述叶片的轴向方向以45到135度的角度设置。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的风力发电用叶片的雷电保护结构，其中在与所述叶片的所述轴向方向垂直的设置所述雷电接受突起的所述末端的方向上，所述雷电接受突起的所述末端越过被构造为防雷电的所述表面边界位于外侧。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的风力发电用叶片的雷电保护结构，其中被构造为防雷电的所述表面边界位于所述雷电接受器的在所述雷电接受器的扁平化方向上的边缘处。
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