CN105604811A - 风力发电机组的叶片防雷系统及叶片 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种风力发电机组的叶片防雷系统及叶片。所述叶片防雷系统包括间隔设置在叶片上的多个接闪器，沿叶片的叶尖至叶根的方向，相邻两个接闪器之间的间距逐渐增大。采用本发明的技术方案，通过控制相邻接闪器的间距沿叶尖至叶根方向逐渐增大，对易遭受雷击的叶尖位置进行重点防雷保护，可以有效降低叶片因雷击而损坏的概率。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种风力发电机组的叶片防雷系统及叶片。
背景技术
随着风力发电技术的不断发展，风机发电机组的单机容量不断扩大，而风力发电机组的叶片的长度也逐渐加长。常规型叶片的长度已经达到50m以上，再加上轮毂的高度已经超过100m，风力发电机组的整体高度已经达到150m以上。这样的高度使风力发电机组在运行过程中存在较高的雷电风险，尤其是风力发电机组的叶片易遭受雷击而损坏。
如图1所示，现有技术中风力发电机组的叶片防雷装置主要包括设置叶片1上的现有技术的接闪器2，以及与叶片1根部的金属法兰4连接的防雷引下线3。现有技术的接闪器2的数量以及间距主要根据GL导则(GuidelinefortheCertificationofWindTurbines，风力发电机组认证指南)设置，由于GL导则根据长度45m以下的叶片进行规定，而目前风力发电机组的叶片大多都超过了45m，根据GL导则只需设置4组现有技术的接闪器2，使得相邻现有技术的接闪器2之间的间距较长。而且，现有技术的接闪器2对称分布在叶片1的迎风面和背风面，使得叶片1上的接闪点较为分散。现有技术的接闪器2在叶片1上的设置方式没有考虑对叶片1易遭受雷击的位置进行保护，使雷电易击穿非接闪器位置的部位，造成叶片直接损坏。
由于上述原因，现有技术中风力发电机组的叶片防雷装置已经无法满足叶片的防雷要求。经过统计和调查，2011年～2015年，每1000台风力发电机组中有超过4％以上的遭受雷电而损害，在雷击严重的年份这个比例甚至超过8％，最终导致风力发电机组的发电量受到严重损失，以及增加对叶片维修和更换的高额费用。
发明内容
本发明的实施例提供一种风力发电机组的叶片防雷系统及叶片，以解决现有技术中风力发电机组的叶片防雷装置防雷效果较差的问题。
为达到上述目的，本发明的实施例提供一种风力发电机组的叶片防雷系统，包括间隔设置在叶片上的多个接闪器，沿所述叶片的叶尖至叶根的方向，相邻两个所述接闪器之间的间距逐渐增大。
进一步地，所述叶片后缘的各顶点与前缘的垂线为弦长，各所述接闪器沿垂直于相应的弦长的方向投影在所述相应的弦长上并形成第一投影点，各所述第一投影点沿相应的弦长的方向投影在所述前缘上形成第二投影点，沿所述叶片的叶尖至叶根方向，各相邻所述第二投影点之间的间距构成第一数列，所述第一数列为等比数列。
进一步地，各所述第一投影点均位于相应的弦长的中点位置。
进一步地，所述叶片的迎风面和背风面上均间隔设置有所述多个接闪器。
进一步地，所述迎风面上的接闪器与所述背风面上的接闪器一一对应。
进一步地，所述叶片的迎风面和背风面中的一个上设置有第一接闪器阵列，所述第一接闪器阵列的各相邻接闪器对应的第二投影点之间的间距构成所述第一数列；所述迎风面和背风面中的另一个上设置有第二接闪器阵列，所述第二接闪器阵列靠近叶尖的第一个接闪器与所述第一接闪器阵列靠近叶尖的第一个接闪器对齐，所述第二接闪器阵列的各相邻接闪器对应的第二投影点之间的间距构成与所述第一数列不同的第二数列。
进一步地，所述第一数列为b1、b2、b3……bn-1，所述第二数列为b1+d、b2+2d、b3+3d……bn-1+(n-1)d。
进一步地，所述接闪器为圆柱形接闪器，所述圆柱形接闪器的截面直径为150mm～200mm，所述圆柱形接闪器的长度为100mm～150mm。
进一步地，所述接闪器为耐腐蚀导电材料制成的接闪器。
进一步地，所述接闪器为不锈钢、铜合金、铝合金或钨合金制成的接闪器。
进一步地，所述叶片防雷系统还包括与各所述接闪器紧贴的接闪条，各所述接闪条沿叶尖至叶根方向敷设在所述叶片上，且各所述接闪条远离相应的所述接闪器的一端与所述叶片的后缘之间的距离小于其与所述叶片的前缘之间的距离。
本发明的另一方面还提供一种风力发电机组的叶片，所述叶片上设置有如上所述的任意一种叶片防雷系统。
本发明的实施例的风力发电机组的叶片防雷系统及叶片，通过控制相邻接闪器的间距沿叶尖至叶根方向逐渐增大，对易遭受雷击的叶尖位置进行重点防雷保护，可以有效降低叶片因雷击而损坏的概率，减小风力发电机组的叶片雷击故障时间，保证风力发电机组的正常运行，进而提高风力发电机组的发电量。通过叶片迎风面与背风面接闪器阵列的交错布局，能有效扩大接闪面积。并且通过将各相邻接闪器在叶片前缘方向的水平间距构成等比数列，有利于快速方便地确定各接闪器位置、数量、间距以提高叶片防雷系统的安装效率。
附图说明
图1为现有技术中风力发电机组的叶片防雷装置的结构示意图；
图2为本发明实施例的风力发电机组的叶片防雷系统的结构示意图；
图3为本发明实施例的风力发电机组的叶片防雷系统的接闪器阵列图；
图4为本发明实施例的风力发电机组的叶片防雷系统的叶片迎风面的接闪器阵列图；
图5为本发明实施例的风力发电机组的叶片防雷系统的叶片背风面的接闪器阵列图；
图6为本发明实施例的风力发电机组的叶片防雷系统的接闪器的结构示意图。
附图标记说明：
1、叶片；2、现有技术的接闪器；3、防雷引下线；4、金属法兰；5、接闪器；6、接线板；7、接闪条；8、前缘；9、弦长；10、第一投影点；11、第二投影点；12、叶尖顶点；13、后缘。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例的风力发电机组的叶片防雷系统及叶片进行详细描述。
图2为本发明实施例的风力发电机组的叶片防雷系统的结构示意图，该叶片防雷系统可以设置在不同类型的风力发电机组上，用于降低叶片在遭受雷击时损坏的风险，保证风力发电机组的正常运行，达到提高发电量的目的。
如图2所示，根据本发明的实施例，该叶片防雷系统包括间隔设置在叶片1上的多个接闪器5，且沿叶片1的叶尖至叶根方向，相邻两个接闪器5之间的间距逐渐增大。
根据风力发电机组的雷击故障统计和相关数据分析，雷电击中叶片1的位置有超过90％的概率位于叶尖附近，且叶片1上的雷击概率沿叶尖至叶根的方向减小。本方案的叶片防雷系统利用这一特点，将叶尖位置作为重点的雷电防护位置，针对叶片1易遭受雷击的叶尖位置进行重点保护，减小叶片1因叶尖位置受雷击而损坏的概率。
具体地，通过控制相邻接闪器5之间的间距沿叶尖至叶根的方向逐渐增大，使接闪器5的密集程度沿叶尖至叶根的方向逐渐减小。由于接闪器5在叶尖附近位置密集程度较高，可以有效地对易遭受雷击的叶尖位置进行保护，防止叶片1因叶尖位置受雷击而损坏。叶片1上远离叶尖的位置的雷击概率较低，通过密集程度较低的接闪器5足以进行防雷接闪，保证叶片1在雷击时不会出现损坏，使风力发电机组正常运行。
如图3所示，叶片1的各后缘顶点与前缘8的垂线为弦长9。各接闪器5沿垂直相应的弦长9的方向投影在相应的弦长9上形成的点为第一投影点10，各第一投影点10沿相应的弦长9的方向投影在叶片前缘8上形成第二投影点11，其中，各弦长9、第一投影点10和第二投影点11在叶片1的分模面上。在前缘从叶尖至叶根的直线视为水平方向。
优选地，沿叶片1的叶尖至叶根方向，各相邻第二投影点11之间的间距构成第一数列，第一数列为等比数列。
各第二投影点11相当于由相应的弦长9与前缘8的交点，通过第二投影点11可以方便快捷地确定第一投影点10，进而确定接闪器5设置在叶片1表面的最佳位置。具体地，通过各相邻第二投影点11之间的间距构成的等比数列，以及叶片1的长度等具体结构数据可以方便快捷地确定各第二投影点11的具体位置，进而确定接闪器5的设置位置，提高该叶片防雷系统的安装效率。
在实际的应用场景中，叶片1上设置有n组接闪器5，各相邻第二投影点11之间的间距可以记为b1、b2、b3……bn-1，b1、b2、b3……bn-1构成的第一数列的公比用q表示。若叶片1的长度为L，靠近叶尖位置的第一个接闪器5与叶尖顶点12之间的距离为1m，靠近叶根位置的第n各接闪器5设置在最大的弦长9对应的位置，最大的弦长9与叶根之间的距离为c(c为常数)，则可以得出叶片1的长度L的计算公式：L＝1+b1+b2+b3+……+bn-1+c＝1+c+b1(1-qn-1)/(1-q)。其中，公比q的取值范围优选为1.8～2.5，由于叶片1的长度L的数值有限，所以公比q的值不宜过大；而且q的数值不宜过小，使b1、b2、b3……bn-1的数值不会过小，进而控制叶片1上各接闪器5具有合适的数量，以及相邻接闪器5之间具有合适的距离，在成本较低的情况下使该叶片防雷系统具有较高低防雷接闪效率。
例如，b1＝4，q＝2，则根据上述计算公式可以得出，L＝2n+1+c-3。根据叶片1具体结构数据中的L和c，可以较方便地确定各第二投影点11的具体位置，进而计算出接闪器5的数量和设置位置，使叶片1上设置数量和位置均合适的接闪器5，用于对叶片1进行雷电防护。
优选地，各第一投影点10均位于相应的弦长9的中点位置。
确定各第二投影点11的具体位置之后，在各第二投影点11向叶片1的后缘13引出前缘8的垂线作为弦长9，选取各弦长9的中点作为相应的第一投影点10，并在各第一投影点10向叶片1的表面引出的垂线(该垂线相当于在第一投影点10引出的垂直于叶片1的分模面的垂线)，各垂线与叶片1的表面的交点即为各接闪器5在叶片表面的设置位置，由此，便确定了各接闪器5的设置位置。例如，根据图3中各弦长9分别的长度h1、h2、h3……hn-1，相应地确定各第一投影点10，进而确定各接闪器5的设置位置。
优选地，叶片1的迎风面和背风面上均间隔设置有多个如上所述的接闪器5，以使叶片1的迎风面和背风面都得到雷电防护。
其中，迎风面上的接闪器5与背风面上的接闪器5可以一一对应，相当于在迎风面和背风面上对称设置多个接闪器5。叶片1上设置该叶片防雷系统时，只需计算迎风面和背风面中的一个对应的接闪器5的位置和数量，可以达到提高该叶片防雷系统的安装效率的目的。
优选地，叶片1的迎风面上设置有第一接闪器阵列，第一接闪器阵列的各相邻接闪器5对应的第二投影点11之间的间距构成第一数列；背风面上设置有第二接闪器阵列，第二接闪器阵列包的各相邻接闪器5对应的第二投影点11之间的间距构成第二数列，第二数列与第一数列不同。
由于第一数列与第二数列不同，则第一接闪器阵列与第二接闪器阵列的接闪器5交错布局，形成非对称地设置在迎风面和背风面上的多组接闪器5。这样可以有效增大了多个接闪器5的最大接闪面积，从而进一步增大了该叶片防雷系统的接闪效率。此外，第一接闪器阵列靠近叶尖的第一个接闪器5与第二接闪器阵列靠近叶尖的第一个接闪器5可以对齐，即对称地设置在叶片迎风面和背风面上。由于第一个接闪器5与叶尖顶点12之间的距离较小(该距离通常小于1m)，所以第一组接闪器5还可以由金属材质的叶尖来代替。
具体地，第一数列为上述的等比数列b1、b2、b3……bn-1，第二数列为b1+d、b2+2d、b3+3d……bn-1+(n-1)d，则第一数列和第二数列相差一个等差数列。其中，d为上述等差数列的公差，其值不宜过大，以防止相邻接闪器5之间的间距过大，达不到叶片1防雷接闪的要求。如图4和图5所示，若d＝1，则第二接闪器阵列包含的各相邻接闪器5对应的第二投影点11之间的间距对应为b1+1、b2+2、b3+3……bn-1+n-1。作为一种可选手段，还可以反向错开一定距离，将第二数列构成为：b1-1、b2-2、b3-3……bn-1-(n-1)。
此外，在其他实施例中，第一接闪器阵列和第二接闪器阵列可以分别设置在叶片1的背风面和迎风面上。
本实施例中，接闪器5优选为圆柱形接闪器，以克服现有的带棱角的接闪器，如方形或菱形接闪器，在两边夹角的部位易损坏的问题。该圆柱形为实心圆柱体，其尺寸不宜过大，以防止尺寸较大的接闪器5影响叶片1本身的气动性能；其尺寸也不宜过小，以防止尺寸过小的接闪器5承受不住雷击时的电流冲击。具体地，该圆柱形接闪器的截面直径的取值范围优选为150mm～200mm，其长度的取值范围优选为100mm～150mm，这样尺寸的接闪器5相比于现有技术中尺寸较小的接闪器，可以保证接闪器5在雷击时承受较大的电流冲击，不会出现损坏而影响接闪效果。
此外，接闪器5优选为耐腐蚀导电材料制成的接闪器，使接闪器5在风力发电机组运行周期(例如陆地风力发电机组的运行周期20年)内不受腐蚀而损坏，保证其导电性能的稳定，进而保证其防雷接闪性能的稳定。例如采用不锈钢材质制成的接闪器5，由于不锈钢具有熔点高、耐腐蚀等优点，可以较大程度地避免接闪器5的损坏问题，减小对其防雷接闪性能的影响。接闪器5还可以选用其他耐腐蚀导电材料，例如铜合金、铝合金、钨合金等材质。
优选地，如图6所示，接闪器5上固定连接有接线板6。接线板6优选为采用与接闪器5相同的材质制成，接线板6可以与接闪器5一体成型，也可以单独成型后通过焊接的方式固定连接。在将该接闪器5设置到叶片1上时，可以通过接线板6设置在叶片1上，通过接线板6与叶片1上的金属引线连接(例如，通过在接线板6上设置圆形通孔作为接线孔，与内置在叶片1中的金属引线连接)，将雷击时接闪器5上的电能引向叶根金属法兰，并最终引向接地端。
本实施例中，该叶片防雷系统还包括多个接闪条7，各接闪条7紧贴接闪器5，并沿叶尖至叶根方向敷设在叶片1上，用于提高接闪器5的接闪性能；而且各接闪条7远离相应的接闪器5的一端与叶片1的后缘13之间的距离小于其与叶片1的前缘之间的距离，使各接闪条7位于叶片1的后缘13的附近位置。
根据叶片1上的雷击概率统计，靠近叶片1后缘13附近位置比前缘8附近位置更容易遭受雷击。因此，通过将各接闪条设置在叶片1的后缘13的附近位置，利用接闪条7的接闪性能来提高叶片1的后缘13的附近位置的接闪条效果，进而针对易遭受雷击的后缘13附近位置进行雷击防护，减少后缘13附近位置遭受雷击而损害的概率。
接闪条7优选为采用与接闪器5相同的材质制成，而且接闪条7的长度需大于500mm，以达到使接闪条7可以有效接闪雷电的目的。在将接闪器5设置在叶片1上时，可以通过粘接胶等将接闪条7粘接在叶片1表面。
例如，将截面积为50×20，长度为600mm的接闪条7敷设在叶片1的表面，并将该接闪条7的一端紧贴接闪器5，在雷电击中接闪条7时，接闪条7可以电能通过接闪器5传输到接地端。当然，接闪条7还可以根据叶片1的具体形状采用其他的方式设置在叶片1上，例如采用“十”字交叉或“米”字交叉的方式围绕接闪器5设置多个接闪条7，用于提高接闪器5的接闪性能，进而提高该叶片防雷系统的防雷接闪效果。
如上所述为本发明实施例的风力发电机组的叶片防雷系统，该叶片防雷系统具有如下效果：
通过控制相邻接闪器的间距沿叶尖至叶根方向逐渐增大，对易遭受雷击的叶尖位置进行重点防雷保护，可以有效降低叶片因雷击而损坏的概率；
在叶片的迎风面和背风面上非对称地设置多个接闪器，增加该叶片防雷系统的最大接闪面积，进而提高该叶片防雷系统的接闪效果；
此外，该叶片防雷系统还在接闪器上紧贴地设置接闪条，并将接闪条设置在叶片后缘的附近位置，通过接闪条进行接闪雷电对以遭受雷击的叶片后缘的附近位置进行防雷保护，有效地提高了该叶片防雷系统的接闪效果。
在此基础上，本发明的实施例还提供一种风力发电机组的叶片，该叶片上设置有如上所述的本发明的实施例的叶片防雷系统，该叶片可以利用叶片防雷系统进行防雷接闪，减小叶片因雷击而损害的概率，增加风力发电机组的正常运行时间，进而提高风力发电机组的发电量。
需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个部件拆分为更多部件，也可将两个或多个部件或者部件的部分操作组合成新的部件，以实现本发明的目的。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (12)
1.一种风力发电机组的叶片防雷系统，包括间隔设置在叶片(1)上的多个接闪器(5)，其特征在于，沿所述叶片(1)的叶尖至叶根的方向，相邻两个所述接闪器(5)之间的间距逐渐增大。
2.根据权利要求1所述的叶片防雷系统，其特征在于，所述叶片(1)后缘(13)的各顶点与前缘(8)的垂线为弦长(9)，各所述接闪器(5)沿垂直于相应的弦长(9)的方向投影在所述相应的弦长(9)上并形成第一投影点(10)，各所述第一投影点(10)沿相应的弦长(9)的方向投影在所述前缘(8)上形成第二投影点(11)，沿所述叶片(1)的叶尖至叶根方向，各相邻所述第二投影点(11)之间的间距构成第一数列，所述第一数列为等比数列。
3.根据权利要求2所述的叶片防雷系统，其特征在于，各所述第一投影点(10)均位于相应的弦长(9)的中点位置。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的叶片防雷系统，其特征在于，所述叶片(1)的迎风面和背风面上均间隔设置有所述多个接闪器(5)。
5.根据权利要求4所述的叶片防雷系统，其特征在于，所述迎风面上的接闪器(5)与所述背风面上的接闪器(5)一一对应。
6.根据权利要求2或3所述的叶片防雷系统，其特征在于，所述叶片(1)的迎风面和背风面中的一个上设置有第一接闪器阵列，所述第一接闪器阵列的各相邻接闪器(5)对应的第二投影点(11)之间的间距构成所述第一数列；
所述迎风面和背风面中的另一个上设置有第二接闪器阵列，所述第二接闪器阵列靠近叶尖的第一个接闪器(5)与所述第一接闪器阵列靠近叶尖的第一个接闪器(5)对齐，所述第二接闪器阵列的各相邻接闪器(5)对应的第二投影点(11)之间的间距构成与所述第一数列不同的第二数列。
7.根据权利要求6所述的叶片防雷系统，其特征在于，所述第一数列为b1、b2、b3……bn-1，所述第二数列为b1+d、b2+2d、b3+3d……bn-1+(n-1)d。
8.根据权利要求4所述的叶片防雷系统，其特征在于，所述接闪器(5)为圆柱形接闪器，所述圆柱形接闪器的截面直径为150mm～200mm，所述圆柱形接闪器的长度为100mm～150mm。
9.根据权利要求4所述的叶片防雷系统，其特征在于，所述接闪器(5)为耐腐蚀导电材料制成的接闪器。
10.根据权利要求9所述的叶片防雷系统，其特征在于，所述接闪器(5)为不锈钢、铜合金、铝合金或钨合金制成的接闪器。
11.根据权利要求4所述的叶片防雷系统，其特征在于，所述叶片防雷系统还包括与各所述接闪器(5)紧贴的接闪条(7)，各所述接闪条(7)沿叶尖至叶根方向敷设在所述叶片(1)上，且各所述接闪条(7)远离相应的所述接闪器(5)的一端与所述叶片(1)的后缘(13)之间的距离小于其与所述叶片(1)的前缘(8)之间的距离。
12.一种风力发电机组的叶片，其特征在于，所述叶片上设置有权利要求1至11中任一项所述的叶片防雷系统。
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