CN106121937B - 用于具有导电结构组件的风力涡轮机叶片的防雷电保护系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于风力涡轮机叶片(10)的防雷电保护系统，风力涡轮机叶片的结构包括两个结构壳体(11，13)，两个结构壳体包括由碳纤维薄片形成的两个帽(19，21)和两个翼梁(15，17)，除了由连接到一个或多个导体电缆的一个或多个雷电接收器形成的第一子系统之外，防雷电保护系统还包括第二子系统和连接组件，第二子系统由安装在风力涡轮机叶片(10)的前缘和后缘的至少两个截面(22，23)中的横向雷电接收器(30，31)形成，连接组件用于使防雷电保护系统等势。

Description

用于具有导电结构组件的风力涡轮机叶片的防雷电保护系统
技术领域
本发明涉及用于具有导电结构组件的风力涡轮机叶片的防雷电保护系统，以及将这种系统安装到具有结构壳体的风力涡轮机叶片上的方法。
背景技术
由于风力涡轮机达到的高度及其在高架区域的位置，它们遭受雷击的风险很高，尤其是其叶片。因此，叶片必须具有雷电保护系统，并且必须保护叶片上安装的包含导电元件(金属部件、传感器、信标系统等)的任何其他系统免受直接雷击和由于它们感应出的电磁场引起的间接影响。
用于风力涡轮机叶片的雷电保护系统的主要组件是安装在叶片表面的一系列金属接收器(metal receptors)，以及将雷电从接收器驱逐到叶片根部的下导体。风力涡轮机发展的革命以及它们提供的功率的增加引出新一代风力涡轮机，其塔架高度和转子直径两者尺寸都有所增加。叶片防雷电涉及刚度的增加。使用更多的碳纤维层压材料(laminates)制造叶片是获得这种刚度的传统方法。然而，碳纤维层压材料是导体，因此必须与雷电保护系统的下导体并联，以防止下导体和层压材料之间的内部电弧以及碳层压材料上的直接雷击。
公布号为WO2006/051147A1的专利申请描述了一种雷电保护系统，其包括使碳纤维层压材料和下导体等势的装置，该装置包括直接连接下导体和碳纤维层压材料的辅助电缆。这些辅助电缆利用螺纹接头连接到与碳纤维的层直接接触的金属板。通过将导电树脂加到连接区域可以改善电连接。
专利申请ES2396839描述了用于风力涡轮机叶片的防雷电保护系统，其由设置在叶片的碳纤维层压材料上的不同连接形成，使梁翼缘的表面等势，通过由辅助电缆引出的主电缆和安装在碳纤维层压材料和主电缆之间的连接上的高电感设备来减小流过碳层压材料的电流并且利于通过主电缆的传导。
尽管在传统结构的风力涡轮机叶片中安装以上提到的防雷电保护系统没有出现问题，但是在具有结构壳体的风力涡轮机的情况下并不相同。
本发明涉及解决该问题。
发明内容
在第一方面，本发明提供了用于风力涡轮机叶片的防雷电保护系统，风力涡轮机叶片的结构包括两个结构壳体，这两个结构壳体包括由碳纤维层压材料形成的两个帽和两个翼梁，防雷电保护系统包括由一个或多个接收器形成的第一子系统、由横向雷电接收器形成的第二子系统以及两个子系统之间的连接组件，该一个或多个接收器连接到位于风力涡轮机叶片内的一个或两个导电电缆以驱使雷电到地面，该横向雷电接收器设置在风力涡轮机叶片的前缘和后缘中至少两个截面中，并且与帽相连接，该连接元件用于使防雷电保护系统等势。横向雷电接收器由一个或多个内部导电块和外部连接器形成，将它们配置为电连接在一起。
优选地，风力涡轮机叶片的帽中的第二子系统的端子是金属板。
优选地，所述外部连接器的尺寸设定为可与内部导电块相接触。
在第二方面，本发明提供了在风力涡轮机叶片中安装以上提到的防雷电保护系统的方法，风力涡轮机叶片包括两个结构壳体，两个结构壳体包括由碳纤维层压材料形成的两个帽和两个翼梁，风力涡轮机叶片的制造方法包括：制造所述帽的第一阶段、制造其中嵌有所述帽的结构壳体的第二阶段、将翼梁连接到下结构壳体的第三阶段和将上壳体连接到下壳体和翼梁的第四阶段。安装方法包括以下步骤：a)在所述第一阶段，在所述帽中引入导电端子；b)在第二阶段期间，在每个截面中安装横向雷电接收器的内部导电块，完成前述安装之后，通过辅助电缆将内部导电块连接到帽；c)在第三阶段，连接两个子系统的内部组件；d)在第四阶段，连接它们之间的横向雷电接收器的内部导电块。
根据以下详细描述并结合附图，将理解本发明的其它特征和优点。
附图说明
图1a-1b和图2a-2b是从平面A-A看的根据本发明的两个实施例的风力涡轮机叶片的防雷电保护系统的示意平面图和截面图。
图3a-3b、图4和图5是从平面A-A看的示意截面图，绘示了根据本发明的实施例的风力涡轮机叶片的防雷电保护系统的安装方法的基本步骤。
图6a-6b、图7和图8是从平面A-A看的示意截面图，绘示了根据本发明的另一实施例的风力涡轮机叶片的防雷电保护系统的安装方法的基本步骤。
具体实施方式
本发明的防雷电保护系统位于风力涡轮机叶片10上，其结构包括上结构壳体11和下结构壳体13，其分别包含由碳纤维层压材料制成的帽19、21，尤其，通过注入工艺(infusion process)制造获得的风力涡轮机叶片10，通过该注入工艺将帽19、21整合入结构壳体11、13中。
防雷电保护系统包括本领域公知的第一子系统，其包括连接到第一导体电缆41(参见图1a、1b)或第一和第二导体电缆41、43(参见图2a、2b)的一个或多个雷电接收器25、25’，第一或第二导体电缆设置在风力涡轮机叶片10内部，用于驱使雷电到地面。
防雷电保护系统包括位于风力涡轮机叶片10的至少两个截面22、23上的第二子系统，其包括(取决于第一子系统的导体电缆的数量)一个或多个横向雷电接收器30、31；将其连接到帽19、21的第一和第三辅助电缆46、47；44、45，从而通过帽19、21的碳纤维层压材料建立雷电导电电路。
防雷电保护系统具有两个子系统的连接组件，用于使以下元件等势，包括(取决于第一子系统的导体电缆的数量)第二和(如果适用)第四辅助电缆51、53以及(如果适用)连接导体电缆41和43的等势棒50，其中第二和(如果适用)第四辅助电缆51、53的一端连接到导体电缆41、43，并且另一端连接到第一和(如果适用)第三辅助电缆47、45。
分别安装在风力涡轮机叶片10的前缘和后缘的截面22、23中的横向雷电接收器30、31，在它们每一个中，分别包括第一和第二内部导电块36、37；34、35，以及第一和第二外部连接器56、57；54、55，配置为允许对它们进行电连接。
在风力涡轮机叶片10中安装防雷电保护系统的方法包括以下步骤：
步骤1：在制造过程中将导电端子(诸如电缆或板子)插入帽19、21中作为碳纤维层压层。在固化(curing)阶段之前的铺设预浸层(laying-up prepreg plies)阶段将导电端子插入。
步骤2(参见图3a-3b和6a-6b)：分别通过第一辅助电缆46、47或者第一和第三辅助电缆46、47；44、45，将第一内部导电块36、37(具有第一导体电缆41的实施例)或第一和第二内部导电块36、37；34、35(具有第一和第二导体电缆41、43的实施例)与帽19、21分别相连接，完成固化过程之后，壳体11、21在它们的模具(mould)中，且帽19、21嵌入在壳体11、21中。
步骤3(参见图4和图7)：将翼梁(spars)15、17共同粘结(co-bonding)到下壳体13之后，分别利用第一辅助电缆47或第一和第三辅助电缆47、45，将第一导体电缆41或第一和第二导体电缆41、43分别连接到翼梁17或翼梁15、17，在第二种实施例情况下，将等势棒50与第一和第二导体电缆41、43相连接。
步骤4(参加图5和图8)：将上壳体11安装在下壳体13上并且封闭模具之后，继续分别通过第一外部连接器56、57或第一和第二外部连接器56、57；54、55，将第一内部导电块36、37(具有第一导体电缆41的实施例)或第一和第二内部导电块36、37；34、35(具有第一和第二导体电缆41和43的实施例)互联，最终形成图1b和2b分别示出的情形中的风力涡轮机叶片10。注意，第一外部连接器56、57与每个横向雷电接收器31、30的第一和第二内部导电块36、37；34、35接触。
根据以上所述，本发明提供了风力涡轮机叶片(10)的防雷电保护系统，所述风力涡轮机叶片(10)的结构包括两个结构壳体(11，13)，所述两个结构壳体(11，13)包括由碳纤维层压材料形成的两个帽(19，21)和两个翼梁(15，17)，所述防雷电系统包括：
-第一子系统，包括连接到第一导体电缆(41)的一个或多个雷电接收器(25，25’)，所述第一导体电缆(41)位于所述风力涡轮机叶片(10)内部，用于将雷电驱使到地面；
-第二子系统，包括所述帽(19，21)和所述第一导体电缆(41)之间的连接组件，允许使所述风力涡轮机叶片(10)的至少两个截面(22，23)中的防雷电保护系统等势；
-所述第二子系统还包所述截面(22，23)的每一个中的第一横向雷电接收器(31)，所述第一横向雷电接收器(31)设置在所述截面(22，23)的一个边上，所述第一横向雷电接收器(31)包括所述结构壳体(11，13)中的第一内部导电块(36，37)和第一外部连接器(56，57)，设置使得它们能够将所述第一内部导电块(36，37)电互连；
-所述第一内部导电块(36，37)由第一辅助电缆(46，47)连接到所述帽(19，21)；
-所述第一导体电缆(41)由第二辅助电缆(53)连接到所述第一辅助电缆(46，47)中的一个。
优选的，所述第一辅助电缆(46，47)连接到的所述帽(19，21)的端子是金属板。
其中，所述第一导体电缆(41)附接到所述风力涡轮机叶片(10)的翼梁(15，17)中的一个。
其中，一个所述第一外部连接器(56，57)的尺寸设定为适于与所述第一内部导电块(36，37)接触。
所述第一子系统还包括第二导体电缆(43)，所述第二导体电缆(43)设置在所述风力涡轮机叶片(10)内部用于将雷电驱使到地面；
所述第二子系统还包括所述截面(22，23)的每个中的第二横向雷电接收器(30)，所述第二横向雷电接收器(30)设置在与所述第一横向雷电接收器(31)所在的所述边相对的所述截面的另一边上，所述第二横向雷电接收器(30)包括所述结构壳体(11，13)中的第二内部导电块(34，35)和第二外部连接器(54，55)，设置使得它们能够将所述第二内部导电块(34，35)电互连；
所述第二内部导电块(34，35)由第三辅助电缆(44，45)连接到所述帽(19，21)；
所述第二导体电缆(43)由第四辅助电缆(53)连接到所述第三辅助电缆(44，45)的一个；
所述第二子系统还包括连接到所述第一和第二导体电缆(41，43)的等势棒(50)。
优选的，所述第三辅助电缆(44，45)连接到的所述帽(19，21)的所述端子是金属板。
所述第二导体电缆(43)附接到所述风力涡轮机叶片(10)的翼梁(15，17)中没有连接所述第一雷电导体电缆(41)的一个翼梁。
本发明还提供了在风力涡轮机叶片(10)中安装防雷电保护系统的方法，所述风力涡轮机叶片(10)包括两个结构壳体(11，13)，所述两个结构壳体(11，13)包括由碳纤维层压材料形成的两个帽(19，21)和两个翼梁(15，17)；
所述风力涡轮机叶片(10)的制造过程包括：制造所述帽(19，21)的第一阶段，制造含有所述帽(19，21)的结构壳体(11，13)的第二阶段，将所述翼梁(15，17)结合到所述下结构壳体(13)的第三阶段，结合所述两个结构壳体(11，13)的第四阶段；
所述方法包括以下步骤：
a)在所述第一阶段，在所述帽(19，21)中包含入导电端子；
b)在所述第二阶段期间，在所述截面(22，23)的每一个中安装所述第一横向雷电接收器(31)的所述第一内部导电块(36，37)，之后，通过所述第一辅助电缆(46，47)将所述第一内部导电块(36，37)连接到所述帽(19，21)；
c)在所述第三阶段，将所述第一导体电缆(41)连接到离所述第一横向雷电接收器(31)最近的所述翼梁(17)，并且通过所述第二辅助电缆(51)将所述第一导体电缆(41)连接到所述第一辅助电缆(47)；
d)在所述第四阶段，通过所述第一外部连接器(56，57)将所述第一内部导电块(36，37)互连。
另一方面，本发明的在风力涡轮机叶片(10)中安装防雷电保护系统的方法，所述风力涡轮机叶片(10)包括两个结构壳体(11，13)，所述两个结构壳体(11，13)包括由碳纤维层压材料形成的两个帽(19，21)和两个翼梁(15，17)；
所述风力涡轮机叶片(10)的制造过程包括：制造所述帽(19，21)的第一阶段，制造含有所述帽的结构壳体(11，13)的第二阶段，将所述翼梁(15，17)结合到所述下结构壳体(13)的第三阶段，结合所述两个结构壳体(11，13)的第四阶段；
所述方法包括以下步骤：
a)在所述第一阶段，在所述帽(19，21)中包含入导电端子；
b)在所述第二阶段期间，在所述截面(22，23)每一个中安装所述第一和第二横向雷电接收器(30，31)的所述第一和第二内部导电块(34，35；36，37)，之后，通过所述第一辅助电缆(46，47)和第三辅助电缆(44，45)将所述第一和第二内部导电块(34，35；36，37)连接到所述帽(19，21)；
c)在所述第三阶段，将所述第一和第二导体电缆(41，43)连接到所述翼梁(15，17)，将所述等势棒(50)安装在所述第一和第二导体电缆(41，43)之间，并且通过所述第二和第四辅助电缆(51，53)分别将所述第一和第二导体电缆(41，43)连接到所述第一和第三辅助电缆(47，45)；
d)在所述第四阶段，通过所述第一和第二外部连接器(56，57；54，55)将所述第一和第二内部导电块(36，37；34，35)互连。
尽管已经结合不同的实施例描述了本发明，但是从说明书中可以理解，可以对其中的元件进行不同的组合、变形或改进，它们都在随附的权利要求限定的本发明的范围之内。

Claims (8)

1.风力涡轮机叶片(10)的防雷电保护系统，所述风力涡轮机叶片(10)的结构包括两个结构壳体(11，13)，所述两个结构壳体(11，13)包括由碳纤维层压材料形成的两个帽(19，21)和两个翼梁(15，17)，所述防雷电保护系统包括：
-第一子系统，包括连接到第一导体电缆(41)的一个或多个雷电接收器(25，25’)，所述第一导体电缆(41)位于所述风力涡轮机叶片(10)内部，用于将雷电驱使到地面；
-第二子系统，包括所述帽(19，21)和所述第一导体电缆(41)之间的连接组件，允许使所述风力涡轮机叶片(10)的至少两个截面(22，23)中的防雷电保护系统等势；
其特征在于：
-所述第一子系统还包括第二导体电缆(43)，所述第二导体电缆(43)设置在所述风力涡轮机叶片(10)内部用于将雷电驱使到地面；
-所述第二子系统还包所述截面(22，23)的每一个中的第一横向雷电接收器(31)，所述第一横向雷电接收器(31)设置在所述截面(22，23)的一个边上，所述第一横向雷电接收器(31)包括所述结构壳体(11，13)中的第一内部导电块(36，37)和第一外部连接器(56，57)，设置使得它们能够将所述第一内部导电块(36，37)电互连；所述第二子系统还包括所述截面(22，23)的每个中的第二横向雷电接收器(30)，所述第二横向雷电接收器(30)设置在与所述第一横向雷电接收器(31)所在的所述边相对的所述截面的另一边上，所述第二横向雷电接收器(30)包括所述结构壳体(11，13)中的第二内部导电块(34，35)和第二外部连接器(54，55)，设置使得它们能够将所述第二内部导电块(34，35)电互连；
-所述第一内部导电块(36，37)由第一辅助电缆(46，47)连接到所述帽(19，21)；
-所述第一导体电缆(41)由第二辅助电缆(53)连接到所述第一辅助电缆(46，47)中的一个；
-所述第二内部导电块(34，35)由第三辅助电缆(44，45)连接到所述帽(19，21)；
-所述第二导体电缆(43)由第四辅助电缆(53)连接到所述第三辅助电缆(44，45)的一个；
-所述第二子系统还包括连接到所述第一和第二导体电缆(41，43)的等势棒(50)。
2.根据权利要求1所述的防雷电保护系统，其中，所述第一辅助电缆(46，47)连接到的所述帽(19，21)的端子是金属板。
3.根据权利要求1或2所述的防雷电保护系统，其中，所述第一导体电缆(41)附接到所述风力涡轮机叶片(10)的翼梁(15，17)中的一个。
4.根据权利要求1或2所述的防雷电保护系统，其中，所述第一外部连接器(56，57)中的一个的尺寸设定为适于与所述第一内部导电块(36，37)接触。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第三辅助电缆(44，45)连接到的所述帽(19，21)的端子是金属板。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第二导体电缆(43)附接到所述风力涡轮机叶片(10)的翼梁(15，17)中没有连接所述第一导体电缆(41)的一个翼梁。
7.在风力涡轮机叶片(10)中安装根据权利要求1-4任一项所述的防雷电保护系统的方法，所述风力涡轮机叶片(10)包括两个结构壳体(11，13)，所述两个结构壳体(11，13)包括由碳纤维层压材料形成的两个帽(19，21)和两个翼梁(15，17)；
所述风力涡轮机叶片(10)的制造过程包括：制造所述帽(19，21)的第一阶段，制造含有所述帽(19，21)的结构壳体(11，13)的第二阶段，将所述翼梁(15，17)结合到所述两个结构壳体中的下结构壳体(13)的第三阶段，结合所述两个结构壳体(11，13)的第四阶段；
其特征在于，所述方法包括以下步骤：
a)在所述第一阶段，在所述帽(19，21)中包含入导电端子；
b)在所述第二阶段期间，在所述截面(22，23)的每一个中安装所述第一横向雷电接收器(31)的所述第一内部导电块(36，37)，之后，通过所述第一辅助电缆(46，47)将所述第一内部导电块(36，37)连接到所述帽(19，21)；
c)在所述第三阶段，将所述第一导体电缆(41)连接到离所述第一横向雷电接收器(31)最近的所述翼梁(17)，并且通过所述第二辅助电缆(51)将所述第一导体电缆(41)连接到所述第一辅助电缆(47)；
d)在所述第四阶段，通过所述第一外部连接器(56，57)将所述第一内部导电块(36，37)互连。
8.在风力涡轮机叶片(10)中安装根据权利要求1-6任一项所述的防雷电保护系统的方法，所述风力涡轮机叶片(10)包括两个结构壳体(11，13)，所述两个结构壳体(11，13)包括由碳纤维层压材料形成的两个帽(19，21)和两个翼梁(15，17)；
所述风力涡轮机叶片(10)的制造过程包括：制造所述帽(19，21)的第一阶段，制造含有所述帽的结构壳体(11，13)的第二阶段，将所述翼梁(15，17)结合到所述两个结构壳体中的下结构壳体(13)的第三阶段，结合所述两个结构壳体(11，13)的第四阶段；
其特征在于，所述方法包括以下步骤：
a)在所述第一阶段，在所述帽(19，21)中包含入导电端子；
b)在所述第二阶段期间，在所述截面(22，23)每一个中安装所述第一和第二横向雷电接收器(30，31)的所述第一和第二内部导电块(34，35；36，37)，之后，通过所述第一辅助电缆(46，47)和第三辅助电缆(44，45)将所述第一和第二内部导电块(34，35；36，37)连接到所述帽(19，21)；
c)在所述第三阶段，将所述第一和第二导体电缆(41，43)连接到所述翼梁(15，17)，将所述等势棒(50)安装在所述第一和第二导体电缆(41，43)之间，并且通过所述第二和第四辅助电缆(51，53)分别将所述第一和第二导体电缆(41，43)连接到所述第一和第三辅助电缆(47，45)；
d)在所述第四阶段，通过所述第一和第二外部连接器(56，57；54，55)将所述第一和第二内部导电块(36，37；34，35)互连。
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