CN107110113A - 具有防雷系统的风力涡轮机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种包括防雷系统的风力涡轮机，该防雷系统包括将通信装置和信号载送结构相互连接的波导。在其他方面，本发明涉及波导在风力涡轮机的防雷系统中的用途、功率分配器及其在风力涡轮机的防雷系统中的用途。
Description
技术领域
本发明涉及一种包括防雷系统的风力涡轮机。在其他方面，本发明涉及波导在风力涡轮机的防雷系统中的用途、功率分配器及其在风力涡轮机的防雷系统中的用途。
背景技术
风力涡轮机叶片中的叶片和叶片部件、特别是电子部件的防雷保护是重要的，因为雷电流可能是非常有破坏性的。因此，叶片可以配备有接收雷电的接闪器和用于将雷电流引导到地电势的下引导体。然而，这可能不足以保护位于叶片中的电子部件免受雷电流引起的损坏。
国际专利申请WO2014/187895A1描述了一种用于风力涡轮机叶片的防雷系统，该系统包括在通信装置的纵向位置处围绕叶片的周边定位的导电带，其中导电带与雷电下引导体耦合，用于连接到地平面。信号载送同轴电缆以公共电缆并入到雷电下引导体的内部，其中，雷电下引导体被构造成保护内部信号载送结构。
虽然这种现有技术的系统可以为电子器件提供对雷击的一定程度的保护，但是它们通常针对具有很大电势差的导体之间的雷电流的闪络提供的保护不能令人满意。
因此，本发明的一个目的是提供一种具有防雷系统的风力涡轮机叶片，其提供了对位于叶片内的电子部件、尤其是通信装置的提高的保护水平。
本发明的另一个目的是提供一种具有与现有技术系统相比性能改进的防雷系统的风力涡轮机叶片。
发明内容
在第一方面，本发明涉及一种风力涡轮机，其包括至少一个涡轮机叶片和防雷系统，涡轮机叶片在平行于纵向轴线的纵向方向上延伸并且具有尖端和根端，其中，风力涡轮机包括：
- 位于风力涡轮机内的至少一个通信装置；
- 连接到通信装置的至少一个天线；
- 用于在通信装置和所述至少一个天线之间传送信号的至少一个信号载送结构；
- 将通信装置和信号载送结构相互连接的至少一个波导；
- 至少一个雷电接闪器；
- 连接至雷电接闪器的至少一个雷电下引导体，用于将雷电流传导到叶片的根端，以连接到地平面；
其中，信号载送结构和雷电下引导体在叶片内的一个或更多个位置处短路。
优选地，所述至少一个通信装置位于风力涡轮机叶片内。甚至更优选地，所述至少一个通信装置、所述至少一个天线、所述至少一个信号载送结构、所述至少一个波导、所述至少一个雷电接闪器以及所述至少一个雷电下引导体位于叶片内。
通常，风力涡轮机叶片将包括型面化轮廓以及具有弦的前缘和后缘，型面化轮廓包括压力侧和吸力侧，弦具有在前缘和后缘之间延伸的弦长，型面化轮廓在被入射气流冲击时产生升力。
通信装置通常将包括若干电子部件，例如一个或更多个发射器、接收器、数据处理器、放大器和/或传感器。如果雷电流进入通信装置，那么上述部件可能会被毁坏或损坏。因此，有必要将雷电流从进入和离开通信装置的其他信号分开。
优选地，通信装置被定位为在技术上和物理上尽可能地靠近叶片的根端，以最小化由雷电流引起的冲击。
在一个实施例中，通信装置至少包括无线电信号接收器和数据处理器。这是有利的，因为通信装置然后能够接收和处理来自一个或更多个天线的信号。此外，通信装置可以包括使得通信装置能够发送无线电信号、接收无线电信号和处理无线电信号的无线电信号发射器。接收的信号优选地是从天线到从发射器发送的信号的应答。这种发射器可以是通信装置的一部分或者位于通信装置外部。
在一个实施例中，通信装置包括无线电信号发射器、无线电信号接收器和用于处理诸如从天线接收的无线电信号的数据的数据处理器。这允许飞行时间（time-of-flight）测量，例如以监测叶片偏转。
通信装置还可以包括便于测量表示叶片方位的信息的叶片传感器。表示叶片方位的信息的示例可以是叶片传感器和叶片的运动的加速度或速度。另一个示例可以是叶片传感器装置相对于地球重力（也简称为重力）的旋转位置。叶片方位的优选示例是叶片俯仰角和叶片方位角。
优选地，天线是适于广播超宽带信号（UWB）的天线。
根据本发明的一个实施例，至少一个天线是位于叶片的尖端的尖端天线。叶片的尖端被限定为小于8米，优选地距离叶片的尖端小于1米。
优选地，一个或更多个尖端天线位于叶片内部，或者这样的尖端天线可以至少部分地模制到叶片的结构中。优选地，尖端天线是将信号发送到根端天线的天线。
根据本发明的一个实施例，所述一个或多个天线中的至少一个天线是距离叶片尖端在4米至10米的纵向距离之间的叶片天线。优选地，叶片天线位于距叶片的尖端约5米的距离处。有利地，所述一个或更多个尖端和/或叶片天线位于叶片内部。可替代地，天线可以至少部分地模制到叶片的结构中。优选地，叶片天线是向根端天线传送信号的天线。
根据本发明的一个实施例，所述一个或更多个天线中的至少一个天线是位于叶片外部的根端天线。优选地，根端天线在叶片的根端位于叶片的外部。叶片的根端被限定为距叶片与风力涡轮机的毂部之间的接头小于4米，优选地小于1米。优选地，根端天线与叶片的表面间隔开；因此，有利地，根端天线安装在支架上。优选地，根端天线是接收来自尖端和/或叶片天线的信号的天线。
通常，该信号将是射频（RF）信号。RF电磁波能够传播通过作为波导的内部的自由空间。
通过在信号载送结构和通信装置之间插入波导来获得雷电流的必要分离。波导将雷电流从例如无线电信号分离，并且有助于雷电流可以远离波导/通信装置传导。由此，保护了通信装置的部件免受雷电流的影响。有利地，波导的第一端连接到通信装置，并且波导的第二端连接到诸如同轴电缆的信号载送结构。以这种方式，天线和通信装置之间的信号穿过波导。
根据波导的类型，一个波导可以保护多于一个通信装置免受雷电流的影响。另外，每个电连接和/或通信连接可以具有1：1配置的一个波导。
在一个有利的实施例中，信号载送结构例如同轴电缆的中心导体和屏蔽件导体至少部分地通过锡焊（soldering）连接到波导。在这些导体有助于载送至少一部分雷电流的情况下，通过锡焊、钎焊（brazing）或焊接（welding）将导体固定到波导是有利的。此外，使用一个或更多个螺钉来固定这些导体中的至少一个也是有利的，特别是在波导包括端部发射器的情况下，其中信号载送结构（例如同轴电缆的中心导体和屏蔽件导体）必须连接到端部发射器。
雷电接闪器优选位于叶片的尖端区域内。沿叶片可以有多于一个的接闪器，并且接闪器设计可以从包括围绕叶片的带在内的多种不同的几何形式中选择。下引导体连接到每个接闪器，并且在雷击的情况下，下引导体将雷电流传导到地电势。
根据优选实施例，雷电下引导体连接到叶片的尖端区域中的一个或更多个接闪器，即距离叶片的尖端小于8米，优选小于1米。类似地，信号载送结构可以连接到叶片的尖端区域中的天线。在一个位置，通常在叶片的尖端区域中，这些导体短路，从而使雷电流能够在每个导体中流过叶片。
下引导体能够传导由风力涡轮机叶片的雷击发生的电流，并且通常，下引导体在一端连接到雷电接闪器，并且在第二端连接到地电势或至其的连接件。
在一个实施例中，雷电下引导体的尺寸在35mm2至70mm2之间。下引导体的尺寸取决于下引导体的材料以及下引导体是否必须单独载送整个雷电流。在前一种情况下，下引导体的尺寸优选为50mm2 CU或70mm2 ALU，或提供等同的雷电流传导能力的其他导电材料和（vs）尺寸。如果例如雷电流也至少部分地由诸如信号载送结构的第二导体载送，则可能发生后一种情况。在这种情况下，下引导体的尺寸取决于同轴电缆的类型，并且取决于本发明的实施例；下引导体的尺寸可以低于50mm2。
优选地，短路是直流（DC）短路。雷电下引导体与信号载送结构之间的短路是有利的，因为连接的导体各自载送雷电流的一部分，因此可以减小例如雷电下引导体或其一些部分的尺寸。更重要的是，短路确保了在雷电流通过的情况下，雷电下引导体和信号载送结构的不同导体的绝缘层上的电势低而且是非破坏性的。
在通常位于叶片的根端区域中的波导处，三个导体再次优选地分离。通常，（一个或多个）信号载送导体连接到波导，并且雷电下引导体连接到附加的下引导体。这些连接有助于波导和连接至波导的通信装置用作雷电流的“死端（dead end）”，然后雷电流通过所述附加的下引导体继续接地或接地电势。通信装置通常从风力涡轮机的其余部分电隔离/电流地分离。波导可以用作雷电导体的雷电流传导部件和附加的雷电载送导体的公共端子。
在有利的实施例中，信号载送结构包括一个或更多个信号载送同轴电缆，每个同轴电缆均包括被由管状屏蔽件导体包围的第一管状绝缘层围绕的中心导体。
至少中心导体在一个或更多个天线与通信装置之间传递信号。同轴电缆在导体在通信装置和天线之间载送高频无线电信号的情况下是优选的，因为同轴电缆设计为此目的而优化的。在一个实施例中，管状屏蔽件导体是波状的。
在一个实施例中，同轴电缆是50欧姆型同轴电缆。为了在传输3GHz至5GHz之间的无线电信号通过长度为30至80米或更大的叶片时获得最佳信噪比，同轴电缆的类型优选为50欧姆。这种最佳取决于中心导体和屏蔽件之间的电介质，但通常在50-70欧姆的范围内。通常，选择标准的50-75欧姆电缆。
信号载送结构可以包括多个信号载送同轴电缆，这些同轴电缆通常由如下所述的一个或更多个分配器或接地回路互连。多个天线中的每一个可以经由相应的波导通过其相应的同轴电缆连接到通信装置。
在优选实施例中，信号载送同轴电缆中的一个或更多个至少在其长度的一部分上集成为三导体电缆，该三导体电缆包括围绕管状屏蔽件导体的第二管状绝缘层，第二管状绝缘层被雷电下引导体的至少一部分围绕。
三导体电缆的优点是使需要安装在叶片中的电缆数量最小化。在这种三导体电缆的优选实施例中，雷电下引导体具有施加在其他导体外部的管状屏蔽件或套构件的形式。此外，如果所述集成还包括在套构件外的隔离层，则是有利的，因为这样避免或至少显著减少了电缆（例如叶片部件）之间的电弧。
根据本发明的一个实施例，雷电下引导体优选地通过由导电材料制成的套构件来封装导体。由于雷电流足够高到破坏电子器件并干扰通信信号，所以这些电流优选地经由预定的雷电流路径从叶片传导到地，其中预定的雷电流路径沿着有助于不损害电子器件并减少通信信号的干扰的路径传导电流。有利地，这种预定的雷电流路径的至少一部分是优选地由封装天线与通信装置之间的（一个或多个）信号载送导体的金属制成的套构件。
金属套构件由于铝的电流传导能力而优选地由铝制成，但也可以由其他能够传导电流的材料例如铜制成。
在一个实施例中，三导体电缆包括将雷电下引导体（例如套构件）从周围隔离的第三绝缘层。套构件外部的绝缘层确保雷电流在预定的雷电流路径中跟随套构件。预定的雷电流路径通常从叶片尖端开始，并且在制造风力涡轮机的基底的地面处终止。
在三导体电缆的替代实施例中，在同轴电缆的屏蔽件导体与雷电导体之间没有隔离层，例如外部的套构件。
在特别优选的实施例中，信号载送结构包括用于分离和传输射频功率的至少一个功率分配器，该功率分配器包括一个输入端口和至少两个输出端口，每个端口均适于连通性地接收信号载送电缆，其中输入端口连接到每个输出端口，使得在输入端口处接收的射频信号被分离到输出端口。优选地，信号被分成基本上等于输出端口。分配器使得从通信装置发送并到达输入端口的射频信号能够被分离并传输到第一输出端口，第一输出端口可以接收通向叶片天线的信号载送同轴电缆，并且上述射频信号被分离并传输到第二输出端口，第二输出端口可以接收通向尖端天线的另一信号载送同轴电缆。另一个选择是具有不等的分配，例如以最长的电缆和最长的传输路径将更多的功率传递到一个天线，并且传递较少的功率到另一个天线。
在另一个实施例中，功率分配器包括连接到输入端口的导电壳体，以实现壳体和输入端口的直流短路。这使得通过安装在壳体或分配器的其中一个输出端口上的雷电下引导体在导电壳体处接收到的雷电流能够通过分配器并被传输到输入端口以进一步传输到地。另外，通过建立直流短路，可以将雷电流分配到连接于输入端口的三导体电缆的所有三个导体上，并且能够使导体之间的电势差最小化。
在另一个实施例中，信号载送结构与雷电下引导体在功率分配器处短路。在另一个实施例中，输入端口和至少一个输出端口适于连通性地接收上述三导体电缆。
根据一个优选实施例，叶片还包括用于传输射频功率和雷电流的接地回路，该接地回路包括输入端口和输出端口，每个端口均适于连通性地接收信号载送电缆，其中输入端口连接到输出端口，使得在输入端口接收的射频信号被传输到输出端口，接地回路具有导电壳体，该导电壳体包括用于连通性地接收连接到雷电接闪器的导体的端部的连接装置，其中接地回路实现了壳体和输入端口的直流短路。优选地，接地回路的输入端口适于接收如上所述的三导体电缆。有利地，接地回路被放置在叶片的尖端区域内。
在特别优选的实施例中，风力涡轮机叶片包括：连接到接地回路的导电壳体的雷电接闪器；通过信号载送同轴电缆连接到接地回路的输出端口的第一天线；如上所述的连接到接地回路的输入端口的第一三导体电缆，所述第一三导体电缆的相反端连接到如上所述的功率分配器的第一输出端口；通过信号载送同轴电缆连接到功率分配器的第二输出端口的第二天线；连接到分配器的输入端口的第二三导体电缆，所述第二三导体电缆的相反端连接到波导，波导连接到通讯装置。优选地，一个或两个附加的天线经由相应的波导连接到通信装置。
在另一个实施例中，叶片包括位于距叶片的尖端不同的纵向距离处的两个或更多个天线。有利地，所述叶片包括第一天线和第二天线，第一天线被放置在与叶片的尖端相距一米的纵向距离内，并且其中第二天线被放置在与叶片的尖端相距四米至十米之间的纵向距离处。
通常，信号是射频信号。
在另一方面，本发明涉及一种包括防雷系统的风力涡轮机叶片，所述风力涡轮机叶片在平行于纵向轴线的纵向方向上延伸并且具有尖端和根端，其中所述叶片包括：
- 位于叶片内的至少一个通信装置；
- 连接到通信装置的至少一个天线；
- 用于在通信装置和所述至少一个天线之间传送信号的至少一个信号载送结构；
- 将通信装置和信号载送结构相互连接的至少一个波导；
- 至少一个雷电接闪器；
- 连接至雷电接闪器的至少一个雷电下引导体，用于将雷电流传导到叶片的根端，以连接到地平面；
其中，信号载送结构和雷电下引导体在叶片内的一个或更多个位置处短路。
在另一方面，本发明涉及波导在风力涡轮机的防雷系统中的用途，其中波导将位于涡轮机内的通信装置和连接到至少一个天线的信号载送结构相互连接。这使得能够获得可能存在于信号载送结构上的传送的无线电信号和雷电流的分离。优选地，通信装置和信号载送结构位于风力涡轮机的叶片内。因此，可以在风力涡轮机的叶片中具有电子器件，并且由于雷电流而导致的损坏风险非常小。
在波导的用途的优选实施例中，信号载送结构与雷电下引导体在叶片内的一个或更多个位置处短路，其中波导用于防止由信号载送结构传导的雷电流进入通信装置。
在另一方面，本发明涉及一种用于在风力涡轮机叶片内分离和传输射频功率的功率分配器，该功率分配器包括一个输入端口和至少两个输出端口，每个端口均适于连通性地接收信号载送电缆，其中输入端口连接到每个输出端口，使得在输入端口处接收的射频信号被分离到输出端口，并且其中功率分配器包括连接到输入端口的导电壳体，以使得壳体和输入端口能够直流短路。优选地，信号被分离成基本相等。
优选地，输入端口和至少一个输出端口适于连通性地接收三导体电缆，该三导体电缆包括被由管状屏蔽件导体包围的第一管状绝缘层围绕的信号载送中心导体，所述管状屏蔽件导体被第二管状绝缘层围绕，第二管状绝缘层被第三导体围绕。
另一方面，本发明涉及上述功率分配器在风力涡轮机叶片的防雷系统中的用途。
如本文所使用的，术语“波导”是指适于用作射频电磁波的传输线的中空传导结构，例如中空金属管或金属盒。波导用作高通滤波器，允许高于某一截止频率（cut-offfrequency）的电磁波通过波导（通常是射频波），而低于所述截止频率的大部分电磁能例如雷电流将被波导衰减。横截面可以具有以下形状之一：正方形、矩形、圆形、椭圆形、双脊（H形）或单脊（U形）。截止频率、扩散和/或衰减将取决于横截面。
如本文所使用的，术语“基本上相等”是指每个所得输出信号在其他输出信号的+/-10%内的功率分配。
此外，本发明涉及一种具有预定的雷电流路径的风力涡轮机叶片，预定的雷电流路径至少包括位于叶片中的雷电接闪器、位于叶片内的下引导体以及将下引导体连接到地电势的附加的下引导体，其特征在于预定的雷电流路径绕过波导。优选地，波导位于叶片中。优选地，附加的下引导体在下引导体与波导的连接处连接到下引导体。可替代地，下引导体和附加的下引导体的连接从波导隔离。导体优选地在位于叶片中的天线与通信装置之间载送通信信号，优选地，天线位于导体的与波导相反的一端。
根据优选实施例，预定的雷电流路径至少部分地被实现为套构件，所述套构件封装在叶片中实现为同轴电缆的信号载送结构。
对本领域技术人员显而易见的是，本文讨论的实施例可以彼此组合。
附图说明
下面将参照附图更详细地描述本发明的几个示例性实施例，其中：
图1示出了根据本发明的实施例的风力涡轮机；
图2示出了根据本发明的实施例的具有基于无线电的测量系统的叶片；
图3示出了根据本发明的实施例的导体；
图4a示出了根据本发明的实施例的波导的侧视图；
图4b示出了根据本发明的实施例的波导的正视图；
图5是根据本发明的防雷系统的示意图；以及
图6是根据本发明的功率分配器的横截面图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的实施例的可变速风力涡轮机1的形式的发电系统。风力涡轮机1包括塔架2、机身3、毂部 4和两个或更多个叶片5。风力涡轮机1的叶片5在它们各自的根端可旋转地安装在毂部4上，并与毂部4一起被称为转子。每个叶片5的与根端相反的端部是尖端。叶片5沿其纵向轴线的旋转被称为俯仰。风力涡轮机1由控制系统控制，控制系统包括风力涡轮机控制器6、用于控制风力涡轮机1的不同部分的子控制器7以及通信线路8。
图2示出了根据本发明的实施例的风力涡轮机1的叶片5。叶片5配备有基于无线电的测量系统，该测量系统包括通信装置9，其通过波导12、导体11和天线10而被保护免受雷电流影响。通信装置9优选地至少包括无线电信号发射器14A、无线电信号接收器14B和用于处理包括所接收的无线电信号的数据的数据处理器15（特别地，发现和分析无线电信号从发射器14A行进到接收器14B的时间是令人关注的）。无线电信号发射器/接收器14可以被实现为能够既发送又接收的一个装置。通信装置9还可以包括附加元件，例如加速度计和/或陀螺仪等形式的叶片传感器16。
通信装置9优选地经由诸如连接到数据通信接口26的光纤8等光通信装置与风力涡轮机控制系统6、7的其余部分进行通信。
通信装置9优选地通过与通信装置9的其余部分电绝缘的电源接口27来供电。
通信装置9优选地通过在叶片5的尖端处示出的尖端天线10A发送无线电信号。无线电信号由设置在叶片5的根端附近的一个或多个根端天线10C接收。另外的叶片发射天线10B也可以发射无线电信号。来自附加（未示出）的天线的无线电信号也可以被提供给通信装置9的无线电信号接收器/发射器14或者从通信装置9的无线电信号接收器/发射器14提供。
无线电信号载送导体11连接到天线10。导体11在另一端连接到波导12，其在另一端连接到通信装置9。在本发明的优选实施例中，无线电发射装置14A经由波导12和导体11将无线电信号发送到尖端天线10A，并且优选地还将发送到叶片天线10B（如果存在叶片天线10B的话）。尖端天线10A发射（发射在本申请中可以被解释为广播或通信）无线电信号，该无线电信号然后由一个或更多个根端天线10C接收并发送到通信装置9的无线电信号接收器14B。在替代实施例中，无线电信号从叶片天线10C发送到尖端天线10A /叶片天线10B，并且经由导体11和波导12发送到通信装置9。
应当注意，在替代配置中，每个天线10C可以连接到单独的波导12。
图3不同地示出了相同类型的导体11、13。通过显示导体11、13A的不同层来示出波导12和分配器30之间的导体11、13A、18。从分配器30到叶片天线10B的导体11、18的情况也是相同的，只有层较少。从波导12到根端天线10C的导体11、18简单地示出为单线，但是如上所述被实现为多层导体。导体13B优选为具有或不具有隔离层的标准下引导体。这种图示导体11、13的不同方式仅仅是为了说明导体可以不同地实现，即，根据导体电缆的目的，整个叶片中的层数不一定相同。导体11优选地实现为一种类型的电缆，优选地是同轴电缆18。
应该提到的是，如果只有一个接闪器17位于叶片5中，则优选将未示出的第二隔离层20施加在套构件19的外部。
波导12包括端部发射器22，如关于图4B所描述的，信号载送导体23连接到端部发射器22。
波导端部发射器22优选地是连接内部导体（即无线电信号载送导体11的信号载送导体23）的台阶型的端部发射器22。如图2所示，端部发射器22可以被实现为一个或多个台阶，同轴电缆导体11、18的内部导体23安装在所述台阶处。应该提到的是，没有端部发射器22或具有端部发射器22的其他实现方式的波导12也可以用作通信装置9的防雷保护。优选的是将同轴电缆连接到波导的端部。另一种解决方案是将同轴电缆从波导的顶部连接到图2所示的“阶梯”（元件22）。
优选地，导体11是同轴电缆18，但也可以使用其他类型的无线电信号载送电缆。
通信装置9可以通过数据处理器15处理接收到的信息，并且经由通信线路8将信息进一步传递到控制器6或子控制器7。可替代地，信息也可以仅被传递通过通信装置9以在控制器6或子控制器7处被处理。信息的处理可以包括分析发射和接收无线电信号之间的时间。
通信装置9可以由通过电力电缆连接到优选地位于毂部4中的电源的电源接口来供电。
限定雷电流的一种方式是在10us内上升200kA脉冲，并且在350us后降至50%。这种大小的电流脉冲可能对电子设备非常有害，并且通常干扰数据通信/无线电信号。因此，通信装置9必须被这样的电流脉冲绕过，以避免通信装置9的部件的损坏。
特别是当通信装置9位于叶片5中时，需要保护它免受因叶片的雷击而导致的高电流。因此，在叶片5中实施了防雷系统。至少一个雷电接闪器17优选地朝向叶片5的尖端设置在叶片5中。该雷电接闪器17连接到下引导体13A，下引导体13A将雷电流从接闪器17向下传导通过叶片5。
优选地，分配器30位于导体11的端部，其中一个或更多个导体23、25与构成下引导体13A的外部套构件19在所述端部处短路。以这种方式，导体11的所有导体都参与雷电流的传导。接闪器17和天线10从分配器30开始连接。
根据本发明的一个实施例，下引导体13A被实现为优选由金属制成的外部套构件19，外部套构件19覆盖或封装无线电信号导体11。这是有利的，因为这样仅需要在整个叶片中安装一根电缆。为了保护通信装置9，导体11和下引导体13A端接在波导12处的一端。这种端接使得来自天线10的无线电信号能够经由波导12延续到通信装置9。同时，下引导体13绕过波导12并且经由附加的下引导体13B延续从接闪器17到地电势的电路径。
导体11与波导12之间的连接优选地通过锡焊、钎焊、焊接等方式进行。可替代地，与波导12处的插座相配合的插头安装在导体11上，这种插头应当优选地符合处理雷电流的插头的要求。下引导体13A绕过波导12，因此下引导体13A和附加的下引导体13B连接，并且附加的下引导体13B进一步将雷电流导向波导12周围的地电势。
根据具有分开的内部信号载送导体23和外部套构件19（也称为金属套构件19）的上述实施例的替代实施例，叶片测量系统可以包括导体11、13，其中内部信号载送导体23、外部导体25和金属套构件19短路。以这种方式，来自接闪器17雷击的能量部分地在信号载送导体23中、部分地在外部导体25中以及部分地在金属套构件19中传导穿过叶片5。
根据本实施例，然后，在通信装置9与导体11、13之间的结合处，内部导体23、外部导体25和金属套构件19再次短路。如上所述，内部导体23优选地被引导到波导12的内部，内部导体23在这里可以如上所述地连接。附加的下引导体13B优选地附接到短路点，从而进一步在通信装置9周围传导雷电流。以这种方式，内部导体23经由传导性地连接到波导12的端部发射器22而短路。因此，产生了防雷保护，因为雷电流遇到短路，并经由导体13B绕过波导，并且无线电信号在同轴电缆中的波和波导中的波之间变换。
在多于一个雷电接闪器17的情况下，下引导体13和导体11的导体可以在每个雷电接闪器17处短路。因此，优选在叶片5中仅使用一个接闪器。
如所提到的，波导12将雷电流从无线电信号分离，导体11、13和通信装置9以导体11、下引导体13（优选地实现为套构件19，但是也可以是单独的电缆）和波导12之间的结合处存在的相同的电势“浮动”。为了获得通信装置9的这种浮动电势，优选地，对通信装置9的电力供给和数据通信从风力涡轮机的其余部分电隔离。这可以例如通过使用光纤和对通信装置9的电隔离连接而获得。
如图2所示，通信装置9不限于发射、接收和转发所接收的（例如处理的）信号。在本发明的实施例中，通信装置9还包括用于评估叶片方位（例如俯仰角、方位角、转子速度等）的一个或更多个叶片传感器。
因此，通过使用一个或更多个波导作为从无线电到天线以及从天线到无线电的信号通路的一部分，例如由电流表示的与雷击相关的能量从敏感信号、无线电和其他电子部件分离。
图2示出了经由导体11和多个波导12连接到一个通信装置9的一个尖端天线10A、一个叶片天线10B和两个根端天线10C。应当提及的是，虽然没有在图2中示出，但是如果需要，可以使用更多的天线10、导体11、通信装置9或波导12。此外，导体11和波导之间的关系优选为1：1。
示出为最靠近叶片的尖端的天线10A也可以称为尖端天线，在尖端天线10A与通信装置9之间示出的天线10B可以称为叶片天线10B，并且位于叶片根端的天线可以称为根端天线10C。
此外，图2示出了从叶片5的尖端到地面的预定的雷电流路径21的一部分。图2所示的部分是预定的雷电流路径的一部分，其从叶片5的尖端处的接闪器17开始，到达附加的下引导体13。通过叶片5，预定的雷电流路径绕过连接到通信装置9的波导12，因而通信装置9也被绕过。
图3示出了用于从天线10/向天线10载送无线电信号以及从接闪器17载送雷电流的导体11、13的示例。所示的示例是同轴电缆18，其包括中心无线电信号载送导体 23、第一隔离层24和外部导体25。这些层是同轴电缆18的典型层。这种同轴电缆18还可用作导体11，以用于根端天线10和通信装置9之间以及分配器30和天线10之间的通信。
在外部导体25的上方，同轴电缆隔离层29可以将同轴电缆18从金属套构件19隔离，其中金属套构件19用于在雷击的情况下至少部分地将雷电流载送通过叶片。在金属套构件19的上方可以放置隔离层20，以将这种雷电流“跳变”的风险限制于其他叶片部件而不是留在导体11、13、18中。
外部套构件19可以配置有在金属与隔离层20之间的一个或更多个层（未示出）。这些一个或更多个层可以包括织物或聚合物材料，并且可以是半导电的，其导电性介于金属的导电性和隔离层20的导电性之间。
将同轴电缆18从金属套构件19隔离的同轴电缆隔离层29和将金属套构件19从周围隔离的第二隔离层20都是可选的。因此，在本发明的一些实施例中，导体11、13可以仅包括内部无线电信号载送导体23、第一隔离层24和外部导体25。在这种情况下，在只有一个接闪器17被放置在叶片套构件19中的一些配置中，推荐第二隔离层20。
因此，通过将叶片测量系统的天线系统包括在诸如金属套构件19的法拉第笼式结构中作为防雷系统的一部分，确保了雷电能量（也称为雷电流）在天线系统周围传递。天线系统可以包括天线10、导体11和通信装置9。
对于不同类型的波具有不同类型的波导，并且根据本发明，优选的是中空导电金属管，如图4A的侧视图所示。此外，波导12可以另外具有用于将波导12例如紧固到通信装置9的凸缘（未示出）。这种凸缘也可以用于将导体11的外部导体25紧固到波导12上。在一些实施例中，外部套构件19也可以紧固到这种凸缘上，从而在外部导体25与外部套构件19之间产生短路。可替代地，可以通过将外部导体25和外部套构件19端接在与波导12电流连接的端子或焊料中来促进这种短路。波导12优选地通过导体11连接到通信装置9，但也可以直接连接到通信装置9。
图4B示出了波导12的端视图。信号载送导体23优选地端接在端子28中，其中端子28是连接到波导12的端部发射器22的一部分。因此，对于雷电流，外部导体25、外部套构件19和信号载送导体23经由端部发射器23和波导12短路。这与面临50欧姆电阻的GHz无线电信号不同，因此获得了对于雷电流的保护。
应当提到的是，端部发射器22可以被实现为波导12内的小天线等。此外，应当提到的是，波导的两个端部发射器22不一定是相同的类型。
用于3-5GHx无线电信号的合适的波导12可以是大约30 x 60 x 300毫米（高x宽x长）。基于使用的无线电频率确定波导12的尺寸。根据本发明的实施例的合适的频率可以是例如从3GHz到5 GHz或者甚至更高。
图5是根据本发明的防雷系统31的示意图。其示出了连接到尖端天线10a、叶片天线10b和两个根端天线10c、10d的通信装置9。包括信号载送中心导体、同轴屏蔽件导体和外部套构件的三导体电缆18a布置在波导12a和分配器30之间。下面参照图6进一步描述分配器30。另一个三导体电缆18b将分配器和接地回路32相互连接，其中接地回路32连接到雷电接闪器17和尖端天线10a。接地回路32的目的是将来自其导电壳体上的雷电接闪器的雷电流传导到三导体电缆18b，其中接地回路32提供电缆18b的三个导体之间的直流短路。此外，接地回路32将来自通信装置9的无线电信号传送到尖端天线10a。每个天线与同轴电缆连接。
图6是根据本发明的功率分配器30的示意性横截面图。功率分配器30具有用于连通性地接收三导体电缆的输入端口33并且具有两个输出端口34、35。输出端口34也适于连通性地接收三导体电缆。电缆的外部套构件即雷电下引导体19通过夹具41夹紧到输入端口33，使得套构件连接到分配器30的导电壳体36。另一个输出端口35适于接收带有中心导体和同轴屏蔽件的信号载送同轴电缆，其中该电缆通向天线。功率分配器30具有导电壳体36，导电壳体36用于将源自尖端（即，用于输出端口34）的雷电流传输到根端，即输入端口33。相反，从通信装置发射的无线电信号被接收在输入端口33中，并且通过经由导电阶梯40连接的内部导体37、38、39在装置内基本上相等地分配到输出端口34和35。
本领域技术人员将理解的是，上述实施例本质上仅仅是示例性的，并且可以想到实现本发明的其它替代方案。
附图标记列表
1 风力涡轮机
2 塔架
3 机身
4 毂部
5 叶片
6 风力涡轮机控制器
7 子控制器
8 通信线路
9 通信装置
10 尖端天线（10A）、叶片天线（10B）、根端天线（10V）
11 导体
12 波导
13 下引导体（13A）、附加的下引导体（13B）
14 无线电信号发射器（14A）、无线电信号接收器（14B）
15 数据处理器
16 叶片传感器
17 雷电接闪器
18 同轴电缆
19 外部套构件
20 第二隔离层
21 预定的雷电流路径
22 端部发射器
23 信号载送导体
24 第一隔离层
25 外部导体
26 数据通信接口
27 电源接口
28 端子
29 同轴电缆隔离层
30 分配器
31 防雷系统
32 接地回路
33 输入端口
34 输出端口
35 输出端口
36 壳体
37 中心导体
38 中心导体
39 中心导体
40 铜阶梯
41 夹具
Claims (15)
1.一种风力涡轮机，包括至少一个涡轮机叶片和防雷系统，所述涡轮机叶片在平行于纵向轴线的纵向方向上延伸并且具有尖端和根端，其中所述风力涡轮机包括：
- 位于所述风力涡轮机内的至少一个通信装置；
- 连接到所述通信装置的至少一个天线；
- 用于在所述通信装置和所述至少一个天线之间传送信号的至少一个信号载送结构；
- 将所述通信装置和所述信号载送结构相互连接的至少一个波导；
- 至少一个雷电接闪器；
- 连接至所述雷电接闪器的至少一个雷电下引导体，用于将雷电流传导到所述叶片的根端，以连接到地平面；
其中，所述信号载送结构和所述雷电下引导体在所述叶片内的一个或更多个位置处短路。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中，所述信号载送结构包括一个或更多个信号载送同轴电缆，每个同轴电缆均包括被由管状屏蔽件导体包围的第一管状绝缘层围绕的中心导体。
3.根据权利要求2所述的风力涡轮机，其中，所述信号载送同轴电缆中的一个或更多个至少在其长度的一部分上集成为三导体电缆，所述三导体电缆包括围绕所述管状屏蔽件导体的第二管状绝缘层，所述第二管状绝缘层被所述雷电下引导体的至少一部分围绕。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的风力涡轮机，其中，所述信号载送结构包括用于分离和传输射频功率的至少一个功率分配器，所述功率分配器包括一个输入端口和至少两个输出端口，每个端口均适于连通性地接收信号载送电缆，其中所述输入端口连接到每个输出端口，使得在所述输入端口处接收的射频信号被分离到所述输出端口。
5.根据权利要求4所述的风力涡轮机，其中，所述功率分配器包括连接到所述输入端口的导电壳体，以实现所述壳体和所述输入端口的直流短路。
6.根据权利要求4或5所述的风力涡轮机，其中，所述信号载送结构与所述雷电下引导体在所述功率分配器处短路。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的风力涡轮机，其中，所述输入端口和至少一个输出端口适于连通性地接收权利要求3中的所述三导体电缆。
8.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机，其中，所述叶片包括位于距所述叶片的尖端不同的纵向距离处的两个或更多个天线，例如，其中所述叶片包括第一天线和第二天线，所述第一天线被放置在与所述叶片的尖端相距一米的纵向距离内，并且其中所述第二天线被放置在与所述叶片的尖端相距四米至十米之间的纵向距离处。
9.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机，其中，所述信号是射频信号。
10.一种包括防雷系统的风力涡轮机叶片，所述风力涡轮机叶片在平行于纵向轴线的纵向方向上延伸并且具有尖端和根端，其中所述叶片包括：
- 位于所述叶片内的至少一个通信装置；
- 连接到所述通信装置的至少一个天线；
- 用于在所述通信装置和所述至少一个天线之间传送信号的至少一个信号载送结构；
- 将所述通信装置和所述信号载送结构相互连接的至少一个波导；
- 至少一个雷电接闪器；
- 连接至所述雷电接闪器的至少一个雷电下引导体，用于将雷电流传导到所述叶片的根端，以连接到地平面；
其中，所述信号载送结构和所述雷电下引导体在所述叶片内的一个或更多个位置处短路。
11.波导在风力涡轮机的防雷系统中的用途，其中，所述波导将位于所述涡轮机内的通信装置和连接到至少一个天线的信号载送结构相互连接。
12.根据权利要求11所述的用途，其中，所述信号载送结构与雷电下引导体在至少一个风力涡轮机叶片内的一个或更多个位置处短路，并且其中，所述波导用于防止由所述信号载送结构传导的雷电流进入所述通信装置。
13.一种用于在风力涡轮机叶片内分离和传输射频功率的功率分配器，所述功率分配器包括一个输入端口和至少两个输出端口，每个端口均适于连通性地接收信号载送电缆，其中所述输入端口连接到每个输出端口，使得在所述输入端口处接收的射频信号被分离到所述输出端口，并且其中，所述功率分配器包括连接到所述输入端口的导电壳体，以使得所述壳体和所述输入端口能够直流短路。
14.根据权利要求13所述的功率分配器，其中，所述输入端口和至少一个输出端口适于连通性地接收三导体电缆，所述三导体电缆包括被由管状屏蔽件导体包围的第一管状绝缘层围绕的信号载送中心导体，所述管状屏蔽件导体被第二管状绝缘层围绕，所述第二管状绝缘层被第三导体围绕。
15.根据权利要求14所述的功率分配器在风力涡轮机叶片的防雷系统中的用途。
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