CN110608140B

CN110608140B - 阶梯式导电率界面

Info

Publication number: CN110608140B
Application number: CN201910515166.XA
Authority: CN
Inventors: D.吉罗拉莫; Y.C.范张
Original assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Priority date: 2018-06-14
Filing date: 2019-06-14
Publication date: 2022-06-14
Anticipated expiration: 2039-06-14
Also published as: EP3581796A1; ES2914318T3; PT3581796T; EP3581796B1; US20190383274A1; CN110608140A; DK3581796T3; US11555482B2

Abstract

本发明描述了在风力涡轮机转子叶片（6）的碳基元件（60、61）和下导体（62）之间的阶梯式导电率装置（10），所述阶梯式导电率装置（10）包括转变界面（3），其被布置成电连接第一导电部分（1）和第二导电部分（2），其中第一导电部分（1）从下导体（62）延伸，第二导电部分（2）从碳基元件（60、61）延伸，并且其中转变界面（3）的导电率在第二导电部分（2）的方向上降低。本发明还描述了一种风力涡轮机转子叶片（6），其包括这样的阶梯式导电率装置（10）和提供这样的阶梯式导电率装置（10）的方法。

Description

阶梯式导电率界面

技术领域

本发明描述了一种阶梯式导电率界面，一种包括这样的阶梯式导电率界面的风力涡轮机转子叶片，以及提供这样的阶梯式导电率界面的方法。

背景技术

风力涡轮机的转子叶片由于其暴露位置而最冒接收雷击的风险。因此，将风力涡轮机的雷电保护系统（LPS）恰当设计成保护转子叶片免受雷击损坏是至关重要的。这通常是通过在叶片内部布置高压金属线缆作为下导体并将其连接到LPS的接地系统来完成的。沿转子叶片外侧的各个点处的接收器连接到内部下导体，当雷击转子叶片时提供到地的安全的电流路径。

当转子叶片设计成并入例如包括碳纤维的一个或多个碳基结构或功能部件（在下文中更简单地称为“碳元件”）的弱导电元件时会出现关于这样的类型的LPS的问题。碳元件可用于各种目的，例如作为承载元件、加热垫、除冰垫等。然而，在对转子叶片雷击的情况下，其下导体的阻抗、雷电流的幅度和雷电流的频率分量相结合以生成沿着下导体的电压降，其可以是数百万伏特的量级。这样的大的电位差可导致下导体与附近任何碳元件之间的闪络（flash-over）。此外，下导体和相邻碳元件之间的互感可以在碳元件中产生电流。这些效应中的任何一种都可能对碳元件和闪络路径中的任何其他材料引起明显的结构损坏。受损的承载碳元件可以导致叶片中的结构损坏。诸如除冰系统或加热系统之类的子系统的受损碳元件可导致该子系统的故障或失效。最初，对（一个或多个）碳元件的损坏可能被忽视，但是在转子叶片的循环加载下损坏可能变得更糟，并且可能最终导致叶片远远在其预期寿命结束之前的灾难性失效。

因此，即使碳的导电率远低于金属下导体的导电率，也必须为转子叶片LPS考虑这样的性质。

在一种方法中，转子叶片LPS可以使用电连接器电耦合到任何碳元件，所述电连接器有意地允许来自雷击的电流的部分以受控方式流过碳元件。然而，由于两种材料的非常不同的导电率，因此难以在金属下导体和碳元件之间实现令人满意的电连接。这样的差异表现为金属下导体和弱导电碳元件之间的接合处的导电率的不连续或“突然下降”。当大电流面对这样的导电率不连续时，就可能会产生电弧。电弧可能导致附近材料的熔化或烧焦。在这样的事件之后，叶片结构就可能遭受孔洞、结合损坏、分层、膨胀、裂缝等。这些类型的损坏可能在转子叶片的循环加载下传播并变得更糟，使得最终可能发生灾难性失效。

发明内容

因此，本发明的目的是提供在转子叶片LPS的弱导电碳元件和下导体之间的改进的界面。

该目的通过阶梯式导电率界面、通过风力涡轮机转子叶片、以及通过提供阶梯式导电率界面的方法来实现。

根据本发明，阶梯式导电率界面布置在风力涡轮机转子叶片的碳元件和转子叶片的雷电保护系统之间。本发明的阶梯式导电率界面包括布置在第一导电部分和第二导电部分之间的多个导电界面区域，其中第一导电部分从雷电保护系统延伸，并且第二导电部分从碳元件延伸。在本发明的阶梯式导电率界面中，界面区域具有不同的导电率，并且界面区域的导电率在第二导电部分的方向上减小。

根据本发明的阶梯式导电率界面的优点在于它避免了LPS的元件和转子叶片的碳元件之间导电率的不利的突然降低。在雷击的情况下产生的非常高的电流将不再“遇到”具有非常低导电率的弱导电碳元件所呈现的屏障。相反，阶梯式导电率界面中的导电率大于碳元件的低导电率，并且朝向该低导电率的逐渐减小（而不是突然下降）将显著降低电弧的可能性。

根据本发明，风力涡轮机转子叶片包括在转子叶片中并入的多个结构和/或功能碳基元件；雷电保护系统的下导体；以及在下导体和碳元件之间的这样的阶梯式导电率界面的实施例。

本发明的风力涡轮机转子叶片被有利地保护免受由连结下导体和（一个或多个）嵌入式碳元件的导电部分之间的电弧引起的损坏，使得转子叶片的寿命不受在转子叶片中包括碳元件损伤。

根据本发明，在风力涡轮机转子叶片的碳元件和转子叶片的雷电保护系统之间提供阶梯式导电率界面的方法包括以下步骤：提供从雷电保护系统延伸的第一导电部分；提供从碳元件延伸的第二导电部分；以及在第一和第二导电部分之间形成具有不同导电率的多个导电界面区域，由此，界面区域按照在第二导电部分的方向上降低导电率的顺序布置。

如在以下描述中所揭示的，由从属权利要求给出本发明的特别有利的实施例和特征。不同权利要求类别的特征可以被适当地组合以给出本文未描述的另外的实施例。

在下文中，在不以任何方式限制本发明的情况下，可以假设第一导电部分是金属线缆，其以某种方式电连接到布置在转子叶片内部的下导体。类似地，在不以任何方式限制本发明的情况下，可以假设第二导电部分是导电垫或“碳垫”（主要包括碳纤维），并且以导电方式结合到转子叶片的碳元件。转子叶片的碳元件可以是承载结构元件，诸如在转子叶片长度的大部分上延伸的梁。同样地，转子叶片的碳元件可以是功能元件，诸如加热垫、除冰垫等。转子叶片可以包括任何数量的这样的碳元件，并且任何这样的碳元件可以以某个合适的方式电连接到转子叶片的LPS，例如使用如上所解释的金属线缆。

第二导电部分是碳元件的延伸，并且可以实现为弱导电碳垫。术语“第二导电部分”、“导电垫”和“碳垫”可互换使用。可以假设碳垫具有与碳元件类似的低导电率。在下文中，在不以任何方式限制本发明的情况下，可以假设第二导电部分的导电率明显低于第一导电部分的导电率。例如，碳垫的导电率可以在5 S/m至3E⁴ S/m的范围内，这取决于诸如碳纤维的厚度和纤维密度之类的各种因素。对于垫/层系统来说，导电率可取决于面积重量、纤维布置（单向、双向等）和所使用的注入方法。此外，碳纤维复合物的导电率是正交异性性质，而不是各向同性性质，因为它在不同方向上是不同的。金属线缆的导电率可以在1E⁶至1E⁸ S/m的范围内，这取决于其横截面积和（一个或多个）制造它的金属。

金属线缆和导电垫可以以任何合适的方式彼此附接，例如通过沿着碳垫的外边缘结合金属线缆的端部，使得金属线缆在重叠区域中接合到导电垫。因此，在本发明的优选实施例中，具有最高导电率的界面区域被布置在金属线缆和导电垫之间的重叠区域中。

可以以任何数量的方式实现界面区域。例如，界面区域可以以金属网片的形式提供。较高网格密度与较高的导电率关联。优选地，提供单个金属网格界面，其网格密度沿其长度变化。较高网格密度被布置在从LPS下导体的电流引入点处。高网格密度可以改善金属线缆和导电垫之间的接触面积，从而改善这些部分之间的导电率。通过施加压力可以实现金属网片、金属线缆和碳垫之间的鲁棒的电连接。可替代地，界面区域可以以具有不同网格密度的类似形状的金属网片的形式提供。这些可以按降低的顺序（即在碳基元件的方向上降低网格密度）布置在彼此旁边，从而具有最大网格密度的金属网片结合到金属线缆。相邻的金属网片可以在对应的边缘处邻接。可替换地，相邻的金属网片可以在其相当大部分面积上重叠。

在本发明的特别优选的实施例中，界面区域包括通过将诸如切短碳纤维和/或金属屑之类的导电颗粒悬浮在诸如树脂、空气干燥粘合剂、合适的涂覆物等之类的载体介质中来形成导电材料层。可替换地，可以通过在导电垫的表面上喷涂金属颗粒来实现界面区域。在阶梯式导电率界面的这样的实施例中，导电颗粒的密度在碳元件的方向上降低。例如，可以在导电垫上形成三个或更多个重叠的界面区域，使得第一界面区域包括最密集的导电颗粒悬浮液，并且最终界面区域包括最不密集的导电颗粒悬浮液。然后金属带结合到第一界面区域。

在这样的实施例中，界面区域可以通过借助具有适当形状开口的模板将悬浮液或颗粒承载介质施加到碳垫的表面上而形成。模板可以保持在碳垫上，而悬浮液可以涂在或喷涂在模板中的开口上。为了形成下一个界面区域，模板移动适当的量，其确保界面区域之间的充分重叠，并重复该过程。优选地，界面区域重叠了界面区域的面积的至少20％。其中两个重叠层之间接触表面增加的相对大的重叠区域可以确保有利的安全裕度。提供相对大的重叠区域可以确保雷电流不会“跳过”一层（表面上的电闪络），而是被迫顺序通过所有层。

当在金属线缆和碳垫之间使用单个界面区域时，这些导电部分中的任一个与界面区域之间的导电率的差异包括金属线缆和碳垫之间的导电率的差异的至多33％。

本发明的阶梯式导电率界面可包括任何数量的界面区域。虽然当仅使用相对少量的界面区域（例如三个或四个界面区域）时已经可以预期到显著改进，但是通过增加“阶梯”的数量，即通过使用更多数量的界面区域，可以使导电率转变更加平滑。

优选地，当使用两个或更多个界面区域时，相邻界面区域之间的导电率的差异包括第一导电部分和第二导电部分之间的导电率的差异的至多33％。

附图说明

从以下结合附图考虑的详细描述中，本发明的其他目的和特征将变得显而易见。然而，应该理解，附图仅仅是为了说明的目的而设计的，而不是作为对本发明的限制的定义。

图1示出第一导电部分和第二导电部分之间的现有技术界面；

图2是图示本发明的阶梯式导电率界面的原理的简化示意图；

图3示出本发明的阶梯式导电率界面的示例性实施例的平面图；

图4示出本发明的阶梯式导电率界面的另外的示例性实施例的平面图；

图5示出可能如何实现图4的阶梯式导电率界面；

图6示出与风力涡轮机转子叶片的承载元件相关的本发明的导电率界面；

图7-9示出本发明的阶梯式导电率界面的可替换实施例；

图10示出具有多个转子叶片的风力涡轮机。

在图中，相同的数字贯穿全文指代相同的对象。图中的对象不一定是按比例绘制的。

具体实施方式

图1示出了第一导电部分1和第二导电部分2之间的现有技术的连接。第一导电部分1可以假设为金属线缆，其是风力涡轮机转子叶片的LPS的一部分，并且第二导电部分2可以被假设为碳垫，其附接到转子叶片的碳基结构元件或转子叶片的碳基功能子系统。图中央的曲线图示出了金属线缆和导电垫在其中这些重叠的区域（X轴表示沿重叠区域的距离）中的导电率（Y轴，以S/m为单位）。金属线缆的导电率σ_HI可以是1E⁷至5E⁷ S/m的量级，并且因此显著高于弱导电碳垫的导电率σ_LO，其可以仅为5至3E⁴ S/m的量级。该图的下部示出了在对转子叶片的雷击的情况下该连接处的电流I_LPS。通过金属线缆的电流I_LPS将面对与弱导电碳垫交界处的突然的屏障，具有从第一非常高的电流水平I_HI到低得多的第二电流水平I_LO的下降，使得可能从金属线缆到碳垫发生电弧，结果具有可能严重的损坏。

图2是图示本发明的阶梯式导电率界面10的原理的简化示意图。该图示出了第一导电部分1，其借助于布置在界面区域F中的转变界面3附接到第二导电部分2。可以假设第一导电部分1是连接到风力涡轮机转子叶片的LPS的金属线缆，并且可以假设第二导电部分2是通向转子叶片的碳元件的碳垫。因此，如上面图1中所解释的，第一导电部分1的导电率显著高于第二导电部分2的导电率。为了避免在对转子叶片的雷击的情况下在金属线缆和碳垫之间的电弧，转变界面3被布置在重叠区域F中。如图的中部所示，阶梯式导电率界面10的导电率在第二导电部分2的方向上追随着平滑降低的曲线40，从最高导电率σ_A 到最低导电率σ_B。以此方式，可以避免导电率的不利的突然下降（如上面图1中所解释的），从而减小了在第一导电部分1和第二导电部分2之间的电弧的可能性。图的下部示出了在对转子叶片的雷击的情况下在该转变处的电流I_LPS。通过金属线缆的电流I_LPS不再面对弱导电碳垫边界处的突然屏障，并且电流可以从非常高的电流水平I_HI平滑地降低到低得多的第二电流水平I_LO，其中在金属线缆和碳垫之间的电弧的可能性大大降低。

图3示出了本发明的阶梯式导电率界面10的示例性实施例的平面图。该图示出了连接到碳纤维的导电垫（例如CFRP垫）的扁平金属线缆。通过转变界面3的重叠的层31、32、33实现了阶梯式导电率界面10。重叠的层31、32、33具有连续降低的导电率并施加到导电垫上。中间层防止了图1中描述的大的导电率不连续性。如果仅使用一个中间层，那么该单个中间层和碳垫之间的导电率的差异将优选为金属线缆和碳垫之间的导电率差异的50％，即在导电率曲线中引入“阶梯”。通过引入更多的中间层，可以引入更多的“阶梯”。具有最高导电率σ_A的层31电连接到扁平金属线缆。代替如图2中所示的平滑转变的形式的导电率的理想降低，在CFRP垫的方向上的导电率转变41可能类似于一系列阶梯，如在图的下部所示。金属线缆和导电垫之间的阶梯状降低的导电率转变41可以有效地避免在对转子叶片的雷击的情况下的电弧。可以通过为转变界面3中的层31、32、33选择合适的长度L₃₁、L₃₂、L₃₃来调节导电率转变41的斜率。在该示例性实施例中，仅示出了三个重叠的层31、32、33，但是将理解的是，可以应用任何数量的层以实现期望的阶梯状导电率转变41。

图4示出了本发明的阶梯式导电率界面10的另外的示例性实施例的平面图。这里同样，扁平金属线缆连接到CFRP导电垫。同样，转变界面3 通过将具有连续降低的导电率的重叠的层31、32、33、34施加到导电垫上来实现。具有最高导电率σ_A的层31电连接到扁平金属线缆。在该示例性实施例中，重叠的层31、32、33、34具有比图3中所示的简单矩形层更复杂的形状，使得从一层到下一层的导电率的转变更加平缓，如在图的下部中的降低的导电率曲线42所示。因此，从金属线缆到CFRP垫的导电率转变可以类似于一系列圆形阶梯。

图5示出了可能如何实现图4的阶梯式转变。这里，在导电垫上保持适当形状的模板50，使得可以施加导电材料层以形成该形状。导电材料可以是液体形式的，并且可以被喷涂或涂刷在模板50上。在该示例性实施例中，导电材料包括悬浮在载体介质中的导电颗粒300，如在图的右手侧所示，所述图示出了在前一层31上施加的第二层32。在施加一层并使其固化或干燥之后，在施加下一层导电材料之前，模板50可以移动适当的量，使得下一层与前一层重叠。各层中的导电颗粒300的密度可随着与金属线缆的增加的距离而降低。

图6示出了与主要由碳材料制成的承载梁60相关的本发明的阶梯式导电率界面10。金属线缆有意地借助于CFRP垫连接在转子叶片LPS的下导体与承载梁60之间，因为承载梁60是导电的，即使只是微弱的。该图还指示金属线缆和CFRP垫之间的转变界面3。

图7-9示出了本发明的阶梯式导电率界面10的可替换实施例。在图7中，转变界面3包括这里以横截面示出的四个层31、32、33、34（相对厚度被夸大）。层31、32、33、34可以由相同的材料制成但具有增加的长度，使得“堆叠”的导电率在金属线缆附近处最高并且在碳垫的另一端处在碳元件的方向上降低。在图8中，转变界面3包括这里在平面图中示出的金属网格36。金属网格36具有在金属线缆附近最大的网格密度，使得金属网格36的导电率在金属线缆附近处最高并且在碳垫的另一端处在碳元件的方向上降低。金属网格36、金属线缆和碳垫之间的鲁棒的电连接可以通过施加压力来实现。在图9中，转变界面3包括导电颗粒300的固化的悬浮液37，这里以透视图示出。固化的悬浮液37具有在金属线缆附近处最大的颗粒密度，使得固化的悬浮液37的导电率在金属线缆附近处最高并且在碳垫的另一端在碳元件的方向上降低。转变界面3可以通过以下来实现：将粘性悬浮液施加到碳垫并抬高碳垫以使得粘性悬浮液可以在金属线缆的方向上流动，以使得在金属线缆处形成最大厚度和相应地最高导电率的区域。

图10示出了风力涡轮机，其具有以通常方式安装到轮毂的多个转子叶片6（其中塔架支撑轮毂附接到的机舱），以及雷电保护系统，以避免雷击期间的损坏。可以假设每个转子叶片6并入下导体62，该下导体62连接到塔中的另外的下导体65，通向地面。对转子叶片的雷击通常在连接到下导体的尖端接收器64处接收，并且每个转子叶片可以配备有若干这样的尖端接收器64。该图还示出了诸如并入转子叶片内承载梁60的碳元件沿其大部分长度的位置，以及加热垫61或除冰垫61，其可布置在转子叶片6的表面下方以在寒冷条件期间保持前缘无冰。本发明的风力涡轮机转子叶片6包括将任何这样的碳元件连接到LPS的下导体62的本发明的阶梯式导电率界面10的一个或多个实施例。

尽管已经以优选实施例及其变型的形式公开了本发明，但是将理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行许多附加的修改和变化。

为了清楚起见，应该理解，贯穿本申请的“一”或“一个”的使用不排除多个，并且“包括”不排除其他步骤或元件。

Claims

1.一种在风力涡轮机转子叶片（6）的碳基元件和下导体（62）之间的阶梯式导电率界面（10），所述阶梯式导电率界面（10）包括转变界面（3），其被布置成电连接第一导电部分（1）和第二导电部分（2），其中第一导电部分（1）从下导体（62）延伸，第二导电部分（2）从碳基元件延伸，并且其中转变界面（3）的导电率在第二导电部分（2）的方向上降低。

2.根据权利要求1所述的阶梯式导电率界面，其中转变界面（3）的导电率从第一导电率（σ_A）降低到第二导电率（σ_B），所述第二导电率（σ_B）超过第二导电部分（2）的导电率（σ_LO）。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的阶梯式导电率界面，转变界面（3）包括具有不同导电率（σ_A、σ_A1、σ_A2、σ_B）的多个界面区域，并且其中界面区域的导电率（σ_A、σ_A1、σ_A2、σ_B）在第二导电部分（2）的方向上降低。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的阶梯式导电率界面，具有作为最高导电率的第一导电率（σ_A）的界面区域被布置在第一导电部分（1）和第二导电部分（2）之间的重叠区域中。

5.根据权利要求1或权利要求2所述的阶梯式导电率界面，其中界面区域包括导电材料层。

6.根据权利要求1或权利要求2所述的阶梯式导电率界面，其中，在相邻界面区域之间的导电率的差异包括在第一导电部分（1）和第二导电部分（2）之间的导电率的差异的至多33％。

7.根据权利要求1或权利要求2所述的阶梯式导电率界面，其中第二导电部分（2）与具有作为最低导电率的第二导电率（σ_B）的界面区域之间的导电率的差异包括在第一导电部分（1）和第二导电部分（2）之间的导电率的差异的至多50％。

8.根据权利要求1或权利要求2所述的阶梯式导电率界面，其中界面区域包括在载体材料中的导电颗粒（300），其中在界面区域中的导电颗粒（300）的密度在第二导电部分（2）的方向上降低。

9.根据权利要求1或权利要求2所述的阶梯式导电率界面，其中第二导电部分（2）包括碳纤维的导电垫，并且其中转变界面（3）形成在导电垫的整个宽度上。

10.一种风力涡轮机转子叶片（6），包括：

在转子叶片（6）中并入的多个碳基元件；

雷电保护系统的下导体（62）；以及

位于下导体（62）和碳基元件之间的根据权利要求1至9中任一项所述的阶梯式导电率界面（10）。

11.根据权利要求10所述的风力涡轮机转子叶片，其中碳基元件包括承载结构元件（60）。

12.根据权利要求10或权利要求11所述的风力涡轮机转子叶片，其中碳基元件包括功能元件（61）。

13.一种在风力涡轮机转子叶片（6）的碳基元件和下导体（62）之间提供阶梯式导电率界面（10）的方法，所述方法包括以下步骤：

提供从下导体（62）延伸的第一导电部分（1）；

提供从碳基元件延伸的第二导电部分（2）；

在第一导电部分（1）和第二导电部分（2）之间形成转变界面（3），其中转变界面（3）的导电率在第二导电部分（2）的方向上降低。

14.根据权利要求13所述的方法，其中转变界面（3）通过借助于模板（50）将流体导电材料施加到第二导电部分（2）的表面来形成。

15.根据权利要求13或权利要求14所述的方法，其中转变界面（3）通过在第二导电部分（2）上布置金属网格并且施加分级压力以将所述金属网格结合到第二导电部分（2）来形成。