本發(fā)明涉及控制注入到碳纖維層壓層(laminates)中的雷電電流以避免局部過流，以及用于風(fēng)力渦輪機葉片的雷電保護系統(tǒng)中的不同導(dǎo)電路徑之間的雷電電流分配和電壓分配。

背景技術(shù)：

用于風(fēng)力渦輪機葉片的雷電保護系統(tǒng)通常包括雷電接收器裝置，其包括外部金屬接收器元件和連接到風(fēng)力渦輪機的接地裝置的下導(dǎo)體的導(dǎo)電內(nèi)部塊。一旦由接收器元件捕獲到雷電電流，就必須將其傳輸至將接收器元件連接至下導(dǎo)體的導(dǎo)電內(nèi)部塊。

風(fēng)力渦輪機朝著增加功率輸出的發(fā)展演化已經(jīng)導(dǎo)致風(fēng)力渦輪機的塔架高度和轉(zhuǎn)子直徑都更大。

隨著不斷增加的葉片長度，需要并入了碳纖維層壓層的增加剛度的風(fēng)力渦輪機葉片。由于碳纖維層壓層導(dǎo)電，因此必須將它們與下導(dǎo)體并聯(lián)以防止在下導(dǎo)體和碳纖維層壓層之間產(chǎn)生內(nèi)部電弧，并且避免對它們產(chǎn)生的直接雷電損壞。

公布號為WO2006/051147A1的專利申請描述了一種雷電保護系統(tǒng)，其包括使碳纖維層壓層和下導(dǎo)體等勢的裝置，該裝置包括直接連接下導(dǎo)體和碳纖維層壓層的輔助電纜。這些輔助電纜利用螺紋接頭連接到與碳纖維的層直接接觸的金屬板。通過將導(dǎo)電樹脂加到連接區(qū)域可以改善電連接。

風(fēng)力渦輪機葉片具有例如一個碳纖維層壓層，雷電保護系統(tǒng)將被轉(zhuǎn)換成具有兩個并聯(lián)分支的電路：一個分支由具有低電阻和高電感的下導(dǎo)體形成，并且另一個分支由具有高電阻和低電感的碳纖維層壓層形成。當(dāng)雷電擊中一個接收器元件時，雷電保護系統(tǒng)必須疏散電流，其波形的特征在于具有第一相位和隨后的第二相位，在第一相位中電流急劇增大，在第二相位中電流緩慢減小。當(dāng)電流注入到與下導(dǎo)體并聯(lián)的由碳纖維層壓層形成的電路中時，電流被做如下分配：

-在電流急劇增大的相位期間，大部分電流由具有較小電感(碳纖維層壓層)的導(dǎo)體傳輸。

-在電流逐漸下降的相位期間，大部分電流由具有較小電阻(下導(dǎo)體)的導(dǎo)體傳輸。

根據(jù)以上描述的電流分配，碳纖維層壓層在放電開始階段經(jīng)歷大的電流峰值。在另一個方面，隨著葉片尺寸的增大，碳纖維層壓層(更寬并且更厚)的電感會減小，導(dǎo)致由碳纖維層壓層傳導(dǎo)的電流的部分增加，從而引起問題，因為碳纖維層壓層包括在100℃至200℃的溫度范圍內(nèi)會發(fā)生退化的樹脂。

為了解決該問題，專利ES2396839A1公開了使用放置在碳纖維層壓層和下導(dǎo)體之間的連接中的高電感設(shè)備，以減小流過碳纖維層壓層的電流，并且加強電流通過下導(dǎo)體的傳導(dǎo)。

具有碳纖維層壓層的風(fēng)力渦輪機葉片的防雷電保護裝置的問題在于：注入碳纖維層壓層中的局部雷電電流可能不會被適當(dāng)?shù)胤峙?，從而對注入?yún)^(qū)域產(chǎn)生損壞。這是由雷擊的瞬時特性以及材料傳導(dǎo)性的差異引起的，這種差異會減小連接的有效雷擊電流注入?yún)^(qū)域。

另一個問題是下導(dǎo)體與碳纖維層壓層之間的雷擊電流分配和電壓分配可能不平衡，這是因為風(fēng)力渦輪機葉片中的碳纖維層壓層的阻抗的實際值相對于在設(shè)計雷電保護系統(tǒng)時對它們的期望值會有變化。

本發(fā)明涉及這些問題的解決方案。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了用于風(fēng)力渦輪機葉片的雷電保護系統(tǒng)，包括：連接至風(fēng)力渦輪機葉片的接地裝置的一個或多個下導(dǎo)體、以及一個或多個碳纖維層壓層的至少一個雷電接收器。通過輔助電纜，下導(dǎo)體與碳纖維層壓層等勢，輔助電纜連接至嵌入在沿風(fēng)力渦輪機葉片的不同點的碳纖維層壓層中的導(dǎo)電板。雷電保護系統(tǒng)還包括與一個具有一個或多個附加平行導(dǎo)電路徑的輔助電纜相關(guān)聯(lián)的碳纖維層壓層中的至少一個局部雷電電流注入?yún)^(qū)域，其包括源自輔助電纜的并且連接至嵌入在碳纖維層壓層中的導(dǎo)電設(shè)備的次電纜，次電纜配置用于避免碳纖維層壓層中產(chǎn)生過流。

所述附加平行導(dǎo)電路徑的配置包括幾個裝置，這幾個裝置用于：在它們之間以給定距離布置導(dǎo)電路徑、利用次電纜和/或具有不同電阻的導(dǎo)電設(shè)備或利用具有不同材料或幾何形狀的導(dǎo)電設(shè)備來控制通過碳纖維層壓層上的它們的每個(諸如次電纜中的電阻器)注入的電流。

本發(fā)明的雷電保護系統(tǒng)還包括用于獲得下導(dǎo)體和碳纖維層壓層之間的平衡的電流分配和電壓分配的裝置。

在風(fēng)力渦輪機葉片具有一個碳纖維層壓層的情況下，如果碳纖維層壓層的阻抗和設(shè)計雷電保護系統(tǒng)時考慮的參考值之間的負差值超過預(yù)定閾值，那么雷電保護系統(tǒng)還包括在所述輔助電纜中的一個或多個阻抗設(shè)備，用于獲取下導(dǎo)體和碳纖維層壓層之間平衡的電流分配和電壓分配。

在風(fēng)力渦輪機葉片具有兩個碳纖維層壓層的情況下，如果碳纖維層壓層的阻抗之間的差值超過預(yù)定閾值，那么雷電保護系統(tǒng)還包括在所述輔助電纜中的一個或多個阻抗設(shè)備，用于獲取下導(dǎo)體和碳纖維層壓層之間平衡的電流分配和電壓分配。

根據(jù)以下詳細描述并結(jié)合附圖，將理解本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有技術(shù)中已知的具有防雷電保護裝置的風(fēng)力渦輪機葉片的示意平面圖。

圖2a-2d是繪示了根據(jù)本發(fā)明的局部雷電電流注入?yún)^(qū)域的四個實施例的示意圖解。

圖3是繪示了下導(dǎo)體和碳纖維層壓層之間的風(fēng)力渦輪機葉片中的電流分配的示意圖解。

圖4a是繪示了具有下導(dǎo)體和兩個碳纖維層壓層的風(fēng)力渦輪機葉片中的本發(fā)明的雷電保護系統(tǒng)的示意圖解，圖4b是該系統(tǒng)的三個導(dǎo)電路徑的電模型。

圖5是繪示了具有下導(dǎo)體和兩個碳纖維層壓層的風(fēng)力渦輪機葉片中的本發(fā)明的雷電保護系統(tǒng)的實施例的示意圖解。

具體實施方式

可以發(fā)現(xiàn)沿其長度上具有多個導(dǎo)電元件的風(fēng)力渦輪機葉片將包括新的技術(shù)或新材料作為其結(jié)構(gòu)的一部分。這里的情況是風(fēng)力渦輪機葉片利用碳纖維層壓層作為沿葉片或在其頂端的部分結(jié)構(gòu)或電氣和電子設(shè)備的一部分。在所有這些情況中，具有多條導(dǎo)電路徑到接地雷電電流。多條導(dǎo)電電流的存在暗示了在雷擊發(fā)生時不同的路徑必須傳輸大量雷電電流至雷電接收器。

例如，在具有碳纖維層壓層11(參見圖1)的風(fēng)力渦輪機葉片10的情形下，導(dǎo)電路徑是連接至雷電接收器15和接地裝置(未示出)的下導(dǎo)體17，以及碳纖維層壓層11。通過沿風(fēng)力渦輪機葉片10的輔助電纜19使兩個導(dǎo)電路徑11，17等電勢，以便分配雷電電流并且減小它們之間產(chǎn)生火花的風(fēng)險。

為了改善已知的具有碳纖維層壓層的風(fēng)力渦輪機葉片的雷電保護系統(tǒng)，本發(fā)明在第一方面提出了與一個輔助電纜19相關(guān)聯(lián)的并且通常靠近一個雷電接收器的局部雷電注入?yún)^(qū)域14，雷電接收器配置為避免碳纖維層壓層中產(chǎn)生過流。輔助電纜19通常連接至嵌入在碳纖維層壓層中的導(dǎo)電板31。

在一個實施例中(參見圖2a)，碳纖維層壓層11中的局部注入?yún)^(qū)域14包括源自輔助電纜19的連接至嵌入在碳纖維層壓層11中的導(dǎo)電設(shè)備45的三個次電纜33。導(dǎo)電設(shè)備45可以由合金鋼、銅、鋁、黃銅、鎢、鎳鉻合金、導(dǎo)電復(fù)合材料和/或具有導(dǎo)電劑的非導(dǎo)電復(fù)合材料等制成。使用幾個導(dǎo)電設(shè)備45(通常是導(dǎo)電板)會增加碳纖維層壓層11中的雷電電流的有效注入?yún)^(qū)域。次電纜33中的每個都具有電阻值在2-50m之間的電阻器41，以便控制注入到不同的導(dǎo)電設(shè)備45上的電流量。

在另一個實施例中(參見圖2b)，碳纖維層壓層11中的局部注入?yún)^(qū)域14包括源自輔助電纜19的連接至嵌入在碳纖維層壓層11中的導(dǎo)電設(shè)備45的兩個次電纜33。在這種情況中，被注入到導(dǎo)電設(shè)備45中的雷電電流的控制手段是放置在其中一個次電纜33中的電阻器41，以及導(dǎo)電設(shè)備45之間給定的間隔距離D。D可以在10-300cm之間。

在另一個實施例中(參見圖2c)，碳纖維層壓層11中的局部注入?yún)^(qū)域14包括源自輔助電纜19的連接至嵌入在碳纖維層壓層11中的導(dǎo)電設(shè)備45的兩個次電纜33。在這種情況中，用于控制注入到導(dǎo)電設(shè)備45中的雷電電流的裝置是具有不同電阻R_cond1、R_cond2的次電纜33以及選擇合適的材料和幾何形狀相組合具有不同電阻的導(dǎo)電設(shè)備45。對于它們中具有相同幾何形狀、由合金鋼制成的導(dǎo)電設(shè)備45可以具有例如電阻R_pl1，由黃銅、銅或鎳鉻合金制成的其它導(dǎo)電設(shè)備45具有電阻R_pl2。

在另一個實施例中(參見圖2d)，用于改變不同雷電電流注入路徑的電阻的裝置是具有不同材料和幾何形狀的導(dǎo)電設(shè)備45，例如，在它們中的其中一個使用導(dǎo)電板51和位于導(dǎo)電板51與碳纖維層壓層之間的導(dǎo)電網(wǎng)53的組合。其它替換可以是利用具有不同寬度的導(dǎo)電板。

在第二方面，本發(fā)明提出獲得風(fēng)力渦輪機葉片中的下導(dǎo)體和碳纖維層壓層之間的平衡的雷電電流分配和電壓分配。

利用多個導(dǎo)電路徑，獲得了雷電電流分配，其是它們的材料和材料的幾何形狀的函數(shù)。然而，等勢點不允許控制在不同葉片半徑處的不同元件之間發(fā)現(xiàn)的雷電電流波形和電壓。如圖3所示，在兩個輔助電纜19之間的分支中，輸入雷電電流I₁被分配在沿下導(dǎo)體17的雷電電流I₂和沿碳纖維層壓層11的雷電電流I₂之間，I₁和I₂的值可能是不平衡的，因為碳纖維層壓層11的阻抗不同于期望阻抗。在這方面，應(yīng)當(dāng)注意的是，一方面，制造碳纖維層壓層時不能保證其阻抗的變化是小范圍的。由相同的方法制造的碳纖維層壓層的阻抗變化可能很重要(兩個碳纖維層壓層的電阻之間的差別可能大于50％)，因此，它們可能會引起比設(shè)計雷電保護系統(tǒng)時的期望值更大的電流和電壓。碳纖維層壓層中不同于期望值的阻抗不涉及對風(fēng)力渦輪機葉片的任何結(jié)構(gòu)或整體損壞。

為控制并平衡沿風(fēng)力渦輪機葉片的導(dǎo)電路徑的雷電電流，本發(fā)明提出如果碳纖維層壓層的阻抗和設(shè)計系統(tǒng)時考慮的阻抗之間的差值超過預(yù)定閾值，就將阻抗設(shè)備25并入一個或多個輔助電纜19中。

阻抗設(shè)備25的特征由將碳纖維層壓層11制造出來之后測量的阻抗的函數(shù)確定。

在具有三個導(dǎo)電路徑，即上碳纖維層壓層11、下碳纖維層壓層13和下導(dǎo)體17(參見圖4a)的風(fēng)力渦輪機葉片10的情況中，考慮圖4b中示出的電模型可以更好地理解本發(fā)明。

三個導(dǎo)電路徑的阻抗分別由具有以下電阻值和電感值的電阻器和電感器的電路代表，電阻值和電感值分別為R_cap1，L_cap1；R_cap2，L_cap2；R_cap3，L_cap3，R_cap1，L_cap1小于R_cap2，L_cap2。為了平衡三個導(dǎo)電路徑中的電流分配，將具有電阻值和電感值為R_control，L_control的電阻器和電感器的阻抗設(shè)備25并入第一路徑11中。因此，R_control，L_control的值依賴于R_cap1，L_cap1和R_cap2，L_cap2的差值，其中電阻值是主要因子。

如果，例如R_cap1＝200mΩ并且R_cap2＝400mΩ，碳纖維層壓層11、13之間的電流分配是(假設(shè)是線性分配)碳纖維層壓層11占2/3，碳纖維層壓層13占1/3。那么，為了獲得平衡的電流分配，并入雷電保護系統(tǒng)中的阻抗設(shè)備25的電阻值R_control應(yīng)該是200mΩ。

風(fēng)力渦輪機葉片10的雷電保護系統(tǒng)可以包括使用位于如圖5所示的不同等勢點的多個阻抗設(shè)備25，以便平衡和控制雷電電流和電壓。

盡管已經(jīng)結(jié)合不同實施例描述了本發(fā)明，但是從說明書中可以理解的是，可以對其中的元件、變形或改進做不同組合，并且它們在由隨附的權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍之內(nèi)。