[发明专利]用于风力涡轮机叶片的避雷系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种带有避雷系统的风力涡轮机叶片，其中所述叶片是由复合材料制成的壳体并且包括根部区域和末梢，且其中所述避雷系统包括至少一个布置成在叶片尖端处或在叶片尖端紧接的邻区内的壳体表面内/上可以自由使用的接闪器以及由导电材料制成的在壳体内沿着叶片的大致整个纵向进行延伸的避雷导体，且其中所述接闪器和所述避雷导体经由连接区域电连接在一起。 

背景技术

已公知的是采用带有避雷系统的叶片来保护叶片不受雷击。例如，WO96/07825中披露了一种避雷系统，其中叶片的尖端装设有由导电材料制成的所谓的接闪器。此接闪器可以“捕获”雷击，并经由避雷导体传导电流，所述导体在叶片的纵向内延伸、并通过风力涡轮机的转子毂接地。此系统已经常被视作对抗雷击提供令人满意的保护。 

然而，因为水是导电的，因此存在着从接闪器或避雷导体到蓄积有水的叶片内的一些区域产生闪络(flashover)或火花放电(sparkover)的危险。在此情况下，雷电电流对水加热，这可能会导致“蒸汽喷发”。这可能会导致压力增加到足够高而损坏叶片。由于例如在叶片表面上的来自空气的微粒、盐分和昆虫的沉积，也可能会发生闪络。闪络引起的损坏会导致必须对叶片加以修理，或在最坏的情况下要更换叶片，这是费时费钱的过程，这是因为修理或更换叶片十分复杂，尤其是对于离岸的风力发电厂而言。 

此外，存在着雷击避雷导体(或闪络)穿过叶片表面的危险，这至多会产生仅一个穿过叶片表面的小孔，但经常导致对叶片造成的更大损坏。为了更好地控制经过叶片的雷电电流而不使叶片受到损坏，避雷系统上面可以装设有若干接闪器(多个接受体)或沿叶片纵向的避雷导体。优选地，接闪器以5米的最大间隔进行布置以确保没有雷击(或闪络)通过叶片表面。然而，这是相对昂贵且复杂的解决方案。 

发明内容

本发明的目的在于为风力涡轮机提供一种新的改进的避雷系统。 

根据本发明，通过使得避雷导体在其整个纵向内、与介于避雷导体与接闪器之间的连接区域电绝缘，以便防止积聚闪流(streamer)和/或先导(leader)，从而达到目的。这样的闪流或先导是雷击的前奏，因此防止了闪流和/或先导的积聚也就防止了雷击。这产生了与现有避雷系统相比有所改进的效率，现有的避雷系统最常应用不绝缘的避雷导体。而且，避免了多个接受体的必要性。 

在避雷导体根部端，其优选地经由毂接地从而使得来自雷击的电流从接闪器安全地传导到避雷导体并最终传导到地。然而，只要在避雷导体与毂之间具有火花隙放电器(spark gap)就足以满足要求了。 

根据本发明的一个特定实施例，避雷导体和/或接闪器至少电绝缘至叶片壳体，并优选为至少部分穿过壳体电绝缘。因此，在叶片末梢处发生损毁性雷击或闪络的风险被最小化。 

根据本发明的避雷系统的一个优选实施例，避雷导体包括由导电材料诸如铜或铝制成的内导体、和由优选为高密度聚乙烯(HDPE)的聚乙烯制成的基层绝缘体(bedding insulation)。令人惊讶地，此合成物已被认为特别能抵抗雷击或闪络穿过叶片表面。 

优选地，内导体具有在3到30毫米、5到15毫米或7.5到12毫米范围内的直径，且基层绝缘体具有2到15毫米、3到10毫米或4到7毫米范围内的厚度。已发现这些尺寸足以防止雷击通过叶片表面、并传导雷击电流经过避雷导体。 

根据一个适当的实施例，在内导体和基层绝缘体之间装设一层半导体材料。优选地，此半导体材料具有0.5到1毫米的厚度。此半导体材料通过使导体中的电场密度最小化而提供了抗闪络的额外保护。 

根据一个特定实施例，接闪器和介于接闪器与避雷导体之间的连接区域借助于同基层材料分离的绝缘材料而绝缘。此绝缘材料可以例如是收缩套筒或硅树脂。附加的绝缘材料使得在接闪器与避雷导体之间的连接区域中发生雷击或闪络的危险最小化。 

根据本发明的一个备择实施例，叶片尖端被形成为由绝缘材料制成的大致实心本体。优选地，此绝缘材料是塑性材料，诸如聚氯乙烯(PVC)、纤维增强聚合物或聚氨酯(PUR)，例如发泡聚氨酯。这提供了一种特别简单的实施例，其中使得在接闪器与避雷导体之间的连接区域中的雷击的危险最小化。