[发明专利]用于组合式叶片的闪电保护系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种在风力涡轮机的叶片中使用的闪电保护系统，并且尤其涉及一种用于组合式叶片的闪电保护系统。

背景技术

叶片是风力涡轮机中最易受到闪电攻击的部分。很多因素使得设计出令人满意的防闪电破坏系统变得复杂：它的巨大长度、非导电材料(例如玻璃纤维)与其它导电材料(例如碳纤维)的组合、所使用树脂的耐热性低等等。

在现有的关于雷击的文献中已经揭示了需要将叶片的所有导电元件都设成等电位并将它们连接到用于风力涡轮机其它部分的闪电避雷器系统。

碳纤维，作为一种导电材料，必须与避雷器系统等电位。将导电材料隔离的难题是，当闪电穿过避雷器系统时，由闪电引起的电磁感应现象将在它们之间产生非常高的电能差。这种电能差能够变成跳跃电弧，这对于叶片的纤维层将是毁灭性的情形。

多数的叶片设计包括闪电保护系统，该闪电保护系统由设置在最靠近叶尖的区域中的一组接收器组成，这些接收器通过电缆连接，电缆向下延伸穿过叶片的内部至位于风力涡轮机轮毂中的将闪电引导到其基部的系统。该系统必须使闪电的冲击被接收器吸收，以防止叶片的其它更多暴露的部分受到雷击。一旦闪电被捕获，该系统必须在闪电的巨大能量不对叶片结构造成破坏的情况下，将其引导到叶片的基部。

基于这种类型的不同的解决方案是已知的。它们在如专利DE4436197、WO0177527、US6612810、WO9607825、EP0707145或者本申请人的专利ES2255436和ES2255454中揭示。

另一方面，最新的叶片设计中达到的大尺寸使得叶片的设计分成几个部分实行，在风力涡轮机坐落的地点对这几个部分进行组装。这样，简化了机械部件的后勤和运输，并且可以到达那些无法运输大尺寸叶片的地点。

可以有两种叶片连接系统：化学连接(通过粘合手段)或机械连接(通过螺栓连接)。考虑到粘合连接对周围环境的敏感程度，基于螺栓连接系统的叶片连接更加坚固且更适宜用于在现场组装。

本申请人的专利EP1584817和ES2265760示出了两个组合式叶片方案，其机械连接由螺栓连接的方法完成。

还有其它已知的组合式叶片方案，各个部分通过如专利US20030138290和DE3109566中示出的螺栓接头机械连接。

因此，设置在叶片各部分之间的螺栓连接是通过设置在叶片连接部分的金属元件完成的。

当叶片直接面对雷击时，考虑到这些金属元件将变成潜在的雷击吸引点，它们直接影响叶片的性能，同时，考虑到闪电对螺栓连接部分的冲击会造成损害(产生裂纹开始点，破坏螺纹连接，破坏可能存在的监视系统，在不同的金属元件之间电弧的跳跃，等等)，因此在闪电叶片保护系统的设计中必须将它们考虑在内。

基本的保护方案应包括将金属元件连接至叶片的地线，但是将它们连接到大地使得它们更易受雷击影响。不将这些金属元件连接到接地电缆可以减小风险，但是必须考虑到，如果发生雷击，电流只能通过电弧传递到接地电缆，随后将破坏连接部分。

还有已知的雷击保护系统方案，如欧洲专利EP2019204，其提出将接收器像夹具一样布置在叶片复合材料的外表面上(嵌入到层板中或然后放置在复合材料的顶上)。这种方案的工作方式与典型的叶尖接收器相同，只是改变了接收器的形式，其具有大于典型接收器的表面。然而，由于这些方案是在外壳的表面上，所以它们不能解决在叶片各部分连接器上的雷击问题，倘若接收器像以上方案示出的那样设置在叶片连接部分的一侧上将不能消除对叶片连接部分的金属元件的雷击的可能性。

发明内容

本发明由用于中间风力涡轮机叶片连接部分的闪电保护系统构成，该闪电保护系统由覆盖叶片连接元件的金属整流罩组成，在防止内部连接元件受到闪电袭击的同时保持叶片部分的空气动力学的几何形状。

本发明适用于由多个模块组成的叶片，该多个模块通过螺栓连接彼此连接在一起，并且叶片具有雷击保护系统，该雷击保护系统包括在叶片的一端上的接收器和接地电缆，接地电缆在贯穿叶片结构梁的长度上延伸。

一旦完成叶片模块之间的结构连接，所述连接部分被一组整流罩覆盖，使得叶片外表面成为连贯的整体，屏蔽由整流罩构成的空间，连接部分的金属元件位于该空间，即，它们产生封闭空间，封闭空间的电场为零。这种现象使得当叶片暴露于在闪电冲击之前产生的强电场中时，叶片连接元件没有垂直放电，而金属整流罩则有一些，由此保证该冲击在叶片的金属元件上发生之前先在整流罩上发生。这样，连接元件与闪电冲击隔离。