[发明专利]流体涡轮机雷电保护系统

说明书

相关申请

本申请在35U.S.C.§119(e)条款规定下要求2011年9月14日提交的美国临时专利申请No.61/534,467的优先权，其全部内容在此以引用的方式并入本文。

技术领域

本发明涉及风力涡轮机领域，更具体地涉及使罩式涡轮机免遭雷击的保护。

背景技术

用于发电的公共事业规模的风力涡轮机可具有一个至五个包括转子的开放叶片。转子将风能转化为旋转扭矩，该旋转扭矩直接驱动或经由传送组件驱动以旋转方式联接至转子的至少一个发电机，以将机械能转变为电能。该涡轮机通常具有长的叶片，这些叶片是风力涡轮机中最易受雷击的部件。风力涡轮机需要装备有雷电保护系统，以从雷击向地面传导大电流而不会损坏涡轮机部件。雷击对于叶片、金属的旋转装置以及电子元器件构成威胁。风力农场中增加的密度增加了受雷击的额外风险。

诸如碳纤维或其他纤维增强聚合物等弱导电材料构成的叶片在遭受雷击时经历高电流，进而导致过热。诸如避雷针等外部保护导体对于诸如叶片等快速运动的空气动力结构并不实用。替代地，防护网提供了导电层而无需外部导体，然而，雷击的接触点通常会损坏复合表面并提供可形成裂纹的应力点。

常规风力涡轮机叶片通常在叶片与毂之间、轴与吊舱之间以及吊舱与塔之间接合有支承系统。叶片通常在根部处与支承系统相接合，并且，对于转子转速相对于风速的控制，叶片围绕其长轴旋转，以改变相对于风向的弦角。除了该支承系统之外，叶片组还与毂接合，该毂连接到轴，该轴与发电机内的支承系统接合。该轴以旋转方式与发电机内的支承系统接合并驱动发电机。吊舱围绕支撑结构旋转以使涡轮机相对于风向偏转，并且因此吊舱与偏转支承系统接合，该偏转支承系统位于吊舱与塔之间。上述的风力涡轮机的支承系统可设置有火花间隙并可由于高电流通过而损坏。在描述的示例风力涡轮机中，击中叶片末端的雷电在到达与地面的直接连接之前需要传导经过三个支承系统。

此外，风力涡轮机可能装配有气象装置和灵敏的电子装置，它们会被很小的雷击损坏。

由于风力农场中涡轮机密度的增加，增加了单个雷击损坏多个涡轮机的可能。诸如高空线等电力装置可设置有在装置周围或上方布置的保护导体。然而，具有开放叶片的水平轴风力涡轮机对于该保护导体构成障碍。

发明内容

本发明涉及一种罩式流体涡轮机雷电保护系统、包括雷电保护系统的罩式流体涡轮机系统、以及保护罩式流体涡轮机免遭雷击的方法。

罩式流体涡轮机雷电保护系统的示例性实施方式包括至少一个接闪器装置，其能够位于流体涡轮机罩上。该至少一个接闪器装置至少部分地由导电材料形成，并与向下传导系统电连通。向下传导系统与地面终端系统电连通，该地面终端系统构造成将传送至此的电消散至地面。至少一个接闪器装置构造为拦截雷击并引导其经过向下传导系统、地面终端系统，以及进入地面。至少一个接闪器装置可以基于“滚球”方法位于涡轮机罩上，其中，“滚球”方法是由公式r=10·I^0.65推导而来，在此处，I定义为以千安为单位的峰值电流，r定义为以米为单位的滚球半径。罩式流体涡轮机可包括涡轮机罩，至少一个接闪器装置也可位于涡轮机罩上。罩式流体涡轮机可包括喷射器罩，至少一个接闪器装置也可位于喷射器罩上。导电材料可与涡轮机罩和/或喷射器罩集成并与向下传导系统电接合。导电材料可位于涡轮机罩的前缘或后缘、喷射器罩的前缘或后缘上、或与涡轮机罩或喷射器罩之一的表面集成。

一种示例性实施方式整体涉及罩式流体涡轮机，其包括包围转子的环形涡轮机罩以及位于流体涡轮机罩上的至少一个接闪器装置。该至少一个接闪器装置至少部分地由导电材料形成，并与向下传导系统电连通。向下传导系统与地面终端系统电连通，该地面终端系统构造成将传送至此的电消散至地面。至少一个接闪器装置构造为拦截雷击并引导其经过向下传导系统、地面终端系统，以及进入地面。至少一个接闪器装置可以基于“滚球”方法位于涡轮机罩上，其中，“滚球”方法是由公式r=10·I^0.65推导而来，在此处，I定义为以千安为单位的峰值电流，r定义为以米为单位的滚球半径。该实施方式可进一步包括包围涡轮机罩出口的喷射器罩。

在一种实施方式中，涡轮机罩可包括沿后缘的一组混合凸片。