[发明专利]阶梯式导电率界面

说明书

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。

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。