[发明专利]用于风力涡轮机叶片的监测系统、风力涡轮机布置以及用于监测风力涡轮机叶片的方法

说明书

用于风力涡轮机的至少一个风力涡轮机叶片的监测系统，其中风力涡轮机叶片包括至少一个导电或半导电结构组件和具有电连接到至少一个接闪器的引下线的雷电保护系统，其中引下线通过至少一个等电位连接器电连接到结构组件，使得在风力涡轮机叶片中形成包括结构组件、等电位连接器和引下线的电阻抗网络，由此为了远程监测雷电保护系统和结构组件的结构健康，混合监测系统包括，‑用于网络的感测设备，包括经由至少一个第一端子将电脉冲发射到网络中的至少一个发射器和经由至少一个第二端子从网络接收电脉冲的至少一个接收模式的至少一个接收器，以及‑评估设备，评估接收模式以确定关于雷电保护系统的第一健康信息和关于结构组件的第二健康信息。

技术领域

本发明涉及一种用于风力涡轮机的至少一个风力涡轮机叶片的监测系统，其中风力涡轮机叶片包括至少一个导电或半导电结构组件，特别是至少一个包括碳纤维增强聚合物（CFRP）的结构组件，以及具有电连接到至少一个接闪器的引下线（down conductor）的雷电保护系统，其中所述引下线通过至少一个等电位连接器电连接到所述至少一个结构组件，使得在所述风力涡轮机叶片中形成包括所述至少一个结构组件、所述至少一个等电位连接器和所述引下线的电阻抗网络。本发明还涉及一种风力涡轮机布置和一种用于监测至少一个风力涡轮机叶片的方法。

背景技术

虽然风力涡轮机叶片的结构组件已经成功地采用了基于玻璃纤维的材料，但是可以是导电的或半导电的新的材料提供了优势。例如，通过使用基于碳纤维增强聚合物（CFRP）的结构组件，可以实现来自风力涡轮机叶片的增强的性能。另一方面，风力涡轮机叶片是风力涡轮机最暴露的部分，并且经常遭受雷击。因此，已经提出了用于风力涡轮机叶片的雷电保护系统，其通常包括用于拦截雷击的部件，例如风力涡轮机叶片表面上的接闪器（通常称为避雷器），以及用于将大的雷电流传递到地面的部件，特别是称为引下线的内部铺设的线缆。

由于碳纤维是导电的，因此它们的复合材料通常也是导电的。特别是，据报道，碳纤维增强聚合物示出应变依赖性传导。导电结构组件，特别是基于碳纤维的那些组件，可能会遭受雷电附着。因此，导电材料，特别是碳，至少在叶片的最外侧区域中被限制使用。类似地，由于风力涡轮机叶片中的纵向延伸的结构组件（例如CFRP翼梁帽）与金属引下线相组合，表现为具有短的分隔的一组平行导体，因此在它们之间可能建立大的电压，从而导致闪络，这可能会损害风力涡轮机叶片。通过沿结构组件的长度以规则的间隔提供等电位连接器（通常被称为等电位联结），将它们电连接到引下线来管理该风险。然而，例如，CFRP的各向异性以及相对于金属引下线的特性差异使得在它们之间传递电流成为一项具有挑战性的任务，当叶片制造不良时和/或由于寿命期间累积的损害和/或劣化，经由焦耳热导致火花和热点。所有这些因素都可以损害风力涡轮机叶片的结构，并因此导致风力涡轮机整体的故障。

如上所述，使用导电结构组件、特别是CFRP组件的叶片利用复杂的设计。大多数这样的风力涡轮机叶片由于其长度而通常是海上风力涡轮机的一部分，在海上风力涡轮机中，访问和维护在技术上具有挑战性且在经济上负担沉重。在没有充分理由的情况下，停止风力涡轮机操作以进行检查和维修也是不切实际的。尽管出于结构原因使用CFRP和其他材料，但它们是导电的并且能够承载雷电流的事实意味着，对结构组件的任何损害都会自动从防雷的角度引起关注，并且反之亦然。

在现有技术中已经提出了用于特别是远程地监测雷电保护系统的健康以及风力涡轮机叶片的结构健康的方法。例如，关于雷电保护系统，已知执行引下线的电阻测量，特别是当风力涡轮机叶片被安装或不移动时。例如，在US 2013/0 336 786 A1中已经提出了对风力涡轮机上的雷电保护系统的自动检查。作为测试系统的一部分的导体至少从桨毂内部延伸，穿过多个风力涡轮机叶片中的至少一个叶片的内部，并连接到接闪器，从而完成从接闪器延伸到接地网的电路。测试电流信号可以被引入到用于待测试的雷电保护系统的支路的测试系统中，并且可以确定使用测试电流信号的电路中的电连续性。

此外，在例如EP 3 211 226 B1和US 2019/178 230 A1中提出了使用无人机进行测量。