防雷電風力發電機保護系統的製作方法

2023-09-11 08:40:35 1

專利名稱：防雷電風力發電機保護系統的製作方法
防雷電風力發電機保護系統發明目的
此發明是關於一種安裝在風力發動機上經過特殊設計的系統，也可用於其它的存在被大氣放電，即閃電，擊倒的可能性的運動裝置。本發明為針對的保護對象提供防雷擊系統。
背景技術：
眾所周知，過去的十年裡，在西班牙以及其他國家，風力發電場的數量明顯增多。舉個例子，到2007年底，西班牙裝機容量僅次於德國和美國之後位於世界第三位，能量產量大約為 27. (^6GWh。預計在全球範圍內裝機容量將以非常顯著的形式增加，2010年將達到170GW，預計2010年西班牙將達到20. 155MW, 2016年29. 000MW。這些設施主要位於易受雷電擊中的地方。因此，一個閃電可能會在一個瞬間對風力發電機造成嚴重損傷。這種雷電衝擊造成的損傷主要發生在葉板或葉輪機上，因此葉輪機需要一個防雷擊保護的有效系統。閃電一般出現在4月到9月，出現在8月份的比例最高。最近也發現12月也出現了閃電。另一個要注意的方面是全世界範圍內的閃電擊中陸地的數量都在增加。如果來計算它的數量，以I960年設為0個單位，1997年就約為15，2007年約為100。這些數值表明閃電擊中陸地的數量在逐步增加。因此，如果風力發電機的數量以幾何學方式增加，閃電擊中地面的數量也以相同方式增加，可以預料可能發生在風力電場的災難會越來越多。也許在風力電場發生的第二個最重要的問題就是有關風力發電機，閃電會擊中它任何一個部位，雖然更具體的來說是會擊中葉片。據估計20%的風力發電機斷裂，多於25% 的成本花費都是由閃電擊中造成的。從這個意義上講，閃電往往會擊中一個特定地區的最高點。出於此原因，由於風力發電機所處位置的高度以及它自身的高度，使它成為了被擊中的目標。葉片是風力發電機最昂貴的部件之一，閃電會對沒有保護的葉片造成極度破壞性的影響。出於此原因，在風力發電機和葉片的技術方面最重要的問題之一就是避免閃電擊中。也許，解決閃電和結冰的問題，在風力發電能量領域是最緊迫需要面對的挑戰。雖然地面上的現代風力發電機的體積越來越大，從而增加了被閃電擊中的風險， 水上風力發動機比地面上的更容易遭受閃電擊中，然而，所有帶葉片的設備，無論大小，在任何時間都會可能遭到閃電擊中。閃電會對沒有保護的葉片造成嚴重的破壞。不同的研究表明閃電往往會打中離根基最遠的部分，因為它也是最高的部分。在此情況下，從接觸點通過導電部分到凸緣產生一個電弧，可以達到30.000°C的高溫。其結果就是導致在葉片上的空氣膨脹爆炸。其產生的影響包括對表面的破壞，壓力、壓軋產生的損壞，被打中的邊緣和根部部分的破裂，以及粘貼的部分發生融化。閃電也能造成不可見的損壞並造成降低葉片使用壽命的長期問題。
不受保護的葉片在遭到雷擊時會極其脆弱。因此，到目前為止所有風力發電機的葉片都受到防雷電的保護。保護系統在基於富蘭克林型避雷器的原理上，也就是之前講過的原理，進行了一系列的改進，包括在雷電接收器中增加了新材料，很多時候，在必須要更換接收器中所使用過了的材料之前，葉片能夠承受幾次雷擊的影響。綜上所述，當今對葉片設計的理論是基於雷電通常會擊中葉片尖端，然後導入地面這一實際情況出發的。該保護系統由兩個主要部分組成位於葉片表面的接收器和傳導雷擊能量的內部電纜系統。當受雷擊時，接收器攔截雷電，電纜系統從葉片把電量傳導到塔裡，然後再到達地面。接收器就是雷電打中葉片上的所有導電點。發明說明
此風力發電機保護系統發明可以完全令人滿意地解決以上提到的問題，它抑制放電， 而不是閃電直接通過風力發電機到達地面。推薦的此系統創建在一個電場補償裝置上，此裝置連接在風力發電機的葉片和其它構造上，這些其它的構造通過風力發電機的塔身與地面接觸。上面提到的電場補償裝置與電場傳感器、電磁場傳感器、空氣相對溼度傳感器，溫度和大氣壓力傳感器向連接。通過這些傳感器進行必要的參數分析來決定電場補償裝置的運行狀態，以此來作為它的開關。這些參數可以用來分析周邊環境放電水平，周邊環境電磁場水平，能夠全方位提早檢測到暴風雨，風速，溫度，空氣相對溼度和大氣壓力。通過這些參數和具備程序補充固件的中央控制單元，此系統可以啟動/關閉電場補償裝置的運行，電場補償裝置通過幾個導電介質為空氣的同心圓環與葉片和風力發電機渦輪機轉轂或相關裝置相連接，這些圓環與風力發電機的運動部分通過電路連接，也就是說轉轂-葉片-發動機機艙的整體構造和發動機機艙-塔身的整體構造接地。電場補償裝置，它的任務將是降低在由於遭到雷電風暴襲擊引起的風力發電機的電流釋放和保護組成部分之間的電壓梯度。最後，需要注意的是，從電學角度通過不同的輔助設備測量的補償水平是通過中央控制單位與電場補償裝置來調節的。圖紙說明
為了充分的說明並且更好的理解此發明的特點，通過一個實例，用幾幅清晰並無限定的圖片作為附加說明來更好的進行解釋，如下


圖1 一架具備此發明提到的風力發電機保護系統的風力發電機的正面視圖。圖2 同一風力發電機側面視圖。圖3 同一風力發電機發動機機艙前側面透視視圖。圖4 發動機機艙和葉片整體後上方側視透視視圖，發動機機艙沒有上半部分艙
至
ΓΤΠ ο圖5 同一部分後下方側視透視視圖。圖6 裝置結構單位示意圖。本發明推薦的實施方案
根據這些示意圖可以看出此發明可作用於任何風力發電機的常規結構，風力發電機由以下部分組成塔身(1)，自動轉向發動機機艙(2)，與一組葉片(4)相結合的一個轉轂(3)， 發動機機艙包含在電能中轉轂動能的傳導(5)和變壓(6)的傳統機械裝置。那麼，通過此常規結構，在發動機機艙安置一個中央控制單元，配備程序補充固件，與電場補償裝置(7)相結合，通過電路連結一系列設備來控制電場補償裝置(7)的開/關。具體而言，這些裝置體現在一個電場傳感器(8)，一個電磁場傳感器(9)，一個風速儀(10)，空氣相對溼度傳感器(11)與一個溫度和大氣壓力傳感器(12)上。所有這些裝置都安裝在發動機機艙(2)倉罩上，並且與中央控制單元相連接，從而進行氣象數據的分析，用充足的時間來探測暴風雨的形成，面對雷擊可能存在的絲毫危險，此設備將提前啟動電場補償裝置(7)來抑制放電。要做到這一點，這些設備需要與發動機機艙(2)，塔身(1)，葉片(4)相連接。更具體地說，安裝在葉片上的，並與轉轂(3)相連接的表面傳導裝置(13)和發動機機艙(2)之間安裝著第一對導電同心圓環(14)，它的導電介質是空氣。同時，在發動機機艙(2)底部與塔身(1)相連接的搖擺平衡裝置上，安裝第二對導電圓環(15)，它的導電介質同樣也是空氣。具體來說，通過圖6的展示，電場補償裝置包括一系列有效的電子電路，允許其產生與裝置的程序相符的波動的，正負極的脈衝，並且考慮到風力發電機上各種傳感器收集到的信息，保持在上述風力發電機和它周圍的電場之間電壓和電極的負載均衡，從而避免閃電擊中風力發電機。該系統還彌補了風力發電機葉片與空氣摩擦所產生的靜電。使用高性能電絕緣材料製作的感應元素來實現系統電路接地。具體來說，電場傳感器(8)，電磁場傳感器(9)，風速儀(10)，大氣相對溼度傳感器 (11)和溫度與大氣壓力傳感器(12)，與一個模擬數字轉化器(16)相連接，使得微控制器 (17)可以做出反應，此微控制器(17)可以包含一個無線電控制(18)接口。微控制器(17) 的輸出與一個適配器(19)相連，此適配器(19)與一對電場發生器(20)相連，這對電場發生器(20)通過一個耦合器(21)的輸出(22)連接到風力發電機的結構上。僅在必要的時候，並且從經濟方面考慮，電場補償裝置(7 )在沒有雷暴危險時長時間出於關閉狀態時，如果遇到閃電放電的危險情況，用這種方式可以抵消葉片，以及整個風力發電機設施與空氣摩擦而產生的電場。
權利要求
1.防雷電風力發電機保護系統，所指風力發電機的組成部分被定義為塔身(1)，自動轉向發動機機艙(2)，和具有相應葉片(4)的轉轂(3)；發動機機艙包括在電能中轉轂動能的傳導(5)和變壓(6)的傳統機械裝置；它的特點是在發動機機艙內安裝有一個配備補充固件程序的中央控制單元，和電場補償裝置(7)相連接，並與一個電場傳感器(8)，一個電磁場傳感器(9)，一個風速儀(10)，一個空氣相對適度傳感器(11)，以及一個溫度和大氣壓力傳感器(12)以電路相連接；電場補償裝置(7)與發動機機艙(2)，塔身(1)，葉片(4)相集合，具備安裝在葉片上的表面傳導裝置(13)的轉轂(3)和發動機機艙(2)之間安裝著第一對導電同心圓環(14)，它的導電介質是空氣；同時，在發動機機艙(2)底部與塔身(1)相連接的搖擺平衡裝置上，安裝第二對導電圓環(15)，它的導電介質同樣也是空氣。
2.防雷電風力發電機保護系統，根據專利1，其特點是因為電場補償裝置(7)的構成是基於一個微控制器(17)，此微控制器(17)由通過一模擬數字轉化器(16)連接電場傳感器(8)，電磁場傳感器(9)，風速儀(10)，空氣相對溼度傳感器(11)，溫度和大氣壓力傳感器 (12)，此微控制器(17)的輸出與一個適配器(19)相連，此適配器(19)與一對電場發生器 (20)相連，這對電場發生器(20)通過一個耦合器(21)的輸出(22)連接到風力發電機的結構上。
3.防雷電風力發電機保護系統，根據專利1，其特點是電場補償裝置(7)包括一個無線電控制接口(18)。
全文摘要
此發明系統，在電場補償裝置(7)處於關閉狀態，存在閃電擊中風力發電機危險的情況下，通過多個傳感器收集一系列參數，通過一具備程序補充固件的中央控制單元來控制電場補償裝置(7)的啟動。電場補償裝置(7)通過在轉轂(3)和發動機機艙(2)之間配備的第一對圓環(14)來與發動機機艙(2)，塔身(1)和葉片(4)連接。這一對導電同心圓環(14)的導電介質是空氣，同時，在發動機機艙(2)底部，安裝第二對與第一對特點相似的導電圓環(15)。
文檔編號H02G13/00GK102510948SQ201080042697
公開日2012年6月20日 申請日期2010年9月17日 優先權日2009年10月6日
發明者傑西·阿爾馬茲·桑切斯 申請人:萊黎斯電纜有限公司