改進的風力渦輪機雷電保護系統的製作方法

2023-05-02 04:09:46

專利名稱：改進的風力渦輪機雷電保護系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於保護風力渦輪機免遭雷擊的系統、方法和軟體，還涉及包括雷電
保護系統的風力渦輪機。
背景技術：
2002年由國家可再生能源實驗室(B.McNiff，風力渦輪機雷電保護項目 1999-2001，國家可再生能源實驗室(NREL)，美國能源部，Golden, C0，美國)(B. McNiff， Wind Turbine Lightning Protection Projectl999—2001 ， National Renewable Energy laboratory (NREL) ， U. S. D印t. of Energy, Golden, C0， USA)公布的研究表 明，每100颱風力渦輪機中大約有8臺每年可能會意外遭受一次直接的雷擊。根據 IECTR61400-24提供的統計，雷電引起的損壞有7-10%是轉子葉片(IEC TR61400-24， 風力渦輪發電機系統，第24部分雷電保護，國際電工技術委員會，第一版2002-07) (IEC TR 61400-24， wind TurbineGenerator Systems, Part 24 :Lightning Protection, InternationalElectrotechnical Commission, First edition 2002-07)。 當遭受雷擊時
由於玻璃纖維表現出高阻抗的行為，風力渦輪機的葉片很可能被損壞。即使碳纖維增強環 氧樹脂也不能從一個單獨的閃電中將大量的電流和熱量傳導出去。風力渦輪機葉片佔風
力渦輪機成本的15-20%，因此這裡損壞的代價是非常高的(F.M Larsen， T. Sorensen，新 的大型風力渦輪機葉片雷電質量鑑定試驗程序，2002年)(F.M. Larsen， T. Sorensen， New Lightning Qualification Test Procedure for LargeWind Turbine Blades,2002)。
因為風力渦輪機通常豎立在廣闊的、地形平坦的、與雷暴活動一致的區域內，所 以易於遭受雷擊(B.Glushakow，風力渦輪發電機的有效雷電保護，電機工程師協會關於能 量轉換的會議論文，第22巻，第一期，2007年3月(B. Glushakow， Effective Lightning Protectionfor wind Turbine Generators, IEEE Transactions on Energyconversion， vol. 22， No. 1， March 2007))。 當閃電擊中未受保護的結構時，大約高達200kA的電流會尋找最小電阻的路徑。 直接影響典型地包括樹脂在直接打擊區域內蒸發，並可能將層壓材料燒穿。當結構中的 磁場和電位差感測出瞬態電壓時會產生間接影響，瞬態電壓可以損壞並且甚至毀壞未經 EMF(電磁場)屏蔽或雷電保護的板載電子設備。複合結構的保護需求已經促進了大量特殊 LSP(雷擊保護)材料的發展。 有效的防雷電保護對於確保風力渦輪機的葉片結構完整、壽命、安全和效率是至 關重要的。普通的雷擊保護(LSP)技術需要在葉片的內部使用大量的感受器和一個內部 的向下的導體將電荷導出至塔架。這種方法對於長度大約在20至30米之間的葉片有 效。當雷電擊中一個長度大約在40米以上的葉片時，電弧可能穿透表面並繼續向內部的 避雷針前進，或者沿著表面移動至最近的感受器。穿透是非常危險的並且通常意味著脫 層，此時電弧沿著表面的移動會留下稱作漏電痕跡(tracking)的物理腐蝕(S. F. Madsen， J. Holboell， M. Henriksen， N. Bjaert，作為改良的風力渦輪機葉片雷電保護一部分的玻璃
3纖維加固聚合物(GRP)的漏電痕跡測試，關於雷電保護的國際會議，阿維尼翁，法國，2004 年)(S.F. Madsen，J. Holboell，M. Henriksen，N. Bjaert，Tracking tests of Glass fibre Reinforced Polymers(GRP)as partof improved lightning protection of wind turbine bladeds， International Conference on Lligthning Protection, Avignon， France,
2004) 。 LM Glassfiber A/S已經介紹了它的LSP系統中的導流條(diverterstrp) (EP 1892797 Al)。這些已知的導流條由金屬或由聚合樹脂與金屬微粒的混合物製成。金屬材 料或金屬微粒因為它們的傳導特性而被使用。當這些金屬的導電的微粒暴露在由雷擊產生 的強電場中時，由此製成的分段導流條使用許多小的、密集的空氣間隙，該間隙電離。這將 在導流條的微粒當中產生短路，並且在這些微粒之上並且穿過被保護的表面的空氣當中產 生一個導電的電離通道，引導電流，而不是傳導，至一個接受器，(L. B. Hansen, J. Korsgaard and I.Mortensen，改良的雷電保護系統加強多兆瓦葉片的穩定性，LM GLasfiber A/S，2005 年10月)(L B. Hansen, J. Korsgaard and I. Mortensen， Improved LightningProtection System Enhances the Reliability of Multi-麗Blades, LM GLasfiber A/S， Octorber
2005) 。在葉片輪廓上方空氣動力流動的破裂和在空氣間隙之間滯留的灰塵被認為是一些 不利條件。 單獨地和個別地，雷電消除和諮詢有限公司報導了在他們的包括等離子發生 器的雷擊收集器中空氣的電離改善了雷擊的引力(http:〃lecgloba1. com/solutions/ lightning/protection/ion_plasma_generator)。 隨著風力渦輪機的尺寸繼續增加，遭受雷擊的風險也相應的增加，這就需要改良 的風力渦輪機雷電保護系統的發展。 因此，用於保護風力渦輪機免遭雷擊的改良系統、方法和軟體，和包括上述雷電保 護改良系統的改良風力渦輪機，將是有利的，並且特別是更加有效的和/或可靠的用於保 護風力渦輪機免遭雷擊的系統、方法和軟體，和包括上述更加有效的和/或可靠的雷電保 護系統的風力渦輪機，將是有利的。

發明內容
本發明的一個目的是提供包括導流條的改良的風力渦輪機LSP系統，是通過使用 改良的LSP材料和/或裝置，例如航空和航天工業中使用的那些。 本發明的另一個目的是提供包括LSP系統的風力渦輪機，其中LSP系統包括由改 良的LSP材料和/或裝置製成的或包含它們的導流條。 而本發明的另一個目的是提供保護風力渦輪機免遭遇雷擊的系統、方法和軟體， 以及包括上述LSP系統的風力渦輪機，其中葉片的導流條在雷擊之前被電離以便增加向著 葉片的其中一個導流條的雷擊引力，因此減少葉片其它(未被保護)部分損壞的機會。
本發明的另一個目的是提供保護風力渦輪機免遭遇雷擊的系統、方法和軟體，以 及包括上述LSP系統的風力渦輪機，其中LSP系統包括用於在雷擊之前觸發葉片上的導流 條電離的雷電傳感器。 本發明的另一個目的是提供現有技術的備選方案。 特別地，提供保護風力渦輪機免遭雷擊的系統、方法和軟體，以及包括上述雷電保護系統的風力渦輪機來解決上面提及的現有技術的問題，也可以看做是本發明的一個目 的。 以上描述的目的和幾個其它目的試圖通過提供保護風力渦輪機免遭雷擊的系統 從本發明的一個方面獲得，系統包括至少一個雷擊保護元件，其形式例如是風力渦輪機至 少一個葉片上的導流條；提供確定的雷擊風險信息的裝置；以及當在雷擊打擊之前提供確 定的信息時電離上述至少一個雷擊保護元件或上述至少一個葉片的導流條的電離裝置。
在一個根據本發明保護風力渦輪機的LSP系統的實施例中，上述至少一個雷擊保 護元件或導流條是由顯示出比銅的導電率大得多的材料製成的，例如SWCNT(單壁碳納米 管)，麗CNT (多壁碳納米管)，巴克紙。 在另一個根據本發明保護風力渦輪機的LSP系統的實施例中，上述LSP系統，和特 別地上述提供信息的設備，可以包括雷電感測裝置，用於在雷擊之前探測來臨雷擊並提供 觸發信號，在上述雷擊保護元件或導流條電離觸發過程中，該觸發信號被所述電離裝置使 用。雷電感測裝置可以包括雷電傳感器並可以布置在例如風力渦輪機機艙的頂部。而且， LSP系統可以包括立即或剛好在雷擊被導出至風力渦輪機塔架或釋放到大地後關閉電離裝 置的設備。 本發明的另一個方面提供了包括上述雷電保護系統的風力渦輪機。 然而本發明的另一個方面提供了保護風力渦輪機免遭雷擊的方法，包括如下步
驟提供確定的雷擊風險信息；和當在雷擊打擊之前提供確定的信息時，電離至少一個雷
擊保護元件，，其形式可以是風力渦輪機至少一個葉片上的導流條。立即或剛好/馬上在雷
擊被導出至風力渦輪機塔架或釋放到大地後，關閉上述至少一個雷擊保護元件或電離裝置
的電離。 在一個根據本發明風力渦輪機保護方法的實施例中還包括感測和探測來臨雷 擊，並提供(當探測到來臨雷擊的時候)在雷擊之前觸發上述雷擊保護元件或導流條電離 的過程中使用的觸發信號。 本發明的另一個方面提供了電腦程式產品或軟體或計算機可讀和/或可用的 在計算機可讀和/或可用的介質上的代碼，其適合啟動和/或管理和/或控制上述保護風 力渦輪機免遭雷擊的系統。 然而在另一個方面，本發明涉及電腦程式產品或軟體或計算機可讀和/或可用 的在計算機可讀和/或可用的介質上的代碼，其適合利用和/或執行上述保護風力渦輪機 免遭雷擊的方法。 本發明的主要特點是在獨立的權利要求中描述的。本發明的其它特點在從屬的權 利要求中描述的。 通常地，在本發明中通過寫"它是優點"和提到優點，它必須理解為這個優點可以 被看做是本發明提供的可能的優點，但它也可以理解為本發明，特別地，但非排它地，有利 於獲得描述的優點。 通常地，本發明不同的目的、方面和優點可以在本發明的保護範圍內以任何一種 可能的方式進行聯合和組合。 通過參考下文描述的實施例將明白和闡明本發明這些和其它的目的、方面、特點 和/或優點。


參考附圖將更加詳細地描述本發明。附圖顯示實施本發明的一種方式但並不能認 為它限制其它可能的實施例落入附加的權利要求的保護範圍之內。
圖1顯示風力渦輪機葉片上普通的雷電保護(現有技術)；
圖2圖解說明根據本發明的風力渦輪機； 圖3圖解說明由EP1892797A1給出的導流條的一個導流條片段可能的形狀和樣 式； 圖4顯示在某種樣式下生成的碳納米管示例；
圖5顯示本發明的流程圖。
具體實施例方式
根據本發明，在風力渦輪機改良的雷電保護或LSP系統中，比現有LSP材料具有更 高傳導率的材料代替了在雷擊保護元件或導流條(diverter strip)中的金屬材料或微粒。 候選材料包括單壁和/或多壁碳納米管或巴克紙(buckyp即er)。優點如下
-比現有LSP材料具有更高傳導率的材料希望可以改善雷擊電荷的吸引和導向。
-由展現出更高傳導率的材料製成的條的厚度希望可以比現有導流條更薄，將葉 片輪廓周圍的空氣動力流動的中斷(disruption)降至最小。條的厚度將可能在大約100 微米級。然而，這些條並不限制在這些尺寸上。-當前生產過程或葉片設計不需要變化。導流條可以應用到現成的風力渦輪機葉 片上。 _可以使用用於生長碳納米管的傳統方法來產生新的碳納米管導流條樣式和/或 形狀。 以下的表1清楚地顯示碳納米管，例如單壁納米管(SWNT或SWCNT)或者多壁納米 管(麗NT)，與銅相比展示出相當改良的傳導率。
表1 :不同電導材料的比較
材料電阻率密度 (kg/m3)熱導率 (Wm—10抗拉強度 (GPa)
銅1. 68X10—889203850. 07
鋁2. 65X10—827002370. 40
SWNT1. 72X10—115006600126
麗NT1. 70X10—813002500150 根據本發明改良的LSP系統電導率希望可以增加雷擊的引力，因此阻止和/或減
6會。象碳納米管這樣材料的其它優點是與銅相比密度小得 多，與現有的LSP系統相比這就導致重量的節省。 根據本發明改良的雷電保護系統還可以包括用於提供確定的雷擊風險信息的信 息裝置和適合於電離所述雷擊保護元件(多個)或導流條(多個)的電離裝置，而且需要 的話還有感受器，當在雷擊之前已經提供了風險信息時。導流條(多個)的預電離希望可 以增加向著導流條的雷擊的引力，因此減少損壞風力渦輪機葉片的其它(未保護的)部分 的機會。 另外，根據本發明用於風力渦輪機的LSP系統的信息裝置可以包括用於探測來臨 雷擊和提供電離觸發信號的雷電感測裝置。雷電感測裝置可以包括雷電傳感器，用於在雷 擊之前觸發雷擊保護元件或帶的電離。配備雷電感測裝置的LSP系統的實施例，例如可以 包括雷電傳感器，其優點是雷擊保護元件的電離剛好在雷擊之前觸發，因此將LSP系統的 能量消耗減少到最小。如果LSP系統包括下面的裝置一旦雷擊已經被引導至風力渦輪機 塔架或釋放到大地或者就在其之後立刻關閉電離裝置，LSP系統的能量消耗將減少得甚至 更多。 本發明也描述了保護風力渦輪機免遭雷擊的方法，包括的步驟在雷擊之前，電離 風力渦輪機的至少一個葉片上的至少一個雷擊保護元件並向感受器引導雷擊電荷。在電離 步驟之前，該方法可以包括探測來臨雷擊的步驟。 一旦雷擊被引導至風力渦輪機塔架或釋 放到大地，電離就關閉。 圖1顯示了普通的雷擊保護(LSP)技術，它需要在風力渦輪機葉片5內使用大量 的感受器8和內部的向下的導體9以將電荷導出至風力渦輪機塔架2。
圖2圖解說明了根據本發明的風力渦輪機l，包括布置在機座6上面的塔架2和 位於塔架2頂部的風力渦輪機機艙(nacelle) 3，其中風力渦輪機還包括上述LSP系統(未 示出)，LSP系統包括風力渦輪機1的葉片5上的至少一個雷擊保護元件(未示出)，提供 確定的雷擊風險信息的信息裝置(未示出)，和當信息已經提供並且在雷擊打擊之前觸發 上述雷擊保護元件電離的電離裝置(未示出)。包括至少三個風力渦輪機葉片5的風力渦 輪機轉子4，例如通過一個延伸到機艙3前部外面的低速軸(未示出)，與機艙3連接。系 統，特別是信息裝置，可以包括雷電感測裝置7，用於探測來臨雷擊並提供電離觸發信號，其 中雷電感測裝置7可以例如布置在機艙3的頂部上。 上述LSP系統的雷擊保護元件可以是分段的(segmented)或帶樣式的 (patterned,帶圖案的)導流條。圖3顯示了上述分段的或帶樣式的導流條的導流條段的 不同的可能的形狀或樣式，其中黑色輪廓線圖解說明了導流條片段的LSP元件，它可以由 單壁或多壁碳納米管或巴克紙製成，而白色輪廓線圖解說明了導流條片段的小的空氣間隙 (cf. EP1892797 Al)。 上述分段的或帶樣式的導流條的導流條片段的形狀或樣式，如圖3所示，可以通 過用於生長碳納米管的現有技術容易地製造出來。在某一樣式中生成的碳納米管的例子如 圖4所示，其中右邊的b)(比例10 m)顯示了左邊a)(比例15 y m)的一部分，其是被擴大 或放大的(cf. http://www. physorg. com/newman/gfx/news/麗CT3DCylinder. png)。
除了碳納米管的選擇生長(如圖3中所示的不同形狀和/或樣式)，碳納米管的高 度和方向也可以控制。典型地，碳納米管已經生長，但其高度並不限制在大約O.Olmm至大
7約10mm之間。低高度是優選的，因為這將葉片輪廓周圍的空氣動力流動的中斷降到最小。
如前面提到的，通過電離氣體或空氣可以加強雷電保護。來自被電離氣體的離子 使上述雷擊保護系統至少一個雷擊保護元件周圍的大氣對於雷電電流變得更具傳導性，這 樣促使雷擊打擊所述雷電保護系統的LSP元件，從而減少或消除雷擊打擊風力渦輪發電機 未保護部分的威脅。因此，無論何時暴風雲在空中逼近，在雷電保護或LSP系統的雷擊保護 元件的附近產生電離的氣體都是有利的。 通常地，電離可以通過在葉片表面直接應用電極(例如銅箔)來實現。通過電 池或其它電源給這些電極供電，可以電離周圍的空氣，產生等離子。典型的加載到電極上的 輸入電壓的交流頻率是但不限於5kHz。電極上的交流電壓幅值可以是但不限於7. 5kVp-p。 在本發明碳納米管用於分段的或帶樣式的導流條的實施例中，碳納米管的這些片段可以作 為電極。更加適合和恰當的電離裝置實施例也是有可能的。 如前面提到的，有利的是根據本發明風力渦輪機LSP系統的信息裝置包括用 於探測來臨雷擊的雷電感測或傳感器裝置，其中上述雷電感測裝置可以包括位於機艙頂 部上的雷電傳感器。所有用於探測來臨雷擊的適合方法和設備都應該包括在內。當然， 如果使用了已知的用於探測來臨雷擊的設備和方法，它應該適應根據本發明的LSP系 統。在W094/25752 Al、 JP 2004-311083和公開的美國專利申請No. 2005/0201865A1 上給出了雷電傳感器或探測器的例子，它由Guardian裝備公司公布(http: 〃www. guardian印uipment. com/pages/Warningsystems. html)。傳感器例如可以連續監領lj大氣的 靜電能，例如達到大約15英裡遠，並且可以評估大約2英裡半徑區域內的雷電的可能性。當 傳感器確定了危險情況時，它可以通過無線或有線信號來觸發電離裝置。雷電傳感器可以 具有一定的感測半徑，在這個半徑範圍內可以探測到暴風或雷電雲。觸發電離系統，電離雷 擊保護元件或導流條上方的空氣，增加向著雷擊保護元件或導流條的雷擊的引力，因此保 護葉片的其它部分免遭損壞。 具有這樣的雷電傳感器設備和電離裝置的優點是葉片部件不需要不間斷地被電 離，但只是剛好在雷擊衝擊之前，將能源消耗減少到最小，然而增加風力渦輪機葉片和LSP 系統的可靠性。還有一個優點是具有這樣的裝置立即或剛好在雷擊被導出至風力渦輪機 塔架或釋放到大地之後，關閉電離裝置。 圖5圖解說明了本發明的流程圖。更特別地，圖5圖解說明了本發明方法的一個 實施例和本發明系統工作過程或系統運行的一個實施例。根據本發明的方法或系統可以連 續對雷電感測100。感測程序100可以一直為開或可以根據一定的天氣情況切換開和關， 如舉例但不限於，空氣溼度和/或空氣壓力，和/或大氣靜電能等。如果沒有探測到雷電 110 "否"，則上述至少一個導流條沒有被電離120，而雷電感測過程100繼續。如果探測到 雷電110 "是"，則上述至少一個導流條被電離130。立即或剛好在雷擊被引導至風力渦輪 機塔架或釋放至大地之後，電離裝置切換至關140，而雷電感測過程100繼續。
—方面，本發明涉及適合執行和/或利用根據本發明保護風力渦輪機免遭雷擊的 方法的電腦程式產品。 另一方面，本發明涉及適合使計算機系統能夠管理和/或控制根據本發明的風力 渦輪機LSP系統，該計算機系統包括至少一臺計算機或一個具有數據存儲設備的CPU，該數 據存儲設備與其相連。
本發明這個方面特殊的但不排它的優點在於，本發明可以由電腦程式產品實 現，當下載或上傳至計算機系統時，它使計算機系統執行和/或管理和/或控制本發明LSP 系統的運行。這樣的電腦程式產品可以設置在任何一種計算機可讀介質上或通過網絡提 供。 儘管本發明已經連同特別的實施例一起加以描述，但它並不應該被認為是以任何 方式限制到已經提出的例子。本發明的保護範圍根據附屬權利要求集加以解釋。在權利要 求的上下文中，術語"包含"或"包括"並不排除其它可能的元件或步驟。而且，像"一"等提 到的參考不應該被認為是排除多個。在權利要求中關於顯示在附圖中元件的附圖標記的使 用也不應該並認為限制了本發明的保護範圍。此外，在不同權利要求中的個別特性，也可能 被有利地結合起來，這些不同權利要求中特性的提及並不排除特性組合是不可能的或不利 的。
權利要求
一種用於保護風力渦輪機免遭雷擊的系統，包括位於至少一個風力渦輪機葉片上的至少一個雷擊保護元件；提供已經確定雷擊風險的信息的裝置；以及電離裝置，在雷擊打擊之前當所述信息已經提供時，電離上述至少一個葉片的所述至少一個雷擊保護元件。
2. 根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，上述至少一個雷擊保護元件是導流條。
3. 根據權利要求2所述的系統，其特徵在於，上述導流條具有至少一種樣式或形狀。
4. 根據權利要求1至3中任一所述的系統，其特徵在於，上述至少一個雷擊保護元件由 碳納米管制成。
5. 根據權利要求1至4中任一所述的系統，其特徵在於，上述系統還包括雷電感測裝置，用於探測來臨雷擊並提供觸發信號，其中在雷擊之前，在觸發上述至少一個雷擊保護元 件的電離的過程中，所述觸發信號被上述電離裝置使用。
6. 根據權利要求5所述的系統，其特徵在於，上述雷電感測裝置包括探測來臨雷擊的 雷電傳感器。
7. 根據權利要求6所述的系統，其特徵在於，上述雷電傳感器布置在風力渦輪機機艙 的頂部上。
8. 根據權利要求1至7中任一所述的系統，其特徵在於，上述系統還包括下面的裝置 立即或剛好在雷擊已經被引導至風力渦輪機塔架或釋放到大地後關閉電離裝置。
9. 一種用於保護風力渦輪機免遭雷擊的方法，包括如下步驟 -提供雷擊風險已經被確定的信息，-在雷擊打擊之前，當信息已經被提供時，藉助於電離裝置，電離位於至少一個風力渦 輪機葉片上的至少一個雷擊保護元件，禾口-立即或剛好在雷擊已經被引導至風力渦輪機塔架或釋放到大地後關閉上述至少一個 雷擊保護元件的電離。
10. 權利要求9所述的方法，其特徵在於，還包括如下步驟感測或探測來臨雷擊，並提 供觸發信號，該觸發信號用於在雷擊之前觸發上述至少一個雷擊保護元件的電離。
11. 包括權利要求1至8中任一所述的系統的風力渦輪機。
12. 計算機可讀的和/或可用的介質上的計算機可讀的和/或可用的代碼，適於啟動和 /或控制權利要求1至8中任一所述的系統。
13. 計算機可讀的和/或可用的介質上的計算機可讀的和/或可用的代碼，適於執行權 利要求9至10中任一所述的方法。
全文摘要
本發明涉及保護風力渦輪機免遭雷擊的系統、方法和軟體，以及包括雷電保護系統的風力渦輪機，其中至少一個上述LSP系統的雷擊保護元件在雷擊之前被電離，因此減少了風力渦輪機葉片未被保護部分損壞的機會。
文檔編號F03D11/00GK101787955SQ20091100009
公開日2010年7月28日 申請日期2009年11月19日 優先權日2008年11月19日
發明者E·M·沃特森, S·那拉希馬盧, Y·原口 申請人:維斯塔斯風力系統集團公司