CN100425828C - 用于风能设备的叶片的防雷电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种风能设备上的叶片(1)的防雷电方法，所说的叶片包括叶片壳(2)，该叶片壳基本上被构造成一纤维加强的层压板，该层压板包含导电纤维，其中，叶片包括至少一个避雷器(9)，该避雷器被配置用于传导雷电流，优选地是传导至大地。这种方法包括：把导电纤维相互连接；在叶片的外表面处或附近配置至少一个金属接收器(4，24，25)，以便俘获雷电流；把接收器和纤维连接到避雷器上，以便平衡避雷器与导电纤维之间的电位差。当导电纤维被相互连接时，这些纤维将协力传导可能发生的雷电流，以便防止该雷电流传导入单独的纤维中。同时，金属接收器将充当主要的雷电俘获装置，从而减少雷电击中层压板的危险。通过把接收器连接到避雷器上，绝大多数雷电流将被传导至大地，同时把传递到层压板的危险减至最低，这是因为已经平衡了纤维与避雷器之间的可能发生的电位差的缘故。

Description

用于风能设备的叶片的防雷电方法
技术领域
本发明涉及一种风能设备的叶片的防雷电方法，所说的叶片包括一叶片壳，该叶片壳基本上被构造成一纤维加强的层压板(laminate)，该层压板包含导电纤维，其中，叶片包括至少一个避雷器，该避雷器被配置用于传导雷电流，优选地是传导至大地。此外，本发明还涉及一种防雷电叶片和一种风能设备。
背景技术
应该知道，用于风能设备的叶片配备有雷电接收器，这些雷电接收器在叶片的内部与一金属避雷器电连接，该金属避雷器能够使雷电流接地。在EP 0783629 B1中描述了这样一个例子，在此引用这篇文献作为参考。此外，从WO 00/14405可知道，在风能设备的叶片的层压板中使用了碳纤维。在此也引用这篇文献的公开内容作为参考。WO 00/14405公开了一种解决方案，其中，沿叶片的纵向，在叶片层压板中的碳纤维带之间，朝着叶片的内部避雷导线向内，配备了许多的导电连接件。
当对用于风能设备的叶片的要求倾向于增加叶片的长度时，就同时产生了对制造具有增加的刚度和相对较低重量的叶片的需要。实现这些性能的一个方法是，在叶片的层压板中组合不同类型的纤维，例如，可选的是组合玻璃纤维和碳纤维，而且例如从US 20020037409已知的那样，有利地是可以把碳纤维或玻璃纤维与钢纤维组合在一起。此外，还可以组合其它类型的纤维，而且可选的是仅仅使用碳纤维或其它适合的纤维类型。在所谓的混合层压板中例如玻璃纤维与碳纤维的组合呈现出一些优点，但仍然引发了一些问题。其中一个问题是，一些纤维类型是导电的，例如碳纤维和钢纤维。雷电直接击中层压板可使包含导电纤维的叶片损坏，这是因为这些导电纤维将会传导电流并由此被大大地加热的缘故。这在具有相当不良传导性的纤维例如碳纤维的情况下，以及在具有例如垫形的纤维的混合层压板的情况下特别成问题，其中，个别的垫子例如具有小部分导电纤维和较大部分不导电的例如玻璃纤维。另一问题是，尽管雷电流被接收器俘获并被传导至避雷器，但是，层压板中的传导纤维可使电流传递到该层压板中并由此造成损坏。
发明内容
根据本发明的一种方法可以至少部分地纠正上述问题，其特征在于：
-通过导电装置使导电纤维相互连接；
-在叶片的外表面处或附近配置至少一个金属接收器，以便俘获雷电流；
-把接收器与避雷器相连接；经由导电装置或者直接地，或者通过其组合，使层压板中的许多导电纤维与避雷器相连接，以便平衡避雷器与导电纤维之间的电位差。
当通过导电装置使导电纤维相互连接时，若有雷电流的话，这些纤维将协力传导该雷电流，从而就不会使该电流在单独的纤维中传导。因此，将减少任何的损坏结果。同时，金属接收器将充当主要的雷电俘获装置并减少雷电击中层压板的危险。通过把接收器连接到避雷器上，绝大多数雷电流将被接地，同时把传递到层压板的危险减至最低，这是因为主要部分被相互连接的导电纤维又被连接到避雷器上，由此平衡了可引起传导的任何电位差的缘故。因而，雷电击中层压板或从避雷器传递到层压板的这种危险被减至最低。
根据一个实施例，或者经由导电装置或者直接地或者通过其组合，使接收器既能与避雷器相连接又能与层压板中的导电纤维相连接。因此，必须始终是坚固结构的以便传导雷电流的接收器也能被用于借助于避雷导体来连接层压板中的导电纤维因此也可将强大的电流从导电纤维传导到避雷器。
根据另一实施例，通过包括焊接、钎焊(soldering)或用导电胶例如银胶粘接的这样一个工序，使接收器能与层压板中的导电纤维相连接。由此实现安全的电连接，以便传导强大的电流。
根据又一实施例，至少一个金属的基本上呈块状的第一连接元件能被内置在叶片中并位于导电装置的顶部且与其导电连接，所说的连接元件与避雷器相连接。由此实现适当的电连接，从而能使强大的电流从导电装置传导至避雷器。
根据另一实施例，抵靠着层压板设置至少另外一个金属的基本上呈块状的第二连接元件，在第二连接元件的顶部上设置导电装置，在导电装置的顶部上设置第一连接元件，第一连接元件和接收器构造成利用螺纹穿过第二连接元件和导电装置相互被夹紧。由此实现了借助于接收器把第一和第二连接元件夹紧在导电装置周围，从而形成从导电装置至连接元件的良好的电连接。
根据又一实施例，第一连接元件和/或第二连接元件能被钎焊、焊接或用导电胶粘接到导电装置上，以便进一步改善传导性。
根据又一实施例，层压板既包含导电的纤维又包含不导电的纤维。由于人们可从这两种类的纤维中自由地选择，因此，相对于叶片的设计和叶片上的荷载，纤维组成能被优化。
根据一可选的实施例，能把接收器完全地或部分地模制到层压板中，包括例如通过真空注入树脂来结合该层压板。由此在为安装接收器而进行的硬化之后避免了叶片加工工序。
根据一优选的实施例，导电装置可包含导电纤维，包括呈至少一个垫子的形式。这是有利的，因为通常此类纤维已经在层压板中被采用，而且这些纤维是可容易获得的。此外，如果需要的话，这些纤维能被相互层压，从而有利地优化强度。
根据一可选的实施例，导电装置可包含至少一格栅或一金属板。由此实现导电装置的良好的传导性，因而所说的导电装置适于传导强大的电流。
根据又一可选的实施例，能把许多的细长金属元件配置在叶片的外表面处，以便俘获雷电流，并且把这些细长金属元件与避雷器相连接。由此实现增加的可靠性，以便在不影响或不损坏层压板的情况下俘获雷电流并把它传导至避雷器。
根据又一实施例，可以配置许多的接收器-既配置在叶片的顶表面又配置在叶片的底表面，由此实现增加的可靠性，以便通过一接收器来俘获雷电流。这可以是有利的，尤其在长叶片的情况下。
根据一优选的实施例，能够关于一轴线大致对称地配置这些接收器，所说的轴线-从叶片的剖面图来看，该轴线与叶片从底部到顶端的纵向轴线基本上成直角-延伸穿过叶片的前边缘和后边缘。由此实现接收器的有利的分布，从而增加了俘获雷电流的可能性。
根据一可选的实施例，所述至少一个接收器能被构造成细长的且能适于整合到叶片的前边缘和/或后边缘中，或者能适于与叶片的前边缘和/或后边缘成一整体。由此，可以把这个接收器或这些接收器构造成具有相对大的表面，从而增加了俘获雷电流的可能性。
这种细长的接收器沿着叶片的纵向被设置，能至少在叶片的一部分长度上把接收器用作避雷器。由此，可以避免在叶片的内部麻烦地设置从接收器至一内部避雷器的电连接。
根据一优选的实施例，优选地是能把所述至少一个接收器配置在叶片壳上不构成叶片的主层压板的那个部分处，且优选地是在主层压板附近的一个位置上。由此避免主层压板被削弱-例如通过直通孔，作为替代，能把接收器配置在叶片壳的其余部分中，该其余部分从强度方面来看较不重要。当这样紧接近于主层压板来配置接收器时，由于通常这些导电纤维比起其它纤维来说具有较高的强度和刚度，故所说的紧接近于主层压板的地方是指将优选地使用导电纤维的这个地方，由于至接收器的距离短，主层压板的保护就被加强了。
根据又一优选实施例，优选地是能把所述至少一个接收器如此配置，以致接收器的至少一部分被配置在叶片的外表面处或附近。由此实现了俘获雷电流的提高的可能性，这是由于这种相当自由的配置更易于被雷电“探测”到的缘故。
本发明另一方面涉及一种风能设备，该风能设备包括至少一个防雷电叶片，该叶片根据上述方面中的一个或多个所述的方法来制造。本发明另一方面涉及一种防雷电叶片，该叶片也根据上述方面中的一个或多个所述的方法来制造。在这两种情况下实现了上面相应教导中所公开的对应的一些优点。
附图说明
在下文中，通过一些附图更详细地公开本发明，这些附图表示出了本发明的示例性实施例，其中：
图1是风能设备的一叶片的剖面示意图；
图2表示出了叶片的剖面的一部分；
图3是叶片的内部细节的一部分的等角示意图；
图4是叶片的剖面的一部分；
图5是叶片的内部细节的一部分的等角示意图；
图6表示出了叶片的剖面的一部分；
图7是叶片的内部细节的一部分的等角示意图；
图8是叶片的一部分的等角示意图；
图9表示出了叶片的一剖面。
具体实施方式
图1表示出了用于一风能设备的一叶片1。叶片1包括一叶片壳2，该叶片壳构成叶片的以空气动力学方式活动的部分。叶片壳2包括上层主层压板7，通过该上层主层压板7实现叶片的强度和刚性的基本部分。为了支撑目的，在叶片的内部配置了两条基本纵向延伸的梁3。叶片的前边缘和后边缘分别由附图标记15和16来表示。作为所示叶片1的防雷方法的一部分，金属接收器4被设置在叶片壳2的外表面处。术语“接收器”将被理解为一导电物体，该导电物体以俘获和传导雷电流的目的来配置。接收器4经由连接件8被连接到避雷器9上。接收器4、连接件8以及避雷器9是金属物体，配置这些金属物体以便能够传导雷电流，该雷电流可以是极其强大的。必须把雷电流从避雷器9可靠地传导至一接地件，可选地是包括穿过一火花隙，因此否则的话，电流可能会损坏叶片。通过端子5把接收器4与连接件8相连接，所说的端子5被配置用于把雷电流从接收器4可靠地传递到连接件8。在那个叶片1中，主层压板7包含未被表示出的导电纤维例如碳纤维、钢纤维等等。配置导电装置6，该导电装置6与主层压板中的一大部分导电纤维相连接，且在所示的例子中经由接收器4和连接件8与避雷器9相连接。这是一实用实施例，接收器已经与避雷器9相连接；然而，导电装置6还可以以某种其它方式与避雷器相连接。当导电装置6和进而传导纤维与避雷器9相连接时，纤维、导电装置以及避雷器将具有相同的电位，从而至少减少了避雷器中的雷电流传递至层压板7的纤维的危险。如图1所看到的那样，优选地是，与主层压板7邻接来配置接收器4，以便不损害那儿的强度。根据叶片1的尺寸来选择接收器4的数量及位置。
图2表示出了包括一主层压板7的一叶片壳2，其中，未示出导电纤维。与主层压板7邻接地配备了一圆柱形的接收器4。在叶片壳2的内部配置了一金属连接元件10，该金属连接元件10可用胶来固定。在连接元件10的顶部上配备了一铜制的重格栅12，格栅12穿过主层压板7的这样一个部分被传递，在这个部分处，主层压板7与未被表示出的导电纤维相接触-或者直接接触，或者借助于未被表示出的导电装置与之相接触。在格栅12的顶上配置了许多的垫子13，这些垫子13可以是碳纤维或者是其它适合的材料，并且也可以是铜制格栅。在格栅12和垫子13的顶层上还配置了一金属连接元件11，该金属连接元件11被配备有螺纹。接收器4也被配置有螺纹，以便穿过连接元件10、格栅12以及垫子13与连接元件11相配合。在这个实施例中，接收器4与连接元件11夹在一起能被用于把连接元件10、11牢固地夹紧在格栅12和垫子13周围，由此实现良好的电连接。通过把格栅12分别地焊接到连接元件10和11上，就能够进一步地改善和确保该良好的电连接。此外，把接收器4连接到一连接件8上，以便接地。为了提高连接件8的牢固性，把该连接件8设置在一胶合区14中。金属连接元件10和11能由例如铜合金来构造；但也可使用其它金属。这同样适用于格栅12和垫子13；其本质是具有良好的导电性能。
图3表示出了垫子13和格栅12的一示例性实施例，其中，从层压板7朝向连接元件11的过程中，垫子13和格栅12的厚度被阶梯状增加了，而其宽度阶梯状变窄了。把一个格栅12设置成与层压板7中的未被表示出的导电纤维相接触，因而，格栅12和垫子13构成导电装置6，该导电装置6还使导电纤维相互连接。
图4表示出了一接收器4，该接收器4与叶片的一层压板铸造成一整体。外部被设置了一凝胶涂层10。层压板包含呈垫状的不导电纤维20和被设置在垫子18中的导电纤维21。纤维20和纤维21都被成批18设置，其中，虽然它们基本上平行定位，但是，这种结合确保了所有纤维之间的导电连接。接收器4通过导电胶22与纤维21相连接。一连接件8被连接到一未被表示出的避雷器上，以便接地，并且该连接件8借助于一螺钉与接收器4相连接，由此，接收器4和导电纤维21都被连接到大地。所示的纤维垫适宜地是所谓的混合垫，这些混合垫被构造成这样一种图案，即，带有一种纤维类型的至少一粗纱(roving)和另一纤维类型的至少一粗纱。例如，纤维20可具有玻璃纤维的七粗纱和碳纤维的一粗纱相交替的图案。在这种混合垫的顶侧和/或底侧，例如，以导电纤维例如碳纤维的形式配置了导电装置，以便在这些纤维之间产生电连接和电位平衡。可选地是，导电装置可以是一金属格栅或一金属板或类似物。纤维21可以是钢纤维。
图5表示出了包括一层压板7的一叶片壳2，该层压板7含有未被表示出的导电纤维，所说的纤维经由导电装置6被电连接，它们从导电装置6处与一连接件8相连接。在叶片壳2中配置了一接收器4，该接收器4与一连接件8相连接。连接件8都被连接到大地。
图6表示出了一叶片壳2，其中，在该叶片壳的外面配置了一接收器4，用于俘获雷电，且其中，接收器被配置在叶片壳的并非由主层压板7构成的那个部分中。接收器4经由一连接件8被连接到大地。层压板7中的未被表示出的导电纤维与一金属格栅13相连接，而且与连接件8相连接。优选地是，格栅可以被胶粘到层压板上。
图7表示出了一主层压板7，该主层压板7含有至少一部分未被表示出的导电纤维，例如，以至少一个混合垫的形式，其中，纤维与导电装置6相连接。装置6可以是一格栅、一垫子或一板，并且基本上由导电材料来构造。导电纤维可由遍及叶片的整体长度的或某些区域中的导电装置交叉连接。
图8表示出了具有内部支架的一叶片壳2，所说内部支架呈梁3形式。在叶片壳2的外部设置了一些细长金属元件23-所谓的分流带，这些分流带与一接收器4相连接。由此，表面的大面积覆盖借助于相当少的接收器4来完成，这在大叶片的例子中是有利的。金属物体23可通过胶粘或整体铸造来固定。
图9表示出了支撑梁3和接收器24、25，接收器24、25与叶片的前边缘和/或后边缘制成一整体，并且具有这样一个跨度，该跨度至少对应于叶片长度的一半。
应当知道，本说明书和附图中所公开的本发明可以被修改或变化，而这些变型也被包括在下列权利要求的保护范围内。

Claims (25)

1、一种风能设备的叶片(1)的防雷电方法，所说的叶片包括一叶片壳(2)，该叶片壳包括至少一个纤维加强的主层压板(7，18)，所说的主层压板包含导电纤维(21)，其中，叶片包括至少一个避雷器(9)，该避雷器被构造用于传导雷电流，其特征在于：
-通过导电装置(6，12，13)使在同一主层压板中的至少许多的导电纤维相互连接；
-在叶片的外表面处或其附近配置至少一个金属接收器(4，24，25)，以便俘获雷电流；
-把接收器与避雷器相连接；
-经由导电装置使同一主层压板中的许多导电纤维与避雷器相连接，以便平衡避雷器与导电纤维之间的电位差。
2、根据权利要求1所述的方法，其中，或者经由所述导电装置或者直接通过其组合，接收器既与避雷器相连接又与主层压板中的导电纤维相连接。
3、根据权利要求1或2所述的方法，其中，通过包括焊接、钎焊或用导电胶粘接的这样一个工序，接收器与主层压板中的导电纤维相连接。
4、根据权利要求1所述的方法，其中，把至少一个金属的呈块状的第一连接元件(11)内置在叶片中并位于导电装置的顶部上且与其导电连接，所说的连接元件与避雷器相连接。
5、根据权利要求1所述的方法，其中，把至少一个金属的呈块状的第二连接元件(10)抵靠着主层压板设置；把导电装置设置在该另一连接元件的顶部上；把第一连接元件(11)设置在导电装置的顶部上；且利用螺纹通过第二连接元件和导电装置将第一连接元件和接收器构造成相互被夹紧。
6、根据权利要求1所述的方法，其中，把第一连接元件和/或第二连接元件焊接、钎焊或用导电胶粘接到导电装置上。
7、根据权利要求1所述的方法，其中，主层压板既包含导电的纤维又包含不导电的纤维(20)。
8、根据权利要求1所述的方法，其中，把接收器铸造成完全地或部分地与主层压板成一整体。
9、根据权利要求1所述的方法，其中，导电装置包含导电纤维，包括呈至少一个垫子的形式。
10、根据权利要求1所述的方法，其中，导电装置包含至少一格栅或一金属板。
11、根据权利要求1所述的方法，其中，把许多的细长金属元件(23)配置在叶片的外表面处，以便俘获雷电流，并且把这些细长金属元件(23)与避雷器相连接。
12、根据权利要求1所述的方法，其中，既在叶片的上侧又在叶片的下侧配置许多的接收器。
13、根据权利要求12所述的方法，其中，关于一轴线对称地或者近似对称地配置这些接收器，所说的轴线延伸穿过叶片的前边缘(15)和后边缘(16)，从叶片的横剖面图来看，该轴线与叶片从底部到顶端的纵向轴线成直角或者近似成直角。
14、根据权利要求1所述的方法，其中，把所述至少一个接收器构造成细长的且适于整合到叶片的前边缘和/或后边缘中，或者适于与叶片的前边缘和/或后边缘成一整体。
15、根据权利要求14所述的方法，其中，至少在叶片的一部分长度上把接收器用作避雷器。
16、根据权利要求1所述的方法，其中，把所述至少一个接收器用于叶片壳上的不构成叶片的主层压板的部分处。
17、根据权利要求1所述的方法，其中，所说的至少一个接收器被配置成使该接收器的至少一部分被配置在叶片的外表面处或附近。
18、根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个避雷器(9)将雷电流传导至大地。
19、根据权利要求3所述的方法，其中，所述导电胶为银胶。
20、根据权利要求1所述的方法，其中，把接收器铸造成完全地或部分地与主层压板成一整体，包括通过真空注入树脂来结合所说主层压板。
21、根据权利要求1所述的方法，其中，在主层压板附近的一个位置上把所述至少一个接收器用于叶片壳上的不构成叶片的主层压板的部分处。
22、一种风能设备，该风能设备包括至少一个防雷电叶片(1)，该叶片包括一叶片壳(2)，该叶片壳包括至少一个纤维加强的主层压板(7，18)，该主层压板包含导电纤维(21)，其中，所说的叶片包括至少一个避雷器(9)，该避雷器被构造用于传导雷电流，其特征在于：根据权利要求1-17中的任一项所述的方法来制造叶片，其中，通过导电装置(6，12，13)使在同一主层压板中的至少许多的导电纤维相互连接；在叶片的外表面处或其附近配置至少一个金属接收器(4，24，25)，以便俘获雷电流；把接收器与避雷器相连接；经由导电装置使同一主层压板中的许多导电纤维与避雷器相连接，以便平衡避雷器与导电纤维之间的电位差。
23、根据权利要求22所述的风能设备，其中，所述至少一个避雷器(9)将雷电流传导至大地。
24、一种用于风能设备的防雷电叶片(1)，所说的叶片包括一叶片壳(2)，该叶片壳包括至少一个纤维加强的主层压板(7、18)，该主层压板包含导电纤维(21)，其中，所说的叶片包括至少一个避雷器(9)，该避雷器被设置用于传导雷电流，其特征在于：根据权利要求1-17中的任一项所述的方法来制造叶片，其中，通过导电装置(6，12，13)使在同一主层压板中的至少许多的导电纤维相互连接；在叶片的外表面处或其附近配置至少一个金属接收器(4，24，25)，以便俘获雷电流；把接收器与避雷器相连接；经由导电装置使同一主层压板中的许多导电纤维与避雷器相连接，以便平衡避雷器与导电纤维之间的电位差。
25、根据权利要求24所述的用于风能设备的防雷电叶片，其中，所述至少一个避雷器(9)将雷电流传导至大地。
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