具有雷电保护系统的风力叶片的制作方法

1.本说明书的实施例大体上涉及雷电保护子系统。特别地，本说明书公开了一种沿风力叶片的边缘设置在风力叶片的外表面上的雷电保护子系统。本公开还涉及沿风力叶片的边缘安装雷电保护子系统的方法。


背景技术：

2.可注意到，雷电保护子系统通常包括设置在风力叶片的内腔中的导体/线缆。更具体地，雷电导体/线缆沿风力叶片的抗剪腹板设置。由于雷电导体/线缆设置在风力叶片的内腔中，因此难以接近雷电导体/线缆。在雷电导体/线缆中有故障的情况下，难以接近和维修雷电导体/线缆。可能需要在风力叶片表面上设置人孔以接近设置在内腔中的雷电导体。这些人孔/接近面板是风力叶片表面上的大孔，并且可能继而又影响风力叶片的结构完整性。
3.近期以来，公开了在风力叶片的外表面上使用雷电导体/线缆。然而，这些雷电导体/线缆会影响风力叶片的空气动力学轮廓。因此，风力叶片的空气动力性能受到影响。
4.此外，通常，雷电导体/线缆是长的连续线缆。因此，在模块化/分体式叶片的情况下，如果采用单根连续线缆作为雷电导体，则单独运输风力叶片的不同区段是不可行的。这继而又增加了长风力叶片的运输的复杂性。
5.将引下导体一体化到风力涡轮机叶片的前缘和/或后缘中也是已知的。然而，此类系统具有与具有内部引下导体的雷电保护系统相同的问题并且更难以维护。


技术实现要素：

6.根据本说明书的一些方面，提出了一种用于风力叶片的雷电保护子系统。雷电保护子系统包括一个或多个传导节段，其中一个或多个传导节段中的每个包括导体和联接部分。联接部分构造成将一个或多个传导节段固定到风力叶片的边缘。此外，一个或多个传导节段在风力叶片的外表面处沿边缘的长度的至少部分形成长形雷电传导路径。
7.根据本说明书的又一个方面，提出了一种制造具有雷电保护子系统的风力叶片的方法。制造风力叶片的方法包括模制风力叶片的至少部分，以及沿风力叶片的边缘的长度的至少部分设置一个或多个传导节段，其中一个或多个传导节段包括导体和联接部分，其中联接部分构造成将一个或多个传导节段固定到风力叶片的边缘，并且其中一个或多个传导节段在风力叶片的外表面处沿边缘的长度的至少部分形成长形雷电传导路径。
8.在优选实施例中，雷电保护子系统可进一步包括多个连接节段，其中多个连接节段中的至少一个连接节段设置在一个或多个传导节段中的两个传导节段之间。
9.在另一个优选实施例中，长形雷电传导路径包括雷电导体、雷电传导线缆或它们的组合。在另一个优选实施例中，至少两个传导节段之间存在气隙，并且其中气隙有助于电流的传导。
10.在另一个优选实施例中，多个连接节段由柔性材料制成。
11.在另一个优选实施例中，一个或多个传导节段包括至少部分地包裹导体的外部覆盖物，并且其中外部覆盖物包括绝缘体。
12.在另一个优选实施例中，绝缘体包括复合材料、热塑性材料或它们的组合。
13.在另一个优选实施例中，一个或多个传导节段构造成提供风力叶片的期望的空气动力学轮廓。
14.在另一个优选实施例中，一个或多个传导节段的第一尺寸沿风力叶片的边缘的长度变化。
15.在另一个优选实施例中，一个或多个传导节段的第一尺寸包括一个或多个传导节段的高度、长度和宽度中的至少一者。
16.在另一个优选实施例中，一个或多个传导节段具有渐缩的几何形状。
17.在另一个优选实施例中，一个或多个传导节段包括碳纤维和传导金属中的至少一者。
18.在另一个优选实施例中，一个或多个传导节段中的至少一个传导节段设置在风力叶片的尖部端处。
19.在另一个优选实施例中，设置在风力叶片的尖部端处的至少一个传导节段用作雷电保护子系统的环形部（toroid）。
20.在另一个优选实施例中，风力叶片的边缘为前缘和后缘中的至少一者。传导节段可有利地具有用于布置在风力叶片的后缘处的基本上三角形的横截面。
21.在另一个优选实施例中，一个或多个传导节段的联接部分包括一个或多个第一附接子单元。
22.在另一个优选实施例中，一个或多个传导节段形成风力叶片的翼型表面的部分。
23.在一个实施例中，一种风力叶片，包括雷电保护子系统。
24.在另一个实施例中，一个或多个传导节段使用粘合剂固定到风力叶片的边缘。
25.在优选实施例中，风力叶片包括沿风力叶片的边缘的一个或多个接收单元。
26.在另一个优选实施例中，一个或多个传导节段中的每个的联接部分接收在一个或多个接收单元中的对应接收单元中。
27.在另一个优选实施例中，一个或多个接收单元的第二尺寸与一个或多个传导节段的第一尺寸互补。
28.在又一个优选实施例中，一个或多个接收单元的第二尺寸包括一个或多个接收单元的深度、长度和宽度中的至少一者。
29.在另一个优选实施例中，模制风力叶片的至少部分包括沿风力叶片的边缘形成一个或多个接收单元。
30.显然，传导节段优选地连接到风力叶片的外部。此外，显然该系统是模块化的，并且多个传导节段可形成雷电保护系统的引下导体。传导节段可进一步电连接到一个或多个接受器，或传导节段中的一个或多个可用作接受器。这使得系统例如在雷击之后（其中雷电保护系统或叶片的部分可能被损坏）进行维护是容易并且成本效益合算的。传导节段可有利地各自具有50-500 cm，优选50-250 cm的纵向范围。
附图说明
31.在参照附图阅读以下详细描述时，本公开的这些及其它特征、方面和优点将变得更好理解，在附图中，遍及附图相似的标号表示相似的部分，其中：图1示出了常规的现代逆风风力涡轮机；图2是具有雷电保护子系统的风力叶片的示意图；图3是设置在风力叶片的后缘上的雷电保护子系统的至少部分的详细示意图；图4是图3的雷电保护子系统中采用的传导节段的一个实施例的示意图；图5是图2的风力叶片的后缘的示意图；图6是设置在风力叶片的前缘上的雷电保护子系统的至少部分的示意图；图7是图6的雷电保护子系统中采用的传导节段的一个实施例的示意图；图8是图6的雷电保护子系统中采用的传导节段的另一个实施例的示意图；图9是图8的实施例的另一个示意图；以及图10是制造具有雷电保护子系统的风力叶片的方法的流程图。
具体实施方式
32.除非另外限定，否则本文中使用的技术和科学用语具有与本说明书所属领域中的普通技术人员通常理解的相同意义。如本文中所用的用语“第一”、“第二”等不表示任何顺序、数量或重要性，而是用于将一个元件与另一个区分开。另外，用语“一个”和“一”不表示数量的限制，而是表示至少一个提到项目的存在。“包含”、“包括”或“具有”和本文中的其变体的使用意思是涵盖随后所列的项目和其等同物，以及附加项目。用语“连接”和“联接”不限于物理或机械连接或联接，并且能够包括直接或间接的电连接或联接。
33.如将在下文中详细描述的，公开了具有雷电保护子系统的风力叶片以及制造具有雷电保护子系统的风力叶片的方法的各种实施例。如将认识到的，雷电保护子系统包括雷电传导线缆、环形部和雷电接收器。本说明书公开了使用传导节段来形成沿风力叶片的边缘的雷电传导路径。风力叶片的边缘可包括风力叶片的前缘、风力叶片的后缘等。尽管本说明书描述了传导节段的一些实施例，但也可预期使用传导节段的其它实施例来形成雷电传导路径。
34.根据本说明书的实施例，使用设置在风力叶片的外表面上的一个或多个传导节段形成雷电传导路径。因此，相对容易接近雷电传导路径。雷电传导路径的较容易的可接近性使得能够在故障的情况下轻松维修雷电传导路径。此外，由于雷电传导路径位于风力叶片的外表面上，因此避免了大的人孔或舱口来接近雷电传导线缆的需要。此外，由于可使用传导节段代替单根长传导线缆来形成雷电传导路径，因此所提出的雷电传导路径也适用于模块化叶片/分体式叶片。这继而又允许模块化叶片/分体式叶片的相对更容易的运输。
35.图1示出了根据所谓的“丹麦概念”的常规现代逆风风力涡轮机2，其具有塔架4、机舱6和具有基本上水平的转子轴的转子。转子包括毂8和从毂8沿径向延伸的三个叶片10，叶片各自具有最接近毂的叶片根部16和最远离毂8的叶片尖部14。
36.图2是根据本说明书的实施例的具有雷电保护子系统的风力叶片的示意图100。风力叶片101包括边缘。在一个实例中，边缘可包括后缘102和前缘104中的至少一个。参考标记106代表风力叶片101的外表面。此外，参考标记108代表风力叶片101的内表面。
37.在图2的实例中，长形雷电传导路径110和111设置在风力叶片101的外表面106上。在一个实施例中，雷电传导路径110、111可为雷电传导线缆、雷电导体、引下导体等。雷电传导路径110沿风力叶片101的后缘102设置在外表面106上。更具体地，雷电传导路径110沿风力叶片101的后缘102的长度设置。在另一个实施例中，雷电传导路径111可沿风力叶片101的前缘104设置。由于雷电传导路径110和111设置在外表面106上，因此在故障的情况下更容易接近雷电传导路径110、111。
38.在一个实施例中，雷电传导路径110、111由一个或多个传导节段构成。雷电传导路径110的结构可关于随后的附图更详细地描绘。尽管图2的实例代表沿相应边缘的两条雷电传导路径110、111，但可预期使用沿风力叶片的边缘中的任一个的雷电传导路径110和111中的仅一个。具体地，图3-5公开了沿风力叶片的后缘设置的传导节段202。此外，图6-9代表沿风力叶片的前缘设置的传导节段。
39.图3是设置在风力叶片的后缘上的雷电保护子系统的至少部分的详细示意图200。风力叶片101包括后缘102和前缘104。在该实例中，风力叶片101以这样一种方式制造，使得与现有风力叶片相比时，后缘102为更平坦表面的带状物。具体地，后缘102包括一个或多个接收单元（图3中未示出）。将关于图5详细描述风力叶片的后缘102处的接收单元。
40.在图3的实例中，雷电传导路径110由彼此相邻设置的一个或多个传导节段202构成。一个或多个传导节段202可联接到后缘102。具体地，传导节段202中的每个可接收在风力叶片101的对应接收单元中。一旦传导节段202联接到后缘102，就实现了风力叶片101的后缘的期望的空气动力学轮廓。因此，传导节段202可形成风力叶片的翼型表面的部分。如本文中使用的用语“翼型表面”是指风力叶片的完成的空气动力学壳体。
41.在一个实施例中，传导节段202中的每个包括联接部分203。联接部分203构造成将一个或多个传导节段202固定到风力叶片101的边缘102或104。在一个实施例中，联接部分203是可与风力叶片101的边缘102或104接近并且物理接触的传导节段202的部分。
42.在图2的实例中，联接部分203包括第一附接子单元204。第一附接子单元204有助于将传导节段202联接到风力叶片101的后缘102。具体地，传导节段202在风力叶片101的后缘102处牢固地接收在相应接收单元（图2中未示出）中。另外，传导节段202可使用粘合剂、胶合剂、双面粘合带、紧固件、夹式机构、卡扣机构、基于轨道的机构等联接到风力叶片101的后缘102。
43.传导节段202包括导体。在一个实例中，导体包括碳纤维、其它传导金属等。传导金属可包括铜和铝中的至少一者。在一个实施例中，传导节段202包括可至少部分地由外部覆盖物覆盖的导体。该外部覆盖物可为绝缘体，诸如但不限于复合材料、热塑性塑料等。
44.另外，雷电传导路径110包括多个连接节段206。在一个实施例中，多个连接节段中的至少一个连接节段206设置在两个传导节段202之间。设置在两个传导节段202之间的连接节段206有助于为电流的流动提供连续路径。连接节段206由柔性和传导的材料制成。在一个实例中，传导材料包括碳纤维、传导金属等。在一个实施例中，一个或多个传导节段202和多个连接节段206的组合形成长形雷电传导路径110。
45.在另一个实施例中，在两个传导节段202之间提供气隙来代替连接节段。气隙的宽度是窄的，使得气隙允许传导节段202之间的电流的传导。因此，可提供用于可经由雷电传导路径110流动的任何电流的连续路径。
46.如上所述，雷电传导路径110沿后缘102设置在风力叶片101的外表面上。因此，在雷电传导路径110中有故障的情况下，能够容易地对其接近和维修。在一个实施例中，一个或多个传导节段202的有故障的传导节段202可用无故障的较新的传导节段202替换。
47.在一个实施例中，设置在风力叶片101的尖部处的传导节段202用作雷电保护子系统的环形部。尽管图3的实例描绘了联接到后缘102的传导节段202，但是传导节段可沿风力叶片101的其它边缘联接。此外，在另一个实例中，传导节段可为沿风力叶片101的后缘的内置结构。
48.现在参看图4，公开了在图3的雷电保护子系统中采用的传导节段202的一个实施例的示意图。在图4的实例中，传导节段202具有限定风力叶片101的后缘的形状的形状。因此，实现了风力叶片的后缘的期望的空气动力学轮廓。在一个具体实施例中，传导节段202是楔形结构，例如具有如图3和4中所示的基本上三角形横截面。在另一个实施例中，传导节段可联接到风力叶片的前缘。在该实施例中，传导节段可具有一形状，使得当在风力叶片的前缘处联接时传导节段不阻碍气流。
49.此外，在图4的实例中，传导节段202包括向外延伸的第一附接子单元204。此外，传导节段202包括具有外部覆盖物304的导体302。外部覆盖物304是绝缘体。在一个实施例中，外部覆盖物304可为复合材料。在图4的实例中，传导节段202包括嵌入在外部覆盖物304中的导体302，使得外部覆盖物304完全围绕导体302的圆周区域包裹。在另一个实施例中，传导节段202可包括外部覆盖物，其以这样一种方式设置使得外部覆盖物围绕导体部分地包裹。
50.如上所述，雷电传导路径110包括一个或多个传导节段202。雷电传导路径110的传导节段202的第一尺寸可沿边缘（诸如后缘）的长度变化。如本文中所用的用语“第一尺寸”是指传导节段的长度、宽度和高度。参考标记306代表传导节段202的长度。参考标记308代表传导节段202的宽度。另外，参考标记310代表传导节段202的高度。长度306、宽度308和高度310对于不同的传导节段202是变化的。此外，在一个实例中，传导节段202可具有沿方向312的渐缩的几何形状。尽管图4的实例描绘了楔形传导节段202，但可预期传导节段的其它尺寸、大小和形状。
51.图5是图2的风力叶片101的后缘的示意图400。风力叶片101包括后缘102和前缘104。具体地，图5的实例代表风力叶片101的后缘102。更具体地，图5描绘了后缘102，其适配成这样一种方式使得其构造成紧贴地接收传导节段。
52.如本文中所示，与传统风力涡轮机叶片的后缘相比时，后缘102具有相对较平坦的表面。在一个实施例中，后缘相对较厚并且弦长较短，以使传导节段202能够联接。如图5中清楚描绘的，后缘102设计成包括一个或多个接收单元402。在一个实例中，接收单元可为沿后缘102的长度的单个槽，其构造成接收多个传导节段202。在另一个实例中，多个接收单元402可沿后缘102的长度形成。
53.此外，一个或多个接收单元的第二尺寸与传导节段的第一尺寸互补。在一个实例中，接收单元402的第二尺寸可基于传导节段202的第一尺寸而变化。具体地，基于可接收在接收单元402处的传导节段202的第一尺寸，可确定接收单元402的第二尺寸。基于确定的接收单元402的第二尺寸，可准备模具以沿后缘102产生接收单元402的期望尺寸。如本文中所用的用语“第二尺寸”是指接收单元的尺寸。具体地，接收单元的第二尺寸可包括接收单元
的深度、长度和宽度。
54.另外，接收单元402包括一个或多个第二附接子单元404。第二附接子单元404可包括槽、孔口或孔中的至少一者。第二附接子单元404构造成牢固地接收传导节段202的第一附接子单元204。因此，传导节段202牢固地联接到后缘102。一旦所有接收单元402接收相应的传导节段202，就可获得风力叶片101的后缘的期望的空气动力学轮廓。
55.与设置在风力叶片101的根部端406处的接收单元402中的传导节段202的高度、宽度和长度相比时，设置在风力叶片101的尖部端408处的接收单元402中的传导节段202具有相对减小的高度、宽度和长度。因此，与风力叶片101的根部端406处的接收单元402的深度、宽度和长度相比时，风力叶片101的尖部端408处的接收单元402具有相对较小的深度、宽度和长度。
56.图6是设置在风力叶片的前缘上的雷电保护子系统的至少部分的示意图600。在图6的实例中，雷电保护子系统包括雷电传导路径111。此外，雷电传导路径111包括彼此相邻设置的一个或多个传导节段604。一个或多个传导节段604可联接到前缘104。具体地，传导节段604接收在沿前缘104的接收单元608上。沿前缘的接收单元608可包括平的表面。此外，接收单元608可具有与任何标准风力涡轮机的前缘形状相似的标准圆形形状。
57.一旦传导节段604联接到前缘104，就实现了风力叶片101的前缘的期望的空气动力学轮廓。更具体地，传导节段604联接到前缘104，使得其不阻碍沿前缘104的气流。在一个实施例中，传导节段604可使用粘合剂、胶合剂、双面粘合带、紧固件、夹式机构、卡扣机构、轨道机构等联接到风力叶片101的前缘104。
58.传导节段604可包括具有绝缘体的外部覆盖物的导体。在一个实例中，导体包括碳纤维、其它传导金属等。传导金属可包括铜和铝中的至少一者。一个或多个传导节段604形成长形雷电传导路径111。因此，可提供用于可经由雷电传导路径111流动的任何电流的连续路径。
59.如上所述，雷电传导路径111沿前缘104设置在风力叶片101的外表面上。因此，在雷电传导路径111中有故障的情况下，能够容易地对其接近和维修。在一个实施例中，一个或多个传导节段604的有故障的传导节段604可用无故障的传导节段604替换。因此，可维修雷电传导路径111。
60.图7是图6的雷电保护子系统中采用的传导节段的一个实施例的示意图700。具体地，图7描绘了当在方向606（如图6中所示）上观察时设置在风力叶片101上的传导节段604。如图7的实例中所示，传导节段604设置在风力叶片101的前缘104上。
61.传导节段604包括外部覆盖物702和导体704。传导节段604，具体地，外部覆盖物702包括联接部分203。在图7的实例中，联接部分203包括夹式元件706。在图7中，外部覆盖物702使用夹式元件706夹在前缘104上。因此，外部覆盖物702牢固地联接到风力叶片101的前缘104。
62.在一个实施例中，外部覆盖物702可由单个长形件构成，使得单个外部覆盖物702构造成联接在前缘104的整个长度上。在另一个实施例中，外部覆盖物702可由多个节段构成，其中这些节段彼此相邻设置以形成沿前缘104的长度的连续覆盖物。
63.外部覆盖物702可由绝缘体制成。在一个实例中，外部覆盖物包括复合材料。在一个实例中，复合材料可为用于制造风力叶片壳体的相同材料。在另一个实例中，外部覆盖物
702可由热塑性材料形成。
64.在另一个实施例中，外部覆盖物702预制在风力叶片前缘104上。外部覆盖物702的几何形状使得其提供顺滑的表面。具体地，外部覆盖物702允许空气沿风力叶片101的前缘部分顺滑流动。
65.在图7的实例中，导体704设置在风力叶片101的前缘104上。具体地，导体704设置在形成于前缘104与外部覆盖物702之间的腔708中。在一个实例中，导体704是沿前缘104的长度设置并且由外部覆盖物702包围的单件长形结构。在导体704中的任何故障的情况下，可移除外部覆盖物702并且可维修/替换导体704。在另一个实例中，导体704由若干相邻的传导节段形成，诸如图4的传导节段202，以在缺陷/损坏的情况下更容易替换。
66.图8和9是图6的雷电保护子系统中采用的传导节段的其它实施例的不同示意图800、900。传导节段包括外部覆盖物802和导体804。导体804嵌入在外部覆盖物802中。具有导体804的外部覆盖物802沿风力叶片101的前缘104设置。具体地，外部覆盖物802经由联接部分203沿风力叶片101的前缘104联接。联接部分203包括夹式元件806。在另一个实施例中，联接部分203可包括其它紧固件、卡扣机构、基于轨道的机构等。
67.在又一个实施例中，联接部分203可为传导节段800的凹形表面。传导节段800的凹形表面有助于将传导节段800牢固地联接在风力叶片101的前缘104上。在这种实施例中，粘合剂、胶合剂和双面粘合带也可用于将传导节段800牢固地联接到风力叶片101的前缘104。具体地，传导节段800的外部覆盖物802可联接到风力叶片101的前缘104。
68.因此，如图9中清楚描绘的，嵌入在外部覆盖物802中的导体804沿风力叶片101的前缘104延伸。在图9的实例中，导体804可为单件长形导体。在另一个实施例中，可使用多个传导节段来形成导体804。
69.具有嵌入导体804的外部覆盖物802提供了风力叶片101的顺滑外表面以允许空气的无湍流流动。因此，外部覆盖物802有助于为风力叶片101提供空气动力学轮廓。此外，在一个实施例中，具有嵌入导体804的外部覆盖物802可沿风力叶片101的前缘104预制。
70.图10是制造具有雷电保护子系统的风力叶片的方法的流程图950。在步骤952处，模制风力叶片的至少部分。具体地，风力叶片101以沿风力叶片的边缘形成一个或多个接收单元的方式在模具中制造。在一个实例中，边缘包括后缘。
71.在一个实施例中，接收单元具有确定的深度、长度和宽度。接收单元的尺寸从风力叶片的根部部分到尖部部分是不同的。沿后缘的接收单元的尺寸是在模制之前确定的。因此，模具被准备成制造具有期望接收单元尺寸的风力叶片。在另一个实施例中，接收单元可为沿风力叶片的边缘的无缝、顺滑和空气动力学的表面。
72.另外，在步骤954处，一个或多个传导节段沿风力叶片的边缘的长度的至少部分设置。在一个实施例中，一个或多个传导节段沿边缘的长度彼此相邻设置。具体地，在一个实例中，传导节段沿风力叶片的后缘牢固地定位在一个或多个接收单元中。此外，传导节段联接到风力叶片的后缘。一个或多个传导节段沿后缘的长度形成雷电保护子系统的长形雷电传导路径。因此，易于从风力叶片的外表面接近雷电传导路径。在另一个实施例中，传导节段可沿风力叶片的前缘的长度设置。
73.根据本说明书的一些方面，公开了一种具有雷电保护子系统的风力叶片以及制造此类风力叶片的方法。根据本说明书的方面，一个或多个传导节段沿风力叶片的后缘/前缘
设置。传导节段的组合有助于形成风力叶片的雷电传导路径。由于雷电传导路径沿风力叶片的外表面的后缘/前缘设置，并且使用一个或多个传导节段形成，因此对雷电传导路径中的任何故障进行维修相对较容易。
74.尽管已关于单件式风力叶片描述了所提出的系统和方法，但是该系统和方法也可在模块化叶片、分体式叶片、具有销接头的风力叶片等中得到应用。
75.尽管已经参考示例性实施例描述了本发明，但本领域中的技术人员将理解，可进行各种改变，并且可用等同物代替其元件而不背离本发明的范围。另外，可制作出许多改型来使特定情形或材料适于本发明的教导，而不背离其基本范围。