改进的风力涡轮机雷电保护系统 【技术领域】
本发明涉及用于保护风力涡轮机免遭雷击的系统、方法和软件，还涉及包括雷电保护系统的风力涡轮机。
背景技术
2002年由国家可再生能源实验室(B.McNiff，风力涡轮机雷电保护项目1999-2001，国家可再生能源实验室(NREL)，美国能源部，Golden，CO，美国)(B.McNiff，Wind Turbine Lightning Protection Project1999-2001，National Renewable Energy laboratory(NREL)，U.S.Dept.of Energy，Golden，CO，USA)公布的研究表明，每100台风力涡轮机中大约有8台每年可能会意外遭受一次直接的雷击。根据IECTR61400-24提供的统计，雷电引起的损坏有7-10％是转子叶片(IEC TR61400-24，风力涡轮发电机系统，第24部分：雷电保护，国际电工技术委员会，第一版2002-07)(IEC TR 61400-24，wind TurbineGenerator Systems，Part 24：Lightning Protection，InternationalElectrotechnical Commission，First edition 2002-07)。当遭受雷击时由于玻璃纤维表现出高阻抗的行为，风力涡轮机的叶片很可能被损坏。即使碳纤维增强环氧树脂也不能从一个单独的闪电中将大量的电流和热量传导出去。风力涡轮机叶片占风力涡轮机成本的15-20％，因此这里损坏的代价是非常高的(F.M Larsen，T.Sorensen，新的大型风力涡轮机叶片雷电质量鉴定试验程序，2002年)(F.M.Larsen，T.Sorensen，New Lightning Qualification Test Procedure for LargeWind Turbine Blades，2002)。
因为风力涡轮机通常竖立在广阔的、地形平坦的、与雷暴活动一致的区域内，所以易于遭受雷击(B.Glushakow，风力涡轮发电机的有效雷电保护，电机工程师协会关于能量转换的会议论文，第22卷，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))。
当闪电击中未受保护的结构时，大约高达200kA的电流会寻找最小电阻的路径。直接影响典型地包括树脂在直接打击区域内蒸发，并可能将层压材料烧穿。当结构中的磁场和电位差感测出瞬态电压时会产生间接影响，瞬态电压可以损坏并且甚至毁坏未经EMF(电磁场)屏蔽或雷电保护的板载电子设备。复合结构的保护需求已经促进了大量特殊LSP(雷击保护)材料的发展。
有效的防雷电保护对于确保风力涡轮机的叶片结构完整、寿命、安全和效率是至关重要的。普通的雷击保护(LSP)技术需要在叶片的内部使用大量的感受器和一个内部的向下的导体将电荷导出至塔架。这种方法对于长度大约在20至30米之间的叶片有效。当雷电击中一个长度大约在40米以上的叶片时，电弧可能穿透表面并继续向内部的避雷针前进，或者沿着表面移动至最近的感受器。穿透是非常危险的并且通常意味着脱层，此时电弧沿着表面的移动会留下称作漏电痕迹(tracking)的物理腐蚀(S.F.Madsen，J.Holboell，M.Henriksen，N.Bjaert，作为改良的风力涡轮机叶片雷电保护一部分的玻璃纤维加固聚合物(GRP)的漏电痕迹测试，关于雷电保护的国际会议，阿维尼翁，法国，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已经介绍了它的LSP系统中的导流条(diverterstrp)(EP 1892797 A1)。这些已知的导流条由金属或由聚合树脂与金属微粒的混合物制成。金属材料或金属微粒因为它们的传导特性而被使用。当这些金属的导电的微粒暴露在由雷击产生的强电场中时，由此制成的分段导流条使用许多小的、密集的空气间隙，该间隙电离。这将在导流条的微粒当中产生短路，并且在这些微粒之上并且穿过被保护的表面的空气当中产生一个导电的电离通道，引导电流，而不是传导，至一个接受器，(L.B.Hansen，J.Korsgaard and I.Mortensen，改良的雷电保护系统加强多兆瓦叶片的稳定性，LM GLasfiber A/S，2005年10月)(L.B.Hansen，J.Korsgaard and I.Mortensen，Improved LightningProtection System Enhances the Reliability of Multi-MW Blades，LM GLasfiber A/S，Octorber 2005)。在叶片轮廓上方空气动力流动的破裂和在空气间隙之间滞留的灰尘被认为是一些不利条件。
单独地和个别地，雷电消除和咨询有限公司报道了在他们的包括等离子发生器的雷击收集器中空气地电离改善了雷击的引力(http://lecglobal.com/solutions/lightning/protection/ion-plasma-generator)。
随着风力涡轮机的尺寸继续增加，遭受雷击的风险也相应的增加，这就需要改良的风力涡轮机雷电保护系统的发展。
因此，用于保护风力涡轮机免遭雷击的改良系统、方法和软件，和包括上述雷电保护改良系统的改良风力涡轮机，将是有利的，并且特别是更加有效的和/或可靠的用于保护风力涡轮机免遭雷击的系统、方法和软件，和包括上述更加有效的和/或可靠的雷电保护系统的风力涡轮机，将是有利的。
【发明内容】
本发明的一个目的是提供包括导流条的改良的风力涡轮机LSP系统，是通过使用改良的LSP材料和/或装置，例如航空和航天工业中使用的那些。
本发明的另一个目的是提供包括LSP系统的风力涡轮机，其中LSP系统包括由改良的LSP材料和/或装置制成的或包含它们的导流条。
而本发明的另一个目的是提供保护风力涡轮机免遭遇雷击的系统、方法和软件，以及包括上述LSP系统的风力涡轮机，其中叶片的导流条在雷击之前被电离以便增加向着叶片的其中一个导流条的雷击引力，因此减少叶片其它(未被保护)部分损坏的机会。
本发明的另一个目的是提供保护风力涡轮机免遭遇雷击的系统、方法和软件，以及包括上述LSP系统的风力涡轮机，其中LSP系统包括用于在雷击之前触发叶片上的导流条电离的雷电传感器。
本发明的另一个目的是提供现有技术的备选方案。
特别地，提供保护风力涡轮机免遭雷击的系统、方法和软件，以及包括上述雷电保护系统的风力涡轮机来解决上面提及的现有技术的问题，也可以看做是本发明的一个目的。
以上描述的目的和几个其它目的试图通过提供保护风力涡轮机免遭雷击的系统从本发明的一个方面获得，系统包括：至少一个雷击保护元件，其形式例如是风力涡轮机至少一个叶片上的导流条；提供确定的雷击风险信息的装置；以及当在雷击打击之前提供确定的信息时电离上述至少一个雷击保护元件或上述至少一个叶片的导流条的电离装置。
在一个根据本发明保护风力涡轮机的LSP系统的实施例中，上述至少一个雷击保护元件或导流条是由显示出比铜的导电率大得多的材料制成的，例如：SWCNT(单壁碳纳米管)，MWCNT(多壁碳纳米管)，巴克纸。
在另一个根据本发明保护风力涡轮机的LSP系统的实施例中，上述LSP系统，和特别地上述提供信息的设备，可以包括雷电感测装置，用于：在雷击之前探测来临雷击并提供触发信号，在上述雷击保护元件或导流条电离触发过程中，该触发信号被所述电离装置使用。雷电感测装置可以包括雷电传感器并可以布置在例如风力涡轮机机舱的顶部。而且，LSP系统可以包括立即或刚好在雷击被导出至风力涡轮机塔架或释放到大地后关闭电离装置的设备。
本发明的另一个方面提供了包括上述雷电保护系统的风力涡轮机。
然而本发明的另一个方面提供了保护风力涡轮机免遭雷击的方法，包括如下步骤：提供确定的雷击风险信息；和当在雷击打击之前提供确定的信息时，电离至少一个雷击保护元件，，其形式可以是风力涡轮机至少一个叶片上的导流条。立即或刚好/马上在雷击被导出至风力涡轮机塔架或释放到大地后，关闭上述至少一个雷击保护元件或电离装置的电离。
在一个根据本发明风力涡轮机保护方法的实施例中还包括：感测和探测来临雷击，并提供(当探测到来临雷击的时候)在雷击之前触发上述雷击保护元件或导流条电离的过程中使用的触发信号。
本发明的另一个方面提供了计算机程序产品或软件或计算机可读和/或可用的在计算机可读和/或可用的介质上的代码，其适合启动和/或管理和/或控制上述保护风力涡轮机免遭雷击的系统。
然而在另一个方面，本发明涉及计算机程序产品或软件或计算机可读和/或可用的在计算机可读和/或可用的介质上的代码，其适合利用和/或执行上述保护风力涡轮机免遭雷击的方法。
本发明的主要特点是在独立的权利要求中描述的。本发明的其它特点在从属的权利要求中描述的。
通常地，在本发明中通过写“它是优点”和提到优点，它必须理解为这个优点可以被看做是本发明提供的可能的优点，但它也可以理解为本发明，特别地，但非排它地，有利于获得描述的优点。
通常地，本发明不同的目的、方面和优点可以在本发明的保护范围内以任何一种可能的方式进行联合和组合。
通过参考下文描述的实施例将明白和阐明本发明这些和其它的目的、方面、特点和/或优点。
【附图说明】
参考附图将更加详细地描述本发明。附图显示实施本发明的一种方式但并不能认为它限制其它可能的实施例落入附加的权利要求的保护范围之内。
图1显示风力涡轮机叶片上普通的雷电保护(现有技术)；
图2图解说明根据本发明的风力涡轮机；
图3图解说明由EP1892797A1给出的导流条的一个导流条片段可能的形状和样式；
图4显示在某种样式下生成的碳纳米管示例；
图5显示本发明的流程图。
【具体实施方式】
根据本发明，在风力涡轮机改良的雷电保护或LSP系统中，比现有LSP材料具有更高传导率的材料代替了在雷击保护元件或导流条(diverter strip)中的金属材料或微粒。候选材料包括单壁和/或多壁碳纳米管或巴克纸(buckypaper)。优点如下：
-比现有LSP材料具有更高传导率的材料希望可以改善雷击电荷的吸引和导向。
-由展现出更高传导率的材料制成的条的厚度希望可以比现有导流条更薄，将叶片轮廓周围的空气动力流动的中断(disruption)降至最小。条的厚度将可能在大约100微米级。然而，这些条并不限制在这些尺寸上。
-当前生产过程或叶片设计不需要变化。导流条可以应用到现成的风力涡轮机叶片上。
-可以使用用于生长碳纳米管的传统方法来产生新的碳纳米管导流条样式和/或形状。
以下的表1清楚地显示碳纳米管，例如单壁纳米管(SWNT或SWCNT)或者多壁纳米管(MWNT)，与铜相比展示出相当改良的传导率。
表1：不同电导材料的比较
材料 电阻率 (Ω/m) 密度 (kg/m3) 热导率 (Wm-1K-1) 抗拉强度 (GPa) 铜 1.68×10-8 8920 385 0.07 铝 2.65×10-8 2700 237 0.40 SWNT 1.72×10-11 500 6600 126 MWNT 1.70×10-8 1300 2500 150
根据本发明改良的LSP系统电导率希望可以增加雷击的引力，因此阻止和/或减少叶片未保护部分遭受雷击的机会。象碳纳米管这样材料的其它优点是与铜相比密度小得多，与现有的LSP系统相比这就导致重量的节省。
根据本发明改良的雷电保护系统还可以包括用于提供确定的雷击风险信息的信息装置和适合于电离所述雷击保护元件(多个)或导流条(多个)的电离装置，而且需要的话还有感受器，当在雷击之前已经提供了风险信息时。导流条(多个)的预电离希望可以增加向着导流条的雷击的引力，因此减少损坏风力涡轮机叶片的其它(未保护的)部分的机会。
另外，根据本发明用于风力涡轮机的LSP系统的信息装置可以包括用于探测来临雷击和提供电离触发信号的雷电感测装置。雷电感测装置可以包括雷电传感器，用于在雷击之前触发雷击保护元件或带的电离。配备雷电感测装置的LSP系统的实施例，例如可以包括雷电传感器，其优点是雷击保护元件的电离刚好在雷击之前触发，因此将LSP系统的能量消耗减少到最小。如果LSP系统包括下面的装置：一旦雷击已经被引导至风力涡轮机塔架或释放到大地或者就在其之后立刻关闭电离装置，LSP系统的能量消耗将减少得甚至更多。
本发明也描述了保护风力涡轮机免遭雷击的方法，包括的步骤：在雷击之前，电离风力涡轮机的至少一个叶片上的至少一个雷击保护元件并向感受器引导雷击电荷。在电离步骤之前，该方法可以包括探测来临雷击的步骤。一旦雷击被引导至风力涡轮机塔架或释放到大地，电离就关闭。
图1显示了普通的雷击保护(LSP)技术，它需要在风力涡轮机叶片5内使用大量的感受器8和内部的向下的导体9以将电荷导出至风力涡轮机塔架2。
图2图解说明了根据本发明的风力涡轮机1，包括布置在机座6上面的塔架2和位于塔架2顶部的风力涡轮机机舱(nacelle)3，其中风力涡轮机还包括上述LSP系统(未示出)，LSP系统包括风力涡轮机1的叶片5上的至少一个雷击保护元件(未示出)，提供确定的雷击风险信息的信息装置(未示出)，和当信息已经提供并且在雷击打击之前触发上述雷击保护元件电离的电离装置(未示出)。包括至少三个风力涡轮机叶片5的风力涡轮机转子4，例如通过一个延伸到机舱3前部外面的低速轴(未示出)，与机舱3连接。系统，特别是信息装置，可以包括雷电感测装置7，用于探测来临雷击并提供电离触发信号，其中雷电感测装置7可以例如布置在机舱3的顶部上。
上述LSP系统的雷击保护元件可以是分段的(segmented)或带样式的(patterned，带图案的)导流条。图3显示了上述分段的或带样式的导流条的导流条段的不同的可能的形状或样式，其中黑色轮廓线图解说明了导流条片段的LSP元件，它可以由单壁或多壁碳纳米管或巴克纸制成，而白色轮廓线图解说明了导流条片段的小的空气间隙(cf.EP1892797 A1)。
上述分段的或带样式的导流条的导流条片段的形状或样式，如图3所示，可以通过用于生长碳纳米管的现有技术容易地制造出来。在某一样式中生成的碳纳米管的例子如图4所示，其中右边的b)(比例10μm)显示了左边a)(比例15μm)的一部分，其是被扩大或放大的(cf.http://www.physorg.com/newman/gfx/news/MWCT3DCylinder.png)。
除了碳纳米管的选择生长(如图3中所示的不同形状和/或样式)，碳纳米管的高度和方向也可以控制。典型地，碳纳米管已经生长，但其高度并不限制在大约0.01mm至大约10mm之间。低高度是优选的，因为这将叶片轮廓周围的空气动力流动的中断降到最小。
如前面提到的，通过电离气体或空气可以加强雷电保护。来自被电离气体的离子使上述雷击保护系统至少一个雷击保护元件周围的大气对于雷电电流变得更具传导性，这样促使雷击打击所述雷电保护系统的LSP元件，从而减少或消除雷击打击风力涡轮发电机未保护部分的威胁。因此，无论何时暴风云在空中逼近，在雷电保护或LSP系统的雷击保护元件的附近产生电离的气体都是有利的。
通常地，电离可以通过在叶片表面直接应用电极(例如：铜箔)来实现。通过电池或其它电源给这些电极供电，可以电离周围的空气，产生等离子。典型的加载到电极上的输入电压的交流频率是但不限于5kHz。电极上的交流电压幅值可以是但不限于7.5kVp-p。在本发明碳纳米管用于分段的或带样式的导流条的实施例中，碳纳米管的这些片段可以作为电极。更加适合和恰当的电离装置实施例也是有可能的。
如前面提到的，有利的是：根据本发明风力涡轮机LSP系统的信息装置包括用于探测来临雷击的雷电感测或传感器装置，其中上述雷电感测装置可以包括位于机舱顶部上的雷电传感器。所有用于探测来临雷击的适合方法和设备都应该包括在内。当然，如果使用了已知的用于探测来临雷击的设备和方法，它应该适应根据本发明的LSP系统。在WO94/25752 A1、JP 2004-311083和公开的美国专利申请No.2005/0201865A1上给出了雷电传感器或探测器的例子，它由Guardian装备公司公布(http://www.guardianepuipment.com/pages/Warningsystems.html)。传感器例如可以连续监测大气的静电能，例如达到大约15英里远，并且可以评估大约2英里半径区域内的雷电的可能性。当传感器确定了危险情况时，它可以通过无线或有线信号来触发电离装置。雷电传感器可以具有一定的感测半径，在这个半径范围内可以探测到暴风或雷电云。触发电离系统，电离雷击保护元件或导流条上方的空气，增加向着雷击保护元件或导流条的雷击的引力，因此保护叶片的其它部分免遭损坏。
具有这样的雷电传感器设备和电离装置的优点是叶片部件不需要不间断地被电离，但只是刚好在雷击冲击之前，将能源消耗减少到最小，然而增加风力涡轮机叶片和LSP系统的可靠性。还有一个优点是具有这样的装置：立即或刚好在雷击被导出至风力涡轮机塔架或释放到大地之后，关闭电离装置。
图5图解说明了本发明的流程图。更特别地，图5图解说明了本发明方法的一个实施例和本发明系统工作过程或系统运行的一个实施例。根据本发明的方法或系统可以连续对雷电感测100。感测程序100可以一直为开或可以根据一定的天气情况切换开和关，如举例但不限于，空气湿度和/或空气压力，和/或大气静电能等。如果没有探测到雷电110“否”，则上述至少一个导流条没有被电离120，而雷电感测过程100继续。如果探测到雷电110“是”，则上述至少一个导流条被电离130。立即或刚好在雷击被引导至风力涡轮机塔架或释放至大地之后，电离装置切换至关140，而雷电感测过程100继续。
一方面，本发明涉及适合执行和/或利用根据本发明保护风力涡轮机免遭雷击的方法的计算机程序产品。
另一方面，本发明涉及适合使计算机系统能够管理和/或控制根据本发明的风力涡轮机LSP系统，该计算机系统包括至少一台计算机或一个具有数据存储设备的CPU，该数据存储设备与其相连。
本发明这个方面特殊的但不排它的优点在于，本发明可以由计算机程序产品实现，当下载或上传至计算机系统时，它使计算机系统执行和/或管理和/或控制本发明LSP系统的运行。这样的计算机程序产品可以设置在任何一种计算机可读介质上或通过网络提供。
尽管本发明已经连同特别的实施例一起加以描述，但它并不应该被认为是以任何方式限制到已经提出的例子。本发明的保护范围根据附属权利要求集加以解释。在权利要求的上下文中，术语“包含”或“包括”并不排除其它可能的元件或步骤。而且，像“一”等提到的参考不应该被认为是排除多个。在权利要求中关于显示在附图中元件的附图标记的使用也不应该并认为限制了本发明的保护范围。此外，在不同权利要求中的个别特性，也可能被有利地结合起来，这些不同权利要求中特性的提及并不排除特性组合是不可能的或不利的。