[发明专利]用于风力涡轮机的风力涡轮机叶片和制造风力涡轮机叶片的方法

说明书

一种用于风力涡轮机的风力涡轮机叶片（1），所述风力涡轮机叶片（1）包括：包含碳纤维的第一元件（2），所述第一元件（2）被第一金属盖（3）包围，以便在所述第一元件（2）周围形成法拉第笼；包含碳纤维的第二元件（4），所述第二元件（4）被第二金属盖（5）包围，以便在所述第二元件（4）周围形成法拉第笼；以及电联结部（6），所述电联结部（6）连接所述第一金属盖（3）和所述第二金属盖（5）。包含碳纤维的元件可被保护以对抗雷击，从而允许这种元件可被进一步朝向尖端放置，由此使整个叶片更轻并允许更好地调整尖端的形状。

技术领域

本发明涉及一种用于风力涡轮机的风力涡轮机叶片和一种制造风力涡轮机叶片的相应方法。

背景技术

碳纤维增强聚合物（CFRP），由于其高的强度质量比，正在迅速地取代基于玻璃纤维的结构部件，以从风力涡轮机的转子叶片获得增强的性能，特别是作为用于翼梁帽（sparcap）或梁的材料。

风力涡轮机的转子叶片经常遭受雷击。转子叶片的雷电保护通常依赖于提供一种如下的装置，其通过使用金属接受器（即空气终端）和内部铺设的缆线（即用以将雷电电流传递到地面的引下导体）来拦截和传递大的雷电电流。

由于碳纤维是导电的，所以碳元件可能遭受雷击，这可能损坏它们的结构并因此导致叶片和涡轮机在没有警告的情况下出现故障。为了避免雷电附着，碳元件在风力涡轮机叶片的最外部分（即，尖端区域）中的使用受到限制，这不利地影响了CFRP原本可能提供的重量优势和设计灵活性。出于相同的原因，避免空气终端邻近碳元件。

此外，沿翼展方向平行于金属引下导体延伸的CFRP翼梁帽表现得类似于具有短距离的一组平行导体，并且因此，当雷电被空气终端拦截并且经由引下导体传递时，互感将会在平行的CFRP翼梁帽中建立电流。

除此之外，引下导体的材料性质结合雷电电流的波形参数导致沿引下导体的大约几百万伏的电势降，从而迫使引下导体和CFRP翼梁帽之间出现闪络（即电弧），可能导致风力涡轮机叶片的结构损坏。

为了减轻这种风险，现有技术提出沿着CFRP翼梁帽的长度以规则的间隔提供等电位联结。由于CFRP的各向异性和相对于金属引下导体的性质差异，在它们之间传递电流是具有挑战性的，从而导致火花和热点。

最后，在高电流的情况下，还出现焦耳加热的挑战，焦耳加热可引起热损伤，从而导致分层和燃烧，严重地降低结构元件（例如翼梁帽）的性能。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种改进的风力涡轮机叶片，其便于碳元件的较少限制的使用，同时提供足够的保护以对抗雷击。

根据第一方面，提供了一种用于风力涡轮机的风力涡轮机叶片。风力涡轮机叶片包括：包含碳纤维的第一元件，所述第一元件被第一金属盖包围以便在所述第一元件周围形成法拉第笼；包含碳纤维的第二元件，所述第二元件被第二金属盖包围，以便在所述第二元件周围形成法拉第笼；以及所述连接第一金属盖和所述第二金属盖的电联结部（electrical bond）。

通过在包含碳纤维的元件周围形成法拉第笼，可以在将元件与电磁场屏蔽的同时有效地传递雷电电流。同时，通过经由电联结部将第一金属盖和第二金属盖彼此连接，获得了所述盖之间的等电位化。因此，由于金属盖的高导电性，外部雷击可以经由金属盖被拦截并安全地传导。

此外，由于包含碳纤维的元件受到保护，所以它们可进一步朝向风力涡轮机叶片的尖端放置，从而使风力涡轮机叶片更轻并且允许更好地调整尖端的形状。通过将金属盖仅限于包含碳纤维的元件而不是整个叶片，可以实现重量和成本的节省。

另外，结构的修理和与雷电相关的修理是分离的，从而导致快速和有效的修理，尤其是因为法拉第笼的修理相对简单并且仅涉及制造新的金属盖层且可选地利用欧姆计检查电连接。因为包含碳纤维的元件不再充当雷电保护系统电路中的电导体，所以是这种情况。此外，由于金属盖提供的保护，通常可以通过绳索进入或起重机来进行修理，从而使得没有必要将叶片降至地面。