专利名称：防雷电风力发电机保护系统的制作方法
防雷电风力发电机保护系统发明目的
此发明是关于一种安装在风力发动机上经过特殊设计的系统，也可用于其它的存在被大气放电，即闪电，击倒的可能性的运动装置。本发明为针对的保护对象提供防雷击系统。
背景技术：
众所周知，过去的十年里，在西班牙以及其他国家，风力发电场的数量明显增多。举个例子，到2007年底，西班牙装机容量仅次于德国和美国之后位于世界第三位，能量产量大约为 27. (^6GWh。预计在全球范围内装机容量将以非常显著的形式增加，2010年将达到170GW，预计2010年西班牙将达到20. 155MW, 2016年29. 000MW。这些设施主要位于易受雷电击中的地方。因此，一个闪电可能会在一个瞬间对风力发电机造成严重损伤。这种雷电冲击造成的损伤主要发生在叶板或叶轮机上，因此叶轮机需要一个防雷击保护的有效系统。闪电一般出现在4月到9月，出现在8月份的比例最高。最近也发现12月也出现了闪电。另一个要注意的方面是全世界范围内的闪电击中陆地的数量都在增加。如果来计算它的数量，以I960年设为0个单位，1997年就约为15，2007年约为100。这些数值表明闪电击中陆地的数量在逐步增加。因此，如果风力发电机的数量以几何学方式增加，闪电击中地面的数量也以相同方式增加，可以预料可能发生在风力电场的灾难会越来越多。也许在风力电场发生的第二个最重要的问题就是有关风力发电机，闪电会击中它任何一个部位，虽然更具体的来说是会击中叶片。据估计20%的风力发电机断裂，多于25% 的成本花费都是由闪电击中造成的。从这个意义上讲，闪电往往会击中一个特定地区的最高点。出于此原因，由于风力发电机所处位置的高度以及它自身的高度，使它成为了被击中的目标。叶片是风力发电机最昂贵的部件之一，闪电会对没有保护的叶片造成极度破坏性的影响。出于此原因，在风力发电机和叶片的技术方面最重要的问题之一就是避免闪电击中。也许，解决闪电和结冰的问题，在风力发电能量领域是最紧迫需要面对的挑战。虽然地面上的现代风力发电机的体积越来越大，从而增加了被闪电击中的风险， 水上风力发动机比地面上的更容易遭受闪电击中，然而，所有带叶片的设备，无论大小，在任何时间都会可能遭到闪电击中。闪电会对没有保护的叶片造成严重的破坏。不同的研究表明闪电往往会打中离根基最远的部分，因为它也是最高的部分。在此情况下，从接触点通过导电部分到凸缘产生一个电弧，可以达到30.000°C的高温。其结果就是导致在叶片上的空气膨胀爆炸。其产生的影响包括对表面的破坏，压力、压轧产生的损坏，被打中的边缘和根部部分的破裂，以及粘贴的部分发生融化。闪电也能造成不可见的损坏并造成降低叶片使用寿命的长期问题。
不受保护的叶片在遭到雷击时会极其脆弱。因此，到目前为止所有风力发电机的叶片都受到防雷电的保护。保护系统在基于富兰克林型避雷器的原理上，也就是之前讲过的原理，进行了一系列的改进，包括在雷电接收器中增加了新材料，很多时候，在必须要更换接收器中所使用过了的材料之前，叶片能够承受几次雷击的影响。综上所述，当今对叶片设计的理论是基于雷电通常会击中叶片尖端，然后导入地面这一实际情况出发的。该保护系统由两个主要部分组成位于叶片表面的接收器和传导雷击能量的内部电缆系统。当受雷击时，接收器拦截雷电，电缆系统从叶片把电量传导到塔里，然后再到达地面。接收器就是雷电打中叶片上的所有导电点。发明说明
此风力发电机保护系统发明可以完全令人满意地解决以上提到的问题，它抑制放电， 而不是闪电直接通过风力发电机到达地面。推荐的此系统创建在一个电场补偿装置上，此装置连接在风力发电机的叶片和其它构造上，这些其它的构造通过风力发电机的塔身与地面接触。上面提到的电场补偿装置与电场传感器、电磁场传感器、空气相对湿度传感器，温度和大气压力传感器向连接。通过这些传感器进行必要的参数分析来决定电场补偿装置的运行状态，以此来作为它的开关。这些参数可以用来分析周边环境放电水平，周边环境电磁场水平，能够全方位提早检测到暴风雨，风速，温度，空气相对湿度和大气压力。通过这些参数和具备程序补充固件的中央控制单元，此系统可以启动/关闭电场补偿装置的运行，电场补偿装置通过几个导电介质为空气的同心圆环与叶片和风力发电机涡轮机转毂或相关装置相连接，这些圆环与风力发电机的运动部分通过电路连接，也就是说转毂-叶片-发动机机舱的整体构造和发动机机舱-塔身的整体构造接地。电场补偿装置，它的任务将是降低在由于遭到雷电风暴袭击引起的风力发电机的电流释放和保护组成部分之间的电压梯度。最后，需要注意的是，从电学角度通过不同的辅助设备测量的补偿水平是通过中央控制单位与电场补偿装置来调节的。图纸说明
为了充分的说明并且更好的理解此发明的特点，通过一个实例，用几幅清晰并无限定的图片作为附加说明来更好的进行解释，如下
图1 一架具备此发明提到的风力发电机保护系统的风力发电机的正面视图。图2 同一风力发电机侧面视图。图3 同一风力发电机发动机机舱前侧面透视视图。图4 发动机机舱和叶片整体后上方侧视透视视图，发动机机舱没有上半部分舱
至
ΓΤΠ ο图5 同一部分后下方侧视透视视图。图6 装置结构单位示意图。本发明推荐的实施方案
根据这些示意图可以看出此发明可作用于任何风力发电机的常规结构，风力发电机由以下部分组成塔身(1)，自动转向发动机机舱(2)，与一组叶片(4)相结合的一个转毂(3)， 发动机机舱包含在电能中转毂动能的传导(5)和变压(6)的传统机械装置。那么，通过此常规结构，在发动机机舱安置一个中央控制单元，配备程序补充固件，与电场补偿装置(7)相结合，通过电路链接一系列设备来控制电场补偿装置(7)的开/关。具体而言，这些装置体现在一个电场传感器(8)，一个电磁场传感器(9)，一个风速仪(10)，空气相对湿度传感器(11)与一个温度和大气压力传感器(12)上。所有这些装置都安装在发动机机舱(2)仓罩上，并且与中央控制单元相连接，从而进行气象数据的分析，用充足的时间来探测暴风雨的形成，面对雷击可能存在的丝毫危险，此设备将提前启动电场补偿装置(7)来抑制放电。要做到这一点，这些设备需要与发动机机舱(2)，塔身(1)，叶片(4)相连接。更具体地说，安装在叶片上的，并与转毂(3)相连接的表面传导装置(13)和发动机机舱(2)之间安装着第一对导电同心圆环(14)，它的导电介质是空气。同时，在发动机机舱(2)底部与塔身(1)相连接的摇摆平衡装置上，安装第二对导电圆环(15)，它的导电介质同样也是空气。具体来说，通过图6的展示，电场补偿装置包括一系列有效的电子电路，允许其产生与装置的程序相符的波动的，正负极的脉冲，并且考虑到风力发电机上各种传感器收集到的信息，保持在上述风力发电机和它周围的电场之间电压和电极的负载均衡，从而避免闪电击中风力发电机。该系统还弥补了风力发电机叶片与空气摩擦所产生的静电。使用高性能电绝缘材料制作的感应元素来实现系统电路接地。具体来说，电场传感器(8)，电磁场传感器(9)，风速仪(10)，大气相对湿度传感器 (11)和温度与大气压力传感器(12)，与一个模拟数字转化器(16)相连接，使得微控制器 (17)可以做出反应，此微控制器(17)可以包含一个无线电控制(18)接口。微控制器(17) 的输出与一个适配器(19)相连，此适配器(19)与一对电场发生器(20)相连，这对电场发生器(20)通过一个耦合器(21)的输出(22)连接到风力发电机的结构上。仅在必要的时候，并且从经济方面考虑，电场补偿装置(7 )在没有雷暴危险时长时间出于关闭状态时，如果遇到闪电放电的危险情况，用这种方式可以抵消叶片，以及整个风力发电机设施与空气摩擦而产生的电场。
权利要求
1.防雷电风力发电机保护系统，所指风力发电机的组成部分被定义为塔身(1)，自动转向发动机机舱(2)，和具有相应叶片(4)的转毂(3)；发动机机舱包括在电能中转毂动能的传导(5)和变压(6)的传统机械装置；它的特点是在发动机机舱内安装有一个配备补充固件程序的中央控制单元，和电场补偿装置(7)相连接，并与一个电场传感器(8)，一个电磁场传感器(9)，一个风速仪(10)，一个空气相对适度传感器(11)，以及一个温度和大气压力传感器(12)以电路相连接；电场补偿装置(7)与发动机机舱(2)，塔身(1)，叶片(4)相集合，具备安装在叶片上的表面传导装置(13)的转毂(3)和发动机机舱(2)之间安装着第一对导电同心圆环(14)，它的导电介质是空气；同时，在发动机机舱(2)底部与塔身(1)相连接的摇摆平衡装置上，安装第二对导电圆环(15)，它的导电介质同样也是空气。
2.防雷电风力发电机保护系统，根据专利1，其特点是因为电场补偿装置(7)的构成是基于一个微控制器(17)，此微控制器(17)由通过一模拟数字转化器(16)连接电场传感器(8)，电磁场传感器(9)，风速仪(10)，空气相对湿度传感器(11)，温度和大气压力传感器 (12)，此微控制器(17)的输出与一个适配器(19)相连，此适配器(19)与一对电场发生器 (20)相连，这对电场发生器(20)通过一个耦合器(21)的输出(22)连接到风力发电机的结构上。
3.防雷电风力发电机保护系统，根据专利1，其特点是电场补偿装置(7)包括一个无线电控制接口(18)。
全文摘要
此发明系统，在电场补偿装置(7)处于关闭状态，存在闪电击中风力发电机危险的情况下，通过多个传感器收集一系列参数，通过一具备程序补充固件的中央控制单元来控制电场补偿装置(7)的启动。电场补偿装置(7)通过在转毂(3)和发动机机舱(2)之间配备的第一对圆环(14)来与发动机机舱(2)，塔身(1)和叶片(4)连接。这一对导电同心圆环(14)的导电介质是空气，同时，在发动机机舱(2)底部，安装第二对与第一对特点相似的导电圆环(15)。
文档编号H02G13/00GK102510948SQ201080042697
公开日2012年6月20日 申请日期2010年9月17日 优先权日2009年10月6日
发明者杰西·阿尔马兹·桑切斯 申请人:莱黎斯电缆有限公司