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CN109891092A - 用于风力涡轮机叶片上的雷击的位置检测的雷电检测和测量系统及方法 - Google Patents

用于风力涡轮机叶片上的雷击的位置检测的雷电检测和测量系统及方法 Download PDF

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CN109891092A
CN109891092A CN201880003775.0A CN201880003775A CN109891092A CN 109891092 A CN109891092 A CN 109891092A CN 201880003775 A CN201880003775 A CN 201880003775A CN 109891092 A CN109891092 A CN 109891092A
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thunder
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communication module
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M·柯克加德
R·贝克尔
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PAULTECH Srl
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Abstract

雷电检测系统(1)包括涡轮机叶片(2)的雷电接地导体(3)、连接到雷电接地导体的多个雷电接收器(4，6，7)以及测量指示雷电电流的量值的雷电参数的多个单独的雷电检测器(8，9)。主接地导体雷电检测器(10)测量经雷电接地导体离开叶片的任何雷电电流的量值。每个单独的雷电检测器包括单独的传感器元件、单独的微处理器、单独的存储器、单独的无线通信模块以及包括电池和能量采集装置的单独的电源。该系统包括直接与一个或多个单独的无线通信模块进行通信的中央无线通信模块(18)，并且每个单独的无线通信模块直接与其它单独的无线通信模块中的至少一个和/或中央无线通信模块进行通信。

Description

用于风力涡轮机叶片上的雷击的位置检测的雷电检测和测量 系统及方法
技术领域
本发明涉及一种雷电检测和测量系统，其适于检测风力涡轮机叶片上的雷击的位置，该系统包括：叶片雷电接地导体，其适于在风力涡轮机叶片的纵向方向上延伸；多个雷电接收器，其与叶片雷电接地导体电连接并且沿着其长度分布；多个单独的雷电检测器，其沿着叶片雷电接地导体的长度分布，并且每个都适于在雷电击中一个或多个雷电接收器时测量指示流经雷电接收器与叶片雷电接地导体之间的连接部件的或叶片雷电接地导体的相应的单独导电部分的雷电电流的量值的雷电参数；和主叶片接地导体雷电检测器，其适于在雷电击中雷电接收器中的一个或多个时测量经叶片雷电接地导体离开叶片的任何雷电的至少一个量值。
背景技术
当今，确实存在雷电检测和测量系统，但是已经付诸实践的解决方案仅限于测量来自风力涡轮机叶片根端处的事件的大电流。通常，这些系统不能检测风力涡轮机叶片上在何处发生了雷击，因此，实际上这些系统对资产的运营者来说价值有限。例如，如果系统通知大型风力涡轮发电机发生了非常大且可能具有破坏性的雷击，则操作员实际上可能不会充分利用该信息。在不知道风力涡轮机叶片上在何处发生了雷击的情况下，该数据没有实际操作价值，并且不能仅基于该数据来决定是停止风力涡轮发电机还是使其保持运行。因此，例如，如果操作员能够接收到发生了大型雷击的信息，比如固体金属尖端接收器，那么根据设计和测试数据，可以确定此事件将不会代表对风力涡轮机叶片的运行的威胁。但是，如果二次保护如表面网格发生了相同的雷击，则可以确定叶片可能存在表面损坏，但没有办法停止其运转。在这种情况下，可以单纯地强调在下一个预定间隔对风力涡轮发电机进行检查和表面修复。这将是真正有用的运行信息。
US 8,258,773 B2公开了一种用于检测风力涡轮机叶片上的雷击的系统和方法，其中在压力侧和吸入侧中的每一者上都设置有多个雷电接收器。雷电接收器电联接到可包括多个部件的叶片接地导体。在一个实施例中，每个接收器通过支线连接到叶片接地导体的中心线。中心线和支线具有适合于限定风力涡轮机的整个接地系统的导电部件的仪表，用于经由叶片接地导体与风力涡轮机的主接地导体的连接来将任何一个接收器上的雷击传递到地面。电流传感器配置有雷击接收器中的每一个。各个电流传感器配置有与每个雷击导体相关联的支线。电流传感器也配置有中心线。电流传感器具体地被配置为产生初级电流，该初级电流与由于相应传感器上的雷击而流过形式为中心线或支线的相关接地导体的电流成比例。该初级电流与流过中心线或支线的雷击电流成比例。电流传感器包括核心构件，接地连接器穿过该核心构件。核心构件由具有规定数量的绕组的初级绕组缠绕。公共信号转换器子系统与每个电流传感器可操作地相关联，并且将初级电流转换为处理信号。信号转换器子系统还可包括一个或多个次级电流转换器，其与初级电流传感器串联布置，以便将初级电流逐步减小为信号电流。然后将处理信号传送到处理子系统，其中将处理信号与阈值进行比较。如果处理信号超过阈值，则指示对相应接收器上的雷击的正指示。利用该系统，理论上可以确定叶片上的特定击中位置。然而，为了将每个所描述的电流传感器与公共信号转换器子系统连接，物理布线将是必要的，并且这在风力涡轮机中实际上非常难以实现。此外，物理布线将代表检测系统本身被其适于测量的雷电电流损坏的高风险。
R.Andrew Swartz、Jerome P.Lynch、Stephan Zerbst、Bert Sweetman和RaimundRolfes撰写的文章“使用无线传感器网络对风力涡轮机进行结构监测(Structuralmonitoring of wind turbines using wireless sensor networks)”——其出现在“智能结构和系统(Smart Structures and Systems)”，Vol.6，No.3(2010)183-196中——提出了风力涡轮机塔架中的无线传感器技术的测试装置。在不同高度的三个不同风力涡轮机的每个圆形空心钢塔内布置了许多无线传感器。第一仪器的目标是：1)证明无线传感器将在涡轮机塔架内运行，2)收集和传输加速度数据，以及3)证明所收集的数据与通过并行安装的传统系留数据获取(DAQ)系统收集的类似数据相比是有利的。为了实现这些目标，四个无线传感器节点位于塔架内的不同高度处，每个钢平台一个；测量正交方向上的横向加速度的两个加速度计连接到每个无线传感器节点，总共八个加速度计。然而，该文不涉及雷击的检测，并且它不涉及放置在风力涡轮机叶片上的传感器。
发明内容
本发明的目的是提供一种在实践中可实现且稳健的雷电检测和测量系统，其适于指示风力涡轮机叶片上在何处发生了雷击。
鉴于此目的，每个单独的雷电检测器包括单独的传感器元件、单独的微处理器、单独的存储器、单独的无线通信模块以及单独的电源，该电源包括电池和能量采集装置，该能量采集装置适于从一个或多个能量源如运动、振动和光来采集能量，该系统包括中央无线通信模块，其适于直接与单独的无线通信模块中的一个或多个进行无线通信，并且每个单独的无线通信模块适于直接与其它单独的无线通信模块中的至少一个和/或中央无线通信模块通信。
以这种方式，每个单独的微处理器可以以节能的方式将指示流过系统的单独的导电部分的雷电电流的量值的雷电参数无线地传送到中央无线通信模块，并且无线通信所需的有限能量可以借助于能量采集装置来供应，使得不需要用于能量供应的布线。通过避免单独的传感器元件与中央通信模块之间的任何布线，通信可以容易地实现，并且使检测系统本身被其适于测量的雷电电流损坏的风险最小化。
在一个实施例中，每个单独的无线通信模块适于直接与任何其它单独的无线通信模块和中央无线通信模块进行无线通信。由此，在某个单独的无线通信模块与中央无线通信模块之间不能直接进行无线通信的情况下，可以经由一个或多个其它单独的无线通信模块来在这些模块之间建立间接的无线通信。
在一个实施例中，该系统适于在相应的单独无线通信模块的单独的电源的功率水平降低的情况下在所述相应的单独无线通信模块与中央无线通信模块之间间接地提供无线通信，因为所述无线通信是经由其它单独的无线通信模块中的一个提供的。由此，尽管所述相应的单独无线通信模块的单独的电源的降低的功率水平可能不允许该单独的无线通信模块与可能相对更远的中央无线通信模块通信，但是它仍然能够与位置相对较近的其它单独的无线通信模块通信，从而建立与中央无线通信模块的间接的无线通信。
在一个结构上特别有利的实施例中，各个传感器元件具有霍尔效应传感器的形式。
在一个实施例中，主叶片接地导体雷电检测器适于从相关联的风力涡轮机的外部电源供应电力。由此，主叶片接地导体雷电检测器可以适于提供更精确的测量和不同变量的测量，这可能需要相对更多的功率，以便提供离开风力涡轮机叶片的总雷电电流的相对更精确的表征。
在一个结构上特别有利的实施例中，主叶片接地导体雷电检测器包括主叶片传感器元件、主叶片微处理器、主叶片存储器和主叶片无线通信模块。
在一个实施例中，主叶片无线通信模块适于与每个单独的无线通信模块并可以与中央无线通信模块进行无线通信。由此，主叶片无线通信模块可以将其测量结果无线地发送到中央无线通信模块。此外，主叶片无线通信模块可以用于在一个或多个单独的无线通信模块之间并且可以在这些无线通信模块与中央无线通信模块之间建立间接的无线通信。此外，在主叶片接地导体雷电检测器适于从相关联的风力涡轮机的外部电源供应电力的情况下，与由相应的单独雷电检测器的各个无线通信模块发送和接收的无线信号相比，主叶片无线通信模块可以适于发送相对较强的无线信号并接收相对较弱的无线信号，从而能够与位于距主叶片无线通信模块相对较长距离处的各个无线通信模块进行无线通信，和/或从而能够与其中各个电源具有降低的功率水平的各个无线通信模块进行无线通信。由此，尽管单独的无线通信模块的单独电源的降低的功率水平可能不允许该单独的无线通信模块与可能相对远的中央无线通信模块通信，但是它仍然能够与主叶片通信模块进行无线通信，从而建立与中央无线通信模块的间接的无线通信。
在一个结构上特别有利的实施例中，主叶片传感器元件具有罗氏(Rogowski)线圈的形式。
在一个实施例中，每个单独的雷电检测器集成在适于嵌入风力涡轮机叶片中的电绝缘的雷电接收器块中，并且系统的单独的导电部分和/或一个或多个雷电接收器集成在所述电绝缘的雷电接收器块中。由此，雷电检测系统和相关联的防雷系统可以在风力涡轮机叶片的制造期间作为形式为所述电绝缘的防雷接收器块的一个或多个部件集成到风力涡轮机叶片中。
在一个结构上特别有利的实施例中，雷电接收器包括叶片尖端雷电接收器和/或多个表面保护雷电接收器。
在一个结构上特别有利的实施例中，雷电接收器包括至少一个侧面雷电接收器，其借助于侧面接收器雷电导体分支部电连接到叶片雷电接地导体，并且单独的侧面雷电检测器适于测量指示在雷电击中所述至少一个侧面雷电接收器时流过所述侧面接收器雷电导体分支部的雷电电流的量值的雷电参数。由此，所述单独的侧面雷电检测器可以直接测量指示由所述至少一个侧面雷电接收器接收的雷电电流的量值的雷电参数。
在一个结构上特别有利的实施例中，雷电检测器包括至少一个单独的中央雷电检测器，其与叶片雷电接地导体相关联并且适于测量指示在雷电击中一个或多个雷电接收器时流过叶片雷电接地导体的各个部分的雷电电流的量值的雷电参数，并且叶片雷电接地导体的所述各个部分在至少两个雷电接收器之间形成电连接。由此，所述单独的中央雷电检测器可以测量雷电参数，该雷电参数指示在从所述单独的中央雷电检测器的地点到叶片尖端雷电接收器的位置处连接到叶片雷电接地导体的任何雷电接收器所接收的雷电电流的量值。
在一个实施例中，主叶片接地导体雷电检测器适于就以下参数中的一个或多个(可以是全部)测量雷电电流参数：峰值电流，极性，电荷，上升时间和比能量。由此，可以提供离开风力涡轮机叶片的总雷电电流的相对更精确的表征。
本发明还涉及一种具有多个风力涡轮机叶片的风力涡轮机，其中每个风力涡轮机叶片设置有根据前述权利要求中任一项所述的雷电检测系统。
本发明还涉及一种用于检测风力涡轮机叶片上的雷击的方法，该方法包括引导来自多个雷电接收器中的一个或多个的雷电电流通过沿风力涡轮机叶片的纵向方向延伸的叶片雷电接地导体，所述多个雷电接收器借助于沿着叶片雷电接地导体的长度分布的多个单独的雷电检测器中的每一个电连接到叶片雷电接地导体并沿着其长度分布，测量雷电参数，该雷电参数指示在所述雷电击中所述多个雷电接收器中的一个或多个时流过雷电接收器与叶片雷电接地导体之间的连接部件的或叶片雷电接地导体的相应单独的导电部分的雷电电流的量值，并且借助于主叶片接地导体雷电检测器测量在所述雷电击中所述一个或多个雷电接收器时经叶片雷电接地导体离开叶片的任何雷电电流的至少一个量值。
根据本发明的方法的特征在于，每个单独的雷电检测器借助于单独的传感器元件测量所述雷电参数，借助于单独的微处理器处理所测量的雷电参数，将数据存储在单独的存储器中并且控制单独的无线通信模块，包括电池和能量采集装置的单独电源向各个雷电检测器供电，由此包括电池和能量采集装置的单独的电源向单独的雷电检测器供应电力，其中能量采集装置从一个或多个能量源例如运动、振动和光来采集能量，系统所包括的中央无线通信模块直接与单独的无线通信模块中的一个或多个进行无线通信，并且每个单独的无线通信模块直接与其它无线通信模块中的至少一个和/或中央无线通信模块进行无线通信。由此，可以获得上述特征。
在一个实施例中，每个单独的无线通信模块在必要时直接与任何其它单独的无线通信模块和中央无线通信模块进行无线通信。由此，可以获得上述特征。
在一个实施例中，在相应的单独无线通信模块的单独的电源的功率水平降低的情况下，所述相应的单独无线通信模块经由其它单独的无线通信模块间接地与中央无线通信模块进行无线通信。由此，可以获得上述特征。
在一个实施例中，主叶片接地导体雷电检测器从相关联的风力涡轮机的外部电源供应电力。由此，可以获得上述特征。
在一个实施例中，主叶片接地导体雷电检测器借助于主叶片传感器元件测量离开叶片的任何雷电电流的所述至少一个量值，借助于主叶片微处理器处理所测量的任何雷电电流的至少一个量值，将数据存储在主叶片存储器中，并且控制主叶片无线通信模块。由此，可以获得上述特征。
在一个实施例中，主叶片无线通信模块在必要时与任何单独的无线通信模块并且可以与中央无线通信模块进行无线通信。由此，可以获得上述特征。
在一个实施例中，主叶片接地导体雷电检测器适于就以下参数中的一个或多个(可以是全部)测量雷电电流参数：峰值电流，极性，电荷，上升时间和比能量。由此，可以获得上述特征。
在一个实施例中，在从风力涡轮机中的中央无线通信模块接收数据之后，由远程计算机诸如基于云的服务的执行数据的后处理和分析。在远程计算机上运行的算法分析由单独的雷电检测器和主叶片接地导体雷电检测器执行的测量，并且在此基础上提供风力涡轮机叶片上的雷击位置的指示和雷击产生的雷电电流的量值的指示。然后借助于定制的门户网站将该数据作为雷击量值和位置信息直接呈现给用户。由此，系统的用户可以容易地规划何时何地执行风力涡轮机叶片的修理。
附图说明
现在将参考非常示意性的附图借助于实施例更详细地说明本发明，在附图中
图1示出了根据本发明的雷电检测系统的一个实施例；
图2示出了叶片尖端雷电接收器和形成图1的雷电检测系统的一部分的电绝缘的防雷尖端插入件；
图3示出了形成图1的雷电检测系统的一部分的电绝缘防雷侧面插入件的透视图；
图4示出了形成图1的雷电检测系统的一部分的电绝缘的防雷侧面插入件和电绝缘的防雷中央插入件的透视图；
图5示出了形成图1的雷电检测系统的一部分的单个中央雷电检测器；以及
图6示出了形成图1的雷电检测系统的一部分的主叶片接地导体雷电检测器。
具体实施方式
图1示出了适于检测风力涡轮机叶片2上的雷击的根据本发明的雷电检测系统1的一个实施例。雷电检测系统1包括呈沿风力涡轮机叶片2的纵向方向延伸的叶片雷电接地导体3的防雷电系统和电连接到叶片雷电接地导体3并沿着其长度分布的多个雷电接收器4、5、6、7。图1中在右侧看到的叶片雷电接地导体3的端部30适于连接到相关联的风力涡轮机(未示出)的主接地导体，以便以本身已知的方式将由任何雷电接收器4、5、6、7接收的雷电电流向下引入大地。
形式为所谓的智能传感器的多个单独的雷电检测器8、9沿着叶片雷电接地导体3的长度以阵列分布，并且每个都适于测量雷电参数，该雷电参数指示在雷电击中雷电接收器4、5、6、7中的一个或多个时流过雷电接收器4、5、6、7与叶片雷电接地导体3之间的连接部件28的或叶片雷电接地导体3的相应的单独导电部分的雷电电流的量值，如图所示。所谓的智能传感器的优点在于它们在几何形状上非常小并且不需要外部电源或数据布线。此外，位于风力涡轮机叶片2的根端31处或风力涡轮机的未示出的毂中的主叶片接地导体雷电检测器10适于测量在雷电击中一个或多个雷电接收器4、5、6、7时经叶片雷电接地导体3离开叶片2的任何雷电电流的至少一个量值。
如图5所示，每个单独的雷电检测器8、9包括单独的传感器元件11、单独的微处理器12、单独的存储器13、单独的无线通信模块14以及包括电池16和能量采集装置17的单独的电源15，能量采集装置17适于从一个或多个能量源如运动、振动和光采集能量。由于风力涡轮机叶片在大部分时间旋转，因此优选从运动中采集能量。然而，如果风力涡轮机叶片不旋转，则诸如振动的能量源是可能的。然而，电池16可以存储在能量采集装置17不产生能量的时段期间使用的能量。
如图1所示，系统1包括中央无线通信模块18，其适于直接与相应的单独的雷电检测器8、9的单独的无线通信模块14中的一个或多个进行无线通信。中央无线通信模块18例如可以布置在风力涡轮机的未示出的塔架中，或者邻近风力涡轮机布置，并且中央无线通信模块18可以包括网关，并且可以经由因特网通过直接连接或无线地与云服务器19通信。
根据本发明，相应的雷电检测器8、9的每个单独的无线通信模块14适于直接与其它单独的雷电检测器8、9中的至少一个的单独的无线通信模块14和/或与中央无线通信模块18进行无线通信。
由此，每个单独的微处理器12可以以节能的方式将指示流过系统1的单独的导电部件3、28的雷电电流的量值的雷电参数无线地传送到中央无线通信模块18，并且无线通信所需的有限能量可以借助于能量采集装置17供应，从而不需要用于能量供应的布线。通过避免单独的传感器元件11与中央通信模块18之间的任何布线，可以容易地实现通信，并且使检测系统1本身被其适于测量的雷电电流损坏的风险最小化。
优选地，每个单独的无线通信模块14适于直接与任何其它单独的无线通信模块14和中央无线通信模块18进行无线通信。由此，在无法直接在某一单独的无线通信模块14与中央无线通信模块18之间进行无线通信的情况下，可以经由一个或多个其它单独的无线通信模块在这些模块14、18之间建立间接的无线通信。
优选地，系统1适于在相应的单独无线通信模块14的单独的电源15的功率水平降低的情况下在所述相应的单独无线通信模块14与中央无线通信模块18之间间接地提供无线通信，其中所述无线通信是经由其它单独的无线通信模块14中的一个提供的。由此，尽管所述相应的单独无线通信模块14的单独的电源15的降低的功率水平可能不允许该单独的无线通信模块14与可能相对较远的中央无线通信模块18通信，但是它仍然能够与位置相对较近的其它单独的无线通信模块14通信，从而建立与中央无线通信模块18的间接的无线通信。
优选的是，主叶片接地导体雷电检测器10适于从相关联的风力涡轮机的外部电源24供应电力，如图6所示。由此，主叶片接地导体雷电检测器10可以适于提供更精确的测量和不同变量的测量，这可能需要相对较多的功率。事实上，优选地，主叶片接地导体雷电检测器10适于就以下参数中的一个或多个(可以是全部)测量雷电电流参数：峰值电流，极性，总电荷转移，上升时间，脉冲形状和比能量。由此，系统1可以提供离开风力涡轮机叶片2的总雷电电流的相对更精确的表征。
在图6所示的实施例中，主叶片接地导体雷电检测器10包括主叶片传感器元件20、主叶片微处理器21、主叶片存储器22和主叶片无线通信模块23。主叶片无线通信模块23适于与每个单独的无线通信模块14并且可以与中央无线通信模块18进行无线通信。如果主叶片接地导体雷电检测器10由外部电源24供电，则无论如何都需要来自主叶片接地导体雷电检测器10的电缆连接，并且例如在这种情况下，主叶片微处理器21可以经由电缆连接直接与中央无线通信模块18进行通信。
优选地，单独的雷电检测器8、9的单独的传感器元件11具有霍尔效应传感器的形式，该霍尔效应传感器放置在相关的单独导电部分附近，待测量的雷电电流流过该导电部分。霍尔效应传感器测量由雷电电流引起的磁场的信号。然而，单独的传感器元件11可以是适于测量雷电参数的任何类型的传感器，该雷电参数指示流过系统1的相应的单独导电部分的雷电电流的量值。附加地或替代地，单独的传感器元件11可以包括其它类型的传感器，例如加速度计、振动测量装置、冲击测量装置、温度测量装置等。此外，优选地，主叶片接地导体雷电检测器10的主叶片传感器元件20具有在要测量的雷电电流流动的位置处环绕叶片雷电接地导体3的罗氏线圈的形式。然而，主叶片传感器元件20可以是适于就以下参数中的一个或多个(可以是全部)测量雷电电流参数的任何类型的传感器：流过叶片雷电接地导体3的相应的单独导电部分的雷电电流的峰值电流，极性，电荷，上升时间和比能量。附加地或替代地，主叶片传感器元件20可以包括其它类型的传感器，例如加速度计、振动测量装置、冲击测量装置、温度测量装置等。主叶片接地导体雷电检测器10可以利用快得多的处理器和更大的存储容量，这使得能够精确测量雷电事件参数。基于上述内容可以理解，可以收集和整理与风力涡轮机叶片2的关于雷击的状态有关的大量数据，从而进一步改善未来的运行规划。
如图2、3和4所示，每个单独的雷电检测器8、9集成在适于嵌入风力涡轮机叶片2中的电绝缘的防雷插入件25、26、27中，并且系统1的单独的导电部分3、28和/或一个或多个雷电接收器4、5集成在所述电绝缘的防雷插入件25、26、27中。由此，雷电检测系统1和相关联的防雷系统可以在风力涡轮机叶片的制造期间作为所述电绝缘的防雷插入件25、26、27形式的一体部件集成在风力涡轮机叶片2中。表面雷电接收器4、5通常嵌入风力涡轮机叶片2的叠层中。
如图1所示，雷电接收器包括布置在风力涡轮机叶片2的尖端32处的叶片金属尖端雷电接收器6和/或多个表面保护雷电接收器4、5、7。
如图3和4中进一步所示，雷电接收器包括至少一个侧面雷电接收器5，其借助于侧面接收器雷电导体分支部28电连接到叶片雷电接地导体3，并且单独的侧面雷电检测器9适于测量雷电参数，该雷电参数指示在雷电击中所述至少一个侧面雷电接收器5时流过所述侧面接收器雷电导体分支部28的雷电电流的量值。由此，所述单独的侧面雷电检测器9可以直接测量指示由所述至少一个侧面雷电接收器5接收的雷电电流的量值的雷电参数。
如图3和4中进一步所示，雷电检测器包括至少一个单独的中央雷电检测器8，其与叶片雷电接地导体3相关联并且适于测量雷电参数，该雷电参数指示在雷电击中雷电接收器4、5、6、7中的一个或多个时流过叶片雷电接地导体的单个部分的雷电电流的量值，并且叶片雷电接地导体3的所述单个部分在至少两个雷电接收器之间形成电连接。由此，所述单独的中央雷电检测器8可以测量雷电参数，该雷电参数指示由在所述单独的中央雷电检测器8的地点到叶片尖端雷电接收器6的位置处连接到叶片雷电接地导体3的任何雷电接收器4、5、6接收的雷电电流的量值。
根据本发明的一个实施例，未示出的风力涡轮机具有多个风力涡轮机叶片2，其中每个风力涡轮机叶片2设置有如上所述的雷电检测系统1。然而，有利地，可以提供用于风力涡轮机的所有风力涡轮机叶片2的公共雷电检测系统1，其中设置了一个公共中央无线通信模块18和一个公共云服务器19。以相同的方式，当更多的风力涡轮机设置有根据本发明的雷电检测系统1时，有利地，用于多个风力涡轮机的所有风力涡轮机叶片2的公共雷电检测系统1可以设置有一个公共云服务器19。如果一些风力涡轮机彼此相对靠近，则可能为这些风力涡轮机提供一个公共中央无线通信模块18。
本发明还涉及一种用于检测风力涡轮机叶片2——例如图1所示的风力涡轮机叶片2——上的雷击的方法。该方法包括引导来自雷电接收器4、5、6中的一个或多个的雷电电流通过沿风力涡轮机叶片2的纵向方向延伸的叶片雷电接地导体3。借助于沿着叶片雷电接地导体3的长度分布的单独的雷电检测器8、9中的每一个测量雷电参数，该雷电参数指示在雷电击中所述多个雷电接收器4、5中的一个或多个时流过雷电接收器4、5、6、7与叶片雷电接地导体3之间的相应连接部28的或叶片雷电接地导体3的相应的单独导电部分的雷电电流的量值。借助于主叶片接地导体雷电检测器10，当所述雷电击中所述一个或多个雷电接收器4、5、6、7时，测量经叶片雷电接地导体3离开叶片2的任何雷电电流的至少一个量值。每个单独的雷电检测器8、9借助于单独的传感器元件11测量所述雷电参数，借助于单独的微处理器处理所测量的雷电参数，将数据存储在单独的存储器13中，并且控制单独的无线通信模块14。包括电池16和能量采集装置17的单独的电源15向单独的雷电检测器8、9供电。能量采集装置17从一个或多个源如运动、振动和光收获功率。系统1所包括的中央无线通信模块18直接与各个无线通信模块14中的一个或多个进行无线通信，并且每个单独的无线通信模块14直接与其它单独的无线通信模块14中的至少一个和/或中央无线通信模块18进行无线通信。
在一个实施例中，在必要时，每个单独的无线通信模块14直接与任何其它单独的无线通信模块14和中央无线通信模块18进行无线通信。
在一个实施例中，在相应的单独无线通信模块14的单独的电源15的功率水平降低的情况下，所述相应的单独无线通信模块14经由其它单独的无线通信模块14中的一个间接地与中央无线通信模块18进行无线通信。
在一个实施例中，主叶片接地导体雷电检测器10借助于主叶片传感器元件20测量离开叶片2的任何雷电电流的至少一个量值，借助于主叶片微处理器21处理所测量的任何雷电电流的至少一个量值，将数据存储在主叶片存储器22中，并且控制主叶片无线通信模块23。
在一个实施例中，在必要时，主叶片无线通信模块23与任何单独的无线通信模块14并且可以与中央无线通信模块18无线通信。
在一个实施例中，每个单独的无线通信模块14、主叶片无线通信模块23和中央无线通信模块18之间的无线通信是额机组与ZigBee(注册商标)设备来执行的。
在一个实施例中，主叶片接地导体雷电检测器10就以下参数中的一个或多个(可以是全部)测量雷电电流参数：峰值电流，极性，电荷，上升时间和比能量。
在一个实施例中，诸如云服务器19的计算机从中央无线通信模块18接收数据，比较由单独的雷电检测器8、9和主叶片接地导体雷电检测器10执行的测量，并且基于该测量来提供风力涡轮机叶片2上的雷击位置的指示以及由雷击产生的雷电电流的量值的指示。中央无线通信模块18可以封装来自各个中央雷电检测器8、9和主叶片接地导体雷电检测器10的原始数据，并将数据发送到云服务器19。数据包可以指示事件的日期和时间、来自所有单独的传感器元件11和主叶片传感器元件20的传感器读数、风力涡轮机标识(ID)和风力涡轮机叶片标识(ID)。
然后，由于云服务器19被编程有用于特定风力涡轮机叶片2和防雷系统1的设计数据，所以它可以对风力涡轮机叶片2的潜在预期损坏进行准确的评估。云服务器19然后可以将该信息实时更新到相关资产的运营中心。此输出还可以被配置为同时向智能设备如手机或平板电脑、发送警报或警告。通过这种方式，操作员可以对雷电事件进行真正有意义的评估，并且能够对运行计划做出明智的决策。由此，防雷系统1可以实现真正有针对性的预防性维护和维修策略，防止错误停机，增加运行时间并减少运营支出。
附图标记清单
1 防雷系统
2 风力涡轮机叶片
3 叶片雷电接地导体
4 雷电接收器
5 侧面雷电接收器
6 叶片尖端雷电接收器
7 表面保护雷电接收器
8 单独的中央雷电检测器
9 单独的侧面雷电检测器
10 主叶片接地导体雷电检测器
11 单独的传感器元件
12 单独的微处理器
13 单独的存储器
14 单独的无线通信模块
15 单独的电源
16 电池
17 能量采集装置
18 中央无线通信模块
19 云服务器
20 主叶片传感器元件
21 主叶片微处理器
22 主叶片存储器
23 主叶片无线通信模块
24 风力发电机的外部电源
25 电绝缘的防雷中央插入件
26 电绝缘的防雷尖端插入件
27 电绝缘的防雷侧面插入件
28 侧面接收器雷电导体分支部
29 防雷插入件
30 叶片雷电接地导体的端部
31 风力涡轮机叶片的根端
32 风力涡轮机叶片的尖端

Claims (22)

1.一种雷电检测系统(1)，其适于检测风力涡轮机叶片(2)上的雷击，所述系统包括：适于沿风力涡轮机叶片(2)的纵向方向延伸的叶片雷电接地导体(3)；电连接到所述叶片雷电接地导体(3)并且沿着其长度分布的多个雷电接收器(4，5，6，7)；沿着所述叶片雷电接地导体(3)的长度分布并且每个都适于测量雷电参数的多个单独的雷电检测器(8，9)，该雷电参数指示当雷电击中所述雷电接收器(4，5，6，7)中的一个或多个时流过所述雷电接收器(4，5，6，7)与所述叶片雷电接地导体(3)之间的连接部件(28)的或所述叶片雷电接地导体(3)的相应的单独导电部分的雷电电流的量值；以及主叶片接地导体雷电检测器(10)，该主叶片接地导体雷电检测器适于测量在雷电击中所述雷电接收器(4，5，6，7)中的一个或多个时经所述叶片雷电接地导体(3)离开所述叶片(2)任何雷电电流的至少一个量值，其特征在于，每个单独的雷电检测器(8，9)包括单独的传感器元件(11)、单独的微处理器(12)、单独的存储器(13)、单独的无线通信模块(14)以及包括电池(16)和能量采集装置(17)的单独的电源(15)，所述能量采集装置适于从一个或多个能量源如运动、振动和光采集能量，其中所述系统(1)包括适于直接与所述单独的无线通信模块(14)中的一个或多个进行无线通信的中央无线通信模块(18)，并且每个单独的无线通信模块(14)适于直接与其它单独的无线通信模块(14)中的至少一个和/或所述中央无线通信模块(18)进行无线通信。
2.根据权利要求1所述的雷电检测系统，其中，每个单独的无线通信模块(14)适于直接与任何其它单独的无线通信模块(14)和所述中央无线通信模块(18)进行无线通信。
3.根据权利要求1或2所述的雷电检测系统，其中，所述系统(1)适于在相应的单独的无线通信模块(14)的单独的电源(15)的功率水平降低的情况下在所述相应的单独的无线通信模块(14)与所述中央无线通信模块(18)之间间接地提供无线通信，其中所述无线通信是经由其它单独的无线通信模块(14)中的一个提供的。
4.根据前述权利要求中任一项所述的雷电检测系统，其中，所述单独的传感器元件(11)能够测量雷电电流，例如是霍尔效应传感器。
5.根据前述权利要求中任一项所述的雷电检测系统，其中，所述主叶片接地导体雷电检测器(10)适于从相关联的风力涡轮机的外部电源(24)供电。
6.根据前述权利要求中任一项所述的雷电检测系统，其中，所述主叶片接地导体雷电检测器(10)包括主叶片传感器元件(20)、主叶片微处理器(21)、主叶片存储器(22)和主叶片无线通信模块(23)。
7.根据权利要求6所述的雷电检测系统，其中，所述主叶片无线通信模块(23)适于与每个单独的无线通信模块(14)并且可以与所述中央无线通信模块(18)进行无线通信。
8.根据权利要求5或6所述的雷电检测系统，其中，所述主叶片传感器元件(20)能够测量雷电电流，例如是罗氏线圈。
9.根据前述权利要求中任一项所述的雷电检测系统，其中，每个单独的雷电检测器(8，9)集成在适于嵌入所述风力涡轮机叶片(2)中的电绝缘的防雷插入件(25，26，27)中，并且其中所述系统的单独的导电部件(3，28)和/或一个或多个雷电接收器(4，5)集成在所述电绝缘的防雷插入件(25，26，27)中。
10.根据前述权利要求中任一项所述的雷电检测系统，其中，所述雷电接收器包括叶片尖端雷电接收器(6)和/或多个表面保护雷电接收器(5，7)。
11.根据前述权利要求中任一项所述的雷电检测系统，其中，所述雷电接收器包括至少一个侧面雷电接收器(5)，其借助于侧面接收器雷电导体分支部(28)电连接到所述叶片雷电接地导体(3)，并且其中单独的侧面雷电检测器(9)适于测量雷电参数，该雷电参数指示在雷电击中所述至少一个侧面雷电接收器(5)时流过所述侧面接收器雷电导体分支部(28)的雷电电流的量值。
12.根据前述权利要求中任一项所述的雷电检测系统，其中，所述雷电检测器包括至少一个单独的中央雷电检测器(8)，其与所述叶片雷电接地导体(3)相关联并且适于测量雷电参数，该雷电参数指示在雷电击中所述雷电接收器(4，5，6，7)中的一个或多个时流过所述叶片雷电接地导体(3)的单独的部分的雷电电流的量值，并且其中所述叶片雷电接地导体(3)的所述单独的部分在所述雷电接收器中的至少两个之间形成电连接。
13.根据前述权利要求中任一项所述的雷电检测系统，其中，所述主叶片接地导体雷电检测器(10)适于就以下参数中的一个或多个，或者可以是全部参数来测量雷电电流参数：峰值电流，极性，电荷，上升时间和比能量。
14.一种风力涡轮机，其具有多个风力涡轮机叶片(2)，其中每个风力涡轮机叶片设置有根据前述权利要求中任一项所述的雷电检测系统(1)。
15.一种用于检测风力涡轮机叶片(2)上的雷击的方法，该方法包括：引导来自多个雷电接收器(4，5，6，7)中的一个或多个的雷电电流通过沿所述风力涡轮机叶片(2)的纵向方向延伸的叶片雷电接地导体(3)，所述多个雷电接收器(4，5，6，7)电连接到所述叶片雷电接地导体(3)并且沿着其长度分布；借助于沿着所述叶片雷电接地导体(3)的长度分布的多个单独的雷电检测器(8，9)中的每一个测量雷电参数，该雷电参数指示在所述雷电击中所述多个雷电接收器(4，5，6，7)中的一个或多个时流过雷电接收器(4，5，6，7)与所述叶片雷电接地导体(3)之间的连接部件(28)的或所述叶片雷电接地导体(3)的相应的单独导电部分的雷电电流的量值；以及借助于主叶片接地导体雷电检测器(10)测量在所述雷电击中所述一个或多个雷电接收器(4，5，6，7)时经所述叶片雷电导体(3)离开所述叶片(2)的任何雷电电流的至少一个量值，其特征在于，每个单独的雷电检测器(8，9)借助于单独的传感器元件(11)测量所述雷电参数，借助于单独的微处理器(12)处理所测量的雷电参数，将数据存储在单独的存储器(13)中，并且控制单独的无线通信模块(14)，其中包括电池(16)和能量采集装置(17)的单独的电源(15)向单独的雷电检测器(8，9)供电，其中所述能量采集装置(17)从一个或多个能量源如运动、振动和光来采集能量，其中所述系统(1)所包括的中央无线通信模块(18)直接与单独的无线通信模块(14)中的一个或多个进行无线通信，并且每个单独的无线通信模块(14)直接与其它单独的无线通信模块(14)中的至少一个和/或所述中央无线通信模块(18)进行无线通信。
16.根据权利要求15所述的用于检测风力涡轮机叶片上的雷击的方法，其中，每个单独的无线通信模块(14)在必要时直接与任何其它单独的无线通信模块(14)和所述中央无线通信模块(18)进行无线通信。
17.根据权利要求15或16所述的用于检测风力涡轮机叶片上的雷击的方法，其中，在相应的单独无线通信模块(14)的单独的电源(15)的功率水平降低的情况下，所述相应的单独的无线通信模块(14)经由其它单独的无线通信模块(14)中的一个间接地与所述中央无线通信模块(18)进行无线通信。
18.根据权利要求15至17中任一项所述的用于检测风力涡轮机叶片上的雷击的方法，其中，所述主叶片接地导体雷电检测器(10)由相关联的风力涡轮机的外部电源(24)供电。
19.根据权利要求15至18中任一项所述的用于检测风力涡轮机叶片上的雷击的方法，其中，所述主叶片接地导体雷电检测器(10)借助于主叶片传感器元件(20)测量离开所述叶片(2)的任何雷电电流的所述至少一个量值，借助于主叶片微处理器(21)处理所测量的任何雷电电流的至少一个量值，将数据存储在主叶片存储器(22)中，并且控制主叶片无线通信模块(23)。
20.根据权利要求19所述的用于检测风力涡轮机叶片上的雷击的方法，其中，所述主叶片无线通信模块(23)在必要时与任何单独的无线通信模块(14)并且可以与所述中央无线通信模块(18)进行无线通信。
21.根据权利要求15至20中任一项所述的用于检测风力涡轮机叶片上的雷击的方法，其中，所述主叶片接地导体雷电检测器(10)就以下参数中一个或多个，或者可以是全部参数来测量雷电电流参数：峰值电流，极性，电荷，上升时间和比能量。
22.根据权利要求15至21中任一项所述的用于检测风力涡轮机叶片上的雷击的方法，通过计算机诸如云服务器(19)从所述中央无线通信模块(18)接收数据，比较由各个雷电检测器(8，9)和所述主叶片接地导体雷电检测器(10)执行的测量，并且基于所述比较来提供所述风力涡轮机叶片(2)上的雷击位置的指示和由雷击产生的雷电电流的量值的指示。
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