Блискавкоприймач вітролопаті

Реферат: Блискавкоприймач вітролопаті з полімерного композиційного матеріалу виконаний з мідної сітки, що з'єднана із заземленням вітроелектрогенератора. Мідна сітка є в'язаною і виконана пучком із 2-5 дротів діаметром 0,08-0,12 мм, що покриті легкоплавким припоєм, а дроти 2 утворюють спаяні петельні комірки площею 10-30 мм , причому в'язана сітка наформована на усю зовнішню поверхню вітролопаті. UA 96162 U (12) UA 96162 U UA 96162 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до вітроенергетики та може бути використана для блискавкозахисту лопатей вітроелектрогенераторів. У сучасних вітроустановках відомі системи блискавкозахисту лопатей, що виготовляють з полімерних композиційних матеріалів. Вони складаються з вбудованих в конструкцію лопаті блискавкоприймача, що приймає розряд блискавки, та блискавковідводу, що відводить заряд у землю. Як блискавкоприймач відомі випадки застосування полос з вуглецевих електропровідних волокон, запресованих у пластик [Патент ЕР 1112448В1, МПК F03D 11/00, опубл. 02.07.2003]. Оскільки електричний опір вуглецевих волокон майже на чотири порядки вищий, ніж у металів, така система блискавкозахисту ненадійна та може в разі удару блискавки привести до руйнування та розшарування матеріалу лопаті внаслідок деструкції полімеру. Тому найчастіше для відводу струму блискавки у вітролопатях застосовують металеві блискавкозахисні елементи. Відомий блискавкоприймач системи блискавкозахисту вітролопаті, що виконаний з перфорованої фольги зі сталі, латуні або бронзи, які покриті полімерним або іншим термопластичним матеріалом [Патент ЕР 1892797А1, МПК H01Q 1/42, опубл. 27.02.2008]. Такий блискавкоприймач слугує для відводу струму блискавки з поверхні лопаті на металеві конструктивні елементи, до яких підведений потенціал "землі". Недоліком цього блискавкоприймача є надто велика маса металевої фольги, що збільшує навантаження на конструкцію вітроагрегату. Крім цього перфорована стрічка блискавкоприймача, що розташована під діелектричним шаром полімерного термопластичного матеріалу не запобігає вибуховому ефекту при його імпульсному розігріві під ударом блискавки, що приводить до пошкодження лопаті. Найбільш близьким технічним рішенням є блискавкоприймач вітролопаті, що складається із стрічок мідної сітки з дрібними чарунками, які знаходяться на поверхні передньої кромки лопаті [Патент US 2004130842, МПК F03D 11/00, опубл. 08.07.2004]. Довжина такої стрічки складає 25 метрів, ширина 0,05-0,2 м. При ураженні лопаті блискавкою, якщо удар падає на стрічку, він стікає в землю завдяки допоміжним засобам (блискавковідводам) у вигляді мідного дроту діаметром 8-20 мм, що проходить через лопать майже по всій її довжині. Недоліком описаного технічного рішення, вибраного як найближчий аналог, є те, що захисні можливості такої металевої сітки обмежені, особливо, якщо блискавка вражає місце поверхні лопаті на певному віддаленні від блискавкоприймача. Це знижує його стійкість до великих струмів, а при дії розряду блискавки сітка інтенсивно вигорає. Крім цього виготовлення сітки з мідного незахищеного від корозії дроту скорочує термін її роботи, а обмежена довжина такого блискавкоприймача не дозволяє його використати у вітролопатях підвищеної та великої довжини (до 100 і більше метрів), які характерні, наприклад, для вітроелектрогенераторів офшорних зон морського розміщення. В основу корисної моделі поставлено задачу створення надійного блискавкоприймача, що має підвищену блискавкостійкість, технологічність при виготовленні і захищенність від корозії. Блискавкостійкість вітролопаті оцінюють по електричному опору блискавкоприймача, глибині кратера та площі деструкції композиційного матеріалу вітролопаті при попаданні у вітролопать розряду блискавки. Суть корисної моделі в блискавкоприймачі вітролопаті, який виконаний з мідної сітки, що з'єднана із заземленням вітроелектрогенератора, згідно з корисною моделлю, блискавкоприймач виконаний з мідної сітки, яка є в'язаною і виконана пучком із 2-5 дротів діаметром 0,08-0,12 мм, що покриті легкоплавким припоєм, а дроти утворюють спаяні петельні 2 комірки площею 10-30 мм , причому в'язана сітка наформована на усю зовнішню поверхню вітролопаті. Суть корисної моделі полягає також в тому, що товщина покриття окремого дроту, виконаного із сплаву на основі олова, становить від 0,002 до 0,005 мм. Мідна сітка виконана переплетенням ластик 1+1 на плосков'язальних машинах. Аналіз технічного рішення, яке заявляється, порівняно з найближчим аналогом, дозволяє зробити висновок, що блискавкоприймач вітролопаті, який заявляється, відрізняється тим, що мідна сітка є в'язаною і виконана пучком із 2-5 дротів, що покриті легкоплавким припоєм, 2 діаметром 0,08-0,12 мм, а дроти утворюють спаяні петельні комірки площею 10-30 мм , причому в'язана сітка наформована на усю зовнішню поверхню вітролопаті, товщина покриття окремого дроту становить від 0,002 до 0,005 мм, мідна сітка виконана переплетенням ластик 1+1 на плосков'язальних машинах, а матеріал легкоплавкого припою являє собою сплав на основі олова. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями. 1 UA 96162 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 На фіг. 1 зображено структуру блискавкоприймача. На фіг. 2 зображено фрагмент поперечного перерізу комірки сітки блискавкоприймача. Структура блискавкоприймача, який виготовлений з в'язано-паяної сітки переплетенням ластик 1+1 (фіг. 1), являє собою дволицьовий трикотаж, в якому кожна виворітна петля 1 розміщена між двох лицевих петель 2. Особливістю вибраної структури є те, що вона надає сітці підвищену еластичність і має високі дисипативні властивості за рахунок рухливості петель при їх розпайці внаслідок теплової дії блискавки на матеріал вітролопаті. При розряді блискавки механізми розпайки, випрямлення дротів в петлях та витягування розірваних дротів із зв'язуючого зменшують механічне навантаження на матеріал і запобігають надмірному пошкодженню поверхні вітролопаті. Сітка складається з петель, які утворені з пучка, до якого входять металеві дроти 3 (фіг.2) діаметром 0,08-0,12 мм у кількості від двох до п'яти, кожний з яких вкритий олов'яно-свинцевим припоєм, наприклад, припоєм ПОС-61 товщиною від 0,002 до 0,005 мм. Таке покриття дротів захищає сітку від корозії в різних кліматичних умовах. Крім цього при ураженні лопаті блискавкою припій, оплавляючись та випаровуючись, знижує температурне поле нагріву матеріалу, що зменшує деструкцію полімеру в зоні ураження. Покриття товщиною менше, ніж 0,002 мм, не технологічне через можливість корозійного пошкодження та нестабільність його товщини (можливі непокриті поверхні дроту). Покриття, що більше 0,005 мм призводить до втрати гнучкості мідного дроту, що шкодить технологічності виготовлення сітки. Дроти сітки 2 утворюють спаяні петельні комірки площею 10-30 мм , причому в'язана сітка наформована на усю зовнішню поверхню вітролопаті. Зменшення площі комірки, яке супроводжується підвищенням кількості припою, що має більший електричний опір, ніж мідь, а також надмірне підвищення площі комірки, що супроводжуються зниженням електропровідної фази мідних дротів та призводить до більшого руйнування композиту - поглиблення кратеру руйнування та розширення площі деструкції полімеру. Оскільки петлі сітки додатково спаяні між собою олов'яно-свинцевим припоєм і утворюють нероз'ємні з'єднання 4 в місцях контакту дротів сусідніх петель в суміжних рядах, це здійснює ефективний відвід частини струму від точок контакту з каналом блискавки завдяки зменшенню опору сітки та збільшує частину теплової енергії, яка також витрачається на розплавлення та випаровування припою. Відвід струму з блискавкоприймача на заземлення вітроагрегату здійснюються блискавковідводом, який проходить через лопать і електрично поєднаний з блискавкоприймачем. Запропонований блискавкоприймач системи блискавкозахисту лопаті вітрогенераторів дозволяє забезпечити надійну експлуатацію вітроагрегату в умовах механічних, теплових та електромеханічних навантажень при неодноразовій дії електричного розряду аж до вичерпання ресурсу роботи самої лопаті. Ефективність запропонованого блискавкоприймача вітролопаті для системи блискавкозахисту вітроелектрогенератора перевірялася при проведенні порівняльних розрядних випробувань з прототипом на стандартних панелях, що були виготовлені з матеріалів, які входять до складу лопатей вітроагрегату ВЕУ Т600-48, а саме: з вуглецевої та скляної тканини, склосітки, епоксидної смоли та поліефірного гелькоуту. На поверхні випробувальних панелей були наформовані блискавкоприймачі з мідної тканої (найближчий аналог) та в'язано-паяних сіток, що були виготовлені з пучка покритих олов'яно-свинцевим припоєм мідних дротів діаметром 0,08 та 0,12 мм в кількості по 2, 3, 5 та 6 штук кожного діаметру. Блискавкоприймачі з в'язано-паяних сіток, що заявляються, входять до системи блискавкозахисту вітролопатей. Випробування проводилося на сертифікованому стенді в НДКТІ "Молнія", м. Харків за режимом, який відтворював найбільш напружене імпульсне навантаження на точку контакту поверхні лопаті з каналом блискавки та був наближений до 1-го рівня захисту за ДСТУ ІЕС 61400-24-2010. Згідно із умовами стандарту, розряд складався з трьох компонент: імпульсної компоненти А - струму першого зворотного розряду з амплітудою 200±10 % кА та 6± 2 інтегралом дії 2·10 20 % А с; проміжної компоненти В, середній струм якої складав 2±20 % кА, що переносив заряд 10±10 % Кл, та постійної компоненти С - із струмом 200-400 А і зарядом 820 Кл. Компонента D (імпульс струму повторного розряду) для цих випробувань була відсутня. Результати випробувань панелей на блискавкостійкість приведені в таблиці. Результати випробувань свідчать, що блискавкоприймачі з в'язано-паяних сіток, що входять до системи блискавкозахисту вітролопаті, спроможні надійно захистити матеріал композиційних скло- та вуглепластикових лопатей вітрогенераторів від пробою та руйнування. З даних, які розміщені в таблиці, видно що глибина кратера і площа руйнування поверхні панелей є найменшою при зростанні електропровідності сітчастого каркаса, тобто при зростанні діаметрів та кількості дротів з міді у пучку, коли електропровідність сітки є найбільшою. Проте, з 2 UA 96162 U 5 10 15 огляду на необхідність економії маси блискавкоприймача та зниження витрат рекомендовані значення, що надані у формулі корисної моделі (діаметр 0,08-0,12 мм, кількість 1-5 дротів, товщина покриття дротів припоєм 0,002-0,005 мм) є оптимальними. Рекомендації розміру площі 2 петельної комірки сітки (10-30 мм ) пов'язані з оптимальною електропровідністю поверхні лопаті, структурою трикотажного переплетення "ластик 1+1" та технологічними можливостями плосков'язальних машин. Слід відзначити, що запропонований блискавкоприймач в системі блискавкозахисту може бути таких розмірів за довжиною та шириною в'язаного полотна, що його можна розміщати на всій поверхні вітролопаті. Щодо технології наформовування блискавкоприймача на поверхню лопаті, то сітка завдяки еластичності, каркасній будові і необхідній довжині є повністю адаптованою до існуючого технологічного процесу отримання вітролопатей, та дозволяє покривати криволінійні поверхні лопаті і навіть поверхні подвійної кривизни. Запропоноване технічне рішення дозволяє здійснити повний захист вітролопаті при дії блискавки з будь-якого напряму на всій її поверхні, на якій наформована в'язано-паяна сітка, навіть для такої складної великогабаритної деталі, якою є вітролопать будь-якої довжини. Слід відзначити, що покриття пучку мідних дротів олов'яно-свинцевим припоєм створює умови для надійного корозійного захисту блискавкоприймача вітроагрегатів, навіть тих, що працюють в офшорних (берегових) зонах морів, де дія сольового туману при випаровуванні морської води особливо шкідлива. 20 Таблиця Результати випробувань панелей на блискавкостійкість Властивості блискавкоприймача Характеристика панелей ПлоЕлектричний опір, Маса, г Товщина, мм ща деКільТо№ мОм струкції кість Пло-ща вщина паВтрапоБудова та склад дротів комірок. покриття після до Після до нелі до вита глибина 2 верхні, в мм дроту, випро- випро- випровипропробування маси, кратера см2 пучку мм бування бування бування бування г/% 1 Сітка в'язано- 1 7 0,002 3,65 4,05 531 509 22/4,16 3,0 2,43 320 2 паяна з мідних. 2 10 0,002 1,87 2,08 543 524 19/3,50 3,05 1,85 235 3 вкритих припоєм 3 20 0,003 1,26 1,35 558 545 13/2,33 3,12 1,39 180 дротів 5 4 ПОС-61 30 0,005 0,83 0,92 591 581 10/1,69 3,35 1,02 125 діаметром 0,08 5 мм 6 35 0,007 0,89 0,96 607 596 11/1,81 3,63 1,15 140 6 Сітка в'язано- 1 7 0,002 2,86 3,21 570 556 14/2,45 3,22 1,41 185 7 паяна з мідних, 2 10 0,002 1,48 1,64 576 564 12/2,08 3,25 1,15 135 8 вкритих припоєм 3 20 0,003 1,06 1,18 585 576 9/1,64 3,32 0,98 120 дротів 5 9 ПОС-61 30 0,005 0,63 0,76 632 628 4/0,63 3,67 0,59 70 діаметром 0,12 10 мм 6 35 0,007 0,67 0,81 656 651 5/0,76 3,76 0,72 80 11* Мідна ткана сітка 1 0,87 5,4 615 605 10/1,62 3,58 1,89 215 шириною 0,05 м, розташована на розшарування, панелі (згідно з 12** 1 0,87 7,5 615 574 41/6,66 3,52 наскрізний 420 прототипом пробій патент США 2004130842) * - розряд імітованої блискавки спрямований в металеву стрічку блискавкоприймача; ** - розряд імітованої блискавки спрямований в панель на відстані 100 мм від металевої стрічки блискавкоприймача. 3 UA 96162 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 1. Блискавкоприймач вітролопаті з полімерного композиційного матеріалу, який виконаний з мідної сітки, що з'єднана із заземленням вітроелектрогенератора, який відрізняється тим, що мідна сітка є в'язаною і виконана пучком із 2-5 дротів діаметром 0,08-0,12 мм, що покриті 2 легкоплавким припоєм, а дроти утворюють спаяні петельні комірки площею 10-30 мм , причому в'язана сітка наформована на усю зовнішню поверхню вітролопаті. 2. Блискавкоприймач вітролопаті за п. 1, який відрізняється тим, що товщина покриття окремого дроту, виконаного на основі сплаву олова, становить від 0,002 до 0,005 мм. 3. Блискавкоприймач вітролопаті за п. 1, який відрізняється тим, що сітка виконана переплетенням ластик 1+1 на плосков'язальних машинах. Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4