DE102005045579B4

DE102005045579B4 - Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102005045579B4
Application number: DE102005045579A
Authority: DE
Inventors: Susumu Aiba
Original assignee: Kanazawa Institute of Technology (KIT)
Current assignee: Kanazawa Institute of Technology (KIT)
Priority date: 2005-09-23
Filing date: 2005-09-23
Publication date: 2008-06-05
Anticipated expiration: 2025-09-24
Also published as: DE102005045579A1

Abstract

Windkraftanlage, wobei das Vorderende eines Blattes (1) eines einen Generator (2) antreibenden Windrades (W) mit einer aus einem hitzebeständigen Material geformten Fangstab-Befestigungsvorrichtung (9) beschichtet ist, auf welcher mehrere abnehmbare und auswechselbare Fangstäbe (10) befestigt sind, die eine durch einen Blitzschlag bewirkte Licht- und Hitzeenergie absorbieren und durch die Hitze Schmelzen können, wobei die Fangstäbe (10) von der Außenseite der Fangstab-Befestigungsvorrichtung (9) in einem radialen Muster hervorstehen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine blitzschlagfeste Schutzeinrichtung für Windkraftanlagen.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Hinsichtlich Schutzvorkehrungen gegen Umweltschädigung wird die Energieerzeugung mittels Windkraftanlagen neu bewertet und es werden Anstrengungen bezüglich der praktischen Anwendung und Verbreitung von Windkraftanlagen unternommen. Für die praktische Anwendung und Verbreitung von Windkraftanlagen ist eine wirksame blitzschlagfeste Schutzeinrichtung für den Schutz von Windkraftanlagen vor Blitzen erforderlich.
Üblicherweise wurden Blitzschlag-Schutzvorrichtungen von Windkraftanlagen in unterschiedlicher Weise ausgeführt, und auf der Basis des Umstandes, dass ein vorderer Abschnitt eines Windrades einer Windkraftanlage häufig durch Blitze getroffen wird, wurden verschiedene Blitzschutz- und blitzschlagfeste Vorrichtungen für Winderzeugungsanlagen beispielsweise in der JP2000-265938 A , JP2001-123934 A , JP2002 227757 A und JP2003-282295 A oder dergleichen vorgeschlagen.
Mit anderen Worten, in der JP2000-265938 A wird eine blitzschlagfeste Schutzeinrichtung für Windkraftanlagen offenbart, in welcher ein Metallteil (15) an einem Vorderende eines aus Aluminium bestehenden Flügels vorgesehen ist, ein Leiterring (16) an einem Fuß des Flügels vorgesehen ist, andererseits ein nicht-lineares Widerstandselement (18) an einem einen Windkraftgenerator (3) enthaltenden Rotorgehäuse (6) vorgesehen ist, das nicht-lineare Widerstandselement dem Leiterring (16) über eine Funkenstrecke (17) gegenüberliegt, und der durch das Metallteil (15) aufgenommene Blitzschlagstrom zu dem Leiterring (16), der Funkenstrecke (17) und dem nichtlinearen Widerstandselement (18) zur Entladung geleitet wird. Zusätzlich ist in der JP2001-123934 A eine Windkraftanlage offenbart, in welcher ein Blatt (12) elektrisch isoliert ist, und ein Streamer-Frühauslöser-Fangstab (13) auf einer Gondel (11) montiert ist, um den Blitzschutzeffekt zu verstärken. Ferner ist in der JP2002-227757 A eine Blitzschutzeinrichtung offenbart, welche das Verbrennen eines Blattes aufgrund eines Blitzeinschlags in einer solchen Weise verhindert, dass mehrere Elektrodenplatten (9), (10) von den Vorderenden bis zu den Füßen der aus glasfaserverstärktem Kunststoff bestehenden Blätter (6), (7) und (8) angebracht sind. Ein das Blatt treffender Blitzstrom wird von der Elektrodenplatte (10) aufgenommen. Der von der Nabe (5) aufgenommene Blitzstrom wird über die Gondel (4) und einen Turm (3) zur Erde abgeleitet, um so zu verhindern, dass der Blitz die Kantenteile der Blätter (6), (7) und (8) trifft. Zusätzlich ist in der JP2003-282295 A eine Blitzschutzeinrichtung offenbart, welche einen Blitzeinschlag in das Blatt in einer solchen Weise verhindert, dass ein ringförmiges oder nadelförmiges Metallelement (13) tiefer als das Blatt etwas von dem unteren Ende des Blattes (8) entfernt angeordnet ist und die Entladung einer auf dem Blatt aufgrund eines Blitzschlags aufgebrachten elektrischen Ladung an das nahe gelegene Metallelement (13) bei jeder Umdrehung des Blattes bewirkt.
Weiterhin ist in der DE 69520220 T2 eine Windkraftanlage mit einem Blitzableiter beschrieben, der am Vorderende eines Blattes 1 Fangstäbe 4a, 4b aufweist, die in einem radialen Muster vom Blatt 1 hervorstehen.
Jedoch ist im Lichte von Beobachtungsergebnissen an Blättern aufgestellter und tatsächlich vom Blitz getroffener Windkraftanlagen eine Blitzschlag-Schutzvorrichtung erwünscht, welche eine bessere blitzschlagfeste Wirkung als der vorstehend beschriebene herkömmliche Blitzschutz und die blitzschlagfesten Schutzvorrichtungen aufweist und welche den Wartungsbetrieb für die Erhaltung der blitzschlagfesten Wirkung für eine lange Zeitdauer bequem und einfach macht. Beispielsweise findet man, wenn man eine Blitzschlagbeschädigung eines Blattes einer Windkraftanlage betrachtet, in welcher eine geschmiedete Nabe an einem Drehmittelpunkt des aus einem elektrischen Isolationsmaterial geformten Blattes angeordnet ist, ein aus rostfreiem Stahl oder Kupfer bestehender Blitzaufnehmer (eine Metallplatte) auf dem Vorderende des Blattes montiert ist, ein Kupferdraht im Blatt den Blitzaufnehmer und die Nabe elektrisch miteinander verbindet, ein Generator mit einer Leistungsabgabe von 1500 kW angetrieben wird und eine blitzschlagfeste Einrichtung vorgesehen ist, die den durch das Blatt aufgenommenen Blitzstrom über den Kupferdraht in dem Blatt oder als einen Oberflächenstrom auf der Blattoberfläche zu der Nabe ableitet und den von der Nabe gesammelten Blitzstrom nach Erde über einen Blitzschutz-Kupferdraht ableitet, starke Blitzschlagrückstände an einer Oberfläche des Blattes. Außerdem findet man Schmelzrückstände als Hinweis, dass der auf dem Vorderende des Blattes montierte Blitzaufnehmer durch die Energie bei dem Blitzeinschlag geschmolzen ist. Demzufolge ist bei einer in einem Bereich mit hoher Blitzschlaghäufigkeit zu errichtenden Windkraftanlage ein Wartungsbetrieb für die Wiederherstellung des Blitzschutzeffektes durch Behebung der Blitzschlagbeschädigung des Blattes innerhalb einer relativ kurzen Zeitdauer erforderlich.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wurde zur Lösung der vorstehend beschriebenen herkömmlichen Probleme gemacht und deren Aufgabe ist die Bereitstellung einer blitzschlagfesten Schutzeinrichtung für eine Windkraftanlage, welche eine größere blitzschlagfeste Wirkung gegenüber einem Blitzeinschlag in ein Blatt einer Windkraftanlage aufweist und bei der die Wartung zur Wiederherstellung der blitzschlagfesten Schutzwirkung bequem und einfach durchgeführt werden kann.
Zur Lösung einer derartigen Aufgabe ist die vorliegende Erfindung in einer solchen Weise konfiguriert, dass das Vorderende eines Blattes eines einen Generator antreibenden Windrades m it einer aus einem hitzebeständigen Metall geformten Fangstab-Befestigungsvorrichtung beschichtet ist. Mehrere Fangstäbe, die die durch einen Blitzschlag bewirkte Licht- und Hitzeenergie absorbieren, sind wegen Schmelzung durch die Hitze, abnehmbar und auswechselbar auf der Fangstab-Befestigungsvorrichtung befestigt. Weiter ist vorgesehen, dass diese mehreren Fangstäbe von der Außenseite der Fangstab-Befestigungsvorrichtung in einem radialen Muster hervorstehen.
Zusätzlich ist zur Lösung der vorstehend beschriebenen Aufgabe erfindungsgemäß eine leitende Nabe an einem Drehmittelpunkt des Blattes angeordnet, wobei ein Blitzleiter innerhalb des Blattes angeordnet ist und die Fangstab-Befestigungsvorrichtung und die Nabe elektrisch über den Blitzleiter verbunden sind, mehrere Entladungskugeln abnehmbar und auswechselbar auf der Endoberfläche der Generatorseite der Nabe angeordnet sind, ein Entladungsring, der den auf der Nabe befestigten Entladungskugeln gegenüberliegt, auf einem Ende der Windradseite einer Gondel befestigt ist, eine Funkenstrecke zwischen jeweils einer Entladungskugel und dem Entladungsring so vorgesehen ist, dass sich beide gegenüberliegen, und der Entladungsring über einen Blitzleiter geerdet ist.
Wenn dann das Blatt der Windkraftanlage vom Blitz getroffen wird, wird ein Überschlag an der Grenzfläche zwischen einem an dem Vorderende des Blattes montierten Fangstab und Luft unter Erzeugung von Licht- und Hitzeenergie entladen, wobei jedoch die blitzschlagfeste Schutzeinrichtung der Windkraftanlage gemäß der vorliegenden Erfindung diesen absorbieren kann, wenn ein aus Kohlefaser bestehender Fangstab (10) die Hitzeenergie unter Schmelzung durch die Hitze aufnimmt und demzufolge die Beschädigung des Blattes aufgrund des Blitzschlages verhindern kann. Ferner wird bei jedem Blitzschlag der Fangstab geschmolzen und wird dünn und kurz, so dass die blitzschlagfeste Schutzwirkung allmählich verschlechtert wird, wobei es jedoch durch entsprechendes Ersetzen des Fangstabes möglich ist, die blitzschlagfeste Schutzwirkung für die Windkraftanlage gegen Blitzeinschlag in das Blatt für eine lange Zeitdauer aufrechtzuerhalten. Der Wartungsvorgang für die Aufrechterhaltung des blitzschlagfesten Schutzes durch Ersetzen des Fangstabes ist sehr einfach und bequem, da nur der Fangstab ersetzt wird.
Die beste Ausführungsart der Erfindung ist eine Windkraftanlage, in der das Vorderende eines Blattes eines einen Generator antreibenden Windrades mit einer aus Titan, das ein hitzebeständiges Material ist, geformten Fangstab-Befestigungsvorrichtung beschichtet ist. Mehrere aus Kohlefasern geformte Fangstäbe, die durch einen Blitzschlag bewirkte Licht- und Hitzeenergie absorbieren, sind wegen Schmelzung durch die Hitze, abnehmbar und auswechselbar auf der Fangstab-Befestigungsvorrichtung befestigt. Weiter ist vorgesehen, dass diese mehreren Fangstäbe von der Außenseite der Fangstab-Befestigungsvorrichtung in einem radialen Muster hervorstehen, eine leitende Nabe an einem Drehmittelpunkt des Blattes angeordnet ist, ein Blitzleiter innerhalb des Blattes angeordnet ist und die Fangstab-Befestigungsvorrichtung und die Nabe elektrisch über den Blitzleiter verbunden sind, mehrere Entladungskugeln abnehmbar und auswechselbar auf der Endoberfläche der Generatorseite der Nabe angeordnet sind, ein Entladungsring, der den auf der Nabe befestigten Entladungskugeln gegenüberliegt auf einem Ende der Windradseite einer Gondel befestigt ist, eine Funkenstrecke zwischen jeweils einer Entladungskugel und dem Entladungsring so vorgesehen ist, dass beide gegenüberliegen, und der Entladungsring über einen Blitzleiter geerdet ist, ferner ein ringförmiger Blitzleiter um einen Turm herum etwas unterhalb der tiefsten Position des Vorderendes des Blattes angeordnet ist, und der ringförmige Blitzleiter über eine leitende Stange geerdet ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine eine Windkraftanlage, die teilweise aufgeschnitten ist, darstellende Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;
2 ist eine vergrößerte Schnittansicht eines Abschnittes A in 1; und
3 ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnittes B in 1.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. 1 stellt eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Windkraftanlage im Schnitt dar. 2 ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnittes A in 1, und 3 ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnittes B in 1. In den Zeichnungen bezeichnet ein Bezugszeichen 1 ein Blatt eines einen Generator antreibenden Windrades W, ein Bezugszeichen 2 bezeichnet einen Generator, ein Bezugszeichen 3 bezeichnet eine Kupplung, und eine Drehachse Wa des Windrades W ist mit der Drehachse des Generators 2 über eine Kupplung 3 verbunden. Ein Bezugszeichen 21 bezeichnet einen Turm der Windkraftanlage und der Turm 21 ist auf einem im Boden 22 eingelassenen Fundament 23 aufgebaut. Auf der Spitze des Turms 21 ist eine Gondel 4 angeordnet, und die Kupplung 3 und der Generator 2 sind in der Gondel 4 untergebracht. Zusätzlich ist ein Fangstab 5 auf der Gondel 4 montiert und der Fangstab 5 ist über einem Blitzleiter 6 zusammen mit dem Generator 2, der Kupplung 3 und den im Turm 21 angeordneten Erzeugungssteuergeräten 7 und 8 geerdet. Es ist offensichtlich, dass diese Konfigurationen allgemein bekannt sind.
Das Blatt 1 ist aus einem elektrisch isolierendem Material ausgebildet, das Vorderende eines Blattes eines einen Generator antreibenden Windrades ist mit einer aus Titan, das ein hitzebeständiges Material ist, geformten Fangstab-Befestigungsvorrichtung 9 beschichtet. Mehrere aus Kohlefasern geformte Fangstäbe 10, die durch einen Blitzschlag bewirkte Licht- und Hitzeenergie absorbieren, sind wegen Schmelzung durch die Hitze, abnehmbar und auswechselbar auf der Fangstab-Befestigungsvorrichtung 9 befestigt, und diese mehreren Fangstäbe stehen von der Außenseite der Fangstab-Befestigungsvorrichtung 9 in einem radialen Muster hervor. Zusätzlich ist eine leitende Nabe 11, die geschmiedet und geformt ist, an einem Drehmittelpunkt des Blattes 1 befestigt und aus dieser Nabe 11 steht eine Drehachse Wa des Windrades W hervor. Ferner ist ein Messing-Blitzleiter 12 innerhalb des Blattes 1 angeordnet, und die Fangstab-Befestigungsvorrichtung 9, die Fangstäbe 10 und die Nabe 12 sind elektrisch durch den Blitzleiter 12 verbunden. Ferner sind an der Endfläche der Generatorseite der Nabe 11 mehrere aus Kohlefaser hergestellte Entladungskugeln 13 abnehmbar und austauschbar auf einem Ringbogen mit einem Mittelpunkt auf der Drehachse Wa des Windrades W befestigt. Andererseits ist auf der Endfläche der Windradseite der Gondel 4 ein ringförmig aus Messing ausgebildeter leitender Entladungsring 14 befestigt. Der Entladungsring 14 liegt den Entladungskugeln 13 über eine Funkenstrecke 15 gegenüber, und ist über einen Blitzleiter 16 geerdet. Weiterhin bezeichnet ein Bezugszeichen 17 einen ringförmigen Blitzleiter und der ringförmige Blitzleiter 17 ist etwas unterhalb der tiefsten Drehposition bei dem Vorderende des Blattes 1 um den Turm 21 herum angeordnet, und der ringförmige Blitzleiter 17 ist an drei Punkten über Leiterstangen 18a, 18b und 18c geerdet. Demzufolge führt dieses dazu, dass sich das Vorderende des Blattes 1 und der ringförmige Blitzleiter 17 mit einem kleinen Spalt gegenüberliegen. Ferner bezeichnet ein Bezugszeichen 19 die Leiterstangen 18a, 18b und 18c abdeckende Schutzrohre.
In der vorstehend beschriebenen Windkraftanlage wird, wenn sich eine Gewitterwolke der Windkraftanlage nähert und ein Blatt durch einen Blitz getroffen wird, der Überschlag an der Grenzfläche zwischen dem an dem Vorderende der Vorrich tung 1 angebrachten Fangstab 10 und Luft unter Erzeugung von Licht und Hitze durch den Einschlag entladen. In diesem Falle wird der Kohlefaser-Fangstab 10 durch Aufnahme der Hitzeenergie durch die Absorption der Blitzenergie geschmolzen, und dieses führt zur Verhinderung der Beschädigung des Blattes 1 aufgrund des Blitzeinschlages. Ferner wird bei jedem Blitzschlag der Fangstab geschmolzen und wird dünn und kurz, wobei es jedoch durch entsprechendes Ersetzen des Fangstabes 10 möglich ist, die Windkraftanlage gegen einen Blitzeinschlag in das Blatt zu schützen und die hohe blitzschlagfeste Schutzwirkung für die Windkraftanlage über eine lange Zweitdauer aufrechtzuerhalten, und wobei der Wartungsvorgang für die Aufrechterhaltung des blitzschlagfesten Schutzes durch Ersetzen des Fangstabes sehr einfach und bequem ist, da nur der Fangstab 10 und die Entladungskugeln 13 ersetzt werden.
Ferner wird in dem Falle, dass die Blitzenergie nicht ausreichend durch den Fangstab 10 alleine verarbeitet werden kann, der Blitzstrom zu der Nabe 11 über den Blitzleiter 12 in dem Blatt 1 oder entlang der Oberfläche des Blattes 1 geführt, der Blitzstrom an den Entladungsring 14 an der Seite der Gondel 4 von den auf der Nabe 11 montierten Entladungskugeln 13 über die Funkenstrecke 15 entladen, und der Blitzstrom zur Erde aus dem Entladungsring 14 durch den Blitzleiter 16 entladen. Auf diese Weise kann eine Vergrößerung der Beschädigung der Windkraftanlage verhindert werden. Außerdem werden, wenn die Häufigkeit der Entladungsvorgänge aus den Entladungskugeln 13 überschritten und die Entladungskugeln 13 verbraucht sind, in gleicher Weise wie im dem Falle der Fangstäbe 10, die Entladungskugeln 13 geeignet ausgewechselt. Außerdem wird ein durch einen Blitzschlag in das Blatt 1 ausgelöster Blitzstrom über den ringförmigen Blitzleiter 17, der etwas unterhalb des Blattes 1 angeordnet ist und dem Vorderende des Blattes 1 gegenüberliegt, sowie über die Leiter stangen 18a, 18b und 18c zur Erde abgeleitet, so dass die Windkraftanlage effizienter gegen einen äußeren Blitzschlag geschützt werden kann.
Die blitzschlagfeste Schutzeinrichtung der Windkraftanlage gemäß der vorliegenden Erfindung ist einfach aufgebaut und deren Anbringung und Wartung ist sehr leicht, so dass die erfindungsgemäße blitzschlagfeste Schutzeinrichtung in breitem Umfang in vielen Windkraftanlagen eingesetzt werden kann.

Claims

Windkraftanlage, wobei das Vorderende eines Blattes (1) eines einen Generator (2) antreibenden Windrades (W) mit einer aus einem hitzebeständigen Material geformten Fangstab-Befestigungsvorrichtung (9) beschichtet ist, auf welcher mehrere abnehmbare und auswechselbare Fangstäbe (10) befestigt sind, die eine durch einen Blitzschlag bewirkte Licht- und Hitzeenergie absorbieren und durch die Hitze Schmelzen können, wobei die Fangstäbe (10) von der Außenseite der Fangstab-Befestigungsvorrichtung (9) in einem radialen Muster hervorstehen.
Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das hitzebeständige Material der Fangstab-Befestigungsvorrichtung (9) Titan ist und die Fangstäbe (10) aus Kohlefasern geformt sind.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – eine leitende Nabe (11) bei einem Drehmittelpunkt des Blattes (1) befestigt ist; – ein Blitzleiter (12) innerhalb des Blattes (1) angeordnet ist; – die Fangstab-Befestigungsvorrichtung (9) und die Nabe (11) elektrisch über den Blitzleiter (12) verbunden sind; – mehrere Entladungskugeln (13) abnehmbar und auswechselbar auf der Endfläche der Generatorseite der Nabe (11) befestigt sind; – ein Entladungsring (14), der den auf der Nabe (11) befestigten Entladungskugeln (13) gegenüberliegt, an einem windradseitigen Ende einer Gondel (4) befestigt ist, – Funkenstrecken (15) zwischen dem Entladungsring (14) und den diesem gegenüberliegen Entladungskugeln (13) vorgesehen sind; und – der Entladungsring (14) über einen weiteren Blitzleiter (16) geerdet ist.
Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein ringförmiger Blitzleiter (17) um den Turm (21) der Windkraftanlage herum, etwas unterhalb dem Vorderende des Blattes (1), wenn sich dieses in seiner untersten Drehposition befindet, angeordnet ist, wobei der ringförmige Blitzleiter (17) über Leiterstangen (18a, 18b, 18c) geerdet ist.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladungskugeln (13) aus Kohlefasern geformt sind, die Licht und Hitzeenergie unter Schmelzen durch die Hitze absorbieren.