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FACHGEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf den Schutz von
Windkraftanlagen, wie sie beispielsweise in der Elektrizitätserzeugung
eingesetzt werden. Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere
auf den Blitzschutz von Windkraftanlagen.
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HINTERGRUND
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In
jüngerer Zeit hat die Verwendung erneuerbarer Energiequellen
zur Elektrizitätserzeugung enorm zugenommen, da Umweltprobleme
im Bewusstsein der Öffentlichkeit eine bedeutende Rolle spielen.
Eine derartige Energiequelle, die große Zustimmung gefunden
hat, ist die Windkraftanlage.
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Für
einen effizienten Betrieb und um dem Wind ein Maximum an nutzbarer
Energie zu entziehen, befinden sich Windkraftanlagen notwendigerweise
wenn immer möglich in relativ windigen Regionen. Derartige
Regionen liegen in der Tendenz jedoch in den unwirtlicheren und
entlegeneren Teilen der Welt und leiden des Weiteren öfter
unter einem relativ hohen Vorkommen von Gewittern. Das macht es
wünschenswert, derartige Windkraftanlagen mit einem Blitzschutz
auszustatten, um die Ausfallzeiten sowie die Anzahl der erforderlichen
Reparaturen zu minimieren und so die Verlässlichkeit der
durch solche Windkraftanlagen erlangten Elektrizitätsversorgung
zu verbessern.
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Im
Hinblick auf diese Wünsche wurden viele Systeme zum Schutz
von Windkraftanlagen und verschiedenen Windkraftanlagenteilen vor
der Beschädigung durch Blitzeinschlag entwickelt. Zum Beispiel existieren
Systeme zum Schutz von Rotornaben und -lagern [1, 2, 3, 4],
Systeme zum Schutz von Rotorflügeln [5, 6, 7, 8, 9, 10]
und sogar Systeme zum Schutz der gesamten Windkraftanlage [11, 12, 13, 14].
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Wenn
der Blitz in ein Objekt einschlägt, folgt der Anlagerungsprozess
der Blitzentladung den physikalischen Gesetzen der Entladung. Zum
Beispiel kann ein Blitzeinschlag in eine Windkraftanlage auf eine
von zwei Weisen stattfinden: nämlich als Aufwärtsblitz,
wobei eine Blitzentladung von der Windkraftanlage ausgeht und sich
nach oben auf die Wolken zu bewegt, oder als Abwärtsblitz,
wobei eine Blitzentladung von einer aufgeladenen Gewitterwolke ausgeht
und zu der Windkraftanlage hin absteigt. Dem interessierten Leser
bietet der „International Electrotechnical Commission 2002
Technical Report" [15] mehr Details zu diesen Mechanismen, wie auch eine
umfassende Einführung in das Hintergrundwissen hinsichtlich
einiger der Prinzipien und Probleme, die mit dem Schutz von Windenergiegeneratoren
vor Blitzeinschlägen verbunden sind.
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Da
Windkraftanlagen wegen der dann vorliegenden guten Windbedingungen
für den Betrieb bei Gewitter konstruiert sind, werden normalerweise hohe
Drehzahlen des Windrotors genutzt. Jedoch kann eine derartige hohe
Drehzahl in Verbindung mit der Unberechenbarkeit der Richtung der
Blitzentladung einen Blitzeinschlag bewirken, bei dem die Blitzentladung
in einen Rotorflügel nicht an einer statischen Position
verbleibt, sondern sich an die Oberfläche des Rotors anlagert
und über diese wandert. Dies kann zu so ge nannten überstreichenden
Entladungen („swept strokes") führen, die multiple
Löcher (oder Durchstiche) der Rotoroberfläche
zur Folge haben. Selbst dort, wo keine derartigen Löcher
auftreten, wird außerdem die endgültige Entladung
des Blitzes wahrscheinlich an der Abströmkante des betroffenen
Flügels eintreten, was einer der Gründe dafür
ist, warum an dieser Kante oft die größte Beschädigung
des Rotorflügels auftritt.
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Während
daher konventionelle Blitzschutzsysteme für gewöhnlich
besser als überhaupt kein Schutz sind, ist es nicht ungewöhnlich,
wenn die Flügel von Windkraftanlagen mit derartigen konventionellen
Blitzschutzsystemen nach einem Blitzeinschlag eine Delamination
an ihren Abströmkanten und/oder durch „swept strokes"
verursachte Schäden aufweisen.
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Demzufolge
existiert nach wie vor ein Bedarf an verbesserten Systemen und Verfahren
für den Schutz von Rotorflügeln vor Blitzeinschlag.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Der
Anmelder hat erkannt, dass im Allgemeinen die Konstruktion konventioneller
Systeme zum Schutz von Windkraftanlagen vor Blitzeinschlag der Tatsache
nicht Rechnung trägt, dass eine Windkraftanlage ein rotierendes
System ist, sondern dass diese Systeme üblicherweise im
Hinblick auf die stationären elektrostatischen Eigenschaften
der Windkraftanlage konstruiert sind. Zum Beispiel kann sich das elektrostatische
Feldpotenzial mit der Zeit ändern, da das elektrostatische
Feldpotenzial EA, wenn ein Flügel
sich in einer ersten Position „A” befindet, nicht notwendiger weise
dasselbe wie das elektrostatische Feldpotenzial EB ist,
wenn sich der Flügel in einer zweiten Position „B"
befindet. Daher ist der Anmelder in Übereinstimmung mit
verschiedenen Gesichtspunkten der vorliegenden Erfindung auf die
Unzulänglichkeiten derartiger konventioneller Systeme eingegangen,
indem den dynamischen elektrischen Eigenschaften eines Windkraftanlagensystems
bei der Betrachtung der Wechselwirkung von Blitzeinschlägen
und beweglichen Rotorflügeln Rechnung getragen wird.
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Daher
wird hier gemäß einem ersten Gesichtspunkt der
vorliegenden Erfindung ein Blitzschutzsystem für Rotorflügel
zur Verfügung gestellt. Das Blitzschutzsystem umfasst einen
leitenden Blitzrezeptor, der derart auf der Oberfläche
eines Rotorflügels montiert wird, dass ein Teil des Blitzrezeptors über
eine Abströmkante dem Rotorflügel hinausragt, wenn
der Blitzrezeptor auf der Oberfläche des Rotorflügels
angebracht ist.
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Durch
die Bereitstellung eines Blitzrezeptors, der über eine
Abströmkante des Rotorflügels hinausragt, wird
die Abströmkante des Rotorflügels während
der Bewegung des Rotorflügels geschützt. Außerdem
können verschiedene Ausführungsformen eines derartigen
Blitzrezeptors zur Entladung einer elektrostatischen Ladung des
Rotorflügels genutzt werden. Sie können auch zur
Steuerung der Form des dynamischen elektrostatischen Feldpotenzials um
den Flügel verwendet werden und ermöglichen so
die Schaffung eines kontrollierten Entladungswegs für die
Ableitung von Blitzeinschlägen von eines sich bewegenden
Flügels. Solche Blitzrezeptoren können beispielsweise
in die Struktur der Außenhaut eines Flügels eingebettet
oder auf dessen Oberfläche montiert sein, wobei die Letzteren
leichter nachträglich an existierenden Rotorflügeln
anzubringen sind.
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Gemäß einem
zweiten Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Blitzschutzsystem für
Rotorflügel geschaffen. Das Blitzschutzsystem umfasst einen
leitenden Blitzrezeptor zur Montage auf der Oberfläche eines
Rotorflügels. Der Blitzrezeptor hat eine im Wesentlichen
längliche Form und ist dafür eingerichtet, so
angebracht zu werden, dass die größte Ausdehnung
des Blitzrezeptors im Wesentlichen parallel zu der vorgesehenen
Bewegungsrichtung des Rotorflügels verläuft. Durch
die Schaffung eines Blitzrezeptors mit einer im Wesentlichen länglichen
Form, der dafür eingerichtet ist, so angebracht zu werden,
dass die größte Ausdehnung des Blitzrezeptors
im Wesentlichen parallel zu der vorgesehenen Bewegungsrichtung des
Rotorflügels verläuft, erfolgt ein Schutz vor über
die Oberfläche des Rotorflügels wandernden „swept
strokes".
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Zum
Beispiel können relativ dünne metallische, draht-
oder haarartige Strukturen als Blitzrezeptoren verwendet werden,
und diese können auf einem Flügel in einer Position
platziert werden, dass sie im Wesentlichen tangential zu dem gewölbten Weg
verlaufen, den der Flügel während der Drehung beschreibt,
oder entlang zumindest einem Teil eines solchen gewölbten
Weges. Die Verwendung relativ dünner oder schmaler, länglicher
Strukturen für derartige Blitzrezeptoren bietet ferner
den Vorteil, dass keine signifikante Zunahme des Oberflächenwiderstands
des Rotorflügels zu verzeichnen ist. Derartige Rezeptoren
verbessern auch die Stabilität des elektrostatischen Feldpotenzials
weiter, während es sich mit der Zeit entwickelt, so dass
die Wahrscheinlichkeit geringer ist, dass ein Blitzeinschlag zu
ei nem unkontrollierten „swept stroke" führt, wenn
der Rotorflügel in Bewegung ist.
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Gemäß einem
dritten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Rotorflügel
für eine Windkraftanlage zur Verfügung gestellt.
Der Rotorflügel umfasst eine geformte Flügelstruktur,
die mit einem oder mehreren „Blitzbussen" aus leitendem
Material und einem Blitzschutzsystem gemäß dem
ersten oder zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung versehen
ist, das auf der Oberfläche des Rotorflügels montiert
und mit einem oder mehreren „Blitzbussen" elektrisch verbunden
ist. Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
können eine Vielzahl derartiger „Blitzbusse" nutzen,
die in einem Rotorflügel vorgesehen sind. Dadurch wird eine
Redundanz der elektrischen Verdrahtung geboten, die die Verlässlichkeit
weiter verbessert, das Wartungsintervall verlängert und
die Gesamtlebensdauer derartiger Rotorflügel verbessert.
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Gemäß einem
vierten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird eine Windkraftanlage
zur Erzeugung von Elektrizität geschaffen. Die Windkraftanlage
umfasst eine tragende Turmstruktur mit einem Blitzrezeptor für
die elektrische Verbindung mit einem Erdpotenzial an seinem ersten
Ende, ein von der Turmstruktur getragenes Maschinenhaus, einen in
dem Maschinenhaus untergebrachten elektrischen Generator, eine mit
dem elektrischen Generator mechanisch verbundene drehbare Nabe und
zumindest einen Rotorflügel gemäß dem
dritten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung, die mit der Nabe
mechanisch verbunden ist. Der oder die „Blitzbusse" des
zumindest einen Rotorflügels sind durch die drehbare Nabe
elektrisch mit einem zweiten Ende des Blitz ableiters verbunden,
so dass das Blitzschutzsystem elektrisch mit dem ersten Ende des
Blitzableiters verbunden ist.
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Zum
Beispiel kann das erste Ende des Blitzableiters über eine
in die Erde eingelassene Erdungsplatte mit einem Erdpotenzial verbunden
sein, und das zweite Ende kann in der Nabe an einem Schleifringverbinder
enden, der auf bekannte Weise mit dem „Blitzbus" eines
Rotorflügels verbunden ist. In verschiedenen Ausführungsformen
kann der Blitzableiter als ein interner oder externer Blitzableiter vorgesehen
sein, der an der Turmstruktur angebracht oder in dieser vorgesehen
ist.
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Gemäß einem
fünften Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein
Verfahren für die Erzeugung von Elektrizität zur
Verfügung gestellt. Das Verfahren umfasst den Betrieb einer
Windkraftanlage gemäß dem vierten Gesichtspunkt
der vorliegenden Erfindung und die Einspeisung der erzeugten Elektrizität
in ein Elektrizitätsnetz zum anschließenden Verbrauch
durch einen Verbraucher. Ein Vorteil eines derartigen Verfahrens
ist es, dass die Verlässlichkeit der Versorgung verbessert
wird, besonders bei stürmischem Wetter und bei Wetterbedingungen
mit Gewitterwolken.
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Gemäß einem
sechsten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren
zum Schutz einer Windkraftanlage vor Blitzeinschlägen zur
Verfügung gestellt. Das Verfahren umfasst die nachträgliche
Ausrüstung einer existierenden Windkraftanlage mit einem
Blitzschutzsystem gemäß dem ersten oder zweiten
Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung durch die elektrische Verbindung
zumindest eines Blitzrezeptors mit einem „Blitzbus" eines Rotorflügels
der existierenden Windkraftanlage und die Montage des oder je des
Blitzrezeptors auf einer jeweiligen Oberfläche eines jeweiligen
Rotorflügels der existierenden Windkraftanlage. Da verschiedene existierende
Rotorflügel oft mit „Blitzbussen" ausgestattet
sind, z. B. mit punktförmigen externen Blitzableitern,
kann ein solches Verfahren einen verbesserten Blitzschutz für
verschiedene konventionelle Windkraftanlagen zu bescheidenen Kosten
und mit einem relativ geringen Installationsaufwand bieten. Der
oder die benötigten Blitzrezeptoren können zu diesem
Zweck in Form eines Bausatzes bereitgestellt werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
eine Windkraftanlage gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 zeigt
eine konventionelle Windkraftanlagen-Rotorschaufel;
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3 zeigt
einen Querschnitt in einer Ebene A-A' durch die Rotorflügel
aus 2;
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4 zeigt
einen Rotorflügel gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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5 zeigt
einen Querschnitt in einer Ebene B-B' durch den Rotorflügel
aus 4;
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6 zeigt
einen Querschnitt durch eine alternative Ausführungsform
eines Rotorflügels gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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7 zeigt
einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform eines
Rotorflügels gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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8 zeigt
einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines
Rotorflügels gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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9 zeigt
einen Blitzrezeptor gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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10 zeigt
einen Blitzrezeptor gemäß einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung und
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11 zeigt
einen Blitzrezeptor gemäß einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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1 zeigt
eine Ausführungsform einer Windkraftanlage 100 gemäß der
vorliegenden Erfindung. Die Windkraftanlage 100 umfasst
ein Maschinenhaus 102, einen Turm 104 und einen
Rotor 106 mit zumindest einem Rotorflügel 108 und
einer drehbaren Nabe 110. Das Maschinenhaus 102 ist
auf dem Turm 104 angebracht und beherbergt auch einen elektrischen
Generator 112. Rotorflügel 108 sind an
der Nabe 110 angebracht und drehen die Nabe 110,
wenn der Wind stark genug ist, um die Flügel 108 zu
bewegen. Die Nabe 110 ist mit dem Generator 112 durch
einen Verbindungsmechanismus 114 mechanisch verbunden,
der auch einen Getriebemechanismus (nicht gezeigt) umfassen kann,
so dass die Rotation der Nabe 110 den Betrieb des elektrischen Generators 112 zur
Erzeugung von Elektrizität bewirkt.
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Die
Turmstruktur 104 umfasst einen Blitzableiter oder „Abwärts-Blitzableiter"
(der Klarheit halber nicht gezeigt) zur elektrischen Verbindung
mit einem Erdpotenzial an dem ersten Ende des Blitzableiters. Das
erste Ende des Blitzableiters ist mit einem Erdpotenzial über
eine Erdungsplatte 116 verbunden, die in die Erde 118 eingelassen
ist, und das zweite Ende endet in der Nabe 110 an einem
Schleifringverbinder (der Klarheit halber nicht gezeigt). Der Schleifringverbinder
verbindet auf bekannte Weise das zweite Ende des Blitzableiters
elektrisch mit entsprechenden „Blitzbussen" 215 (in 5 gezeigt)
des Rotorflügels 108.
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Der
Reihe nach wird jeder „Blitzbus" 215 eines Rotorflügels 108 mit
einem entsprechenden Blitzschutzsystem 200 (in 5 gezeigt)
gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung elektrisch verbunden. Zu Veranschaulichungszwecken werden
verschiedene Ausführungsformen derartiger Blitzschutzsysteme
unten detaillierter beschrieben.
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Die 2 und 3 zeigen
einen konventionellen Windkraftanlagen-Rotorflügel 8,
um das Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erleichtern. 3 zeigt
einen Querschnitt in einer Ebene A-A' durch der Rotorflügel 8 aus 2;
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Der
Rotorflügel 8 ist aus einer glasverstärkten
Kunststoff-Struktur (glasverstärkter Kunststoff = GFK)
in Flügelform mit einem hohlen Mittelteil 16 ausgebildet.
Der Rotorflügel weist auch eine Anströmkante 9 und
eine Abströmkante 10 auf, die aus relativ dünnen
Teilen aus GFK-Material ausgebildet sind.
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Eingelassen
in eine Saug-/Niederdruck-Oberfläche 12 der flügelförmigen
Struktur sind zumindest drei Blitzrezeptoren 11. Diese
Blitzrezeptoren 11 sind aus plattenartigem, leitenden Material ausgebildet,
das entlang der Oberfläche 12 des Rotorflügels 8 radial
beabstandet ist. Jeder Blitzrezeptor 11 ist über
einen entsprechenden Verbinder 14 elektrisch mit einem
inneren Draht (z. B. aus Stahl, Aluminium, Kupfer usw. bestehend)
verbunden, der einen „Blitzbus" 15 bildet, der
in dem hohlen Mittelteil 16 des Rotorflügels 8 angeordnet
ist. Der „Blitzbus" 15 wird durch eine Innenstrebe 13 gehalten,
die dazu dient, die Form 8 zu verstärken und aufrechtzuhalten, und
kann mit einem konventionellen Blitzableiter innerhalb einer Windkraftanlagenstruktur
nahe dem Fußende des Rotorflügels 8 verbunden
werden.
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4 zeigt
einen Windkraftanlagenflügel 108 gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Struktur
des Rotorflügels 108 gleicht einem konventionellen
Rotorflügel 8 insofern, als der Rotorflügel 108 aus
einer schaufelförmigen GFK-Struktur mit einem hohlen Mittelteil 216 gebildet ist.
Der Rotorflügel weist auch eine Anströmkante 209 und
eine Abströmkante 210 auf, die aus relativ dünnen
Teilen aus GFK-Material ausgebildet sind (z. B. als einzelne GFK-Platte
im Gegensatz zu einer doppellagigen GFK-Konstruktion, wie sie für
den Rest der Struktur vorgesehen ist). Es wird GFK-Material verwendet,
da dieses relativ leicht ist und ein gutes Stärke/Gewicht-Verhältnis
aufweist.
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Ein
Hauptunterschied zwischen dem konventionellen Flügel 8 und
dem Flügel 108 gemäß dieser
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das vorgesehene
Blitzschutzsystem 200. Das Blitzschutzsystem 200 dieser
Ausführungsform umfasst bevorzugt zumindest drei Blitzrezeptoren 201, 202, 203,
die in einer Saugfläche 212 des Rotorflügels 108 eingelassen
sind. Diese Blitzrezeptoren 201, 202, 203 sind
aus länglichem, nadelförmigem leitenden Material
ausgebildet, das entlang der Oberfläche 212 des
Rotorflügels 108 radial beabstandet ist.
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Bei
verschiedenen Ausführungsformen, können die Blitzrezeptoren 201, 202, 203 während
des Beschichtungsprozesses fixiert werden, zum Beispiel durch die
Einbeziehung in eine GFK-Schale/Oberfläche. Die Blitzrezeptoren
können im Allgemeinen größtenteils eine
Form mit kreisförmigem Querschnitt aufweisen, wobei Materialien
von Kupfer über Aluminium bis Stahl (z. B. ein beliebiges
Metall mit guter elektrischer und thermischer Leitfähigkeit)
zum Einsatz kommen und die Abmessungen variieren können,
obwohl sie im Allgemeinen groß genug sein sollten, die
gesamte maximal vorgesehene Stromstärke aufzunehmen und
die damit verbundene maximale thermische Wärme abzuleiten,
die wahrscheinlich erzeugt wird.
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In
verschiedenen Ausführungsformen wird ein GFK-Schichtwerkstoff
verwendet. Zum Beispiel können gekreuzte Lagen aus GFK-Material
verwendet werden, wie auch GFK-Schichten mit einer mittleren PVC-Schicht.
Der Anmelder stellt sich auch die Verwendung von kohlefaserverstärktem
Kunststoff (KFK) für die Schaufelblätter vor,
da die Verwendung von GFK, das isolierend wirkt, zu einem erhöhten
Risiko der Durchlöcherung oder Schichtablösung
führen kann, mit dem begleitenden Risiko, dass das GFK-Material
zu brennen anfangen kann, da es Wärme nicht leicht ableiten
kann.
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Die
drei Blitzrezeptoren 201, 202, 203 werden
nur beispielshalber gezeigt und es wird festgestellt, dass verschiedene
alternative Ausführungsformen der Erfindung mit einem oder
mehreren derartigen Blitzrezeptoren betrieben werden können,
die sich an einer Saug- und/oder Druckfläche eines Rotorflügels
befinden. Die Bereitstellung einer Vielzahl von Blitzrezeptoren
wird jedoch in bestimmten Ausführungsformen bevorzugt,
da sie für einen verbesserten Schutz über die
Länge des Rotorflügels 108 sorgt.
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5 zeigt
einen Querschnitt in einer Ebene B-B' durch den Rotorflügel 108 aus 4.
Jeder Blitzrezeptor 201, 202, 203 ist
durch einen entsprechenden Verbinder 214 mit einem Blitzbus 215 elektrisch
verbunden, der in dem hohlen Mittelteil 216 des Rotorflügels 108 angeordnet
ist. Der Blitzbus 215 ist wird durch eine innere Strebe 213 gehalten,
die dazu dient, die Form des Rotorflügels 108 zu
verstärken und aufrechtzuhalten, und kann mit einem Blitzableiter
innerhalb einer Windkraftanlagenstruktur 100 nahe dem Fußende
des Rotorflügels 108 verbunden sein. Die Strebe 213 kann
aus GFK- oder KFK-Material ausgebildet sein, entweder einstückig
mit der Flügelstruktur des Rotorflügels 108 oder
als eine darin befestigte separate Komponente.
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Die
Blitzrezeptoren 201, 202, 203 sind aus länglichem,
leitenden, metallischen Material in schmaler Form (wie beispielsweise
korrosionsbeständigem Kupfer, Stahl oder Aluminium) ausgebildet und
mit konisch zulaufenden Enden 203 versehen, die über
die Abströmkante 210 des Rotorflügels 108 hinausragen.
Der Blitzrezeptor 201 kann zum Beispiel einen Teil 204 umfassen,
dessen Länge in der B-B'-Ebene circa 5% bis circa 20%,
30%, 40%, 50% etc. der Gesamtlänge des Blitzrezeptors 201 beträgt, und
der über die Ab strömkante 210 des Rotorflügels 108 hinausragt,
wobei die Gesamtlänge der Blitzrezeptoren 201, 202, 203 von
ihrer relativen Position entlang dem Radius des Rotorflügels 108 in Fuß-Spitze-Richtung
abhängt. Ein solcher hervorstehender Teil 204 kann
zumindest eine Länge von mehreren Zentimetern aufweisen,
sodass er als endgültiger Entladungspunkt für
einen Blitzeinschlag dienen kann.
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Aufgrund
ihrer Form und ihrer Position auf der Außenfläche
des Rotorflügels 108 sind die Blitzrezeptoren 201, 202, 203 besonders
dafür geeignet, einen Blitzeinschlag anzuziehen, selbst
wenn der Rotorflügel 108 rotiert. Da die Blitzrezeptoren 201, 202, 203 außerdem
die Abströmkante 210 des Rotorflügels 108 überragen,
neigen sie dazu, den Blitz weiter anzuziehen, während seine
Entladung sich der Abströmkante 210 des Rotorflügels 108 nähert.
Das trägt dazu bei, sicherzustellen, dass der Blitz an
einen jeweiligen rotierenden Blitzrezeptor 201, 202, 203 an
der Abströmkante 210 des Rotorflügels 108 angelagert
bleibt, bis er sich vollständig entladen hat, was zur Verringerung
des Risikos beiträgt, dass der Blitzeinschlag eine Beschädigung
des Rotorflügels 108 an der Abströmkante 210 bewirkt.
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6 zeigt
einen Querschnitt durch eine alternative Ausführungsform
eines Rotorflügels 308 gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform
ist die Strebe 313 als eine separate gegossene GFK- oder/und KFK-Komponente
ausgebildet und nicht als integrierter Teil der Struktur des Rotorflügels 308.
Die Strebe 313 ist an der Struktur des Rotorflügels 308 und
dem Blitzrezeptor 205 durch Bonding unter Verwendung eines
geeigneten Epoxidharzes befestigt.
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Der
Blitzrezeptor 205 hat eine längliche Form und
erstreckt sich über einen Teil einer Saugfläche des
Rotorflügels 308, um dann über die Abströmkante 310 des
Rotorflügels 308 hinauszuragen. Der Blitzrezeptor 205 bietet
so einen verbesserten Blitzschutz für den Rotorflügel 308 an
der Saugfläche des Rotorflügels 308 und
an der Abströmkante 310.
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7 zeigt
einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform eines
Rotorflügels 408 gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Rotorflügel 408 umfasst
eine Strebe 413, die als eine separate gegossene GFK- und/oder
KFK-Komponente ausgebildet ist, die an die Innenstruktur des Rotorflügels 408 gebondet
ist. Die Strebe hält einen Blitzbus 415, der durch
einen Verbinder 414 elektrisch mit einem Blitzrezeptor 206 verbunden
ist.
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Der
Blitzrezeptor 206 hat eine längliche Form und
erstreckt sich von der Anströmkante 409 über eine
Saugfläche des Rotorflügels 408, um dann über die
Abströmkante 410 des Rotorflügels 408 hinauszuragen.
Der Blitzrezeptor 206 bietet so einen verbesserten Blitzschutz
für den Rotorflügel 408, sowohl über
im Wesentlichen die gesamte Saugfläche des Rotorflügels 408 als
auch die Anströmkante 409.
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8 zeigt
einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines
Rotorflügels 508 gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Rotorflügel 508 umfasst
eine Strebe 513, die als eine separate gegossene GFK- Komponente ausgebildet
ist, die an die Innenstruktur des Rotorflügels 508 geklebt
ist. Die Strebe hält einen Blitzbus 515, der durch
einen Verbinder 514 elektrisch mit einem Blitzrezeptor 207 verbunden
ist.
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Der
Blitzrezeptor 207 hat eine längliche Form und
erstreckt sich sowohl über eine Saugseite als auch eine
Druckseite des Rotorflügels 508 sowie über
die Anströmkante 509, um dann über die
Abströmkante 510 des Rotorflügels 508 hinauszuragen. Der
Blitzrezeptor 207 umgibt so einen Querschnitt des Rotorflügels 508 oder
erstreckt sich im Wesentlichen um diesen herum. Dadurch, dass er
den Rotorflügel 508 im Wesentlichen umgibt, bietet
der Blitzrezeptor 207 einen verbesserten Blitzschutz für
den Rotorflügel 508, sodass der Rotorflügel 508 vor
Blitzeinschlägen geschützt ist, wenn er von einem
Aufwärts- oder Abwärts-Teilblitz des Blitzes getroffen wird
und wenn der Rotorflügel während ihrer Drehung
aufwärts oder abwärts schwenkt.
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9 zeigt
einen Blitzrezeptor 201 gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Der Blitzrezeptor 201 hat im
Wesentlichen eine längliche Form und ein konisch zulaufendes
Ende 203. Das konisch zulaufende Ende 203 ist
dafür konzipiert, über eine Abströmkante 210 eines
Rotorflügels 108 hinauszuragen. Der Blitzrezeptor 201 kann
zum Beispiel konisch/spitz/stiftartig usw. sein und so für die
Verstärkung der elektrostatischen Entladung (ESE) und/oder
der Anziehungskraft des Blitzrezeptors 201 für
Blitze nützlich sein. Die Verwendung dünner, haar-
oder drahtartiger länglicher Leiter zur Ausbildung eines
Blitzrezeptors 201 bietet auch den Vorteil, dass das Gewicht
niedrig gehalten wird, und erhöht nicht wesentlich den
Widerstand, der auf einen Rotorflügel 108 einwirkt,
wenn dieser rotiert. Die Minimalabmessungen des Blitzrezeptors 201 können
in Übereinstimmung mit den IEC-Richtlinien [15] festgelegt
werden.
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Der
Blitzrezeptor 201 ist aus einem korrosionsbeständigen
leitenden Material, wie beispielsweise Kupfer oder Stahl, hergestellt
und mit einem Befestigungsmittel 218 versehen. Das Befestigungsmittel 218 kann
zum Beispiel eine Schraube, ein Bolzen, eine Niete, eine Schweißnaht
usw. sein und kann durch die Oberfläche eines Rotorflügels 108 an
einem in dieser vorgesehenen Verbinder 214 befestigt werden,
um für eine elektrische Verbindung zwischen dem Blitzrezeptor 201 und
dem Verbinder 214 zu sorgen.
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10 zeigt
einen Blitzrezeptor 208 gemäß einer anderen
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Blitzrezeptor 208 hat
im Wesentlichen eine längliche Form und ein konisch zulaufendes Ende 229.
Das konisch zulaufende Ende 229 ist dafür konzipiert, über
eine Abströmkante eines Rotorflügels hinauszuragen.
Der Blitzrezeptor 208 hat auch eine Form, die im Wesentlichen
entlang einem Bogen 220 gekrümmt ist, dem der
Rotorflügel seiner Auslegung nach folgt, während
er in der Richtung des Pfeils 222 rotiert.
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Der
Blitzrezeptor 208 ist aus einem korrosionsbeständigen
leitenden Material, wie beispielsweise Kupfer oder Stahl, hergestellt
und mit zwei Befestigungsmitteln 218, 219 versehen.
Die Befestigungsmittel 218, 219 können
zum Beispiel Schrauben, Bolzen, Nieten, Schweißnähte
usw. sein, die durch die Oberfläche eines Rotorflügels
an einem in diesem vorgesehenen Verbinder befestigt werden können, um
für eine elektrische Verbindung zwischen dem Blitzrezeptor 208 und
dem Verbinder zu sorgen. Die Verwendung einer Vielzahl von Befestigungsmitteln sorgt
für eine verbesserte physische Stabilität und Haltbarkeit
der Verbindung zwischen dem Blitzrezeptor 208 und dem Verbinder
und kann auch dazu verwendet werden, den Blitzrezeptor 208 mit
einem oder mehreren separaten Elementen elektrisch zu verbinden,
die einen Teil eines Blitzableiters (nicht gezeigt) bilden. Somit
kann für einen geringeren Widerstand und gleichzeitig für
eine gewisse integrierte Verbinder-Redundanz gesorgt werden, um
die Langzeitverlässlichkeit des Blitzrezeptors 208 zu
verbessern.
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11 zeigt
einen Blitzrezeptor 211 gemäß einer weiteren
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Blitzrezeptor 211 ist
im Wesentlichen tropfenförmig mit einem konisch zulaufenden
Ende 228. Das konisch zulaufende Ende 228 ist
dafür konzipiert, über eine Abströmkante
eines Rotorflügels hinauszuragen.
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Der
Blitzrezeptor 211 ist aus einem korrosionsbeständigen
leitenden Material wie beispielsweise Kupfer oder Stahl hergestellt
und mit drei Befestigungsmitteln 225, 226, 227 versehen.
Die Befestigungsmittel 225, 226, 227 können
zum Beispiel Schrauben, Bolzen, Nieten, Schweißnähten
usw. sein, die durch die Oberfläche eines Rotorflügels
an einem in dieser vorgesehenen Verbinder befestigt werden, um für
eine elektrische Verbindung zwischen dem Blitzrezeptor 211 und
einem Verbinder zu sorgen. Die Verwendung einer Vielzahl von Befestigungsmitteln
bietet verschiedene Vorteile, wie oben beschrieben.
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Fachleute
werden selbstverständlich erkennen, dass eine Vielzahl
von Blitzrezeptoren auf einem einzelnen Rotorflügel angebracht
werden kann, um deren Blitzschutz weiter zu verbessern. Zum Beispiel
könnte eine Vielzahl solcher Blitzrezeptoren von der Spitze
entfernt einwärts in einer gleichmäßig
beabstandeten Anordnung oder alternativ näher der Rotorflügelspitze
in einer größeren Dichte (abnehmender Abstand)
montiert sein, um dort den Blitzschutz zu verbessern. Außerdem
wird die Verwendung verschiedener Befestigungsmittel, wie auch deren
Art und Anzahl für Fachleute offensichtlich sein.
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Während
die vorliegende Erfindung in Übereinstimmung mit verschiedenen
Gesichtspunkten und bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde,
versteht sich, dass der Anwendungsbereich der Erfindung nicht als
auf diese beschränkt angesehen werden soll, und dass es
die Intention des Anmelders ist, dass alle Varianten und deren Äquivalente
ebenso in den Anwendungsbereich der angefügten Patentansprüche
gehören.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf den Blitzschutz für
Windkraftanlagen. Ein Blitzschutzsystem 200 für
einen Rotorflügel 108 einer Windkraftanlage 100 kann
einen leitenden Blitzrezeptor 201 zur Montage auf der Oberfläche 212 eines Rotorflügels 108 umfassen,
wobei ein Teil des Blitzrezeptors 201 über eine
Abströmkante 210 des Rotorflügels 108 hinausragt,
wenn der Blitzrezeptor auf der Oberfläche 212 angebracht
wird, und/oder einen Blitzrezeptor 201, der eine im Allgemeinen
längliche Form hat und der dafür eingerichtet
ist, so angebracht zu werden, dass die größte
Ausdehnung des Blitzrezeptors 201 im Allgemeinen parallel
zu der Richtung verläuft, in die sich der Rotorflügel 108 seiner
Auslegung nach bewegt.
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QUELLENNACHWEIS
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- 1. US-A1-2007/0009361 (Moller
Larson)
- 2. US-A1-2006/0013695 (Pedersen)
- 3. WO-A1-2007/017534 (Gamesa)
- 4. DE-C1-10022128 (Wobben)
- 5. WO-A2-2005/031158 (Vestas)
- 6. WO-A1-2007/038931 (LM
Glasfiber)
- 7. US-A1-2004/0130842 (Johansen)
- 8. US-B1-6,457,943 (Olsen)
- 9. WO-A1-96/07825 (Bonus
Energy)
- 10. DE-A1-19 501
267 (Autoflug Energietech)
- 11. JP-2004/342518 (Ebara)
- 12. JP-2002/141192 (Ota
Gijutsu Jimusho)
- 13. JP-2002/320319 (Hokuriku
Electric Power)
- 14. US-B1-6,932,574 (Wobben)
- 15. IEC Technical Report TR 61400-24, „Wind turbine generator
systems – Part 24: Lightning protection", erste Ausgabe
2002-07, International Electrotechnical Commission, Genf, Schweiz,
2002, ISBN 2-8318-6468-2
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2007/0009361
A1 [0058]
- - US 2006/0013695 A1 [0058]
- - WO 2007/017534 A1 [0058]
- - DE 10022128 C1 [0058]
- - WO 2005/031158 A2 [0058]
- - WO 2007/038931 A1 [0058]
- - US 2004/0130842 A1 [0058]
- - US 6457943 B1 [0058]
- - WO 96/07825 A1 [0058]
- - DE 19501267 A1 [0058]
- - JP 2004/342518 [0058]
- - JP 2002/141192 [0058]
- - JP 2002/320319 [0058]
- - US 6932574 B1 [0058]