DE102008045939A1

DE102008045939A1 - Windenergieanlage mit Blitzschutzeinrichtung

Info

Publication number: DE102008045939A1
Application number: DE102008045939A
Authority: DE
Inventors: Michael Schuld
Original assignee: Powerwind GmbH
Current assignee: POWERWIND LTD., IN
Priority date: 2008-09-04
Filing date: 2008-09-04
Publication date: 2010-03-11
Anticipated expiration: 2028-09-05
Also published as: DE102008045939B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage mit einem bezüglich einer etwa horizontal verlaufenden Rotorachse drehbaren und mindestens ein über eine Rotornabe an eine Rotorwelle gekoppeltes Rotorblatt aufweisenden Rotor, bei der das Rotorblatt über ein erstes drehfest mit dem Rotorblatt verbundenes und eine erste Lagerfläche aufweisendes Lagerelement und ein zweites drehfest mit der Rotornabe verbundenes und eine zweite Lagerfläche aufweisendes Lagerelement bezüglich einer quer, insbesondere etwa senkrecht zur Rotorachse und etwa parallel zur Längsachse des Rotorblatts, verlaufenden Pitchachse verdrehbar an der Rotornabe gelagert ist, und einer Blitzschutzeinrichtung zum Ableiten eines bei einem Blitzeinschlag auftretenden Stroms von dem Rotorblatt in die Rotornabe über einen vorgegebenen Blitzschutzpfad, wobei der Blitzschutzpfad zur Stromableitung unter Umgehung der Lagerflächen ausgelegt ist und vorzugsweise im Bereich der Lagerelemente außerhalb der Pitchachse verläuft.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage mit einem bezüglich einer etwa horizontal verlaufenden Rotorachse drehbaren und mindestens ein über eine Rotornabe an eine Rotorwelle gekoppeltes Rotorblatt aufweisenden Rotor, bei der das Rotorblatt über ein erstes drehfest mit dem Rotorblatt verbundenes und eine erste Lagerfläche aufweisendes Lagerelement und ein zweites drehfest mit der Rotornabe verbundenes und eine zweite Lagerfläche aufweisendes Lagerelement bezüglich einer quer, insbes. etwa senkrecht zur Rotorachse und etwa parallel zur Längsachse des Rotorblatts, verlaufenden Pitchachse verdrehbar an der Rotornabe gelagert ist, und einer Blitzschutzeinrichtung zum Ableiten eines bei einem Blitzeinschlag auftretenden Stroms von dem Rotorblatt in die Rotornabe über einen vorgegebenen Blitzschutzpfad.
Windenergieanlagen sind aufgrund ihrer häufig sehr exponierten Lage auf Freiflächen oder Anhöhen oder auch im Bereich der Meeresküsten sehr häufig Blitzeinschlägen ausgesetzt. Dabei erfolgt der Blitzeinschlag üblicherweise im Bereich der Rotorblätter. Die dabei auftretenden Ströme können durch einen längs des Rotorblatts verlaufenden Blitz schutzpfad in die Rotornabe und von dort über die Rotorwelle und ein Maschinengehäuse der Windenergieanlage in ein Fundament abgeleitet werden.
Zur Anpassung der Betriebsbedingungen der Windenergieanlage an die vorherrschenden Windverhältnisse sind die Rotorblätter zweckmäßigerweise bezüglich einer quer, insbes. senkrecht, zur Rotorwelle verlaufenden Pitchachse verdrehbar an der Rotornabe gelagert. Der Blitzschutzpfad herkömmlicher Windenergieanlagen führt vom Rotorblatt über das Pitchlager in die Rotornabe. Beim Betrieb dieser Windenergieanlagen können bei Blitzeinschlägen Beschädigungen im Bereich des Pitchlagers auftreten, die durch die hohen Stromstärken von 100.000 Ampere oder mehr verursacht werden.
Zur Lösung dieser Probleme wird in der DE 44 36 197 C2 eine Weiterbildung der bekannten Windenergieanlagen mit Blitzschutzeinrichtungen vorgeschlagen, bei der der Blitzschutzpfad von dem Rotorblatt über eine drehfest damit verbundene Fangstange direkt und unter Umgehung des Pitchlagers und der Rotornabe in ein Maschinengehäuse der Windenergieanlage verläuft. Die Fangstange dieser bekannten Windenergieanlage ist außerhalb der Rotornabenverkleidung angebracht und damit Witterungseinflüssen ausgesetzt, was zu Beschädigungen und Funktionsbeeinträchtigungen der Blitzschutzeinrichtung führen kann.
Angesichts dieser Probleme im Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Windenergieanlage bereitzustellen, die unter Gewährleistung einer hohen Betriebszuverlässigkeit zuverlässig gegen Beschädigungen durch Blitzeinschläge geschützt ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Weiterbildung der bekannten Windenergieanlagen gelöst, die im wesentlichen dadurch gekennzeichnet ist, daß der Blitzschutzpfad zur Stromableitung unter Umgehung der Lagerflächen ausgelegt ist und vorzugsweise im Bereich der Lagerelemente außerhalb der Pitchachse verläuft.
Diese Erfindung geht auf die Erkenntnis zurück, daß es zur Vermeidung von Beschädigungen des Pitchlagers ausreicht, den vom Rotorblatt in die Rotornabe führenden Blitzschutzpfad so auszuführen, daß die Lagerflächen umgangen werden. Es werden daher keine außerhalb der Rotornabe angeordneten Elemente der Blitzschutzeinrichtung benötigt, welche Witterungseinflüssen ausgesetzt sein können. Dadurch wird unter Vermeidung der beim Betrieb von Windenergieanlagen gemäß DE 44 36 197 C2 auftretenden Probleme ein zuverlässiger Betrieb der Windenergieanlage erreicht.
Zur Gewährleistung einer guten Zugänglichkeit des Rotorblatts zu Wartungszwecken und im Hinblick auf den begrenzten Bauraum im Bereich des Blattanschlusses aufgrund der den Pitchantrieb enthaltenden Pitchboxen hat es sich als besonders zweckmäßig erwiesen, wenn der Blitzschutzpfad unter Umgehung der Lagerflächen außerhalb der Pitchachse, aber noch innerhalb der Rotornabe verläuft.
Bei einer im Hinblick auf die Betriebszuverlässigkeit besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Blitzschutzeinrichtung ein drehfest an dem Rotorblatt befestigtes und bei einer Verdrehung des Rotorblatts um die Pitchachse in schleifender Anlage an einem drehfest mit der Rotornabe verbundenen zweiten Kontaktelement bleibendes erstes Kontaktelement auf. Die Kontaktelemente können dabei im Innenraum der Rotornabe angebracht sein, um so Beschädigungen durch Witterungseinflüsse vermeiden zu helfen.
Im Hinblick auf den Erhalt der gewünschten Betriebszuverlässigkeit hat es sich weiter als vorteilhaft erwiesen, wenn eines der Kontaktelemente eine vorzugsweise ringförmig ausgeführte Schleifbürste und das andere Kontaktelement einen Schleifring aufweist. Dabei kann bspw. der Schleifring auch einstückig mit der Rotornabe ausgeführt sein.
Zur Vermeidung der Stromführung durch die Lagerflächen hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn der Blitzschutzpfad durch ein zur Befestigung des Rotorblatts an dem ersten Lagerelement dienendes Befestigungselement geführt wird. In diesem Fall kann das erste Kontaktelement über das zur Befestigung des ersten Lagerelements am Rotorblatt ausgelegtes Befestigungselement mit dem Rotorblatt verbunden sein. Dabei kann das Befestigungselement einen eine Ausnehmung in dem ersten Lagerelement durchsetzenden Bolzen aufweisen. Falls das Lagerelement aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff gebildet ist, kann die Ausbildung eines die Lagerflächen durchlaufenden Blitzschutzpfades vermieden werden, wenn zwischen einer inneren Begrenzungsfläche der von dem Lagerbolzen durchsetzten Ausnehmung und dem Bolzen eine Hülse aus einem isolierenden Material, wie etwa Teflon, angeordnet ist. Das erste Kontaktelement kann in diesem Fall an einem bezüglich der Pitchachse radial außen liegenden Bereich des Lagerbolzens angeord net sein und eine radial nach außen weisende Kontaktbürste aufweisen, während das zweite an der Nabe angeordnete Kontaktelement eine der Pitchachse zugewandte und die Pitchachse umlaufende, etwa kreiszylindermantelförmige Kontaktfläche aufweisen kann.
Nachstehend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung, auf die hinsichtlich aller erfindungswesentlichen und in der Beschreibung nicht näher herausgestellten Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird, erläutert. In der Zeichnung zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Windenergieanlage,
2 eine den Bereich A in 1 im einzelnen zeigende perspektivische Ansicht,
3 eine den Bereich B in 2 im einzelnen darstellende Ansicht und
4 eine Detaildarstellung der Kontaktelemente einer erfindungsgemäßen Windenergieanlage.
Gemäß 1 weist die Windenergieanlage insgesamt drei über jeweils ein Pitchlager 20 an einer Rotornabe 30 befestigte Rotorblätter 10 auf, von denen in 1 nur eines dargestellt ist. Mit Hilfe des Pitchlagers 20 ist das Rotorblatt 10 bezüglich seiner Längsachse 12 verdrehbar. Das Rotorblatt 10 weist an seiner der Rotornabe 30 abgewandten Blattspitze 14 ein elektrisch leitfähiges Blitzschutzelement auf, das mit einem das Rotorblatt 10 durchlaufenden Blitzableiter 16 verbunden ist. Der Blitzableiter 16 kann anders als bei der in 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung auch an dem vorderen und/oder hinteren Rand des Rotorblatts angeordnet sein, wie bspw. in der DE 44 36 197 C2 erläutert. Der Offenbarungsgehalt dieser Schrift wird hinsichtlich der Anordnung des Blitzableiters an dem Rotorblatt durch ausdrückliche Inbezugnahme in diese Beschreibung aufgenommen.
Gemäß 2 weist das Pitchlager 20 einen drehfest mit dem Rotorblatt 10 verbundenen Lagerring 22 und einen drehfest mit der Rotornabe 30 verbundenen Lagerring 28 auf. Der drehfest mit dem Rotorblatt 10 verbundene Lagerring 22 ist über Ausnehmungen in dem Lagerring 22 durchsetzende T-Bolzen 24 an das Rotorblatt 10 gekoppelt. Der Lagerring 22 weist eine Innenverzahnung auf, welche ein von einem Pitchantrieb 26 drehend antreibbares Zahnrad 27 kämmt. Durch eine Drehbewegung des Zahnrads 27 kann das Rotorblatt 10 insgesamt um die Pitchachse 12 verdreht werden. Der T-Bolzen 24 weist einen eine Ausnehmung im Lagerring 22 durchsetzenden und etwa parallel zur Pitchachse 12 verlaufenden Lagerbolzen 24a und einen eine Wand des Rotorblatts 10 durchsetzenden und etwa senkrecht zum Lagerbolzen 24a verlaufenden zweiten Lagerbolzen 24b auf. Der Lagerbolzen 24a ist in einer Ausnehmung des Lagerbolzens 24b aufgenommen und wird an seinem dem Lagerbolzen 24b abgewandten Ende durch eine darauf aufgeschraubte und ggf. über eine Unterlegscheibe an der den Lagerbolzen 24b abgewandten Begrenzungsfläche des Lagerrings 22 anliegende Schraubenmutter 24c am Lagerring 22 gehalten.
Gemäß 4 verläuft der Blitzschutzpfad durch den Lagerbolzen 24b, den Lagerbolzen 24a, eine auf der dem Rotorblatt 10 abgewandten Seite des Lagerrings 22 angebrachte Kontaktbürste 40 und einen an der inneren Begrenzungsfläche der Rotornabe 30 angebrachten Kontaktring 42. Die Kontaktbürste 40 weist radial nach außen abstehende Borsten auf, die in schleifender Anlage an einer kreiszylindermantelförmigen und die Pitchachse 12 umlaufenden Kontaktfläche des Schleifrings 42 anliegen. Über die Kontaktbürste 40 und den Kontaktring 42 wird der Blitzstrom von den Lagerbolzen 24b und 24a unter Umgehung der Lagerflächen 22a und 28a der Lagerelemente 22 und 28 in die Rotornabe 30 abgeleitet. Die Kontaktelemente 40 und 42 sind auf der der Pitchachse 12 zugewandten Innenseite der Rotornabe 30 angeordnet und auf diese Weise vor Witterungseinflüssen geschützt. Zwischen den Lagerflächen 22a und 28a können Wälzkörper angeordnet sein, welche eine reibungsarme Drehung des Rotorblatts 10 bezüglich der Pitchachse 12 ermöglichen. Durch die erfindungsgemäße Ableitung von Blitzströmen unter Vermeidung einer Stromführung durch die Lagerflächen 22a und 28a werden die Lagerflächen 22a und 28a sowie die Wälzkörper vor Beschädigungen geschützt.
Bei der in 4 dargestellten Ausführungsform der Erfindung sind die Lagerelemente 22 und 28 aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff ausgeführt. Bei dieser Ausführungsform wird die Stromführung durch die Lagerflächen 22a und 28a durch eine den Lagerbolzen 24a umlaufende und in die von dem Lagerbolzen 24a durchsetzte Ausnehmung in dem Lagerring 22 eingesetzte Hülse 44 aus einem elektrisch isolierenden Material, wie etwa Teflon, verhindert.
Die Erfindung ist nicht auf das anhand der Zeichnung erläuterte Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr ist auch an den Einsatz von Lagerelementen aus einem elektrisch isolierenden Material gedacht, um so die Anzahl notwendiger Bauelemente durch Vermeidung einer Hülse aus isolierendem Material zu reduzieren. Auch kann das Rotorblatt über andere Befestigungselemente an dem Lagerring befestigt sein. Es ist auch daran gedacht, den Lagerring einstückig mit dem Rotorblatt auszuführen. Wesentlich ist, daß die Ableitung von Blitzströmen durch die Lagerflächen des Pitchlagers und zwischen den Lagerflächen ggf. anzuordnende Lagerkörper, insbes. Wälzkörper, vermieden wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 4436197 C2 [0004, 0007, 0017]

Claims

Windenergieanlage mit einem bezüglich einer etwa horizontal verlaufenden Rotorachse drehbaren und mindestens ein über eine Rotornabe (30) an eine Rotorwelle gekoppeltes Rotorblatt (10) aufweisenden Rotor, bei der das Rotorblatt (10) über ein erstes drehfest mit dem Rotorblatt (10) verbundenes und eine erste Lagerfläche (22a) aufweisendes Lagerelement (22) und ein zweites drehfest mit der Rotornabe (30) verbundenes und eine zweite Lagerfläche (28a) aufweisendes Lagerelement (28) bezüglich einer quer, insbes. etwa senkrecht zur Rotorachse und etwa parallel zur Längsachse des Rotorblatts (10), verlaufenden Pitchachse (12) verdrehbar an der Rotornabe (30) gelagert ist, und einer Blitzschutzeinrichtung zum Ableiten eines bei einem Blitzeinschlag auftretenden Stroms von dem Rotorblatt (10) in die Rotornabe (30) über einen vorgegebenen Blitzschutzpfad, dadurch gekennzeichnet, daß der Blitzschutzpfad zur Stromableitung unter Umgehung der Lagerflächen (22a, 28a) ausgelegt ist und vorzugsweise im Bereich der Lagerelemente (22, 28) außerhalb der Pitchachse (12) verläuft.
Windenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blitzschutzeinrichtung ein drehfest an dem Rotorblatt (10) befestigtes und bei einer Verdrehung um die Pitchachse (12) in schleifender Anlage an einem drehfest mit der Rotornabe (30) verbundenen zweiten Kontaktelement (42) bleibendes erstes Kontaktelement (40) aufweist.
Windenergieanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Kontaktelemente eine vorzugsweise etwa ringförmig ausgeführte Schleifbürste (40) und eines der Kontaktelemente einen Schleifring (42) aufweist.
Windenergieanlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Kontaktelement (40) über ein zur Befestigung des ersten Lagerelements (22) an dem Rotorblatt (10) ausgelegtes Befestigungselement (24) mit dem Rotorblatt (10) verbunden ist.
Windenergieanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Befestigungselement (24) einen eine Ausnehmung in dem ersten Lagerelement (22) durchsetzenden Lagerbolzen (24a) aufweist.
Windenergieanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einer inneren Begrenzungsfläche der Ausnehmung und dem Lagerbolzen (24a) eine Hülse (44) aus einem elektrisch isolierenden Material, wie etwa Teflon, angeordnet ist.
Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktring (42) eine die Pitchachse (12) umlaufende, etwa kreiszylindermantelförmige Kontaktfläche aufweist.