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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Windkraftanlagen. Insbesondere
betrifft die vorliegende Erfindung einen Windkraftanlagenflügel, der einen
Blitzrezeptor innerhalb des Flügels
und einen Zugang zu dem Rezeptor in dem Windkraftanlagenflügel enthält.
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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Es
ist bekannt, dass Windkraftanlagenflügel mit einem Blitzschutzsystem
versehen werden können,
um sie vor Blitzschlägen
zu Schützen.
Z. B. kann ein Rotorflügel
mit einem Blitzrezeptor aus einem elektrisch leitenden Material
ausgestattet sein. Der Blitzrezeptor kann einen Blitzschlag auffangen und
den Strom durch einen Blitzableiter ableiten, der sich in Längsrichtung
des Flügels
bis zu einer Masse bzw. Erde in dem Turm erstreckt.
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Im
Allgemeinen enthält
eine Windkraftmaschine mehrere Flügel, die über eine Nabe mit einem Rotor
verbunden sind. Der Rotor ist in einem Gehäuse oder einer Gondel montiert,
die oben an der Spitze eines rohrförmigen Turms oder einer Basis
angeordnet ist. Energie erzeugende Windkraftanlagen (d. h. Windkraftanlagen,
die zur Speisung elektrischer Energie in ein Versorgungsnetz konstruiert
sind) können große Rotoren
(von z. B. dreißig
oder mehr Meter im Durchmesser) aufweisen. Flügel an diesen Rotoren wandeln
Windenergie in ein Drehmoment oder in eine Drehkraft um, die den
Rotor eines oder mehrerer Generatoren antreibt, die drehbar mit
dem Rotor verbunden sind. Der Rotor wird durch den Turm durch ein
Lager gelagert, das einen festen Teil enthält, der mit einem drehbaren
Teil gekoppelt ist. Das Lager ist mehreren Lasten, einschließlich des
Gewichts des Rotors, einer Momentlast des Rotors, der von dem Lager
auskragt, asymmetrischen Lasten, wie z. B. horizontalen und Scherlasten,
einem Gierversatz und natürlicher
Turbulenz ausgesetzt.
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Gewöhnlich werden
zwei Schalen, eine Saugschale und eine Druckschale miteinander verbunden,
bspw. verklebt, um einen Windkraftanlagenflügel zu bilden. Da die Windkraftanlagenflügel so groß sind und
im Freigelände
aufgestellt werden, ziehen sie Blitze an und werden oft von diesen
getroffen. Gegenwärtig
weist jede Schale einen oder mehrere Blitzrezeptoren mit einem Leiterkabel
oder -streifen, der entlang der Längserstreckung des Flügels an
der Innenfläche
des Flügels
verläuft.
Die mehreren Leiterkabel machen es erforderlich, dass jedes der
Leiterkabel entlang der Schalen in Bereichen mit hohen Belastungen
angeordnet wird, wodurch Fehler und Ausfälle möglich werden. Deshalb wäre es wünschenswert,
ein einziges Leiterkabel für
beide Schalen anstatt mehrerer Leiterkabel zu haben. Der Zugang
zum Innenraum des Flügels
ist jedoch begrenzt, nachdem die Schalen verklebt worden sind, weshalb
es schwierig ist, den Rezeptor mit einem einzigen Leiter zu verbinden.
Oft muss der Monteur seine Arme durch die beiden Schalen hindurchstecken,
während
sich diese immer noch in den Formen befinden, wodurch er sich der
Gefahr aussetzt, dass eine der schweren Schalen von der Form herabfällt und
den Monteur verletzt.
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Was
deshalb benötigt
wird, ist ein Verfahren und ein System zur Schaffung eines Zugangs
zum Inneren des Flügels,
nachdem die Schalen miteinander verbunden wurden, so dass ein einziges
Leiterkabel für
den Blitzrezeptor verwendet werden kann.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen neuen und verbesserten
Blitzschutz für
Rotorflügel
oder -blätter
von Windkraftanlagen zu schaffen.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung ist ein Windkraftanlagenflügel beschrieben, der einen
Flügel
mit zwei Seiten, einem Innenraum mit einem Zentrum und einer axialen
Länge aufweist.
Die Ausführungsform
weist ferner einen in dem Innenraum des Flügels angeordneten Steg, der sich
im Wesentlichen entlang der axialen Längserstreckung des Flügels erstreckt,
Blitzrezeptoren, die an den beiden Seiten des Flügels angeordnet sind, und einen
Leiter auf, der in dem Innenraum des Flügels angeordnet ist, wobei
der Leiter eingerichtet ist, um mit den Blitzrezeptoren in Kontakt
zu stehen. Eine Seite der beiden Seiten weist zur Schaffung eines Zugangs
zu wenigstens einem Blitzrezeptor der Blitzrezeptoren einen entfernbaren
Abschnitt auf.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist ein Windturbinenflügel beschrieben, der zwei Schalenteile
aufweist, die miteinander verbunden sind, um einen Innenraum zu
bilden, der ein Zentrum und eine axiale Länge aufweist. Ein zwischen den
Schalenteilen in dem Innenraum angeordneter Steg, der sich im Wesentlichen
entlang der axialen Länge
erstreckt, ist ebenfalls beschrieben. Die Ausführungsform enthält ferner
Blitzrezeptoren, die an den beiden Seiten des Flügels angeordnet sind, und einen
Leiter, der in dem Innenraum des Flügels angeordnet und eingerichtet
ist, um die Blitzrezeptoren zu berühren. Eine Schale der beiden
Schalen weist einen abnehmbaren Abschnitt auf, um einem Zugang zu
wenigstens einem Blitzrezeptor der Blitzrezeptoren zu schaffen.
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Gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung ist ein Verfahren für einen Blitzrezeptor in einem
Windkraftanlagenflügel
beschrieben. Das Verfahren enthält
die Schritte des Bereitstellens von zwei Schalenteilen, wobei ein
Schalenteil ein oberer Schalenteil ist und ein zweiter Schalenteil
ein unterer Schalenteil ist, und des Befestigens eines Steges an dem
oberen Schalenteil, wobei jeder Schalenteil der beiden Schalenteile
einen Blitzrezeptor aufweist. Das Verfahren enthält ferner das Befestigen eines
Leiters an dem Steg, das Befestigen eines Leiters an dem Blitzrezeptor
des oberen Schalenteils und das Verbinden der beiden Schalenteile
miteinander, um einen Windkraftanlagenflügel zu bilden. Der nächste Schritt
des Verfahrens enthält
das Entfernen eines entfernbaren bzw. abnehmbaren Abschnitts von
einem der Schalenteile, wodurch eine Zugangsöffnung erzeugt wird, das Sichern
des Leiters an dem unteren Schalenteil anhand eines Zugangs durch
die Zugangsöffnung
hindurch, Wiederanbringen des entfernbaren Abschnitts an den Schalenteil.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass die Installation
des gemeinsamen Leiters für
beide Rezeptoren sicherer ist, weil der gemeinsame Leiter installiert
wird, nachdem die Schalen aus den Formen herausgenommen worden sind.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass
die Installation des gemeinsamen Leiters für beide Rezeptoren einfacher
ist, weil der gemeinsame Leiter durch eine Öffnung in der Flügelschale
hindurch und nicht in einer Öffnung
zwischen den beiden Schalen, bevor die Schalen miteinander verbunden
werden, installiert wird.
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Ein
noch weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass
ein gemeinsamer Leiter für beide
Rezeptoren günstiger
ist, weil lediglich ein einziger Leiter verwendet wird.
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Noch
ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, dass ein
zuverlässigeres
Blitzschutzsystem vorliegt, weil der gemeinsame Leiter während des
Betriebs der Windkraftanlage nicht den Belastungen der Schale ausgesetzt
ist.
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Weitere
Aspekte des Verfahrens und des Systems sind hierin beschrieben.
Die Merkmale, wie sie oben beschrieben sind, sowie weitere Merkmale und
Vorteile der vorliegenden Erfindung, werden von Fachleuten anhand
der folgenden detaillierten Beschreibung und Zeichnungen geschätzt und
verstanden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
eine Seitenansicht einer Windkraftanlage gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Offenbarung.
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2 zeigt
eine perspektivische Draufsicht auf einen Windkraftanlagenflügel gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Offenbarung.
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3 zeigt
eine Querschnittsansicht eines Windkraftanlagenflügels und
eines Blitzrezeptors gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Offenbarung.
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4 zeigt
die Ansicht R-R aus 3, die eine vergrößerte Ansicht
der Rezeptorverbindungen mit den Flügelschalen gemäß einer
Ausführungsform der
vorliegenden Offenbarung darstellt.
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5 zeigt
eine vergrößerte Ansicht
einer alternativen Ausführungsform
der Rezeptorverbindungen mit den Flügelschalen gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Offenbarung.
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Wenn
möglich,
werden die gleichen Bezugszeichen über alle Zeichnungen hinweg
verwendet, um gleiche oder ähnliche
Teile zu bezeichnen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung ist im Folgenden detaillierter Bezug nehmend
auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, in denen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht
ist. Diese Erfindung kann jedoch in vielen verschiedenen Formen
ausgeführt
sein und sollte nicht als auf die hier dargelegten Ausführungen
beschränkt
ausgelegt werden; vielmehr sind die Ausführungen vorgesehen, damit diese
Offenbarung gründlich
und vollständig
ist und den Fachleuten den Umfang der Erfindung vollständig vermittelt.
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1 zeigt
eine Windkraftanlage 100, die eine Gondel 102 aufweist,
die einen Generator (in 1 nicht gezeigt) aufnimmt. Die
Gondel 102 stellt ein Gehäuse dar, das oben auf einem
Turm 104 montiert ist, von dem lediglich ein Teil in 1 veranschaulicht
ist. Die Höhe
des Turms 104 wird anhand in der Technik bekannter Faktoren
und Bedingungen ausgewählt
und kann Höhen
von bis zu 60 Metern und mehr erreichen. Die Windkraftanlage 100 kann
in jedem Gelände
aufgestellt werden, das einen Zugang zu Gebieten schafft, die die
erwünschten
Windbedingungen aufweisen. Das Gelände kann stark variieren und
kann ein gebirgiges Terrain oder Orte vor einer Küste (sog.
Offshore-Plätze)
umfassen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Die Windkraftanlage 100 weist
ferner einen Rotor 106 auf, der einen oder mehrere Rotorflügel bzw.
-blätter 108 aufweist, die
auf einer rotierenden Nabe 110 angebracht sind. Obwohl
die in 1 dargestellte Windkraftanlage 100 drei
Rotorflügel 108 enthält, gibt
es keine speziellen Beschränkungen
hinsichtlich der Anzahl von Rotorflügeln 108, die durch
die vorliegende Erfindung erforderlich wäre.
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2 zeigt
einen Windkraftanlagenflügel 108 gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Offenbarung, wobei der Flügel eine Vorderkante 201 und
eine Hinterkante 203 aufweist. Der Windkraftanlagenflügel 108 enthält einen
Blattabschnitt 205, der sich von der Spitze 207 zu
dem Fuß 209 erstreckt, der
mit der Nabe 110 der Windkraftanlage verbindbar ist. Der
Flügel
enthält
eine Klebeverbindung 211, die ein erstes Segment 213 des
Flügels 108 von
dem zweiten Teil des Flügels 108 trennt.
Das erste Segment 213 und das zweite Segment 215 sind
Segmente des Flügels 108,
die zusammengefügt
werden, um einen vollständigen
Flügel 108 zu
schaffen. Unter „Segment" wird verstanden,
dass die Windkraftanlage 108 in mehrere Komponenten unterteilt
ist, die, wenn sie zusammengefügt
werden, einen vollständigen
Flügel 108 bilden.
Obwohl 2 einen Flügel 108 zeigt,
der zwei Segmente aufweist, ist die Offenbarung nicht auf zwei Segmente
beschränkt.
Der Flügel 108 kann
z. B. ein einziges Segment oder eine beliebige Anzahl von Segmenten,
einschließlich
drei oder mehreren Segmenten, aufweisen.
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3 zeigt
eine Querschnittsansicht des Windkraftanlagenflügels 108 nach 2.
Der Windkraftanlagenflügel 108 enthält eine
druckseitige Schale 300 und eine saugseitige Schale 302.
Jedes Schalenteil 300, 302 bildet einen Teil des
Windkraftanlagenflügels 108.
Die Schalenteile 300, 302 sind miteinander verbunden,
insbesondere verklebt, um den Windkraftanlagenflügel 108 zu bilden,
der einen Innenraum 109 aufweist. Während sich die hierin beschriebene
Ausführungsform
auf eine Windkraftanlage mit zwei Schalenteilen 300, 302 bezieht,
ist es für einen
Fachmann verständlich,
dass der Windkraftanlagenflügel
aus mehr als zwei Schalenteilen gebildet werden kann, oder er kann
alternativ aus einem einzigen Stück
Schale gebildet sein. Wenn die Schalenteile 300, 302 miteinander
verbunden sind, um den Windkraftanlagenflügel 108 zu bilden,
schaffen die Schalenteile 300, 302 einen Innenraum,
der ein Zentrum und eine axiale Länge aufweist. Das Zentrum ist als
die Ebene definiert, die in der Mitte zwischen allen Schalenteilen 300, 302 angeordnet
ist.
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Zwei
Stege 304 sind zwischen den verbundenen Schalen 300, 302 in
dem Innenraum angeordnet und erstrecken sich im Wesentlichen entlang
der axialen Längserstreckung
des Windkraftanlagenflügels 108.
Während 3 zwei
Stege 304 veranschaulicht, können ein oder mehr als zwei
Stege 304 enthalten sein. Die Stege 304 sind aus
einer im Wesentlichen steifen Struktur aufgebaut, die im Betrieb dem
Windkraftanlagenflügel 108 die
strukturelle Festigkeit verleiht. Die im Wesentlichen steife Struktur kann
aus einem im Wesentlichen steifen Material, wie z. B. aus Glasfaser,
ausgebildet sein. Während die
Stege 304 veranschaulicht sind, wie sie allgemein einen
rechteckigen Querschnitt aufweisen, sollte es für einen Fachmann offensichtlich
sein, dass der Querschnitt des Steges 304 eine beliebige
Geometrie aufweisen kann. Die Stege 304 verhindern, eine Sicherung
und einen Bruch der Schalen 300, 302 während eines
neuen Betriebs des Windkraftanlagenflügels 108 aufgrund
von Belastungen und Durchbiegung.
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Wie
in 3 gezeigt, ist ein Blitzrezeptor 306 an
der Saugschale 302 und an der Druckschale 300 des
Windkraftanlagenflügels 108 angeordnet.
Der Blitzrezeptor 306 ist ein elektrisch leitfähiges Material,
das einer elektrischen Ladung von einem Blitzschlag oder einigen
Blitzen standhalten kann. Während
die Blitzrezeptoren 306 als mit der Druckschale 300 und
der Saugschale 302 des Windkraftanlagenflügels 108 integral
ausgebildet gezeigt sind, kann der Blitzrezeptor aus einigen Abschnitten
bestehen oder er kann eine von der Druckschale 300 und
der Saugschale 302 gesonderte Struktur darstellen. Ein elektrisch
leitender Leiter 308 erstreckt sich an jedem Schalenteil 300, 302 von
dem Steg 304 aus zu den Blitzrezeptoren 306. Der
Leiter 308 kann ein Draht bzw. Kabel oder ein leitfähiger Streifen
oder irgendein anderes geeignetes elektrisch leitendes Material sein.
Außerdem
kann der Leiter 308 ein einzelnes Stück sein, aus zwei getrennten
Stücken
oder mehreren Stücken
gebildet sein. Der Leiter 308 ist mittels Befestigungsmittel 312, 314 an
die Blitzrezeptoren 306 gesichert. Ein Kabel 310 ist
an dem Steg 304 montiert und erstreckt sich im Wesentlichen über die axiale
Länge des
Innenraums 109 hinweg entlang des Stegs 304. Das
Kabel 310 kann ungefähr
im Zentrum des Innenraumes angeordnet sein, um sich im Wesentlichen über seine
axiale Länge
zu erstrecken. In alternativen Ausführungsformen kann das Kabel jedoch
innerhalb des Innenraumes derart angeordnet werden, dass es keinen
der Schalenteile 300, 302 im Wesentlichen über die
axiale Länge
des Innenraums hinweg wesentlich berührt. Wie aus 3 ersehen werden
kann, wird ein Befestigungsmittel 313, z. B. eine Klemme,
Schelle oder Klammer, verwendet, um das Kabel 310 an dem
Steg 304 und dem Leiter 308 zu sichern. Es ist
lediglich ein Kabel 310 erforderlich, um die Blitzrezeptoren 306 zu
erden, weil das Kabel 310 den Leiter 308 kontaktiert,
der mit den Blitzrezeptoren 306 verbunden ist. Das Kabel 310 ist
an dem Steg 304 derart angeordnet, dass das Kabel 310 keinen
der Schalenteile 300, 302 berührt. Es sollte verständlich sein,
dass das Kabel 310 in Form eines einzelnen Kabels oder
mehrerer verbundener Kabel gebildet sein kann.
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Ferner
ist in 3 und detaillierter in 4 gezeigt,
dass der Leiter 308 durch Sicherung an der Saugschale 302 mittels
eines Befestigungsmittels 312 mit dem Blitzrezeptor 306 verbunden
ist. Der Leiter 308 weist eine (nicht gezeigte) Öffnung auf,
in der das Befestigungsmittel 312 angeordnet ist. Das Befestigungsmittel 312 stellt
sicher, dass der Leiter 308 mit dem Blitzrezeptor 306 einen
elektrisch leitenden Kontakt herstellt. Das Befestigungsmittel 312 kann eine
Schraube oder ein anderes ähnliches
oder geeignetes Sicherungsmittel sein. Der Leiter 308 ist
an dem Blitzrezeptor 306 an der Druckschale 300 mittels eines
Befestigungsmittels 314 gesichert. Der Leiter 308 weist
eine (nicht gezeigte) Öffnung
auf, durch welche das Befestigungsmittel 314 hindurchragend angeordnet
ist. Das Befestigungsmittel 314 stellt sicher, dass der
Leiter 308 mit dem Blitzrezeptor 306 einen elektrisch
leitenden Kontakt herstellt. Das Befestigungsmittel 314 kann
eine Sicherungsmutter oder ein anderes ähnliches oder geeignetes Befestigungsmittel
sein. Ein entfernbarer Abschnitt 316 ist in der Druckschale 300 angeordnet,
so dass, wenn dieser entfernt ist, eine Zugangsöffnung 318 (in 5 gezeigt)
gebildet ist, die einen Zugang zu dem Innenraum 109 des
Windkraftanlagenflügels 108 ermöglicht.
Der abnehmbare Abschnitt 316 kann ein Bolzen sein, ein
Abschnitt der Druckschale 300, ein Stecker oder Stopfen,
ein Rezeptor, eine Tafel oder ein anderer geeigneter Teil des Windkraftanlagenflügels 108 sein.
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Während einer
Montage des Windkraftanlagenflügels 108 wird
der Steg 304 an der Druckschale 300 befestigt.
Als Nächstes
werden das Kabel 310 und der Leiter 308 an dem
Steg 304 gesichert. Der Leiter 308 wird an dem
Blitzrezeptor 306 auf der Druckschale 300 befestigt.
Dann werden die Druckschale 300 und die Saugschale 302 miteinander
verbunden bzw. verklebt, um den Windkraftanlageflügel 108 zu
bilden, der den Innenraum 109 aufweist. Der entfernbare
Abschnitt 316 wird zur Schaffung einer Zugangsöffnung 318 (5)
von der Druckschale 300 entfernt, um einen Zugang zu dem
Innenraum 109 des Windkraftanlagenflügels 108 zu schaffen. Ein
Benutzer kann dann ein Werkzeug 320 oder einen anderen
Gegenstand, z. B. eine Hand, in die Zugangsöffnung 318 einstecken,
um den Leiter 308 an dem Blitzrezeptor 306 auf
der Saugschale 302 zu befestigen.
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5 zeigt
eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, bei der ein Werkzeug 320, z.
B. ein Schraubenschlüssel,
durch die Zugangsöffnung 318 hindurch
eingeführt
wird, um den Leiter 308 an dem Blitzrezeptor 306 an
der Saugschale 302 zu sichern. Wenn der Leiter 308 einmal
an dem Blitzrezeptor 306 an der Saugschale 302 befestigt
ist, wird der entfernbare Abschnitt 316 wieder positioniert
und an der Druckschale 300 gesichert. Der entfernbare Abschnitt 316 kann,
falls notwendig, abgenommen werden, um Wartungsarbeiten oder Reparaturen
an den Blitzrezeptoren 306 durchzuführen. Alternativ kann der entfernbare
Abschnitt 316 durch Kleben oder andere permanente Befestigungsverfahren
am Einsatzort fixiert werden.
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Während die
Erfindung mit Bezug auf eine bevorzugten Ausführungsform beschrieben wurde, wird
es für
einen Fachmann verständlich,
dass zahlreiche Veränderungen
vorgenommen werden können
und Äquivalente
für ihre
Elemente ersetzt werden können,
ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen. Zusätzlich können viele
Modifikationen durchgeführt
werden, um eine besondere Situation oder ein Material an die Lehre
dieser Erfindung anzupassen, ohne von ihrem Kerngedanken abzuweichen.
Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die bestimmte
Ausführungsform
beschränkt sein
soll, die als die beste Art offenbart wurde, um die Erfindung umzusetzen,
sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen umfasst, die in
den Umfang der beigefügten
Ansprüche
fallen.
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Es
ist ein Windkraftanlagenflügel 108 geschaffen,
der zwei Schalenteile 300, 302 aufweist, die zur
Schaffung eines Windkraftanlagenflügels 108 miteinander
verbunden sind, der einen Innenraum 109 mit einer axialen
Länge aufweist.
Ein Steg 304 ist in dem Innenraum 109 zwischen
den Schalenteilen 300, 302 angeordnet und erstreckt
sich im Wesentlichen über
die axiale Länge
von diesem hinweg. Blitzrezeptoren 306 sind an den Schalenteilen 300, 302 angeordnet,
und ein Leiter 308 ist in dem Innenraum 109 angeordnet.
Der Leiter 308 ist eingerichtet, um mit den Blitzrezeptoren 306 in
Kontakt zu stehen. Ein Schalenteil der beiden Schalenteile 300, 302 weist
einen entfernbaren Abschnitt 316, z. B. einen Stopfen, Rezeptor
oder eine Blende auf, um einen Zugang zu dem gegenüber liegenden
Leiter 308 zu schaffen. Ein Kabel 310, das an
dem Steg 304 montiert ist, ist eingerichtet, um sich im
Wesentlichen entlang der axialen Länge des Windkraftanlagenflügels 108 zu
erstrecken und steht in elektrischer Verbindung mit dem Leiter 308.