-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schutz eines an einem Rotorblatt einer Windkraftanlage angeordneten elektrischen Betriebsmittels gegen Beschädigung durch Blitzeinschlag.
-
Windkraftanlagen sind aufgrund ihrer Größe mit Turmhöhen von 140 m sowie Rotorkreisdurchmessern von 120 m und der dadurch bedingten Form häufig dem Risiko von Blitzeinschlägen ausgesetzt. Gerade die Rotorblätter oder ein auf der Spitze des Turms der Windkraftanlage befindliche Gondel sind aufgrund ihrer exponierten Lage für einen derartigen Einschlag prädestiniert.
-
Bei heutigen Windkraftanlagen sind daher in den Rotorblättern Rezeptoren vorgesehen, die die Energie des Blitzeinschlags von den Rotorblättern über die Rotornabe an eine an die Windkraftanlage angeschlossene Erdungsanlage ableiten, um dadurch Schaden an elektrischen und mechanischen Bauteilen der Windkraftanlage zu vermeiden. Neben derartigen Rezeptoren zur Ableitung der Blitzströme sind in den Rotorblättern der Windkraftanlagen oftmals elektrische Betriebsmittel vorgesehen, beispielsweise aufgrund der großen Höhen der Windkraftanlagen von 200 m benötigte Beleuchtungen für die Rotorblattspitzen oder aber auch Heizungen für die Rotorblätter, um insbesondere die Rotorblätter in kühleren Jahreszeiten vor Schaden zu bewahren. Daneben können auch elektrische Mess- und Überwachungsinstrumente in den Rotorblättern vorgesehen sein.
-
Schlägt nun ein Blitz in ein derart ausgestaltetes Rotorblatt ein, können Störlichtbögen zwischen vorgenannten Betriebsmitteln und mit den Rezeptoren verbundenen Blitzstromableitern entstehen. Die im Inneren des Rotorblattes entstehenden Störlichtbögen bewirken einen steilen Druckanstieg, der zu signifikanten Beschädigungen des Rotorblattes führen kann und oftmals eine dauerhafte Formveränderung des Rotorblattes bewirkt, so dass ein weiterer Betrieb des formveränderten Rotorblattes nicht mehr möglich ist.
-
Eine sofortige Abschaltung der Windkraftanlage ist dann erforderlich und ein Austausch des Rotorblattes und der typischerweise ebenfalls durch den Blitzeinschlag zerstörten elektrischen Betriebsmittel wird notwendig. Neben den Kosten für die Reparatur, die neben den reinen Materialkosten für den Austausch der beschädigten Teile auch aufgrund der großen Höhen der Windkraftanlagen nur sehr aufwändig zu tätigen ist, bedeutet der durch Blitzeinschlag verursachte Stillstand der Windkraftanlage vor allem eine hohe finanzielle Einbuße für den Betreiber, da kein Strom in das Netz eingespeist werden kann.
-
Aus der Praxis sind auf Überspannungsableitern basierende Schutzkonzepte für die in den Rotorblättern der Windkraftanlage vorgesehenen Betriebsmittel bekannt, die jedoch aufgrund der bei Blitzeinschlägen typischerweise zu erwartenden hohen Energiemengen meist nicht ausreichen, um die vorab beschriebenen zerstörenden Störlichtbögen verlässlich zu unterbinden.
-
Aus der
WO 2010/136151 ist ein Rotorblatt für eine Energieerzeugungsanlage bekannt, wobei das Rotorblatt eine elektrisch betreibbare Sensoreinrichtung umfasst und wobei die elektrisch betreibbare Sensoreinrichtung durch Einstrahlen elektromagnetischer Strahlung mit Energie versorgbar ist.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, die bei einem Blitzeinschlag in ein Rotorblatt oder eine Gondel einer Windkraftanlage eine Beschädigung elektrischer Betriebsmittel verhindert.
-
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
Insofern ist eine Lösung der Erfindung eine Vorrichtung zum Schutz eines in einem Rotorblatt einer Windkraftanlage angeordneten elektrischen Betriebsmittels gegen Beschädigung durch Blitzeinschlag, mit einem Isolationsmittel zum elektrischen Isolieren gegenüber Erdpotential der zum Betreiben des Betriebsmittels benötigten elektrischen Energie und mit dem Rotorblatt und/oder einer Rotornabe, wobei das Isolationsmittel in dem Rotorblatt bzw. in der Rotornabe angeordnet ist.
-
Es ist also ein wesentlicher Punkt der Erfindung, dass das elektrische Betriebsmittel, das vorzugsweise an einem Rotorblatt bzw. an der Rotornabe der Windkraftanlage angeordnet ist, und beispielsweise eine Rotorblattspitzen-Beleuchtung, eine Rotorblatt-Begleitheizung oder andere aus dem Stand der Technik bekannte elektrische Betriebsmittel für eine Windkraftanlage umfasst, elektrisch isoliert gegen Erdpotential betrieben wird. Das bedeutet, dass die zum Betrieb des Betriebsmittels benötigte elektrische Energie vorzugsweise durch eine in der Windkraftanlage vorgesehene Energieversorgung bereitgestellt wird und von dem Isolationsmittel elektrisch isoliert vom Erdpotential dem Betriebsmittel zugeleitet wird. Mit anderen Worten stellt die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Potentialtrennung zwischen Erdpotential und dem Betriebsmittel zur Verfügung.
-
Dabei kann das Rotorblatt und/oder die Rotornabe, welche ebenfalls eine Rotorwelle umfassen kann, als ein beliebiges aus dem Stand der Technik bekanntes Rotorblatt bzw. als eine beliebige aus dem Stand der Technik bekannte Rotornabe ausgestaltet sein. Ganz besonders ist bevorzugt, dass das Isolationsmittel innerhalb des Rotorblattes bzw. innerhalb der Rotornabe angeordnet ist, vorzugsweise also vollständig in dem Rotorblatt bzw. in der Rotornabe vorgesehen ist und durch eine derartige Ausgestaltung nur sehr geringen Platz benötigt. Nach einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung ebenfalls das elektrische Betriebsmittel, welches vorzugsweise hinsichtlich der erforderlichen Trennungsabstände derart konstruiert ist, um bei einem Blitzeinschlag in die Windkraftanlage unversehrt zu bleiben, also durch den Blitzeinschlag keine mechanischen und/oder elektrischen Beschädigungen zu erfahren. In analoger Weise betrifft die Erfindung auch eine Vorrichtung zum Schutz eines an bzw. innerhalb einer Gondel oder einem Gerätehaus einer Windkraftanlage angeordneten elektrischen Betriebsmittels gegen Beschädigung durch Blitzeinschlag. Vorzugsweise kann das Isolationsmittel auch an dem Rotorblatt bzw. an der Rotornabe angeordnet sein.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Systemen, bei denen die in dem Rotorblatt einer Windkraftanlage angeordneten elektrischen Betriebsmittel durch Überspannungsableiter gegen Blitzeinschlag geschützt werden, den enormen Vorteil, dass die Bildung von Störlichtbögen zwischen dem Rotorblatt bzw. in dem Rotorblatt angeordneten Rezeptoren zur Ableitung des Blitzstroms bereits im Grundsatz dadurch verhindert wird, dass die Betriebsmittel elektrisch isoliert gegenüber Erdpotential betrieben werden. Denn durch das erfindungsgemäße Vorsehen des Isolationsmittels zwischen dem elektrischen Betriebsmittel und der Energieversorgung des elektrischen Betriebsmittels kann kein geschlossener Stromkreis entstehen, somit also auch kein Störlichtbogen zwischen dem Blitzstrom und dem Betriebsmittel bzw. der Energieversorgung des Betriebsmittels entstehen.
-
Das bedeutet, dass durch die Erfindung auch die zerstörerischen Wirkungen von Störlichtbögen verhindert werden, also das Risiko von Zerstörung des Rotorblattes und/oder der elektrischen Betriebsmittel eliminiert ist. Dadurch werden kostspielige Reparaturen sowie Betriebsausfall aufgrund von Blitzeinschlag vermieden. Dabei ist ganz besonders bevorzugt, dass das Isolationsmittel zum galvanisch elektrischen Isolieren gegenüber Erdpotential ausgestaltet ist.
-
Es ist also ein wesentlicher Gedanke der Erfindung, dass bei einem Blitzeinschlag die Isolation zwischen den elektrischen Betriebsmitteln und der Energieversorgung des Betriebsmittels nicht zusammenbricht, wobei in diesem Zusammenhang nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen ist, dass die Isolationsfestigkeit des Isolationsmittels derart bemessen ist, dass bei einem Blitzeinschlag das Betriebsmittel gegenüber Erdpotenzial elektrisch isoliert bleibt, und/oder die Isolationsfestigkeit des Isolationsmittels für Nennspannungen ≥ 10 kV und Blitzstoßspannungen ≥ 75 kV, vorzugsweise für Nennspannungen ≥ 20 kV und Blitzstoßspannungen ≥ 125 kV und ganz besonders bevorzugt für Nennspannungen ≥ 30 kV und Blitzstoßspannungen ≥ 145 kV ausgestaltet ist. Mit anderen Worten ist gemäß dieser Ausführungsform vorgesehen, dass das Isolationsmittel eine Blitzstoßspannungsfestigkeit von mehr als 75 kV, 125 kV bzw. 145 kV aufweist.
-
Dabei entsprechen vorgenannte Spannungen vorzugsweise der Norm DIN EN60071-1 (VDE 0111.1) und bedingen zur Sicherstellung der entsprechenden Blitzstoßspannungsfestigkeit eine normkonforme Ausgestaltung des Isolationsmittels, vorzugsweise auf der Lastseite des Isolationsmittels, an der das Betriebsmittel betrieben wird. Durch eine derartige Dimensionierung der Isolationsfestigkeit des Isolationsmittels wird gewährleistet, dass die durch das Isolationsmittel bewirkte Isolation bei einem Blitzeinschlag nicht zusammenbricht, also die in den Rotorblättern und/oder in der Gondel der Windkraftanlage vorgesehenen elektrischen Betriebsmittel nicht durch Störlichtbögen aufgrund von Blitzeinschlag zerstört werden können.
-
Nach einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Isolationsmittel derart ausgestaltet ist, dass durch das Isolationsmittel ein IT-System für die zum Betreiben des Betriebsmittels benötige Energie bereitgestellt wird. Das bedeutet, dass durch das Isolationsmittel dem Betriebsmittel ein Niederspannungsnetz zur elektrischen Stromversorgung bereitgestellt wird, bei dem kein Punkt dieses Niederspannungsnetzes direkt geerdet ist, wie in DIN VDE 0100 Teil 100 – IT-System definiert ist. Dabei weist das Niederspannungsnetz bevorzugt eine Nennspannung von UN = 230 V oder 400 V auf.
-
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Isolationsmittel als Isoliertransformator ausgestaltet. Bei einer derartigen Ausgestaltung beträgt vorzugsweise das Verhältnis der primärseitigen Windungszahl des Isoliertransformators zu der sekundärseitigen Windungszahl des Isoliertransformators ≤ 10 und ≥ 1, vorzugsweise ≤ 5 und ≥ 1, und ganz besonders bevorzugt 1.
-
Dadurch kann der Isoliertransformator besonders klein ausgestaltet werden, somit also innerhalb des Rotorblattes oder innerhalb der Rotornabe angeordnet sein, so dass die erfindungsgemäße Vorrichtung auch bei sehr beengten Platzverhältnissen installiert werden kann. Ferner kann der Isoliertransformator als Drehstrom-Isoliertransformator ausgestaltet sein, bevorzugt jedoch als Einphasen-Isoliertransformator mit einer Einphasen-Wechselspannungswicklung.
-
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Isoliertransformator mit einem Schleifring und/oder mit einem induktiv arbeitenden Übertrager zur primärseitigen und/oder sekundärseitigen Speisung des Isoliertransformators ausgestaltet, wobei der Fachmann die für einen derartigen Übertrager benötigten Übertragungsfrequenzen entsprechend des Luftspalts dimensionieren wird, beispielsweise Übertragungsfrequenzen im Bereich von 20 kHz vorsehen wird.
-
Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin gelöst durch eine Windkraftanlage, mit einer Vorrichtung wie vorab beschrieben, einem Rotorblatt und einem in dem Rotorblatt angeordneten elektrischen Betriebsmittel. Dabei kann das Rotorblatt grundsätzlich als beliebiges aus dem Stand der Technik bekanntes Rotorblatt ausgestaltet sein, wobei das elektrische Betriebsmittel, welches neben einer Beleuchtung oder einer Heizung ebenfalls elektrische Messsysteme mit aktiven und/oder passiven elektrischen Bauteilen umfassen kann, vorzugsweise innerhalb des Rotorblattes angeordnet ist, damit die Aerodynamik des Rotorblattes nicht durch das Vorsehen des Betriebsmittels beeinflusst wird.
-
Ganz besonders bevorzugt umfasst das Betriebsmittel eine Rotorblattbeleuchtung und/oder eine Rotorblattheizung. Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein in dem Rotorblatt angeordneter Rezeptor vorgesehen, der geerdet ist. Dabei ist der Rezeptor vorzugsweise derart ausgestaltet, dass die bei Blitzeinschlag in den Rezeptor freigesetzte Blitzenergie aufgrund der Erdung des Rezeptor vollständig abgeführt wird. Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Isolationsmittel zur Potentialtrennung zwischen dem Betriebsmittel und Erdpotential ausgestaltet.
-
Weitere Ausführungsformen und Vorteile der erfindungsgemäßen Windkraftanlage ergeben sich dem Fachmann in Analogie zur vorab beschriebenen Vorrichtung.
-
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand einer bevorzugten Ausführungsform näher erläutert.
-
Es zeigen:
-
1 eine Windkraftanlage mit einer Vorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Ansicht,
-
2 ein Isoliermittel gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Ansicht,
-
3 ein Rotorblatt der Windkraftanlage mit der Vorrichtung gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Ansicht, und
-
4 ein Ausschnitt eines Rotorblattes der Windkraftanlage gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Ansicht.
-
Die 1–3 zeigen eine Vorrichtung zum Schutz eines in einem Rotorblatt 1 einer Windkraftanlage 2 angeordneten elektrischen Betriebsmittels 3 gegen Beschädigung durch Blitzeinschlag gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Ansicht.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist ein Isolationsmittel 4 auf, welches vorliegend als Isoliertransformator 4 ausgestaltet ist. Das Isolationsmittel 4 ist innerhalb der Rotornabe 5 angeordnet und zum elektrischen Isolieren gegenüber Erdpotential der zum Betreiben des Betriebsmittels 3 benötigten elektrischen Energie ausgestaltet. Die Rotornabe 5 ist Teil einer Rotorwelle 6, die das Rotorblatt 1 mit einem Generator 7 zum Erzeugen von elektrischer Energie verbindet. Der Generator 7 ist in einer Gondel 8, auch Gerätehaus genannt, angeordnet, die an der Spitze eines Turms 9 der Windkraftanlage 2 vorgesehen ist.
-
Weiterhin ist in der Gondel 8 eine Energiequelle 10 zur Speisung des Betriebsmittels 3 angeordnet. Dazu weist der Isoliertransformator 4 einen Schleifring 11 auf, um die durch die Energiequelle 10 bereitgestellte Energie über die Rotorwelle 6 dem Isoliertransformator 4 zur Speisung des Betriebsmittels 3 zuzuführen.
-
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass, wie bereits angedeutet, das elektrische Betriebsmittel 3 elektrisch isoliert gegenüber der Energiequelle 10 bzw. weiteren in der Windkraftanlage 2 vorgesehenen Energiequellen, beispielsweise dem Generator 7, ist, somit das Betriebsmittel 3 durch den Isoliertransformator 4 als IT-System betrieben wird. Die Isolationsfestigkeit des Isoliertransformators 4 ist derart dimensioniert, dass bei einem Blitzeinschlag in das Rotorblatt 1 oder in der Gondel 8 das Betriebsmittel 3 weiterhin gegenüber Erdpotential elektrisch isoliert bleibt, also kein Störlichtbogen zwischen dem Betriebsmittel 3 und Erdpotential entstehen kann.
-
Konkret bedeutet das, dass, wie aus 2 ersichtlich, an der Speiseseite des Isoliertransformators 4, also an der Primärseite 12 des Isoliertransformators 4 eine Nennspannung von 230 V oder 400 V anliegt und an der Primärseite 12 die Isolationsfestigkeit zwischen der Primärwicklung 13 und dem Kern 14 des Isoliertransformators 4 gemäß Überspannungskategorie IV mit einer Stoßspannungsfestigkeit von beispielsweise 8 kV ausgestaltet ist. Dazu ist ein Isolierstoffwickelkörper 15 vorgesehen und entsprechend für eine Niederspannungsisolierung von UN = 230 V bzw. 400 V AC ausgestaltet.
-
Die Isolation zwischen der Sekundärwicklung 16 und dem Kern 14 auf der Lastseite des Isoliertransformators 4, also auf der Sekundärseite 17 des Isoliertransformators 4, ist gemäß der zu erwartenden Blitzstoßspannung dimensioniert, vorliegend entsprechend einer Nennwechselspannung von 30 kV, so dass sich eine Blitzstoßspannungsfestigkeit von mehr als 145 kV ergibt. Entsprechend ist der lastseitige Isolierstoffwickelkörper 18 für eine Hochspannungsisolierung ausgelegt, wobei hier aufgrund gleicher primärseitiger 12 sowie sekundärseitiger 17 Windungszahlen die sekundärseitige 17 Nennspannung ebenfalls UN = 230 V bzw. 400 V AC beträgt. Ferner können auf der Lastseite des Isoliertransformators 4 Schutzmaßnahmen gegen Brandgefahr aufgrund von Überlast oder Kurzschluss vorgesehen sein, die je nach Anwendungsfall zu dimensionieren sind.
-
3 zeigt ein Rotorblatt 1 in einer schematischen Ansicht, wobei in dem Rotorblatt 1 drei Betriebsmittel 3 vorgesehen sind, die mit dem Isoliertransformator 4 elektrisch leitend verbunden sind. Die Betriebsmittel 3 enthalten Leuchten, Rotorblattbegleitheizungen, Messsystem, oder andere aus dem Stand der Technik bekannte elektrische Mittel zum Vorsehen in einem Rotorblatt 1 einer Windkraftanlage 2.
-
Die Isolation der sekundärseitig 17 vorgesehenen Leitungen 19, die die Betriebsmittel 3 und den Isoliertransformator 4 elektrisch leitend verbinden, ist hinsichtlich der bei Blitzeinschlag benötigten Isolationsfestigkeit ausgelegt. Zum Abstützen der Leitungen 19 sind hochspannungsfeste Isolierstützen 20 vorgesehen. Weiterhin weist das Rotorblatt 1 Rezeptoren 21 auf, die geerdet sind und zum Ableiten der bei Blitzeinschlag entstehenden Blitzenergie in dem Rotorblatt 1 ausgestaltet sind.
-
Sofern nun, wie in 4 gezeigt, das Betriebsmittel 3 als Rotorblattheizung ausgeführt ist, sind Bereiche 22 des in das Rotorblatt 1 einlaminierten Meshs 23 um das Betriebsmittel 3 herum freigehalten, um die für die Isolationsfestigkeit bei Blitzeinschlag benötigten Trennungsabstände einzuhalten. Ebenfalls sind unter Verwendung geeigneter Isolierstoffe die Mindestabstände von den zu schützenden elektrischen Betriebsmitteln 3 zu dem mit den Rezeptoren 21 verbundenen und innerhalb des Rotorblattes 1 angeordneten Blitzableiter 24 zu dimensionieren.
-
Im Ergebnis wird eine Vorrichtung bereitgestellt, mit der das Entstehen von Störlichtbögen in einem Rotorblatt 1 einer Windkraftanlage 2 verhindert werden kann, so dass in dem Rotorblatt 1 angeordnete Betriebsmittel 3 durch die Störlichtbögen nicht beschädigt werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Rotorblatt
- 2
- Windkraftanlage
- 3
- Betriebsmittel
- 4
- Isolationsmittel, Isoliertransformator
- 5
- Rotornabe
- 6
- Rotorwelle
- 7
- Generator
- 8
- Gondel
- 9
- Turm
- 10
- Energiequelle
- 11
- Schleifring
- 12
- Primärseite
- 13
- Primärwicklung
- 14
- Kern
- 15
- Isolierstoff-Wickelkörper
- 16
- Sekundärwicklung
- 17
- Sekundärseite
- 18
- Isolierstoffwickelkörper
- 19
- Leitung
- 20
- Isolierstütze
- 21
- Rezeptor
- 22
- Bereich
- 23
- Mesh
- 24
- Blitzableiter
