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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen einer Blitzableitereinrichtung und eine solche Blitzableitereinrichtung.
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Stand der Technik
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Unter einem Blitz ist eine natürliche Funkentladung zwischen verschieden geladenen Wolken oder zwischen einer Wolke und der Erde zu verstehen. Blitze bedeuten für Objekte, wie bspw. Gebäude und Fahrzeuge, sowie für Menschen und Tiere eine Gefährdung. Daher werden Vorrichtungen zum Schutz, insbesondere in Gebäuden, eingesetzt. Es ist bspw. der Einsatz von Blitzableitern bekannt, die regelmäßig aus Fangleitungen, Gebäudeleitungen und Erdleitungen bestehen. Die Gebäudeleitungen verbinden die Fangleitungen mit den Erdleitungen. Die Wirkung eines Blitzableiters besteht darin, dass der Blitz stets den am besten leitenden Weg wählt.
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Im Jahr 2010 wurden 1.349.049 Blitze in Deutschland registriert. Jedoch schlagen nur 10 % aller Blitze in den Boden ein. Allerdings verursacht dieser Bruchteil jedes Jahr Schäden in Höhe von mehreren Millionen Euro. So sind Blitzeinschläge für Haus- und Waldbrände verantwortlich oder zerstören elektronische Geräte. Als besonders gefährdet werden hohe, freistehende Bauwerke aus Metall eingestuft. Dazu zählen nicht nur Funk- und Hochspannungsmasten, sondern auch zunehmend Windenergieanlagen. Inzwischen werden in Deutschland mehr als 22.000 solcher Anlagen mit steigender Tendenz betrieben.
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Die Unberechenbarkeit der Blitze stellt für die Windenergie-Branche ein schwerwiegendes Problem dar. Blitzeinschläge in Windenergieanlagen führen bspw. dazu, dass beschädigte Rotorblätter brechen und regelmäßig vollständig ausgetauscht werden müssen. Doch nicht immer ist der Schaden nach einem Unwetter offensichtlich. So kann ein Einschlag auch feinste Risse im Blatt oder Verschmelzungen in der Mechanik hinterlassen. Für Windpark-Betreiber bedeutet diese Ungewissheit, dass die Anlagen in kurzen Zeitabständen regelmäßig geprüft werden müssen. Dies ist insbesondere bei Offshore-Anlagen sehr zeit- und kostenintensiv.
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Um eine dauerhafte Verfügbarkeit der Windenergieanlage und besonders ihrer elektrischen Komponenten zu gewährleisten, ist ein ausreichendes Blitz- und Überspannungskonzept notwendig. Die Kosten hierfür belaufen sich auf ca. 1% der Gesamtinvestitionssumme der Anlage. Neuanlagen sind größtenteils mit einem Blitzschutzkonzept ausgestattet, dies kann jedoch in vielen Fällen noch verbessert werden. Dabei tritt der Schutz von Elektronik und Elektrik immer mehr in den Vordergrund. Anlagen mit Turmhöhen von bis zu 90 m und einem Rotordurchmesser von 70 m erleiden jährlich, je nach Standort, rund 10 Blitzeinschläge. Insbesondere ist hierbei von Bedeutung, zeitnah Informationen über Blitze zu liefern.
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Es ist bekannt, Blitzeinschläge zu überwachen, indem Magnetfelder entweder direkt oder indirekt (Faraday Effekt) analysiert werden. So werden z. B. gepulste Lichtsignale durch eine Glasfaser geleitet, die durch das beim Blitzeinschlag entstehende Magnetfeld beeinflusst werden.
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Zu beachten ist, dass verschiedene Blitzableitersysteme bzw. -einrichtungen existieren, die in den Rotorblättern, bspw. in denn Metallprofile, -seilen oder Leitungen im Innern des Rotorblatts, verlaufen. Weiterhin sind Kupferdrähte, die auch als Meshes bezeichnet werden, in den Blattflächen oder Metallprofile in den Blattkanten bekannt. Ziel ist immer, die Energie des in der Regel an der Blattspitze einschlagenden Blitzes abzuleiten und eine Beschädigung anderer Komponenten der Windenergieanlage (WEA) zu vermeiden. An der Blattspitze kommen verschiedene Blitzrezeptoren zum Einsatz. So sind Geflechte aus Kupferdrähten, austauschbare Metallspitzen und -kappen, austauschbare Metallrezeptoren oder Metallprofile in den Blattkanten bekannt.
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Ein häufiges Problem stellen defekte Blitzableitereinrichtungen dar, die dazu führen, dass die Energie, die bei einem Blitzeinschlag freigesetzt wird, nicht über die Blitzableitereinrichtung abgeleitet wird, sondern durch andere Komponenten der Windenergieanlage fließt und diese dabei stark beschädigt oder sogar zerstört.
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Die Druckschrift
DE 10 2010 014 358 A1 beschreibt ein Verfahren zum Verlängern der Betriebslebensdauer einer Windenergieanlage. Dabei wird eine Gesamt betrachtung aller Komponenten der Anlage vorgenommen, wobei eine umfassende statistische Auswertung aller wesentlichen Komponentenschäden sowie der zugehörigen, nach Schadensklassen aufgeschlüsselten Reparaturkosten enthalten ist. Als eine von vielen Maßnahmen zur Schadenserkennung wird beschrieben, dass mit Hilfe von Widerstandsmessungen Schäden an einem Blitzableiter und an Blattlagern festgestellt werden können, wobei dies manuell von außen durchgeführt werden muss.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Blitzableitereinrichtung gemäß Anspruch 10 vorgestellt. Ausführungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
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Es wird somit ein Verfahren vorgestellt, mit dem ein Zustand einer Blitzableitereinrichtung überwacht werden kann. Hierzu ist mindestens eine Prüfeinheit der Anlage zugeordnet, d. h. diese kann bspw. in der Anlage oder in unmittelbarer Nähe der Anlage vorgesehen sein. Dieses mindestens eine Prüfeinheit ist der Anlage und folglich auch der Blitzableitereinrichtung in der Anlage fest zugeordnet. Somit ist es nicht erforderlich, manuell von außen vorzugehen, sondern es kann automatisiert, ohne Aktion bzw. Zutun eines Nutzers die Überwachung vorgenommen werden.
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Diese Überwachung kann in regelmäßigen Abständen durchgeführt werden. Alternativ oder ergänzend kann diese Überwachung auch nach bestimmten Ereignissen, bspw. nach einem Blitzeinschlag, durchgeführt werden. Auf diese Weise kann festgestellt werden, ob ein Schaden enstanden ist. Werden mehrere Prüfeinheiten eingesetzt werden, kann ein aufgetretener und festgestellter Schaden lokalisiert werden d. h. es kann festgestellt werden, an welcher Stelle der Schaden aufgetreten ist. Weiterhin ist es möglich, eine Nachricht zu generieren, die Informationen zu einem aufgetretenen Schaden, insbesondere zur Art des Schadens und zum Ort bzw. der Stelle des Schadens, enthält. Diese Nachricht kann bspw. an eine zentrale Einheit, die bei der Anlage oder auch entfernt angeordnet ist, gesendet werden. Es können dann geeignete Gegenmaßnahmen eingeleitet werden.
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Es wird weiterhin eine preiswerte und einfache Blitzableitereinrichtung vorgestellt, welche die Überprüfung ihres Zustands bspw. in regelmäßigen Abständen ermöglicht. Somit können Schäden an der Blitzableitereinrichtung erkannt und an den Betreiber übermittelt werden. Ein frühzeitiger Austausch der defekten Blitzableitereinrichtung kann erfolgen und eine kostspielige Beschädigung der Windenergieanlage vermieden werden. Die Einrichtung stellt somit eine sinnvolle Ergänzung für vorhandene Zustandsüberwachungssysteme bzw. Condition Monitoring Systeme dar.
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Das vorgestellte Verfahren und die beschriebene Blitzableitereinrichtung haben, zumindest in einigen der Ausführungen, eine Reihe von Vorteilen:
- – sichere Erkennung von Schäden an der Blitzableitereinrichtung,
- – kostengünstiges System,
- – Echtzeit-Prüfung der Blitzableitereinrichtung,
- – Kontaktierung des Betreibers, bspw. über GSM,
- – Integration der Anordnung in das Condition Monitoring System der Anlage,
- – frühzeitige Benachrichtigung des Servicepersonals,
- – frühzeitige Wartung,
- – Vermeidung von Schäden aufgrund eines Defektes in der Blitzableitereinrichtung,
- – eine zusätzliche Prüfeinheit kann erweiterte Funktionen übernehmen, wie bspw. Anzahl der Blitzeinschläge zählen, Blitzintensität ermitteln usw.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt in schematischer Darstellung eine Windenergieanlage mit einer Blitzableitereinrichtung.
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2 zeigt eine weitere Ausführung der Blitzableitereinrichtung.
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3 zeigt eine Ausführung einer Prüfeinheit.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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1 zeigt eine Anlage 10, in diesem Fall eine Windenergieanlage, die mit einer Blitzableitereinrichtung 12 ausgestattet ist. diese Blitzableitereinrichtung 12 umfasst zwei Blitzableiter 14 und 16, die an einer Blattspitze 18 miteinander verbunden sind. Die Darstellung zeigt weiterhin eine Rotornabe 20, eine Blattverstellung 22, zwei Rotorblätter 24, ein Getriebe 26, eine Bremse 28, Messinstrumente 30, einen Generator 32, eine Gondel 34, eine Windrichtungsnachführung 36, einen Aufstieg 38, einen Turm 40, einen Netzanschluss 42 und ein Fundament 44. Selbstverständlich kann das vorgestellte Verfahren auch bei einer getriebelosen Anlage durchgeführt werden.
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Von Bedeutung ist, dass die Blitzableitereinrichtung 12 mindestens zwei parallel verlaufenden Blitzableitern 14 und 16 umfasst. Im Falle eines Blitzeinschlages wird die freigesetzte Energie über beide Blitzableiter 14 und 16 abgeleitet. Die Leiter 14, 16 sind so zu dimensionieren, dass die gemeinsame Leitfähigkeit des Materials in der Lage ist, die Energie abzuleiten. Dies bedeutet, dass der jeweilige Leitungsquerschnitt geringer sein kann als bei einer Blitzableitereinrichtung mit nur einem Leiter. Die Materialmehrkosten sind daher gering. Dabei können die beiden Blitzableiter 14 und 16 so ausgeführt sein, dass diese in gleichem Maße die Energie ableiten. Es kann aber auch ein Hauptleiter vorgesehen sein, der mehr Energie als ein weiterer Nebenleiter, der auch als Messleiter dienen kann, ableitet.
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An den Spitzen 18 der Rotorblätter 24 sind die beiden Blitzableiter 14 und 16 miteinander verbunden bzw. in geeigneter Anordnung an den Rezeptorstrukturen befestigt. Eine Rezeptorstruktur dient dazu, den Blitz einzufangen. Diese kann unterschiedlich ausgelegt sein, bspw. durch Metallnetze, Seile, Leiter, Metallprofile usw. Je nach gewählter Rezeptorstruktur fällt die elektrische Kontaktierung unterschiedlich aus. Es bietet sich an, wenn die Kontaktierung in einer Art und Weise erfolgt, dass auch noch die Intaktheit der Rezeptorstruktur geprüft werden kann. Eine mögliche Umsetzung ist eine hufeisenförmige Auswölbung der vorgestellten Blitzableitereinrichtung an der Spitze des Rotorblatts, das die Blitze auffängt. Ein Defekt dieser Rezeptotstruktur lässt sich durch die Unterbrechung sofort nachweisen.
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Die Blitzableiter 14, 16 sind so befestigt, dass die Leitfähigkeit des Rezeptors bzw. der Rezeptorstruktur über eine maximal mögliche Strecke mit geprüft wird und ein potentieller Schaden am Rezeptor ebenfalls entdeckt werden kann. Über mindestens eine Prüfeinheit 50, die optional im Rotorblatt 24, in der Rotornabe 20, in der Gondel 34 oder im Turm 40 untergebracht wird, kann in regelmäßigen Abständen über eine geeignete Schaltung der obere Teil der Blitzableitereinrichtung 12 kurzgeschlossen und der Widerstand der Blitzableiter 14, 16 bzw. des durch die beiden gebildeten Leiters ermittelt werden. Die Prüfeinheiten 50 können auch im Turmfuß oder außerhalb des Turms 40 angeordnet sein. Aus dem gemessenen Wert kann eine Aussage darüber getroffen werden, ob die Funktionalität des Blitzableiters 14 bzw. 16 gewährleistet ist. Ist die Blitzableitereinrichtung 12 oder die Rezeptoreinheit beschädigt, wird ein unendlich hoher Widerstand, bei vollkommener Unterbrechung, oder ein erhöhter Widerstand bei Beschädigung gemessen. Durch die Integration mehrerer Prüfeinheiten 50 ist auch eine Lokalisierung des Schadens durch Abgleich der Werte möglich. Neben einer Messung einer elektrischen Größe, bspw. einer Widerstandsmessung, sind auch andere Testschaltungen bzw. Testmethoden denkbar, um die Funktionalität der Blitzableitereinrichtung 12 zu prüfen.
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Das Verfahren wird in 1 in Zusammenhang mit einer Windenergieanlage gezeigt. Dieses kann grundsätzlich bei einem Gebäude, einem Fahrzeug, einem Luft-, Wasser- oder Landfahrzeug, oder irgendeinem Objekt durchgeführt werden, das Blitzen ausgesetzt sein kann und vor den Auswirkungen dieser geschützt werden muss.
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Zu beachten ist, dass auch mehr als zwei Blitzableiter 14, 16, bspw. drei, vier oder fünf, vorgesehen sein können. Mit der Prüfeinheit 50 können dann alle oder beliebige Kombinationen der Blitzableiter kurzgeschlossen und überprüft werden.
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2 zeigt eine Ausführung einer Blitzableitereinrichtung, die insgesamt mit der Bezugsziffer 60 bezeichnet ist. Diese umfasst einen ersten Blitzableiter 62 und einen zweiten Blitzableiter 64, die parallel zueinander verlaufen. An einer Stelle 66 sind diese miteinander verbunden. Es sind weiterhin eine erste Prüfeinheit 68 und eine zweite Prüfeinheit 70 vorgesehen. Mit diesen können die beiden Blitzableiter 62 und 64 miteinander verbunden bzw. kurzgeschlossen werden.
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Wird bspw. mit der ersten Prüfeinheit 68 ein Kurzschluss zwischen den beiden Blitzableitern 62 und 64 herbeigeführt, so kann ein Abschnitt 72, der Bereich zwischen der Stelle 66 und der ersten Prüfeinheit 68, überprüft werden. Hierzu wird eine elektrische Größe aufgenommen. Es wird bspw. eine Widerstandsmessung vorgenommen. Damit kann überprüft werden, ob die beiden Leiter 62 und 64 noch intakt sind.
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Die Prüfeinheit 68 kann jedoch auch die beiden Blitzableiter 62 und 64 nicht direkt kurzschließen, sondern eine Widerstandsmessung durchführen, d. h. eine Spannung anlegen und einen Strom messen. Hierzu kann noch ein zusätzlicher Widerstand in Reihe eingebaut werden, damit die Ströme reduziert werden. Die Prüfeinheit 68 sollte entsprechend ausgelegt sein.
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Um den gezeigten Abschnitt der Blitzableitereinrichtung 60 separat zu testen, kann eine Vorrichtung in der Prüfeinheit 68 vorgesehen sein, welche die eigentlichen Blitzableiter-Leitungen im Abschnitt 72 unterbricht und den Abschnitt zwischen Prüfeinheit 68 und 70 kurzschließt. Über die Prüfeinheit 70 wird dann eine Widerstandsmessung in diesem Abschnitt durchgeführt. Es bietet sich hierfür an, den Abschnitt rechts von der Prüfeinheit 70 zu entkoppeln.
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Ggf. können auch Rezeptorstrukturen bei der Blitzableitereinrichtung 60 mit dem Verfahren überprüft werden.
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In 3 ist eine Ausführung einer Prüfeinheit dargestellt, die insgesamt mit der Bezugsziffer 100 bezeichnet ist. Diese ist an einen ersten Blitzableiter 102 und einen zweiten Blitzableiter 104 gekoppelt. Zu erkennen sind eine Anzahl von Schaltern 106, mit denen unterschiedliche Leitungsabschnitte der beiden Blitzableiter 102 und 104 zu verbinden bzw. voneinander zu trennen sind. Weiterhin ist ein Messgerät 108 vorgesehen, mit dem bspw. eine Widerstandsmessung vorgenommen werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010014358 A1 [0009]
