DE29522152U1 - Blitzableiteranordnung für ein Windradblatt - Google Patents

Blitzableiteranordnung für ein Windradblatt

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Description

BLITZABLEITERANORDNUNG FÜR EIN WINDRADBLATT
Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Blitzableiteranordnung zur Anbringung in einem Windradblatt aus Verbundmaterial, wobei die Anordnung ein elektrisch leitendes Material in oder in der Nähe der Spitze des Blattes aufweist, wobei das Material mit einer Erdverbindung verbunden ist und wobei die Verbindung einen metallischen Leiter aufweist, der sich innerhalb des Blattes erstreckt und der ganz oder teilweise aus einem Metalldraht mit oder ohne Isolationsummantelung besteht.
Bei normalem Schutz von Konstruktionen gegen Blitzschlag werden eine Anzahl bekannter Techniken eingesetzt. Die am häufigsten verwendete Technik weist einen geerdeten Käfig um die Konstruktion auf, die sie schützen soll. In einer vereinfachteren Form kann der Blitzableiter auf einen geerdeten Leiter reduziert werden, der sich über den höchsten Teil der Konstruktion erstreckt, und der Leiter kann gegebenenfalls mit einem oder mehreren vertikalen Vorsprüngen versehen sein.
Ein herkömmlicher Blitzableiter dieser Art ist jedoch beispielsweise auf einem Windrad, bei dem der höchste Punkt das Blatt ist, welches vom Standpunkt der Sicherheit gegen einen Blitzschlag geschützt werden soll, schwierig zu errichten. Die Technik ist im Vergleich mit stationären Konstruktionen insofern kompliziert, als der Teil der Konstruktion, der geschützt werden soll, beweglich ist. Dies bedeutet, daß ein möglicher Blitzschlag nicht so wohl definiert oder vorhersagbar ist und somit schwierig abzuwenden oder abzuleiten ist. Darüber hinaus besteht in Verbindung mit Windradblättern, die
vom Blitz getroffen werden, ein großes Risiko, daß das Blatt einen Schaden erleidet. Dies macht zeitaufwendige Reparaturen notwendig, da ein potentieller Austausch oder eine Reparatur eines Windradblattes kompliziert ist.
In Verbindung mit Verbundmaterialien, aus denen Windradblätter typischerweise gemacht sind, sind Blitzableiteranordnungen in Form von Metallfolie oder -draht bekannt, die (der) in das Blatt laminiert oder durch Klebstoff an ihm befestigt ist. Derartige Blitzableiteranordnungen basieren zumeist auf Leitern, die auf oder in der Oberfläche des Blattes angeordnet sind. Normalerweise ist es somit die Absicht, ein metallisches Netz um die innere Struktur des Blattes zu schaffen, um einen kombinierten longitudinalen Blitzableiter und einen Leiter entlang der rückwärtigen Kante des Blattes zu schaffen. Es ist jedoch all diesen Anordnungen gemein, daß es schwierig ist, die notwendige Querschnittsfläche zu erreichen, ohne dadurch unerwünschte aerodynamische Effekte zu begünstigen, beispielsweise in Form von Lärm und/oder verringerter Effizienz. Darüber hinaus kann es sich als problematisch erweisen, ein metallisches Material zu erhalten, um das Niveau der Spannung in einem Blatt aus Verbundmaterial aufrechtzuerhalten, da das Niveau der Spannung in einem Blatt aus Verbundmaterial normalerweise größer ist als der zulässige Ermüdungseinfluß für ein metallisches Material, und deshalb sind spezielle Anordnungen erforderlich, um Ermüdungsbrüche zu vermeiden. Ohne die notwendige Querschnittsfläche kann es notwendig sein, die Blitzableiteranordnung nach Beeinflussung durch Blitz zu reparieren.
Die WO 84/01673 beschreibt einen Überspannungsschutz in einem Windrad, das eine vertikale Rotationsachse aufweist. Beim Überspannungsschutz dieses Windrades wird von der sehr großen Verringerung elektrischer Potentiale Gebrauch gemacht, welche
auftritt, wenn die elektrischen Potentiale als Funken entladen werden. Die Windradblätter und die Achse, an der die Blätter angebracht sind, sind mit einem beweglichen Teil in Form einer Scheibe ausgestattet, welche Vorsprünge aufweist, die sich um einen Ring drehen, welcher Ring am Rest der Konstruktion des Windrades angebracht ist. Zwischen den Vorsprüngen der Scheibe und dem Ring ist ein kleiner Entladungsspalt vorgesehen. Wenn Überspannung in Form eines Blitzes die Windmühlenräder oder die Achse, an der sie angebracht sind, erfaßt, werden die elektrischen Potentiale danach streben, sich zu neutralisieren, indem sie durch den Rest der Konstruktion des Windrades zum Boden laufen. Bei diesem Vorgang muß das elektrische Potential den Entladungsspalt zwischen dem Vorsprung der Scheibe und dem Ring, der am Rest des Windrades angebracht ist, überwinden. Beim Überwinden des Entladungsspaltes als Funke wird das elektrische Potential auf einen Wert reduziert, der jegliche Zerstörung weiterer Teile des Restes der Konstruktion des Windrades oder jeglicher Personen in der Nähe des Restes der Konstruktion des Windrades eliminiert.
Der Überspannungsschutz dieser Art hat den Vorteil, sehr einfach zu erzeugen zu sein. Jedoch ist aufgrund der Tatsache, daß die Entladung des elektrischen Potentials über einen Funken geschieht, der in einem Entladungsspalt verläuft, die Sicherheit, daß das elektrische Potential verringert wird, etwas begrenzt. Wenn die Überspannung einen geringeren Wert aufweist, dann ist es möglich, daß ein Funke überhaupt nicht in den Entladungsspalt vordringt, und entsprechend wird es gefährlich sein, sich in der Nähe der Windradblätter oder der Achse, an der sie angebracht sind, aufzuhalten. Dies kann extrem gefährlich sein, wenn Personal den Rest der Konstruktion des Windrades betritt, um Wartungsarbeiten am Windrad durchzuführen. Andererseits kann, wenn die Überspannung einen ex-
trem hohen Wert annimmt, der Funke, der im Entladungsspalt verläuft, sehr groß sein, oder es können viele Funken durch den Spalt verlaufen. Dies kann entweder ein extremes Risiko des Ausbruchs von Feuer im Rest des Windrades bewirken, oder es kann eine extreme Überhitzung der Lager oder anderer Teile des Windrades auftreten. Es ist nicht möglich, den Entladungsspalt so einzustellen, daß alle Arten möglicher Blitze durch den Spalt übertragen werden, ohne die vorstehend erwähnten Risiken, daß entweder überhaupt kein Funke überläuft und dadurch die Windradblätter und die Achse im Vergleich zum Rest des Windrades elektrisch aufgeladen gehalten werden, oder das Risiko, daß mehrere Funken im Spalt verlaufen, was eine Überhitzung oder Feuer bewirkt. Darüber hinaus können, wenn die Windradblätter aus einem Harzmaterial gemacht sind, ernsthafte Schäden bei den Windradblättern auftreten, da sie diejenigen sind, die das elektrische Potential zum Vorsprung der Scheibe leiten.
Die DE 44 45 899 beschreibt einen Blitzableiter, der den zuletzt genannten Nachteil des vorstehend erwähnten Standes der Technik überwindet. Eine Anzahl an Leiterdrähten verlaufen entlang der Innenseite der Windradblätter. Die Leiterdrähte steigen in die Rotationsachse der Windradblätter hinein und zu einer Scheibe, die zusammen mit der Achse rotiert. Von der Scheibe wird die Überspannung zu einer Platte geleitet, die unterhalb des Kopfes des Windrades angebracht ist. Die Platte ist elektrisch vom Kopf des Windrades isoliert. Von dieser Platte aus wird die Überspannung zu einem Entladungsspalt zwischen der Platte und dem Windradturm geleitet. Der Kontakt zwischen der Scheibe, die mit der Achse der Windradblätter rotiert, und der Platte wird durch die Scheibe erhalten, die entlang einer in der Platte verwirklichten Krümmung gleitet.
Diese Technik weist dieselben Nachteile wie der vorstehend zitierte Stand der Technik auf, abgesehen von der Tatsache, daß die Windradblätter selbst nicht das elektrische Potential leiten, da dies durch die Anzahl an Leiterdrähten verwirklicht wird. Es ist jedoch für das elektrische Potential aus dem Blitz notwendig, von der Oberfläche der Blätter zur Innenseite vorzudringen, wo die Leiterdrähte verlaufen. Dementsprechend kann immer noch eine gewisse Beschädigung der Windradblätter auftreten. Auch erhöht die Tatsache, daß Leiterdrähte in den Blättern verlaufen, das Risiko, daß ein Blitz die Blätter trifft, in hohem Maße. Abgesehen von den Nachteilen, daß ein Entladungsspalt besteht, um den Wert des elektrischen Potentials zu verringern, schließt jedoch die Tatsache, daß das elektrische Potential von der Scheibe zur Platte durch die Krümmung geleitet werden muß, ein weiteres Risiko einer Fehlfunktion ein. Wenn die Scheibe mit ihrer Kante entlang der Krümmung der Platte rotiert, tritt ein extrem hoher Grad an Verschleiß auf. Dies bedeutet, daß der Kontakt zwischen der Kante der Scheibe und der Krümmung der Platte verringert wird und möglicherweise mit der Zeit aufgrund übermäßigen Verschleisses nicht mehr existiert. Dies bedeutet, daß die spezifische Konstruktion des Kontaktes zwischen der Kante der Scheibe und der Krümmung der Platte sehr oft gewartet werden muß. Wenn dies nicht richtig gemacht wird, gibt es keine Vorhersage darüber, wie der Blitzableiter dieser Konstruktion funktioniert oder ob er überhaupt funktioniert .
Erfahrungen aus Blitzeinschlägen in Windradblättern mit drehbaren Spitzen haben darüber hinaus gezeigt, daß die Blitzleitung sich normalerweise durch die Drähte erstreckt, die die Spitze regulieren, da diese mit der Erde verbunden sind.
Jedoch ist diese Art von Blitzableiterausführung mit einer großen Unsicherheit und einem Sicherheitsrisiko behaftet, wobei der Grund darin liegt, daß die Metallteile nicht immer direkt für den Blitzstrom zugänglich sind.
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Dort, wo Verbundmaterialien, wie z.B. Carbonfaser, als Konstruktionsmaterial für Achsen von Spitzen, auf denen die Spitze rotieren kann, involviert sind, kann der Blitz nicht durchtreten, ohne daß das Material in einem solchen Maße aufgeheizt wird, daß ein Risiko der Beschädigung des Blattes auftritt.
Vorteile der Erfindung
Wie im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 offenbart, wird dadurch, daß die Verbindung zwischen dem elektrisch leitenden Material und der Erde sich nach außen erstreckende Leiter aufweist, die elektrisch mit einem metallischen Leiter verbunden sind, der sich innerhalb des Blattes erstreckt und der ganz oder teilweise aus einem Metalldraht mit oder ohne Isolationsummantelung besteht, ein bisher unbekannt sicherer Blitzschutz für ein Windradblatt erreicht, ohne daß das Risiko besteht, daß das Windradblatt selbst durch den Blitz beschädigt wird.
Es wurde somit gezeigt, daß Blitzschläge, die meistens an der Spitze des Blattes auftreten, durch den Draht zur Erde geleitet werden. Da man hierbei den inneren Leiter sich innerhalb des Blattes erstrecken läßt, werden Nachteile vom Gesichtspunkt der Blattstärke und aerodynamische und akustische Nachteile vermieden.
Darüber hinaus trägt der Draht bei Blättern mit einer drehbaren Spitze dazu bei, die Spitze des Blattes sicher am Blatt zu halten.
Bei Blättern mit einer drehbaren Spitze, bei denen, wie dies in Anspruch 2 offenbart ist, eine Achse der Spitze aus Verbundmaterial verwendet wird, ist es empfehlenswert, die Achse hohl herzustellen und den inneren Leiter sich innerhalb der Aushöhlung erstrecken zu lassen. Auf überraschend einfache Weise wird der Blitz durch die Achse geleitet, ohne daß das Risiko besteht, daß die Achse oder ihre Umgebung durch Hitze beeinflußt wird, und deshalb besteht keine Notwendigkeit für andere elektrische Leiter, die den Strom um die Achse führen können.
Wie dies in Anspruch 3 offenbart ist, wird dadurch, daß der innere Leiter ganz oder teilweise aus einer elektrisch leitenden Spitzenachse besteht, erreicht, daß die Blitzableiteranordnung für bekannte Systeme mit Metallspitzenachsen ohne jegliche große Rekonstruktion und Anpassung der Technik verwendet werden kann.
Schließlich ist es, wie dies in Anspruch 4 offenbart ist, empfehlenswert, anschließend den Blitzableiter auf Blättern mit drehbaren Spitzen und mit metallischen Spitzenachsen anbringen zu können, indem die Spitzenachse mit einem Metalldraht verbunden ist, der innerhalb des Blattes angebracht und geerdet ist.
Die Zeichnung
Im folgenden Abschnitt werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung detaillierter mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben, in der
Fig. 1 eine bekannte Windmühle mit drehbaren Spitzen zeigt,
Fig. 2 eine Ausführungsform eines Blattes mit fester Spitze zeigt,
Fig. 3 einen Querschnitt des Blattes, in Richtung III-III in Fig. 2 gesehen, zeigt,
Fig. 4 eine weitere Ausführungsform eines Blattes mit drehbarer Spitze zeigt und
Fig. 5 eine weitere Ausführungsform eines Blattes mit drehbarer Spitze zeigt.
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Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen
In Fig. 1 ist ein herkömmliches Windrad zu sehen, bei dem die Windradblätter 1 in einer Radnabe 3 aufgehängt sind, die ihrerseits auf einem Turm 2 verankert ist.
In Fig. 2 ist eine erfindungsgemäße Ausführungsform zu sehen, bei der zwei Blitzleiter 4a, 4b, die aus einem elektrisch leitenden Material bestehen, mit einem inneren Leiter 6 verbunden sind, der aus einem Stahldraht besteht. Der innere Leiter 6 ist an der (nicht gezeigten) Radnabe 3 verankert und elektrisch mit ihr verbunden. In der gezeigten Ausführungsform sind zwei Blitzleiter 4a und 4b angebracht, die von der Spitze des Windradblattes 1 aus nach außen vorstehen.
In Fig. 3 ist ein Querschnitt des Windmühlenblattes 1 von Fig. 2 zu sehen, das in der Richtung III-III zu sehen ist, in dem der innere Leiter 6 sich in der Nähe der neutralen Achse des Blattes erstreckt.
Die beiden Blitzleiter 4a, 4b, die an der Spitze des Blattes 1 angeordnet sind, sind ausreichend, um das gesamte Windradblatt 1 zu schützen, da die Erfahrung zeigt, daß ein Blitz am häufigsten an der Spitze des Blattes einschlägt. Wenn das
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Blatt getroffen wird, fließt der Blitz somit von den Blitzleitern 4a, 4b über den inneren Leiter 6 zur Radnabe 3 (nicht gezeigt) . Von der Radnabe 3 wird der Blitz weiter zur Erde geleitet. Das Ergebnis des inneren Leiters 6, der so angeordnet ist, besteht darin, daß das Blatt seine ursprüngliche Stärke und seine dynamischen Merkmale beibehält, zusammen mit einer effektiven Erdung des Blitzes.
In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform für ein Blatt mit drehbarer Spitze 1' gezeigt, die auf einer Spitzenachse 10 aus Verbundmaterial angeordnet ist. Ein Blitzleiter 4', der aus einem Metallstab besteht, erstreckt sich, um einen Punkt zu bilden, gegen ihre rückwärtige Kante. Der Blitzleiter 4' ist über ein Loch 8 und einen Anschluß 9 mit einer Blattspitze I1 mit einem inneren Leiter verbunden. Der innere Leiter 6 erstreckt sich zur Nabe des Rades innerhalb einer Aushöhlung in der Spitzenachse 10, wobei die Spitzenachse 10 im Blatt 1 gesichert ist. Die Spitzenachse 10 ist durch einen Anschluß 14 mittels einer Sicherungsscheibe 13 und einer Mutter 12 mit einer Führung 11 verbunden, und die Führung 11 ist mit einem Stahldraht 6, der durch eine durchbrochene Linie angedeutet ist, mit der Radnabe und von dort zur Erde verbunden.
Die tatsächliche Erdung des Blitzes mit der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform findet in genau derselben Weise wie beim in Fig. 2 gezeigten System statt, indem der Blitz vom Lichtleiter 4' über den inneren Leiter 6 gegen eine Erdverbindung am Fuß des Blattes fließt. Hierdurch wird eine permanente und effektive elektrische Leitung des Blitzes zur Erde gewährleistet, und der Blitz kann ohne jeden Schaden sowohl an der Spitze oder ihrer Aufhängung oder dem Rest des Blattes übertragen werden.
Die stromlinienförmige Konfiguration des Blitzleiters 4' trägt dazu bei, dem Blatt einen weiteren Vorteil zu verleihen, der darin besteht, daß ein Blatt 1, das mit diesem stromlinienförmigen Blitzleiter in der Spitze des Blattes konstruiert ist, dem Blatt eine verbesserte Effizienz und eine geringere Geräuschemission verleiht.
Der innere Leiter 6 dient auch dazu, die drehbare Spitze 1' am Blatt 1 selbst zu sichern.
In Verbindung mit dem Schutz eines Windradblattes 1 mit drehbarer Spitze 1' ist die Erfindung insbesondere darin vorteilhaft, daß der Schutz in der Spitze I1 des Blattes implementiert ist, und darin, daß die Erdung über einen inneren Leiter 6 stattfindet, der sich innerhalb der Spitzenachse 10 erstreckt. Ein möglicher Blitzschlag kann somit durch den inneren Leiter 6 geerdet werden, ungeachtet der Tatsache, ob die drehbare Spitze 1' gedreht wird oder nicht.
In Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform für ein Blatt mit drehbarer Spitze zu sehen. Ein Blitzleiter 4" ist in der Spitze einer drehbaren Blattspitze 1' angebracht, die mit einem Führungsrohr 18 versehen ist, welches mit einer Spitzenachse 15 verbunden ist, wobei diese Teile vorzugsweise aus Edelstahl hergestellt sind.
Die Spitzenachse 15 ist am Blatt 1 gesichert, indem sie mit einem Paar Stützen 16 versehen ist, die in das Blatt laminiert sind.
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Ein innerer Leiter 6, der aus einem Edelstahldraht besteht, ist mit der Spitzenachse 15 über eine Klammer 17 verbunden und erstreckt sich gegen die Verankerung des Windradblattes für die Erdung nach innen.
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Die gezeigte Ausführungsform ist insbesondere in Verbindung mit dem nachfolgenden Anbringen eines Blitzableiters auf einem Windradblatt 1 vorteilhaft, da die bestehenden Installationen leicht verwendet oder ersetzt werden können.
Der Blitzleiter 4" selbst kann somit leicht insofern angebracht werden, als dieser nur anstelle eines Verschlußbolzens, der an derselben Stelle auf einem bestehenden Blatt sitzt, erforderlich macht.
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Claims (4)

1. Blitzableiteranordnung zur Anbringung in einem Windradblatt aus Verbundmaterial, wobei die Anordnung ein elektrisch leitendes Material in oder in der Nähe der Spitze des Blattes aufweist, wobei das Material mit einer Erdverbindung verbunden ist und wobei die Verbindung einen metallischen Leiter (6, 15) aufweist, der sich innerhalb des Blattes (1, 1') erstreckt und der ganz oder teilweise aus einem Metalldraht mit oder ohne Isolationsummantelung besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Blitzableiter eine Anzahl von Leitern (4a, 4b, 4', 4") aufweist, die sich von der Spitze des Windradblattes und nach außen erstrecken, und daß die sich nach außen erstreckenden Leiter elektrisch mit dem metallischen Leiter (6) verbunden sind, der sich in dem Blatt erstreckt.
2. Blitzableiteranordnung nach Anspruch 1, wobei das Blatt mit einer drehbaren Spitze versehen ist, die auf einer Spitzenachse angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitzenachse (10) aus einem Verbundmaterial hergestellt und mit einer durchgehenden Aushöhlung ausgestaltet ist und daß sich der innere Leiter (6) innerhalb dieser Aushöhlung erstreckt.
3. Blitzableiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitzenachse (15) aus einem elektrisch leitenden Metall hergestellt ist, das als der innere Leiter wirkt.
4. Blitzableiteranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitzenachse (15) nach anschließender Anbringung des Blitzableiters mit einem Metalldraht (6) verbunden wird, der in das Blatt (1) eingefügt wird und als der innere Leiter wirkt.
DE29522152U 1994-09-07 1995-09-07 Blitzableiteranordnung für ein Windradblatt Expired - Lifetime DE29522152U1 (de)

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