DE602005003784T2 - Blitzableiter zur leitung eines durch blitze verursachten elektrischen stroms und herstellungsverfahren dafür - Google Patents

Blitzableiter zur leitung eines durch blitze verursachten elektrischen stroms und herstellungsverfahren dafür Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Blitzableiters zum Ableiten eines von einem Blitz verursachten elektrischen Stroms, der auf Strukturen wie etwa Blättern von Windturbinen, Flugzeugkomponenten, Antennenkuppeln und ähnlichem zum Zwecke des Blitzschutzes anzubringen ist. Die vorliegende Erfindung betrifft weiter die Gestalt eines Blitzableiterstreifens.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Die ansteigende Entwicklungstätigkeit im Feld von Windenergienlagen spiegelt sich in großen Einheiten mit nochmals höheren Türmen und längeren Blättern wieder, welche zu dem erhöhten Risiko führen, von einem Blitz getroffen zu werden. Die Anlagen sind typischerweise vor Blitzschlägen gesichert, so daß ein möglicher Blitzstrom angezogen und in einer kontrollierten Weise auf Erde geführt wird, um die sensitiven Elemente in der Windenergieanlage nicht zu beschädigen. Eine der populärsten Verfahren zur Absicherung gegen Blitze liegt im Installieren von einem oder mehreren sogenannten Blitzrezeptoren, die leitende Elemente sind, und welche z. B. auf der Spitze der Blätter plaziert werden und mit internen Leitungskabeln in den Blättern verbunden werden. Dies ist z. B. aus EP 0 783 629 bekannt.
  • Ein ähnliches Verfahren ist in US 6 457 943 beschrieben worden, gemäß dem ein Windturbinenblatt mit langen Teilen von Carbonfasermaterial in der Gesamtlänge des Blattes aufgebaut ist. Die Carbonfasern, welche leitend sind, wirken somit als Blitzaufnehmer, und der Blitzstrom wird durch das Material und nach unten in innerlich plazierte Leitungskabel geführt. Dieses Verfahren bezieht sich somit auf den Aufbau des gesamten Blattes, und erfordert nicht nur die Verwendung von Carbonfasern in großen Teilen des Blattes, was nicht immer erwünscht ist, sondern ebenfalls eine spezifische Dicke der Carbonfaserteile derart, daß das Material den Blitzstrom leiten kann, ohne beschädigt zu werden.
  • Die Blätter sind gewöhnlich die längsten Teile der Windenergieanlage, und sie stehen daher unter einem erhöhten Risiko, von einem Blitz getroffen zu werden. Windenergie anlagen werden in großer Anzahl in dem Meer plaziert, um Windkraftparks zu bilden, was zu der Tatsache führt, daß der Service und die Aufrechterhaltung eher teuer und komplex wird, aufgrund von Wetterbedingungen und schwierigen Zugangsbedingungen. Salz von Luftablagerungen auf z. B. den Blättern machen diese leitend, was wiederum das Risiko erhöht, daß diese von einem Blitz getroffen werden.
  • In WO 01/77527 wird es vorgeschlagen, Streifen von Kupferfäden auf die Blätter zu kleben oder zu binden, und diese Kupferstränge mit den Rezeptoren zu verbinden. Die Stränge sind dazu gedacht, einen Blitzstrom auf einen Rezeptor zu leiten, von wo er über ein Kabel auf Grund geführt werden kann. Dies impliziert, daß die Stränge eine ausreichende Leitfähigkeit haben müssen, um in der Lage zu sein, einen Blitzstrom zu halten, welcher 50 kA überschreiten kann. Die Stränge müssen nach Blitzschlägen austauschbar sein, aufgrund der von dem Blitzstrom resulierenden starken Hitze verursachen Beschädigung, was nicht nur eine Beobachtung der Windenergieanlage und deren Stillstand während des Wechsels, sondern auch große Kosten bedeutet. Weiter besteht das Risiko, daß die Stränge locker werden und folglich die aerodynamischen Eigenschaften des Blattes negativ beeinflussen. Anderweitig müssen die Stränge aus schwerem Material hergestellt sein, was zu einem unerwünschten Extragewicht an dem Blatt führt. Eines der Probleme bei der Gestaltung von langen Blättern ist es, das Gewicht zu verringern, dahingehend, daß das Gewicht an sich nicht nur die Blätter nochmals schwerer macht, sondern ebenfalls die Nabe, die Gondel und den Turm.
  • Flugzeuge sind ebenfalls Blitzschlägen ausgesetzt und müssen daher von diesen geschützt werden. Flugzeuge sind mit Radarinstallationen ausgerüstet, z. B. in Verbindung mit Navigation, welche oftmals in der Nase des Flugzeugs angeordnet sind, um nach vorne schauen zu können. Wenn eine Radarausrüstung in der Nase des Flugzeugs plaziert ist, ist die Nase nicht aus Aluminium wie der restliche Teil des Flugzeugs hergestellt. Vielmehr ist er aus einem bestimmten Plastikmaterial hergestellt, da das Radar anderweitig nicht in der Lage wäre, durch die Nase zu sehen. Die Nase muß ebenfalls vor Blitzschlägen gesichert werden, aber es muß in einer speziellen Weise durchgeführt werden, um das Radar nicht zu stören. Seit den 60iger Jahren ist die Idee von Blitzschutz mittels sogenannter Blitzableiterstreifen, welche von unterschiedlichen Formen sein können, bekannt. Ein Beispiel ist in US 4 237 514 zu sehen, wo eine Basis, ausgestattet mit Aluminiumpulver, auf z. B. Nase eines Flugzeugs in Streifen aufgeklebt wird. Das Aluminiumpulver bildet keinen durchgehenden Leiter, sondern vielmehr unterbrochene oder segmentierte leitfähige Teilchen. Wenn diese metallischen und leitenden Teilchen einem elektrischen Feld als das Ergebnis eines Blitzschlags ausgesetzt werden, tritt ein Kurzschluß zwischen den Teilchen auf, und ein leitender ionisierter Kanal wird in der Luft oberhalb der Teilchen geschaffen, in welcher der Blitzstrom zu z. B. einem Metallteil des Flugzeugs geführt werden kann. Anstelle von Aluminiumpulver beschreibt US 4 506 311 knopf- oder diamantförmige Metallstücke, welche getrennt in eine Basis eingebaut sind, die wie ein Band geformt ist. Sowohl Bänder als auch Streifen sind zur Installierung außerhalb der Nase des Flugzeugs gedacht, wo diese symmetrisch angeordnet von der Spitze der Nase abstehen. Eine derartige Position liefert einen guten Schutz, führt aber zur gleichen Zeit zu aerodynamischen Störungen. Weiter weisen diese Streifen den Nachteil auf, nicht sehr lange zu dauern, da die Segmente einfach von der Basis abgestriffen werden, in welche sie eingebaut sind, entweder durch den Blitz oder durch einfache Abnutzung. Daher müssen diese Bänder oftmals erneuert werden, wenn sie einem Blitz ausgesetzt wurden. In vielen Anwendungen ist dies jedoch sehr kostenintensiv und unpraktisch. Ableiterstreifen gemäß US 4 506 311 werden darüber hinaus als das Problem aufweisend angesehen, daß der Blitzstrom von unterhalb den Segmenten zu dem nächsten springen kann, welches das Risiko erhöht, daß der Strom auf die Struktur springt, welche von dem Ableiter geschützt werden sollte. Ein weiterer Nachteil liegt darin, daß die Streifen schwierig auf den Flächen zu sichern sind, ohne unfreiwillig die Streifen oder Bänder ein wenig zu dehnen, wodurch die Abstände zwischen den Segmenten entsprechend verändert werden. Dies ändert wiederum die Ableitfähigkeit des Streifens, wie auch geringe Öffnungen in dem Material hergestellt werden, wo Wasser eindringen kann und eine Verschlechterung es Materials beginnen läßt.
  • Aufgabe und Kurzbeschreibung der Erfindung
  • Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen segmentierten Blitzableiterstreifen mit einer längeren Lebenszeit als existierende Modelle bereitzustellen und mit einer Abhebefähigkeit so gering wie möglich, um ein wirksamer Blitzleiter zu sein, und der dennoch zur gleichen Zeit einfach und in einfacher Weise anzubringen ist, selbst auf gekrümmten Flächen. Es ist ein weiteres Ziel, ein Verfahren zur Herstellung von Ableiterstreifen zu beschreiben, welche kostengünstig ist aber ebenfalls eine hohe Genauigkeit hinsichtlich der Beabstandung der Segmente und deren Ankleben an die darunterliegende Schicht liefert.
  • Die vorliegende Erfindung beschreibt einen Blitzableiter zum Leiten eines vom Blitz verursachten elektrischen Stroms, der auf Strukturen wie etwa Blättern von Windturbinen, Flugzeugkomponenten, Antennenkuppeln und ähnlichem zum Zweck des Blitzschutzes anzubringen ist, wobei der Ableiter eine Schicht aus elektrisch nicht leitbarem Material mit einer Mehrzahl von isolierten Segmenten aus elektrisch leitendem Material aufweist, und wobei die freiliegenden Teile dieser Segmente durch konkave Formen beschrieben sind. Hierdurch wird ein Blitzableiter erhalten, bei dem die konkaven Formen durch das Aufweisen größerer Umfänge die Verbindbarkeit der Segmente zu dem nicht leitfähigen Material signifikant erhöhen. Diese Verbindbarkeit verlängert umgekehrt die Lebensdauer des Ableiters, da die Segmente nicht abgestriffen werden, weder durch übliche Abnutzung noch durch die Blitzströme. Die gute Verbindbarkeit stellt weiter sicher, daß der vom Blitz verursachte Strom nicht in die Struktur laufen kann, auf welcher der Ableiter gesichert ist, und verhindert weiter das Eindringen von Wasser, welches anderweitig die Lebensdauer des Ableiters verringern würde.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung liegt der gemäß dem obigen ausgebildete Blitzableiter in Form eines Streifens vor. Hierdurch kann der vom Blitz verursachte Strom in der Richtung des Streifens zu z. B. einer Art von Rezeptor geleitet werden, welcher mit einer geerdeten Einrichtung verbunden ist. Ein Streifen ist darüber hinaus einfach auf einer Oberfläche gemäß den spezifischen Bedürfnissen zu orientieren.
  • In einer nochmals weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein Blitzableiter gemäß allem oder einigem von dem obigen gekennzeichnet durch eine Anzahl der isolierten Segmente, die kreuzförmig oder sternförmig ist. Diese Formen sind dahingehend vorteilhaft, daß deren Verbindbarkeit zu dem umgebenden Material optimal sein kann. Weiter kann gut gesteuert werden, wo die Funken von einem Segment zu dem nächsten springen werden, wodurch der Ableiter gestaltet werden kann, eine spezielle optimale Übersprungsspannung zu erhalten. Diese Formen machen es möglich, einen Ableiter mit einer geringen Übersprungsspannung zu erhalten wie auch einer Abhebekapazität (lift-off capacity), welche in den meisten Anwendungen günstig ist. Diese Formen sind ebenfalls dahingehend vorteilhaft, daß der Ableiterstreifen dann unter Verwendung des Herstellungsverfahrens hergestellt werden kann, welches ebenfalls durch diese Erfindung beschrieben wird.
  • In einer Ausführungsform kann ein Blitzableiter gemäß der Erfindung ebenfalls eine Schicht eines Materials aufweisen, welche die Steifheit des Blitzableiters in Richtung längs des Streifens erhöht. Hierdurch wird durch einfache Mittel ein Ableiterstreifen erhalten, welcher nicht in einfacher Weise in seiner Längsrichtung gedehnt werden kann, wodurch es sichergestellt wird, daß die Abstände zwischen den Segmenten während der Anbringung des Ableiters auf Oberflächen unverändert bleibt. Dies ist wichtig, da die Abstände die Abhebekapazität des Streifens definieren, und somit eine Änderung die Qualitäten des Ableiters entsprechend ändern werden.
  • Ein Blitzableiter gemäß der Erfindung kann in einer weiteren Ausführungsform eine äußerste Schicht eines doppelseitigen Klebebandes aufweisen. Hierdurch wird ein Ableiter erhalten, welcher schnell und einfach auf einer Oberfläche aufzubringen ist. Dies erhöht weiter die Qualität des Ableiters, da ein gutes Sichern des Ableiters auf der exponierten Struktur wichtig für sein Funktionieren ist und seine Lebenszeit erhöht.
  • Die Erfindung betrifft weiter einen Blitzableiter gemäß einigem oder allem von dem obigen, wo die Segmente bevorzugt aus Metall wie etwa rostfreiem Stahl, Messing, Kupfer, mit Nickel oder verniertem Kupfer beschichtetes Messing, und/oder das elektrisch nicht-leitende Material bevorzugt aus einem Klebstoff wie ein MS Polymer, oder einem thermoplastischen Material oder Gummi hergestellt ist. Die Vorteile hiervon liegen wie oben beschrieben in dem Herstellungsverfahren.
  • Die Erfindung beschreibt weiter ein Blatt für eine Windturbine, wobei das Blatt eine faserverstärkte Blattschale und eine Einrichtung zum Erden eines vom Blitz verursachten elektrischen Stromes aufweist, wobei das Blatt mit wenigstens einem Ableiterstreifen nach einem oder mehreren der oben erwähnten Ausführungsformen ausgerüstet ist. Hierdurch wird ein Blatt mit den gleichen Vorteilen wie oben für einen Ableiterstreifen gemäß der Erfindung beschrieben erhalten, einschließlich dessen, daß das Blatt in der Lage ist, einer Anzahl von Blitzschlägen zu widerstehen, da der vom Blitz induzierte elektrische Strom in einem ionisierten Kanal in der Luft oberhalb des Ableiterstreifens geleitet wird, wie auch die Ableiterstreifen von geringem Gewicht sind, so daß die Ableiterstreifen nicht gegenüber einem Brechen usw. anfällig sind.
  • Schließlich beschreibt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Blitzableiters gemäß einem oder mehreren der oben erwähnten Ausführungsformen, aufweisend die Schritte des Herstellens einer Mehrzahl von Löchern in einer Platte aus einem elektrisch leitenden Material, des Füllens dieser Löcher wenigstens teilweise mit einem oder mehreren elektrisch nicht-leitenden Materialien, und des Teilens der Platte, wodurch eine Schicht aus elektrisch nicht leitendem Material mit einer Mehrzahl von isolierten Segmenten aus elektrisch leitendem Material erhalten wird.
  • Die durch das Obige beschriebene Erfindung ist dahingehend vorteilhaft, daß es möglich ist, einen oder mehrere Ableiterstreifen mit hoher Genauigkeit und sehr geringen Toleranzen herzustellen. Es ist möglich, alle wichtigen Parameter des Produkts wie etwa die Abstände zwischen den Segmenten des resultierenden Ableiterstreifens, den Oberflächenbereich und die Qualität der Segmente, die Dicke der Schicht des nicht leitenden Materials unterhalb der Segmente, und die Adhäsion der Segmente an dem nicht leitenden Material-Parameter, die alle sehr wichtig für die Qualität und Wirksamkeit des finalen Ableiterstreifens sind – zu steuern. Zur gleichen Zeit erfordert das Verfahren zur Herstellung gemäß der Erfindung keine speziellen Einrichtungen oder Maschinerie für die Produktion und ist ein vergleichsweise einfaches und kostenwirksames Verfahren. Weiter ist es einfach, die Parameter in dem Verfahren zu ändern – z. B. Ableiterstreifen mit unterschiedlichen Formen der Segmente oder einer unterschiedlichen Dicke herzustellen.
  • Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Herstellung eines Blitzableiters gemäß der obigen Beschreibung, bei dem die Platte in Streifen geteilt wird. Durch Teilen der Platte in Streifen als einer der letzten Schritte bei dem Verfahren der Herstellung wird bewirkt, daß nicht eine Anzahl von isolierten Segmenten zu behandeln und in dem Herstellungsverfahren anzuordnen ist, sondern anstelle davon eine Platte mit Löchern. Auf diese Weise wird das Positionieren eines Segments in dem Klebstoff ein vollständig gesteuerter Vorgang, welcher zu einem großen Ausmaß die Qualität der finalen Ableiterstreifen sicherstellt.
  • Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Blitzableiters gemäß dem obigen, bei dem die Löcher in der Platte durch Schneiden, bevorzugt durch Laserschneiden oder durch Stanzen hergestellt werden. Diese Herstellungsverfahren sind vorteilhaft, da sie schnell sind, aber es immer noch möglich ist, die Löcher in der Platte in dem erwünschten Muster mit einem hohen Maß von Genauigkeit zu schneiden und mit der Möglichkeit, scharfe wie auch runde Ecken herzustellen.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung ist das elektrisch leitende Material bevorzugt ein Metall – wie etwa rostfreier Stahl, Messing, Kupfer, mit Nickel oder vernierten Kupfer beschichtetes Messing. Metalle sind im allgemeinen Materialien mit guten elektrischen Leitungseigenschaften und sind daher vorteilhaft. Metalle mit einer geringen Tendenz zur Oxidation durch die Umgebung der Luft sind bevorzugt. Weiter weisen Metalle eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Abnutzung auf, der der Ableiterstreifen auf einer exponierten Oberfläche ausgesetzt ist.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das elektrisch nicht leitende Material bevorzugt ein Klebstoff – wie etwa MS Polymer oder ein thermoplastisches Material oder Gummi. Ein Klebstoff ist dahingehend vorteilhaft, daß es möglich ist, eine gute Verbindbarkeit zwischen den Segmenten und dem nicht leitenden Material zu erhalten. Dies stellt teilweise sicher, daß die Segmente an Ort und Stelle bleiben und nicht durch den Blitzstrom abfallen oder abgestriffen werden, was anderweitig die Funktionalität des Ableiterstreifens verringern oder selbst zerstören würde. Weiter sind die erwähnten Materialien kostengünstige Materialien und mit guten Verarbeitungseigenschaften bezüglich des Herstellungsverfahrens, das von der Erfindung beschrieben wird. Die erwähnten Klebstoffe stellen eine hohe Flexibilität dar, welche sicherstellt, daß der resultierende Ableiterstreifen gleichmäßig gut auf gekrümmte oder unebene Flächen aufgebracht werden kann. Jedenfalls weisen die erwähnten Materialien gute Widerstandsfähigkeit gegenüber ultraviolettem Licht und sowohl hohen wie auch niedrigen Temperaturen auf, wodurch eine längere Lebenszeit sichergestellt wird. Ein nochmals weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, den Klebstoff gemäß den speziellen Wünschen zu kolorieren.
  • Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Herstellung eines Blitzableiters gemäß der früheren Beschreibung, wo die Löcher in der Platte wenigstens teilweise gefüllt werden, indem die Platte nach unten in eine Schicht eines elektrisch nicht leitenden Materials gedrückt wird. Dies beschreibt einen einfachen Weg, um sowohl die Segmente in den Klebstoff einzubetten und um sicherzustellen, daß der Klebstoff alle Segmente vollständig umgibt.
  • Das Verfahren beschreibt ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung eines Blitzableiters gemäß dem obigen, wobei das Verfahren weiter das Aufbringen einer Schicht eines Materials, welches die Steifheit des Blitzableiters in Richtung entlang des Streifens erhöht und einer weiteren Schicht aus elektrisch nicht leitendem Material auf die erste Schicht aus elektrisch nicht-leitendem Material aufweist. Hierdurch wird durch einfache Mittel erreicht, daß der resultierende Ableiterstreifen nicht einfach entlang seiner Längsrichtung gedehnt wird, z. B. während der Anbringung des Streifens auf einer Fläche. Ein derartiges Dehnen ist zu vermeiden, da dies die Abstände von einem Segment des leitfähigen Materials zu dem nächsten ändern würde, und somit die Übersprungsspannung und die Abhebekapazität des Streifens. Andererseits ändert das oben beschriebene Herstellungsverfahren nicht die Fähigkeit des Blitzableiterstreifens, auf unebene Flächen aufgebracht zu werden und erhöht die Kosten des Verfahrens nicht in erheblicher Weise.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung weist das Verfahren zur Herstellung eines Blitzableiters wie oben beschrieben weiter das Aufbringen eines doppelseitigen Klebebands auf die äußerste Schicht des elektrisch nicht-leitenden Materials auf. Dieses doppelseitige Klebeband erleichtert die Aufbringung des Blitzableiterstreifens auf der Oberfläche, welche vor Blitzschlag geschützt werden soll. Weiter kann das Band während der Herstellung verwendet werden, um den Vorgang durch Führen des Bandes auf einem festen Träger besser zu steuern.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die Figuren beschrieben, wobei
  • 1 eine Metallplatte mit einem darin eingeschnittenen Muster zur Herstellung eines Ableiterstreifens zeigt,
  • 2 eine Ausführungsform eines Ableiterstreifens wie von der Erfindung beschrieben zeigt,
  • 3 die Schritte in einem Verfahren zur Herstellung eines Ableiterstreifens zeigt,
  • 4 einen Ableiterstreifen mit einer Schicht eines doppelseitigen Bandes zeigt,
  • 5 die Schritte in einem weiteren Verfahren zur Herstellung eines Ableiterstreifens zeigt,
  • 6 eine weitere Ausführungsform eines Ableiterstreifens gemäß der Erfindung zeigt,
  • 7 eine nochmals weitere Ausführungsform eines Ableiterstreifens gemäß der Erfindung zeigt,
  • 8 unterschiedliche Segmentformen zum Gebrauch in dem Ableiterstreifen zeigt,
  • 9 und 10 zwei unterschiedliche Plattengestaltungen mit unterschiedlichen Mustern zur Verwendung bei der Herstellung der Ableiterstreifen zeigt, und
  • 11 und 12 einen Teil eines Blattes für eine Windturbine mit Ableiterstreifen auf der Oberfläche des Blattes zeigt.
  • Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
  • 1 zeigt eine Platte 101, die bei der Herstellung eines Blitzableiters gemäß Anspruch 1 wie im folgenden beschrieben verwendet wird. Die Platte 101 ist aus einem Material mit guten elektrischen Leiteigenschaften hergestellt, bevorzugt aus einem Metall wie etwa rostfreiem Stahl, Kupfer, Messing oder ähnlichem. Ein Anzahl von Löchern 102 ist in die Platte 101 z. B. durch Laserschneiden oder Stanzen geschnitten. Die Löcher 102 werden in einem Muster aufgebracht, das so gestaltet ist, daß die Platte in einen oder mehrere Streifen 103 geteilt werden kann, wie durch die gestrichelten Linien 104 in den Figuren angezeigt ist, weil der Streifen dann aus einer Anzahl von Segmenten 105 besteht, die alle voneinander beabstandet und nicht verbunden sind. Der Streifen 103 muß nicht notwendigerweise gerade sein, sondern kann in jeglicher erwünschten gekrümmten Form geeignet für seinen Zweck vorliegen. Bei der Ausführungsform der Platte wie in 1 gezeigt wird der resultierende Ableiter ein Streifen mit einer Anzahl von kreuzförmigen Segmenten sein. Unterschiedliche Muster sind in den 9 und 10 gezeigt.
  • Bevor die Platte 101 geteilt wird, werden die Löcher mit einem elektrisch nicht leitenden Material gefüllt, bevorzugt einem Klebstoff wie etwa einem MS Polymer. Es könnte ebenfalls ein thermoplastisches Material oder ein Gummi sein. Dieses Material wird dann Erhärten gelassen und das Ergebnis nach Schneiden der Platte in Streifen ist ein oder mehrere Ableiterstreifen, wie in 2 in Perspektive gezeigt und wie von der Seite gesehen, die aus einer Schicht von elektrisch nicht-leitendem Material 201 besteht, auf welchem eine Mehrzahl von Segmenten von elektrisch leitfähigem Material 105 angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung sind die Segmente 105 wie Kreuze geformt, was vorteilhaft ist, da die Befestigung der Segmente 105 an dem nicht-leitfähigen Material 201 daher optimal ist. Weitere Formen sind in den Figuren im folgenden gezeigt. Die Segmente sind an der oberen Seite freigelegt und werden als Anzieher für einen Blitz dienen. Da die Segmente isoliert sind und einander nicht berühren, wird die Luft oberhalb des Streifens ionisiert werden, und der Blitzstrom wird in einem ionisierten Kanal oberhalb des Ableiterstreifens laufen. Es ist wichtig für die Wirksamkeit des Ableiterstreifens, daß die Segmente unterhalb vollständig von nicht-leitendem Material abgedeckt sind, so daß der durch den Blitz induzierte Strom nicht nach unten in die Struktur fließen kann. Ebenfalls erleichtern die vergleichsweise scharfen Ecken 202 am Ende des Kreuzes den Sprung des Blitzstroms von einem Segment zu dem nächsten. Derartige Ecken werden daher die Übersprungsspannung wie auch die Abhebekapazität des Streifens verringern. Andererseits sind die inneren Ecken in den Kreuzen 203 abgerundet, um das Risiko von Spaltbildung von diesen Ecken zu minimieren.
  • Die Form der Segmente in einem Ableiterstreifen kann ebenfalls entlang der Länge des Streifens variieren. Ein weiterer Abmessungsparameter für einen Ableiterstreifen ist der Abstand oder die Lücke 204 zwischen den Segmenten. Je kleiner der Abstand ist, desto geringer ist die Übersprungsspannung des Streifens. Daher ist ein geringer Abstand vorteilhaft. Andererseits kann ein zu kleiner Abstand darin resultieren, daß der Blitzstrom durch den Streifen läuft, was zu vermeiden ist. In einer Ausführungsform der Erfindung werden die Abstände zwischen den Segmenten 204 entlang der Länge des Streifens variiert, was die erwünschte Ionisierung der Luft oberhalb des Ableiterstreifens früher beginnen läßt, als wenn die Segmente alle mit den gleichen Abständen angeordnet wären. Eine derartige Variation ist weiter dahingehend zu sehen, zu einem Ableiterstreifen mit einer längeren Lebenszeit zu führen. Die Größen der Abstände zwischen den Segmenten 204 liegen in dem Bereich von 0,1 bis 5 mm, bevorzugt 0,3 bis 1,5 mm.
  • Ein Verfahren zur Herstellung des erwünschten Ableiterstreifens ist in 3 dargestellt, wie in einer Querschnittsansicht sichtbar ist. Es besteht aus dem Anbringen einer Schicht 301 aus elektrisch nicht-leitendem oder isolierendem Material auf einer flachen Oberfläche 302. Wenn ein MS Polymer verwendet wird, wird die Herstellung mit erwärmten Werkzeugen durchgeführt, um die Verarbeitung besser zu steuern. Eine Platte 101 mit einer Anzahl von Löchern 102 in einem Muster wie etwa dem in 1 gezeigten wird dann einfach auf die Oberseite der Schicht des isolierenden Materials gelegt, was dem Klebstoff erlaubt, die Löcher wenigstens z. T. zu füllen, z. B. durch Anbringen eines geringen Drucks auf die Platte, welche sie nach unten in den Klebstoff, wie durch die Pfeile 303 dargestellt, drückt. Es ist wichtig für die Wirksamkeit des Ableiters, sicherzustellen, daß die Platte von unten vollständig durch das isolierende Material 30 abgedeckt wird. In einer Ausführungsform des Verfahrens ist die Platte 101 vor der Verwendung geschliffen und gebeizt, um weiter die Verbindung zwischen der Platte 101 und dem Klebstoff 301 zu verbessern. In einer weiteren Ausführungsform des Herstellungsverfahrens wird eine nochmals dünne Schicht eines Klebstoffs auf die Oberseite der Metallplatte aufgebracht, um sicherzustellen, daß die Segmente von dem Klebstoff vollständig umgeben/darin eingebettet sind. Das Material wird dann zur Härtung oder Erhärtung belassen. Wenn ein MS Polymer verwendet wird, wird es mittels der Luftfeuchtigkeit härten. Die Fläche wird dann anschließend unten poliert, so daß die Fläche der Metallplatte freigelegt ist und zu den Elementen offen und frei zur Anziehung des Blitzes ist. In einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens wird die Fläche weiter gewaschen oder abgespült, so daß sie vollständig frei von jeglichem Staub von dem Polieren ist, und die Mitte eines jeden Streifens wird dann mit einem Band zum Schutz der reinen Oberfläche abgedeckt (nicht in den Figuren gezeigt). Das Produkt wird dann in längliche Streifen geteilt, z. B. durch Schneiden, und die Streifen sind dann fertig zum Aufbringen auf die vor Blitzschlag zu schützende Strukturen. Das die gereinigten und polierten Segmente schützende Band ist zu entfernen, wenn der Ableiterstreifen auf der exponierten Struktur gesichert worden ist. Aufgrund der Flexibilität des elektrisch nicht-leitenden Materials kann der Streifen in einfacher Weise mit einer guten Verbindbarkeit auf gekrümmten Flächen und Strukturen gesichert werden. Weiter stellt die Flexibilität des Streifens sicher, daß der Streifen den Ablenkungen und der Arbeit der Struktur folgen kann, auf welche sie gesichert ist, wodurch die Wirksamkeit und Lebenszeit des Ableiterstreifens verlängert wird. Die Herstellung kann ebenfalls oben und unten vertauscht durchgeführt werden, in dem Sinn, daß die sich ergebende obere Fläche während der Herstellung nach unten zeigt. Die Platte 101 wird dann zuerst nahe zu der flachen Fläche 302 nach unten gelegt, und dann wird die Schicht des nicht-leitenden Materials 301 aufgebracht, sowohl die Löcher 102 in der Platte 101 auffüllend als auch die Schicht bildend, welche die Segmente von der Struktur in dem sich ergebenden Ableiterstreifen isoliert.
  • Um das Anbringen des Ableiterstreifens auf Strukturen zu erleichtern, kann eine Schicht aus doppelseitigem Klebeband 401 unterhalb des Ableiters befestigt werden. Ein derartiger Ableiterstreifen 103 ist in 4 gezeigt. Während der Herstellung kann das Klebeband dann nach unten gelegt werden, als ein erster Schritt, wonach die Schicht des nicht leitenden Materials auf die Oberseite usw. wie oben erläutert aufgebracht wird.
  • In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung, das in 5 dargestellt ist, umfaßt der Ableiter weiter ein Gewebe 501 unterhalb der Metallplatte 101. Das Verfahren besteht dann aus den folgenden Schritten: Auslegen des doppelseitigen Bandes 401 (optional), Aufbringen der Schicht von Klebstoff 301, dann aufbringen des Gewebes 501, und dann eine weitere Schicht eines Klebstoff 502 gefolgt von dem Drücken der Platte des leitenden Materials 101 in sanfter Weise nach unten in den Klebstoff 502. Schließlich kann eine finale dünne Schicht von Klebstoff (nicht gezeigt) über die Platte aufgebracht werden, um das Auffüllen der Löcher 102 in der Platte in vollständiger Weise sicherzustellen. Das Produkt wird dann zum Härten gelassen und anschließend wird die obere Fläche poliert, um die Segmente freizulegen, und gereinigt. Wie zuvor beschrieben, kann dann ebenfalls ein Band aufgebracht werden, um die Flächen der Segmente zu schützen. Die kombinierte Platte wird dann endlich in Streifen geteilt oder geschnitten. Das Gewebe 501 könnte z. B. ein dünnes Glasgewebe sein. Der Stoff 501 dient dazu, den Streifen in seiner Längsrichtung undehnbar zu machen, um sicherzustellen, daß der Abstand der Segmente und folglich die Aufhebefähigkeit des Streifens während der Behandlung und Anbringung des Ableiterstreifens verändert bleiben. Andererseits ändert der Stoff 501 nicht die Flexibilität des Streifens und dessen Fähigkeit, in optimaler Weise mit gekrümmten oder unebenen Strukturflächen verbunden zu werden.
  • Die 6 bis 8 stellen unterschiedliche Formen der Segmente 105 des leitenden Materials in den Leiterstreifen 103 gemäß der Erfindung dar. Die freiliegenden Teile der Segmente 105 weisen eine konkave Form auf, z. B. kreuzförmig wie in 6, sternförmig, wie ein „Hennenfuß" (wie in 7 dargestellt), oder kartoffelförmig. Unterschiedliche Ausführungsformen sind in 8 dargestellt. Die Form der Segmente in einem Ableiterstreifen kann ebenfalls entlang der Länge des Streifens variieren. Deren konkave (oder nicht konvexe) Form erhöht die Befestigung zwischen dem Segment 105 und dem umgebenden nicht leitenden Material 201 z. T. wegen dem größeren Umfang der Segmente. Wie früher beschrieben, ist eine Ecke (bevorzugt scharf) vorteilhaft, wenn ein Segment am nächsten zu seinem benachbarten Segment ist, da dies die Stelle ist, wo der Strom von einem Segment zu dem nächsten überspringen wird. Eine derartige Ecke wird daher die Übersprungsspannung des Streifens verringern. Ein weiterer Abmessungsparameter für einen Ableiterstreifen ist der Abstand oder die Lücke zwischen den Segmenten. Je kleiner der Abstand, desto geringer die Übersprungsspannung des Streifens. Daher ist ein geringer Abstand vorteilhaft. Andererseits kann ein zu geringer Abstand darin resultieren, daß der Blitzstrom durch den Streifen läuft, was zu vermeiden ist. In einer Ausführungsform der Erfindung werden die Abstände zwischen den Segmenten längs der Länge des Streifens variiert, was die erwünschte Ionisierung der Luft oberhalb des Ableiterstreifens früher beginnen läßt, als wenn die Segmente alle mit den gleichen Abständen angeordnet wären. Eine derartige Variation kann weiter als in einer längeren Lebenszeit des Ableiterstreifens resultierend gesehen werden. In einer weiteren Ausführungsform des Ableiterstreifens reichen die Segmente ein wenig aus dem umgebenden nicht leitenden Materials heraus, wodurch sie als mehr sichtbare Anzieher für einen Blitz dienen.
  • Die 9 und 10 zeigen zwei weitere Gestaltungsmöglichkeiten für die leitfähige Platte 101, die bei der Herstellung des Ableiterstreifens wie früher beschrieben verwendet wird. Nur Teile der Platte sind gezeigt. Die Platten werden wenigstens z. T. mit einem nicht leitenden Material in irgendeiner Weise gefüllt, und dann in Streifen, wie durch die gestrichelten Linien 104 gezeigt, geteilt. Die Muster der Löcher 102 in beiden Platten ist derart, daß die sich ergebenden Ableiterstreifen 103 Segmente 105 enthalten werden, die voneinander beabstandet und in beiden Figuren in den Formen von Kreuzen vorliegen, die aber unterschiedlich orientiert sind.
  • 11 zeigt ein Blatt für eine Windturbine, welche eine Blattschale 1001 mit Verstärkungen 1002 umfaßt. Die Blattschale 1001 umfaßt eine äußere Fläche 1003, welche mit Ableiterstreifen 103 ausgestattet ist. Die Ableiterstreifen 103 sind in Abschnitten plaziert und mit geerdeten Leitungskabel verbunden. Die Ableiterstreifen 103 sind in 11 so angeordnet, daß sie von einem Rezeptor 1005 strahlförmig ausgehen, welcher mit Leitungskabeln (nicht gezeigt) verbunden ist, die geerdet sein können. Die Ableiterstreifen 103 können primär transversal zu dem Blatt 1001 zwischen der führenden Kante und der Folgekante des Blatts verlaufen, oder sie können in der Form eines Sterns angeordnet werden, wie in der Figur dargestellt. Bei der Ausführungsform von 11 weisen die Ableiterstreifen 103 eine antennenähnliche Wirkung auf jegliche leitfähigen Fasern auf, welche in der Blattschale 1001 vorhanden sein können.
  • 12 zeigt ein Blatt für eine Windturbine, welche eine Blattschale 1001 mit Verstärkungen 1002 umfaßt. Die Blattschale 1001 umfaßt eine äußere Fläche 1003, welche mit Ableiterstreifen 103 ausgerüstet ist. Die Ableiterstreifen 103 sind in Abschnitten angeordnet und von einem Rezeptor 1005 abstrahlend angeordnet, welcher mit leitenden Kabeln (nicht gezeigt) verbunden ist, die geerdet sein können. In 12 verlaufen die Ableiterstreifen 103 primär transversal zu dem Blatt 1001 zwischen der führenden Kante und der nachfolgenden Kante des Blatts. In einer Ausführungsform umfaßt die Blattschale zwei prinzipielle Laminate 1101, welche leitfähige Fasern, wie etwa Karbonfasern oder Stahlfasern enthalten. Das obere prinzipielle Laminat 1101 weist eine Breite wie durch die gestrichelten Linien 1102 gezeigt auf. Wie dargestellt, erstreckt sich ein Ableiterstreifen 103 von einem Rezeptor 1005 und über das prinzipielle Laminat 1101, so daß es von einem Blitzschlag dahingehend abgeschirmt wird, daß ein antennenähnlicher Effekt durch den Ableiterstreifen erreicht wird. In der dargestellten Ausführungsform ist der Rezeptor 1005 in einem Abstand von dem prinzipiellen Laminat 1101 angeordnet.
  • Es sollte festgehalten werden, daß die oben erwähnten Ausführungsformen die Erfindung eher darstellen als einschränken, und daß die Fachleute in der Technik in der Lage sind, viele alternative Ausführungsformen zu gestalten, ohne von dem Umfang der Erfindung, wie in den anhängigen Ansprüchen angegeben, abzuweichen. Die Erfindung kann mittels Hardware implementiert werden, welche einige unterschiedliche Elemente aufweist, und mittels eines geeigneten programmierten Computers.

Claims (18)

  1. Blitzableiter zum Leiten eines von einem Blitz verursachten elektrischen Stroms, welcher auf Strukturen wie etwa Blättern von Windturbinen, Flugzeugkomponenten, Antennenkuppeln und ähnlichem zum Zweck des Blitzschutzes anzubringen ist, wobei der Ableiter eine Schicht aus elektrisch nicht leitendem Material (201) mit einer Mehrzahl von isolierten Segmenten aus elektrisch leitendem Material (105) aufweist, und wobei der Ableiter dadurch gekennzeichnet ist, daß die freiliegenden Teile dieser Segmente durch konkave Formen beschrieben sind.
  2. Blitzableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ableiter in der Form eines Streifens (103) vorliegt.
  3. Blitzableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl der isolierten Segmente (105) kreuzförmig ist.
  4. Blitzableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl der isolierten Segmente (105) sternförmig ist.
  5. Blitzableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Schicht eines Materials (501) aufweist, welche die Steifheit des Blitzableiters in der Richtung längs des Streifens (103) erhöht.
  6. Blitzableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß er eine äußerste Schicht eines doppelseitigen Klebebandes (401) aufweist.
  7. Blitzableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente (105) bevorzugt aus Metall hergestellt sind.
  8. Blitzableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch nicht leitende Material (201) bevorzugt aus einem Klebstoff hergestellt ist.
  9. Blatt für eine Windturbine, wobei das Blatt eine faserverstärkte Blattschale (1001) und eine Einrichtung zum Erden eines vom Blitz verursachten elektrischen Stroms aufweist, wobei das Blatt mit wenigstens einem Ableiterstreifen (103) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgerüstet ist.
  10. Verfahren zum Herstellen eines Blitzableiters nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: – Herstellen einer Mehrzahl von Löchern (102) in einer Platte (101) aus einem elektrisch leitenden Material, – Füllen dieser Löcher (102) wenigstens teilweise mit einem oder mehreren elektrisch nicht leitenden Materialien, – Teilen der Platte (101), und dadurch Erhalten einer Schicht aus elektrisch nicht leitendem Material (201) mit einer Mehrzahl von isolierten Segmenten aus elektrisch leitendem Material (105).
  11. Verfahren zur Herstellung eines Blitzableiters nach Anspruch 10, wobei die Platte in Streifen (103) geteilt wird.
  12. Verfahren zur Herstellung eines Blitzableiters nach einem der Ansprüche 10 bis 11, wobei die Löcher (102) in der Platte (101) durch Schneiden hergestellt werden, bevorzugt durch Laserschneiden.
  13. Verfahren zur Herstellung eines Blitzableiters nach einem der Ansprüche 10 bis 11, wobei die Löcher (102) in der Platte (101) durch Stanzen hergestellt werden.
  14. Verfahren zur Herstellung eines Blitzableiters nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei das elektrisch leitende Material bevorzugt ein Metall ist.
  15. Verfahren zur Herstellung eines Blitzableiters nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei das elektrisch nicht leitende Material bevorzugt ein Klebstoff ist.
  16. Verfahren zur Herstellung eines Blitzableiters nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei die Löcher (102) in der Platte (101) wenigstens teilweise gefüllt werden, indem die Platte (101) nach unten in eine Schicht aus elektrisch nicht leitendem Material (201) gedrückt wird.
  17. Verfahren zur Herstellung eines Blitzableiters nach einem der Ansprüche 10 bis 16, wobei das Verfahren weiter aufweist: Aufbringen einer Schicht eines Materials (501), welches die Steifheit des Blitzableiters in der Richtung entlang des Streifens (103) erhöht, und einer weiteren Schicht aus elektrisch nicht leitendem Material (502) auf die erste Schicht aus elektrisch nicht leitendem Material (301).
  18. Verfahren zur Herstellung eines Blitzableiters nach einem der Ansprüche 10 bis 17, wobei das Verfahren weiter aufweist: Aufbringen eines doppelseitigen Klebebands (401) auf die äußerste Schicht des elektrisch nicht leitenden Materials.
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