DE69909306T2

DE69909306T2 - Blitzschlagschutz für windturbinenblatt

Info

Publication number: DE69909306T2
Application number: DE69909306T
Authority: DE
Inventors: Kaj Olsen; Peter Grabau; Flemming Moeller Larsen
Original assignee: LM Glasfiber AS
Current assignee: LM Wind Power AS
Priority date: 1998-09-09
Filing date: 1999-09-09
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2019-09-10
Also published as: DE69909306T3; US6457943B1; EP1112448B2; EP1112448A1; ATE244363T1; AU5504399A; EP1112448B1; ES2203171T3; DK173460B2; CN1317072A; CN1120298C; PT1112448E; ES2203171T5; DK173460B1; DE69909306D1; WO2000014405A1; DK199801127A

Description

I. Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Windturbinenblatt aus Glasfaser und/oder Kohlenstofffaser und weist ein übliches inneres Blitzableiterkabel auf.
II. Stand der Technik
Lichtblitze weisen in einer kurzen Zeitspanne extrem starke Ströme auf von der Größenordnung von 10 bis 200 kA. Die Wirkung ist sehr stark und kann Explosionen verursachen, da die in den Blättern eingeschlossene Luft explosionsartig expandiert. Es ist bekannt, starke, verflochtene Kabel in das Blatt einzusetzen. Dann wird ein Metall-Kollektor an der Blattspitze angeordnet, wobei dieser Metall-Kollektor eine vorbestimmte Breite aufweist und dazu dient sowohl den Blitz einzufangen wie auch diesen Ort davor zu bewahren, zu stark erwärmt zu werden. Ein derartiges Windturbinenblatt ist aus der WO 96/07825 bekannt.
Darüber hinaus ist es bekannt, das Blatt durch einen Kohlenstofffaserüberzug zu verstärken. Ein Kupfernetz kann optional auf den Kohlenstofffaserüberzug aufgebracht werden, um diesen Überzug zu schützen.
III. Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist, ein verbessertes Windturbinenblatt mit einem Blitzableiter anzugeben.
Ein Windturbinenblatt der oben genannten Art ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass das Blatt längliche Streifen aufweist aus kohlenstofffaserverstärktem Plastik und dass das innere Blitzableiterkabel und die länglichen Streifen in regelmäßigen Intervallen durch Leiter verbunden sind.
Die länglichen Streifen des kunststofffaserverstärkten Plastiks verbessern die Steifigkeit des Flügels und eine Struktur ist geschaffen, deren Potential wirksam und systematisch ausgeglichen wurde.
IV. Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird nachfolgend detaillierter beschrieben anhand einer Ausführungsform, die in den begleitenden Zeichnungen dargestellt ist, in denen
1 eine Längsschnittansicht eines Windturbinenblattes gemäß der vorliegenden Erfindung ist, das einen Blitzableiter aufweist in Form von länglichen Streifen aus kohlenstofffaserverstärktem Plastik,
2 eine Querschnittsansicht des Windturbinenblattes von 1 ist,
3 die gesamte Windturbine darstellt,
4 den elektrischen Widerstand eines Kohlenstofffaserüberzugs breitenabhängig darstellt, und
5 ein Blitzableiterkabel darstellt, das in das Windturbinenblatt eingesetzt werden kann.
V. Beste Ausführungsform zur Ausführung der Erfindung
Die Schäden an den Windturbinenblättern, die durch Lichtblitze verursacht werden, können sehr umfangreich sein. Sehr starke Ströme der Größenordnung von 10 bis 200 kA treten innerhalb einer kurzen Zeitperiode auf. Die auftretende Energie ist gering, aber die Wirkung ist sehr stark und kann Explosionen verursachen, da die in dem Blatt eingeschlossene Luft explosionsartig expandiert. Es ist bekannt, starke, verflochtene Kabel in das Blatt zu integrieren, um den Blitz umzuleiten. Dann wird ein spezieller Rezeptor an der Spitze des Blattes angeordnet, wobei dieser Rezeptor dazu dient, den Blitz einzufangen sowie diesen Ort davor zu bewahren, zu stark aufgeheizt zu werden. Darüber hinaus ist es bekannt, jedes Blatt durch einen Kohlenstofffaserüberzug zu verstärken. Ein Kupfernetz kann optional auf den Kohlenstofffaserüberzug aufgebracht werden, um diesen Überzug zu schützen.
Gemäß der Erfindung wird eine bestimmte Menge Kohlstofffasermaterial dem Blatt hinzugefügt mit dem Resultat, dass dieses Blatt selbst als Blitzableiter dienen kann. Das Kohlenstofffasermaterial, das als Blitzableiter dient, ist gemäß der Erfindung aus einem oder mehreren länglichen Streifen 1, 2, 3 aus kohlenstofffaserverstärktem Plastik gebildet, der vorzugsweise einen Teil der Beschichtung bzw. des Schichtaufbaus des Blattes bildet. Darüber hinaus kann ein Kohlenstoffstab im Inneren jedes Blattes vorgesehen sein, und die länglichen Streifen 1, 2, 3 können mit diesem inneren Kohlenstoffstab verbunden sein. Das Blatt kann innere Verstärkungselemente 4 aufweisen. Ein übliches Blitzableiterkabel 5 kann, falls gewünscht, an dem inneren Kohlenstoffleiter vorgesehen sein oder an einem der inneren Verstärkungselemente 4. Das übliche Blitzableiterkabel 5 kann wie in 5 gezeigt strukturiert sein. Die Enden weisen jedoch eine spezielle Struktur auf. 2 zeigt, wie die länglichen Leiterstreifen 1, 2, 3 mit dem inneren Kohlenstoffleiter verbunden sein können oder mit dem inneren Blitzableiterkabel 5 durch Leiter 6. 1 zeigt auch den Rezeptor 7 an dem Ende des Blattes.
Das Blatt wurde in zwei Hälften hergestellt, die anschließend entlang der Kanten verklebt wurden. Jede Blatthälfte wurde durch Gießen eines Glasmaterials, Kohlenstofffaserlaminats etc. in einer Gießform hergestellt. Die Gießform wurde vorher mit einem geeigneten Lösemittel überzogen, mit dem Ergebnis, dass es nach Beenden des Gießens einfacher ist, das Gießprodukt zu entfernen.
Das Blatt ist gemäß der Erfindung so geformt, dass Teile dieses Blattes durch längliche Streifen von kohlenstofffaserverstärktem Plastik gebildet sind.
Die Kohlenstofffasern sind beispielsweise erhältlich von Devold AMT A/S, 6030 Langeväg, Norwegen, die bis zu einem vorbestimmten Grad elektrisch leitend sind, und die sehr dünn sind und eine hohe Zugfestigkeit aufweisen.
Da die Zugfestigkeit von Kohlenstofffasern groß ist und zwar viel größer als die Zugfestigkeit der Glasfaser, werden Glasfaserstrukturen häufig durch eine vorbestimmte Menge von Kohlenstofffasern verstärkt, um die Zugfestigkeit zu erhöhen und, falls gewünscht, auch die Steifigkeit.
Aus Konstruktionssicht gesprochen kann die elektrische Leitfähigkeit der Kohlenstofffasern sowohl ein Vorteil sein als auch ein Nachteil. Wenn es mit anderen Worten erwünscht ist, z. B. einen antistatischen, elektrisch leitfähigen Epoxidharzboden zu erhalten, ist es möglich, Kohlenstofffasern dem Produkt hinzuzufügen, um diese Eigenschaft zu erhalten. Wenn es auf der anderen Seite erwünscht ist, eine große Glasfaserstruktur zu verstärken, die im Außenbereich eingesetzt wird und dementsprechend dem Risiko von Blitzschlag ausgesetzt ist, können diese elektrisch leitenden Kohlenstofffasern einen aktiven Part bei dem Umleiten des Blitzes übernehmen. Das Letztere beinhaltet jedoch ein Risiko eines lokalen Aufheizens. Wenn in der Struktur eine ausreichend große Menge von Fasern eingesetzt werden, können diese Fasern jedoch konstruktiv benutzt werden. Es ist jedoch notwendig, die elektrischen Eigenschaften der Kohlenstofffasern zu kennen. Als Widerstand eines Materials wird üblicherweise der ohmsche Widerstand von 1 m des Materials mit einem Querschnitt von 1 mm² bei 20C° bezeichnet.
Es ist jedoch nicht möglich, Kohlenstofffasern eines Querschnitts von 1 mm² zu erhalten, und dementsprechend werden nachfolgend Ergebnisse einiger praktischer Tests beschrieben. Verschiedene Breiten wurden aus einer Platte von Kohlenstofffasern herausgeschnitten, die mit Polyesterharz verbunden waren und eine Dicke von 1 cm aufwiesen, anschließend wurden die Widerstände gemessen. Der Widerstand R von 1 cm² des Materials einer Länge von 1 m bei 20C° wurde gemessen und betrug 300 Ohm.
Wenn die Breiten des Materials größer sind als oben beschrieben, ist der Widerstand kleiner als oben beschrieben. Der Widerstand ist umgekehrt proportional zu dem Querschnittsbereich des Materials, was anhand der Kurve in 4 dargestellt ist. Diese Kurve in 4 zeigt den Widerstand R in Abhängigkeit von verschiedenen Breiten W des Mate rials einer konstanten Dicke von 1 cm und einer konstanten Länge von 1 mm. Wie durch die Kurve dargestellt, ist der elektrische Widerstand R relativ gering in Verbindung mit großen Querschnitten. Eine große Lücke jedoch tritt bei der Leitfähigkeit von Metallen auf.
Es gibt Fasern, bei denen die einzelnen Fasern mit einem metallischen Film beschichtet sind, wie etwa Nickel, wodurch der elektrische Widerstand beträchtlich reduziert wird, was diese Fasern interessant macht. Mit anderen Worten können diese Fasern aktiv benutzt werden in der Form von gewöhnlichen Fasern als auch in der Form von metallbeschichteten Fasern für den Blitzschutz, nämlich entweder als ein direkt aktiver Ableiter, wenn die Fasermenge ausreichend hoch ist und die Dicke und die Breite ausreichend sind, um einen geringen elektrischen Gesamtwiderstand zu sichern, oder als ein paralleler Ableiter. Eine Struktur eines derartigen parallelen Ableiters, dessen Potential wirksam und systematisch abgeglichen wurde, macht es möglich, sowohl dessen Ableitfähigkeit als auch dessen reflektionsdämpfende Funktion hinsichtlich der Blitzströme einzusetzen.
Das Lichtleiterkabel ist beispielsweise von der in 5 gezeigten Art. Den Hauptleiter 12 umgibt ein inneres Füllmaterial 11, wobei der Hauptleiter 12 eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Kupferdrähten aufweist. Diese Kupferdrähte sind so angeordnet, dass sie etwas um das Füllmaterial 11 gedreht sind. Eine Halbleiterschicht 13 umgibt die Leiterschicht 12 und eine Isolierschicht 14 aus Polyethylen umgibt diese Halbleiterschicht 13. Noch eine andere Halbleiterschicht 15 umgibt die Polyethylenschicht 14, und eine Kupferabschirmung 16 umgibt diese zusätzliche Halbleiterschicht 15. Eine solche Struktur ist vorteilhaft, da die Induktivität pro Längeneinheit auf ein Minimum reduziert wird. Der resultierende Spannungsabfall entlang des Kabels wurde auf ein Minimum reduziert, wodurch es zu einem gewissen Maß vermieden wird, dass andere Teile der Windturbine durch Blitzeinschläge beschädigt werden. Die Enden der Abschirmung entsprechen den Richtlinien, die von spc SCAN/POCON ENERGI erlassen wurden. Diese Richtlinien werden als "Tricore Upper Termination Instruction" betreffend das obere Ende des Blitzableitungskabels bezeichnend und als "Tricore Lower Termination Instruction" betreffend das untere Ende dieses Blitzableiterkabels. Darüber hinaus werden die Richtlinien für "Cold Shrink^TM and Silicone Rubber Termination" für die ganz oben befindlichen Enden des Kabels benutzt.
3 zeigt die gesamte Windturbine. Die drei Blätter sind an einer drehbaren Nabe angeordnet. Die Nabe ist über einen Generator mit einer Welle verbunden und einem Rädergetriebe, wobei der Generator in einem drehbar angeordneten Gehäuse der Windturbine angeordnet ist.
Die Erfindung wurde anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben. Sie kann jedoch auf vielfältiger Weise modifiziert werde, ohne dass der Schutzbereich der Erfindung verlassen wird.

Claims

Windturbinenblatt aus Glasfaser und/oder Kohlenstofffaser mit einem üblichen inneren Blitzableiterkabel (5), dadurch gekennzeichnet, dass das Blatt längliche Streifen (1, 2, 3) aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff aufweist, und dass das innere Blitzableiterkabel (5) und die länglichen Streifen (1, 2, 3) in gleichmäßigen Intervallen durch Leiter (6) verbunden sind.
Windturbinenblatt gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es innere Verstärkungselemente (4) aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff aufweist, die mit dem Blitzableiterkabel (5) verbunden sind und zumindest einigen der länglichen Streifen (1 ).
Windturbinenblatt gemäß der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstofffasern in den länglichen Streifen (1, 2, 3) und/oder den inneren Verstärkungselementen (4) mit einem metallischen Film beschichtet sind.
Windturbinenblatt gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die länglichen Streifen (1, 2, 3) und das innere Blitzableiterkabel (5) in Längsrichtung an sieben Positionen verbunden sind.
Windturbinenblatt gemäß Anspruch 1, wobei die Blattwand die länglichen Streifen (1, 2, 3) des kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffes aufweist.