WO2017028843A1 - Eisfreihalte - und -enteisungsanordnung für ein windenergieanlagen-rotorblatt - Google Patents

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WO2017028843A1
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WO
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rotor blade
wind turbine
film
icing
ice
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PCT/DE2016/100364
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Inventor
Jörg Spitzner
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Adios Patent Gmbh
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D80/00—Details, components or accessories not provided for in groups F03D1/00 - F03D17/00
    • F03D80/30—Lightning protection
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D80/00—Details, components or accessories not provided for in groups F03D1/00 - F03D17/00
    • F03D80/40—Ice detection; De-icing means
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the invention relates to a Windenergilagenrotorblatteisfreihalte- and- Entisungs- arrangement structure at the leading edge of a rotor blade of a wind turbine, comprising at least one applied or integrated on the rotor blade heating zone, which can be controlled cyclically and / or continuously, wherein the heating zone comprises at least one electric heating element and covered by a lightning protection system and provided with an erosion layer for protection against erosion.
  • the invention relates to an application method for a power plant rotor blade ice holding and deicing arrangement structure on a rotor blade of a
  • Wind turbines have the problem that their rotor blades at appropriate
  • Wind turbines in areas with a high risk of icing often even stand still for up to 70 days during a winter (for example at locations in Austria).
  • Ice always forms only during operation on the leading edge of the rotor blade, so that a heater is only to be mounted there. It is only a small electrical heating power necessary because only a small area must be heated and the heating is done only on the surface where the ice is formed, and not inside the sheet.
  • Wind turbine blade heating system on a rotor blade of a wind turbine known comprising at least two heating zones with modular heating elements, wherein the modular heating elements are cyclically and / or continuously controlled, a
  • Control system for activating individual heating zones, main heating elements and / or auxiliary heating elements, environmental, environmental, rain, temperature and / or
  • Humidity sensors for the detection of controlled variables, wherein the sensors are evaluated by the control system.
  • the wind turbine rotor blade ice de-icing and deicing assembly is mounted on the leading edge of a rotor blade of a wind turbine since it has been recognized that this range is the critical area of ice formation.
  • Power plant rotor blade ice holding and de-icing arrangement construction has at least one which is applied at the leading edge of the rotor blade in the case of subsequent attachment or, in particular, is provided at the factory for new rotor blades
  • Thermal turbine blade ice containment and de-icing assembly assemblies have an integrated heating zone which can be cyclically and / or continuously controlled, the
  • Heating zone comprises at least one electric heating element and is covered by a lightning protection system and provided with an erosion layer for protection against erosion.
  • the one or more electric heating elements as a graphite-based Wienlack applied to a carrier foil on the rotor blade as the first layer with the
  • Carrier film so carrier film on the rotor blade and thus Banklack on the carrier film, is glued or are. Further, the one or more electrical heating elements made of copper or copper alloys in particular existing flat strips for powering the electric heating element contacted. On the electric heating system is then one
  • Isolation film or an insulating varnish and then on the insulation film or the
  • Erosion protection lacquer or erosion protection foil is.
  • the key advantage of the disclosed turbine rotor blade ice de-icing and de-icing assembly construction is the durability of the construction, for the first time
  • The, in one embodiment also quasi double-sided adhesive formed insulating film forms the insulating layer between the heating and the copper foil. It forms the separation of the current-conducting and current-carrying planes.
  • Copper ribbon which conduct the electricity to the heating zones or the power of the
  • the one or more heating zones can be realized in particular by a plurality of individual interconnected heating elements, it being advantageous in this respect that the application of individual, for example, 50 cm long heating elements is made in sections and the individual sectional heating elements are connected to each other via Kupferflachb sectional heating elements.
  • the individual sectional heating elements of at least one heating zone are the same size in terms of area, so that in this way a sufficient and uniform resistance is realized.
  • the flat strips are adhesively bonded to the heating elements with an electrically conductive adhesive so that the current conducted via the flat strips to the heating elements can also flow over a period of use lasting for years. It has been shown in particular that alternative joining methods do not survive the continuous use in reality, so that there are interruptions in the power supply to the
  • Heating elements comes.
  • the flat strips of copper beryllium or beryllium-doped copper are made.
  • the insulating film is double-sided adhesive, since this is a simple handling is given to the
  • Rotor blade surfaces facing side is provided with a corresponding adhesive and can be prefabricated or processed / processed in the prepared composite with the carrier film with the Schulack arranged thereon.
  • the copper foil would then be provided with a corresponding adhesive in the other, so that the copper foil Rotor blade side provided with the adhesive on the insulating film, which is not adhesive in this case formed on this page, can be applied.
  • the copper foil is surface-treated to increase the adhesion.
  • the copper foil should also have almost high-purity copper. It is also advantageous if the copper foil is rolled during the production process, whereby it becomes harder, and is annealed after rolling, so that the copper foil in the
  • the copper foil has a thickness of 0, 1 to 0.2 mm.
  • the thickness of the copper foil for lightning protection is particularly preferably 0.15 mm, since from this thickness no material damage occurs in continuous use.
  • the copper layer ultimately protects the heating layer from the effects of a lightning strike.
  • the copper layer is designed for this purpose so that the strongest lightning strikes can be picked up by it during impact and discharged via appropriate grounding devices or the conventional lightning protection system in the ground.
  • the graphite-containing heating lacquer on the carrier film can be present in particular as graphite or else as carbon nanomaterials in conjunction with graphite. Furthermore, it has been found that a graphite-containing heating lacquer is easy to process, in particular can be applied to the carrier film via a doctor blade method.
  • the layer thickness of the heating lacquer on the carrier film is in the range of 20 ⁇ to 160 ⁇ .
  • the layer thickness of the heating lacquer in the range of 20 ⁇ to 90 ⁇ .
  • the layer thickness of the heating varnish on the carrier film about 20 ⁇ to 70 ⁇ , since at this layer thickness necessary for the Wndenergieanlagenenteisung heating resistor is realized.
  • the carrier film to which the heating varnish is applied and in particular the insulating film can in a preferred embodiment consist of polyethylene terephthalate [PET].
  • PET polyethylene terephthalate
  • the materials polyethylene [PE] or polyurethane [PU] are also suitable for the formation of the films.
  • the carrier film is designed to be flexible, so that it allows bi-directional expansions along the surface.
  • the carrier film is treated electrochemically or by means of a plasma activation prior to the application of the heating varnish, so that application of the graphite-containing heating varnish to the carrier film is possible with particularly strong adhesion.
  • the erosion layer formed as a varnish is, in particular, a two-component varnish, which is applied in the range of at least 300 ⁇ m to 600 ⁇ m, layer thickness.
  • a layer thickness of 300 ⁇ has been found in this regard to be particularly advantageous in terms of material consumption, applicability and Durability.
  • the adhesives to be used can be acrylate adhesives which are used for this purpose of connection.
  • Acrylic adhesives are synthetically derived adhesives whose properties are characterized above all by their high resistance to aging and temperature as well as their insensitivity to UV radiation and oxidation. It can be both acidic and water based
  • Acrylate adhesives are used, since in combination with a possible oxygen-free copper little complications are to be expected even under special weather conditions (humidity, temperature).
  • Power supply connection on or in the rotor blade can be provided in particular flat copper bands. These flat copper strips can be arranged very well between the carrier foil or next to the carrier foil and the insulating foil / the insulating lacquer and very easily prepare or apply in the course of the preparation process or the application process.
  • the films, namely the carrier film for the heating varnish and the insulating film are designed to be correspondingly larger, so that the Kupferflachb selected can be positioned to accommodate the current with on the films and accommodated.
  • Pre-assembly of these copper flat strips for power line with simultaneous positioning on the corresponding films is also particularly preferred implement.
  • these copper strips are guided at contact points on the rotor blade surface where they pass through the rotor blade via these contact points which are embedded in the rotor blade surface and flush with the actual rotor blade surface close and connected there with the copper contacts.
  • said bushings are formed as a copper bolt or copper pin and are continued at least in the blade interior as a circular conductor.
  • the entire heating zone of a rotor blade consists of at least three heating zones, and the individual heating zones of a plurality of heating elements, for example, with a length of about 50 cm, are formed and these heating elements are prefabricated. This allows them to be in place on the
  • Glued on the leading edge of a rotor blade are preferably a prefabricated composite of rotor blade side adhesive carrier film with the heating lacquer applied on the rotor blade remote side and the insulating lacquer or insulation film disposed thereon, with the copper flat strips located between the carrier foil and the insulating foil. Furthermore, and also in a particularly preferred embodiment, the
  • Copper foils are applied, so that a further preparation step can be integrated prefabricated.
  • the prefabricated individual heating elements in particular with the already applied lightning protection, successively adhered to the leading edge of the rotor blade and covered after gluing with a final erosion layer.
  • the films are provided with corresponding overlaps.
  • edge regions are formed in a particularly preferred embodiment with a transfer of the actual area.
  • Rotor blade of a wind turbine with the corresponding structure has the steps:
  • Rotor blade surface is adhered, and these electrical heating elements with flat strips and / or these flat strips are contacted with leads and / or feed points in or on the rotor blade surface;
  • Heating varnish wherein the insulating foil or insulating varnish the graphite-containing heating varnish
  • Erosion protection paint at least completely covers the copper foil.
  • both new and existing rotor blades can be converted in the simplest way.
  • the preparation of the rotor blade surface is of course to be viewed individually, so that an older rotor blade usually the rotor blade leading edges usually need to be repaired or repaired so that a new or almost equivalent surface is created, whereas newer
  • Rotor blades may only need to be cleaned or cleaned so that a surface necessary for the bonding of the carrier film is present, and ultimately also the anti-erosion lacquer or the anti-erosion film which, of course, easily over the
  • Edge areas can adhere well to this surface.
  • the layers which are applied one after the other are applied beyond the edge region of the previous layer.
  • the steps II. And III. be carried out together when using insulation film, in which case before the common application of the carrier film with the graphite-containing heating varnish and the insulating film in one step, the carrier film with the graphite-containing heating varnish is glued to the insulating film.
  • a large savings potential is realized, which relates to the time for application in the field as well as in new installations in the workshop.
  • contacts such as copper strips, namely for power line in the individual fields and power connections of the individual fields, in addition to the graphite-containing heating varnish on the carrier film and / or the insulating film or under the insulation film / the insulating varnish are applied.
  • the carrier film with the heating varnish applied thereto is clearly surmounted by the insulating film in its areal extent, so that the flat copper cables to be arranged lie next to the carrier film on the rotor blade surface and virtually on the insulating film on the rotor blade surface being held. Due to the clear overlap, the lower carrier foil can be kept small with the heating element corresponding to the actual heating surface.
  • the current-carrying lines are then with Assistance of the insulation film applied and fixed, since the insulation film is much wider and thus covers the current-carrying lines, such as the copper flat strips.
  • the contacts such as flat copper strips, can likewise be provided with corresponding adhesives, at least on one side, so that they can be applied to the corresponding surfaces adhesively on at least one side.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Windenergieanlagenrotorblatteisfreihalte- und enteisungsanordnungsaufbau an der Vorderkante eines Rotorblattes einer Windenergieanlage, aufweisend wenigstens eine auf dem Rotorblatt aufgebrachte oder integrierte Heizzone, die zyklisch und/oder kontinuierlich angesteuert werden kann, wobei die Heizzone wenigstens ein elektrisches Heizelement umfasst und von einem Blitzschutzsystem abgedeckt und mit einer Erosionsschicht zum Schutz vor Erosion versehen ist, wobei - das oder die elektrischen Heizelemente als ein auf einer Trägerfolie aufgebrachter graphithaltiger Heizlack ausgestaltet ist/sind und auf dem Rotorblatt als erste Schicht mit der Trägerfolie aufgeklebt ist/sind und das oder die elektrischen Heizelemente mit aus Kupferlegierungen bestehenden Flachbändern zur Stromversorgung der elektrischen Heizelemente kontaktiert sind, - auf dem elektrischen Heizsystem eine Isolationsfolie oder ein Isolierlack aufgebracht ist, - auf der Isolationsfolie oder dem Isolierlack das Blitzschutzsystem, das eine Kupferfolie ist, aufgebracht ist und - auf dem Blitzschutzsystem die Erosionsschicht aufgebracht ist, wobei die Erosionsschicht ein Erosionsschutzlack oder eine Erosionsschutzfolie ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Aufbringverfahren für einen Windenergieanlagenrotorblatteisfreihalte- und -enteisungsanordnungsaufbau auf einem Rotorblatt einer Windenergieanlage.

Description

EISFREIHALTE - UND -ENTEISUNGSANORDNUNG FÜR EIN WINDENERGIEANLAGEN-ROTORBLATT
Die Erfindung betrifft einen Windenergieanlagenrotorblatteisfreihalte- und -enteisungs- anordnungsaufbau an der Vorderkante eines Rotorblattes einer Windenergieanlage, aufweisend wenigstens eine auf dem Rotorblatt aufgebrachte oder integrierte Heizzone, die zyklisch und/oder kontinuierlich angesteuert werden kann, wobei die Heizzone wenigstens ein elektrisches Heizelement umfasst und von einem Blitzschutzsystem abgedeckt und mit einer Erosionsschicht zum Schutz vor Erosion versehen ist.
Ferner betrifft die Erfindung ein Aufbringverfahren für einen Wndenergieanlagen- rotorblatteisfreihalte- und -enteisungsanordnungsaufbau auf einem Rotorblatt einer
Windenergieanlage.
Windenergieanlagen haben das Problem, dass deren Rotorblätter bei entsprechenden
Wetterlagen, insbesondere wenn die Wndenergieanlagen an höhergelegenen Standorten aufgebaut sind, anfangen zu vereisen. Dieses teilweise auch ungleichmäßige Vereisen der Rotorblätter kann zu einer Anlagenunwucht und damit verbundenen Schwingungen sowie auch zum Eisabwurf in die Umgebung führen. Es entstehen durchaus sehr hohe Ertragsausfälle durch die Vereisung der Rotorblätter und auch durch fehlerhafte Eissensoren in den
Windenergieanlagen.
Windenergieanlagen in stark vereisungsgefährdeten Gebieten haben oftmals sogar bis zu 70 Tage Stillstand während eines Wnters (so zum Beispiel an Standorten in Österreich).
Exemplarisch sei hier für eine 1 ,3 MW-Anlage ein Ausfall von ca. 15 Tagen genannt, der sich auf 8.000 EUR beziffern lässt. Noch extremer verhält es sich mit 3 MW-Anlagen, bei denen sich der Ertragsverlust auf 30.000 EUR bei 15 Tagen Eisstillstandzeit beziffern lässt. Auch Anlagen in nicht unmittelbar vereisungsgefährdeten Gebieten müssen häufig wegen Eisbildung abgeschaltet werden, so dass insgesamt eine sehr große Nachfrage nach
Enteisungsvorrichtungen gegeben ist.
Eis bildet sich immer nur während des Betriebes an der Vorderkante des Rotorblattes, so dass eine Heizung auch nur dort zu montieren ist. Es ist nur eine geringe elektrische Heizleistung notwendig, da nur eine geringe Fläche beheizt werden muss und das Heizen nur an der Oberfläche, wo das Eis entsteht, und nicht im Inneren des Blattes erfolgt.
Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Anordnungen bekannt, um Rotorblätter von Windenergieanlagen zu enteisen bzw. eisfrei zu halten.
Der nächstkommende Stand der Technik dürfte der bekannte Stand der Technik aus der Druckschrift EP 2 826 993 sein, aus der ein Wndenergieanlagenrotorblattenteisungsverfahren mit einem an einem Rotorblatt angeordneten Windenergieanlagenrotorblattenteisungssystem bekannt ist, bei dem modulare elektrische Heizelemente, die zyklisch, wiederkehrend, diskontinuierlich und/oder kontinuierlich angesteuert werden, wobei mindestens ein modulares Heizelement mit einem Temperaturfühler und/oder elektrischem Widerstandsmesser versehen ist, wobei ein kontinuierliches Messen von Umweltmesswerten erfolgt und das
Windenergieanlagenrotorblattenteisungssystem bei Erreichen von vorgegebenen
Umweltmesswerten aktiviert wird. Ferner ist aus dieser Druckschrift ein
Windenergieanlagenrotorblattheizsystem an einem Rotorblatt einer Windenergieanlage bekannt, das mindestens zwei Heizzonen mit modularen Heizelementen umfasst, wobei die modularen Heizelemente zyklisch und/oder kontinuierlich ansteuerbar sind, ein
Ansteuerungssystem zur Aktivierung einzelner Heizzonen, Hauptheizelementen und/oder Hilfsheizelementen, Umwelt-, Umgebungs-, Regen-, Temperatur- und/oder
Luftfeuchtigkeitssensoren zur Erfassung von Regelgrößen, wobei die Sensoren durch das Ansteuerungssystem ausgewertet werden.
Das Haupt-Problem im Stand der Technik ist im Wesentlichen, dass es keine Anti- and De-Ice Systeme zum Nachrüsten gibt und die implementierten System nicht zuverlässig funktionieren. Es fehlt also tatsächlich an einer wirklichen Lösung und einem entsprechenden System, dass das Problem der Eisbildung und Vereisung von Rotorblättern von Wndenergieanlagen tatsächlich angeht und auch effektiv löst. Hierbei ist ein wesentlicher Aspekt die Aufbringbarkeit einer derartigen Enteisungsanordnung für Rotorblätter einer Windenergieanlage, da diese
Aufbringung an vorhandenen bzw. in Betrieb stehenden Anlagen vorgenommen werden muss und es hierbei im Stand der Technik mit den bekannten Anordnungen und Verfahren nicht möglich ist, effizient und nahezu bei jeder angemessenen Wtterung derartige
Enteisungsanordnungen in Feldmontage zu montieren.
Es wurde insbesondere erkannt, dass bei im Stand der Technik befindlichen
Enteisungsanordnungen für Rotorblätter einer Wndenergieanlage derzeit kein durables Gesamtsystem bekannt ist, da die im Stand der Technik bekannten Enteisungsanordnungen allesamt nach kurzer Zeit aufgrund von Leitungsversagen und Ausfall der Heizelemente die Funktion einstellen, wobei dies bereits nach wenigen Tagen bis Wochen der Fall sein kann. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Wndenergieanlagenrotorblatteisfreihalte- und -enteisungsanordnungsaufbau anzugeben, das einfach zu montieren ist, eine nahezu dauerhafte und effizient zu betreibende Eisfreiheit ermöglicht, wobei insbesondere die Montage im Feld, also unmittelbar an der
Wndenergieanlage erfolgen soll. Mithin soll der Eisansatz vermieden bzw. beseitigt werden und zudem eine lokale Reparaturfähigkeit möglich sein. Die Beständigkeit und Haltbarkeit einer derartigen Enteisungsanordnung ist hierbei von entscheidender Bedeutung! Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Windenergieanlagenrotorblatteisfreihalte- und -enteisungsanordnungsaufbau gemäß Hauptanspruch sowie einem Aufbringverfahren für einen Windenergieanlagenrotorblatteisfreihalte- und -enteisungsanordnungsaufbau auf einem Rotorblatt einer Windenergieanlage gemäß nebengeordnetem Anspruch.
Der Windenergieanlagenrotorblatteisfreihalte- und -enteisungsanordnungsaufbau wird an der Vorderkante eines Rotorblattes einer Windenergieanlage angebaut, da erkannt wurde, dass dieser Bereich der entscheidene Bereich der Eisbildung ist. Der
Wndenergieanlagenrotorblatteisfreihalte- und -enteisungsanordnungsaufbau weist wenigstens eine an der Vorderkante des Rotorblattes bei nachträglicher Anbringung aufgebrachte oder bei neuen Rotorblättern insbesondere werksseitig vorgesehenen
Wndenergieanlagenrotorblatteisfreihalte- und -enteisungsanordnungsaufbauten integrierte Heizzone auf, die zyklisch und/oder kontinuierlich angesteuert werden kann, wobei die
Heizzone wenigstens ein elektrisches Heizelement umfasst und von einem Blitzschutzsystem abgedeckt und mit einer Erosionsschicht zum Schutz vor Erosion versehen ist. Diesbezüglich ist erfindungsgemäß, dass das oder die elektrischen Heizelemente als ein auf einer Trägerfolie aufgebrachter graphithaltiger Heizlack, das auf dem Rotorblatt als erste Schicht mit der
Trägerfolie, also Trägerfolie auf dem Rotorblatt und somit Heizlack auf der Trägerfolie, aufgeklebt ist bzw. sind. Weiter sind das oder die elektrischen Heizelemente aus Kupfer oder insbesondere Kupferlegierungen bestehenden Flachbändern zur Stromversorgung der elektrischen Heizelement kontaktiert. Auf dem elektrischen Heizsystem ist dann eine
Isolationsfolie oder ein Isolierlack und dann im Weiteren auf der Isolationsfolie oder dem
Isolierlack das Blitzschutzsystem, das eine Kupferfolie ist, aufgebracht. Zum Abschluss ist auf dem Blitzschutzsystem die Erosionsschicht aufgebracht, wobei die Erosionsschicht ein
Erosionsschutzlack oder eine Erosionsschutzfolie ist.
Durch diesen Lagenaufbau ist es erstmalig möglich, einen einfach zu montierenden, nämlich sowohl für neue Rotorblätter als auch für die nachträgliche Anbringung eines derartigen
Aufbaus an vorhandene Rotorblätter, Windenergieanlagenrotorblatteisfreihalte- und -enteisungsanordnungsaufbau zu verwenden, der eine Eisfreihaltung bzw. Enteisung tatsächlich dauerhaft über mehrere Jahre ermöglicht, da dessen Beständigkeit gegenüber den Bewegungen des Rotorblattes an dessen Oberfläche gewährleistet ist.
Nur durch diesen Aufbau der Enteisungsanordnung ist der langjährige Betrieb überhaupt erst möglich. Es kommt hierbei auf die Details der einzelnen Komponenten im Einzelnen an.
Der entscheidende Vorteil des offenbarten Wndenergieanlagenrotorblatteisfreihalte- und - enteisungsanordnungsaufbaus liegt in der Durabilität des Aufbaus, der erstmalig
Temperaturschwankungen als auch den auftretenden Kräften, insbesondere Torsions- und Zugkräften, die auf der Rotorblattoberfläche anliegen, tatsächlich widersteht! Die, in einer Ausführungsvariante auch quasi doppelseitig klebend ausgebildete, Isolationsfolie bildet die Isolationsschicht zwischen der Heiz- und der Kupferfolie. Sie bildet die Trennung der stromleitenden bzw. stromführenden Ebenen. Und ist in einer entsprechenden besonders bevorzugten Ausführungsform selbstverständlich auf entsprechend vorgesehene
Kupferflachbänder, die den Strom zu den Heizzonen leiten bzw. den Strom von den
Kupferfolien wegleiten.
Die eine oder auch mehreren Heizzonen können insbesondere durch mehrere einzelne miteinander verbundene Heizelemente realisiert werden, wobei es diesbezüglich vorteilhaft ist, dass die Aufbringung der einzelnen beispielsweise 50 cm langen Heizelemente abschnittsweise erfolgt und die einzelnen abschnittsweisen Heizelemente miteinander über Kupferflachbänder stirnseitig verbunden werden.
Zur Erzielung einer gleichmäßigen Beheizung über die zu beheizende Fläche sind die einzelnen abschnittsweisen Heizelemente wenigstens einer Heizzone flächenmäßig gleich groß ausgebildet, damit auf diese Weise ein ausreichender und gleichmäßiger Widerstand realisiert wird.
Die Flachbänder sind in einer besonders bevorzugten Ausführungsform mit einem elektrisch leitfähigen Kleber mit den Heizelementen verklebt, so dass der über die Flachbänder zu den Heizelementen geleitete Strom auch über einen jahrelangen Einsatzzeitraum fließen kann. Es hat sich insbesondere gezeigt, dass alternative Fügeverfahren nicht den Dauereinsatz in der Realität überstehen, so dass es zu Unterbrechungen in der Stromversorgung zu den
Heizelementen kommt.
Ebenfalls in einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante sind die Flachbänder aus Kupferberyllium bzw. einem mit Beryllium dotiertem Kupfer (Berylliumkupfer) gefertigt.
Überraschenderweise zeigt sich gerade dieses harte und spröde Leichtmetall als
Legierungszusatz in Kupfer als besonders geeignet für diesen Einsatz in dem
Wndenergieanlagenrotorblatteisfreihalte- und -enteisungsanordnungsaufbau.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Isolationsfolie doppelseitig klebend ausgebildet ist, da hierdurch eine einfache Handhabung gegeben ist, um den
Wndenergieanlagenrotorblatteisfreihalte- und -enteisungsanordnungsaufbau herzustellen. Alternativ kann neben einer doppelseitig klebenden Isolationsfolie auch eine einseitig klebende Isolationsfolie verwendet werden, wobei insbesondere die Isolationsfolie auf der
Rotorblattoberflächen zugewandten Seite mit einem entsprechenden Kleber versehen ist und so im vorbereiteten Verbund mit der Trägerfolie mit dem darauf angeordneten Heizlack vorgefertigt oder prozessiert/verarbeitet werden kann. Bei dieser Ausgestaltung wäre dann im weiteren die Kupferfolie mit einem entsprechenden Kleber versehen, so dass die Kupferfolie rotorblattseitig mit dem Kleber versehen auf die Isolationsfolie, die in diesem Fall nicht klebend auf dieser Seite ausgebildet ist, aufgebracht werden kann.
Ferner hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, dass die Kupferfolie zur Erhöhung der Haftung oberflächenbehandelt ist. Hierzu bietet sich eine entsprechende im Stand der Technik bekannte Aktivierung der oberen Kupferschicht an, so dass eine bessere Haftung realisiert wird. Zur Erhöhung der Durabilität sollte ferner die Kupferfolie nahezu hochreines Kupfer aufweisen. Weiter vorteilhaft ist es, wenn die Kupferfolie während des Herstellungsprozesses gewalzt wird, wodurch es härter wird, und nach dem Walzen geglüht wird, so dass die Kupferfolie im
Anschluss flexibler und wieder weich wird. Insbesondere weist die Kupferfolie eine Dicke von 0, 1 bis 0,2 mm auf. Besonders bevorzugt beträgt die Dicke der Kupferfolie für den Blitzschutz 0, 15 mm, da ab dieser Stärke keine Materialschäden im Dauereinsatz entstehen. Insbesondere kann besonders bevorzugt Kupferfolie verwendet werden, die mittels zusätzlicher oberflächlich aufgebrachter Kupferanlagerungen, beispielsweise in einem Säurebad, behandelt wurde, wobei diese Kupferfolien eine hochaktive Oberfläche aufweisen und entsprechend gut eine
Haftverbindung mittels eines Klebers zu der/den Folien bzw. dem/den Lacken eingehen.
Die Kupferschicht schützt letztendlich die Heizschicht vor der Einwirkung eines Blitzeinschlages. Die Kupferschicht ist hierzu derart ausgelegt, dass die stärksten Blitzeinschläge von ihr beim Einschlag aufgenommen und über entsprechende Erdungsvorrichtungen oder auch die herkömmliche Blitzschutzanlage in den Boden abgeleitet werden können.
Der graphithaltige Heizlack auf der Trägerfolie kann insbesondere als Graphit oder aber auch als Kohlenstoff-Nanomaterialien in Verbindung mit Graphit vorliegen. Ferner hat sich gezeigt, dass ein graphithaltiger Heizlack leicht zu verarbeiten ist, insbesondere auf die Trägerfolie über ein Rakelverfahren aufgetragen werden kann.
Die Schichtdicke des Heizlackes auf der Trägerfolie liegt im Bereich von 20μηι bis 160μηι.
Besonders bevorzugt liegt die Schichtdicke des Heizlackes im Bereich von 20μηι bis 90μηι. Besonders bevorzugt beträgt die Schichtdicke des Heizlackes auf der Trägerfolie etwa 20μηι bis 70μηι, da bei dieser Schichtdicke der für die Wndenergieanlagenenteisung notwendige Heizwiderstand realisiert wird.
Die Trägerfolie, auf die der Heizlack aufgebracht ist, als auch insbesondere die Isolationsfolie können in einer bevorzugten Ausführungsform aus Polyethylenterephthalat [PET] bestehen. Ferner sind noch die Materialien Polyethylen [PE] oder Polyurethan [PU] zur Ausbildung der Folien geeignet.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Trägerfolie flexibel ausgebildet, so dass sie Dehnungen entlang der Fläche bidirektional zulässt. Die Trägerfolie wird in einer besonders bevorzugten Ausführungsform vor dem Aufbringen des Heizlackes elektrochemisch oder mittels einer Plasmaaktivierung behandelt, so dass das Aufbringen des graphithaltigen Heizlackes auf die Trägerfolie mit einer besonders starken Haftung möglich ist.
Die als Lack ausgebildete Erosionsschicht ist insbesondere ein zwei-Komponentiger Lack, der im Bereich von wenigstens 300 μηι bis 600 μηι, Schichtdicke aufgebracht ist. Eine Schichtdicke von 300μηι hat sich diesbezüglich als besonders vorteilhaft in Bezug auf die Materialverbrauch, Auftragemöglichkeit und Durabilität herausgestellt.
Bevorzugt ist auch die Form einer Erosionsschutzfolie, die ebenfalls mit Schichtdicken im Bereich von 200μηι bis 600μηι, insbesondere 300μηι vorliegt und aufgebracht bzw. aufgeklebt wird.
Es hat sich gezeigt, dass insbesondere die zu verwendenden Kleber Acrylatkleber sein können, die zu diesem Anbindungszweck Verwendung finden. Acrylatklebstoffe sind synthetisch gewonnene Klebstoffe, deren Eigenschaften sich vor allem durch ihre hohe Alterungs- und Temperaturbeständigkeit sowie ferner durch deren Unempfindlichkeiten gegen UV-Strahlung und Oxidation auszeichnen. Es können sowohl säurehaltige als auch wasserbasierte
Acrylatkleber verwendet werden, da in Kombination mit einem möglichen sauerstofffreien Kupfer wenig Komplikationen auch unter besonderen Witterungsbedingungen (Feuchtigkeit, Temperatur) zu erwarten sind.
Zur Kontaktierung der Heizelemente untereinander und/oder zur Kontaktierung mit einem
Energieversorgungsanschluss am oder im Rotorblatt können insbesondere flache Kupferbänder vorgesehen werden. Diese flachen Kupferbänder lassen sich zwischen der Trägerfolie oder neben der Trägerfolie und der Isolationsfolie / dem Isolationslack sehr gut anordnen und im Zuge des Vorbereitungsprozesses bzw. des Aufbringungsprozesses sehr leicht vorbereiten bzw. aufbringen. Diesbezüglich sind die Folien, nämlich die Trägerfolie für den Heizlack und die Isolationsfolie entsprechend größer ausgebildet, so dass die Kupferflachbänder zur Leitung des Stromes mit auf den Folien positioniert und untergebracht werden können. Ein
Vorkonfektionieren dieser Kupferflachbänder zur Stromleitung bei gleichzeitiger Positionierung auf den entsprechenden Folien ist ebenfalls besonders bevorzugt umzusetzen.
Da auch zur Stromversorgung entsprechende Leitungen vorgesehen werden müssen, die die Heizzonen mit Strom versorgen, werden erfindungsgemäß zudem Kupferflachbänder in den Lagenaufbau mit eingebunden.
Diese Kupferbänder werden in einer besonderen Ausführungsform an Kontaktpunkten an der Rotorblattoberfläche geführt, wo sie durch das Rotorblatt über diese Kontaktpunkte, die in die Rotorblattoberfläche eingelassen sind und bündig mit der eigentlichen Rotorblattoberfläche abschließen, und dort mit den Kupferkontakten verbunden. Auf der Innenseite des Rotorblattes sind von diesen Kontaktpunkten normale Kabel zu der Stromversorgung innerhalb der Nabe vorgesehen. Insbesondere kann zur Durchführung der elektrischen Leitungen / Flachbänder für die Heizelemente und/oder für das Blitzschutzsystem Durchführungen in unbelasteten
Bereichen des Rotorblattes vorgesehen werden, wobei diese Durchführungen als Kupferbolzen oder Kupferpin ausgebildet sind und wenigstens im Blattinneren als Rundleiter fortgeführt sind.
Ebenfalls ist eine besonders bevorzugte Ausführungsform, wenn die gesamte Heizzone eines Rotorblattes aus wenigstens drei Heizzonen besteht, und die einzelnen Heizzonen aus mehreren Heizelementen, beispielsweise mit einer Länge von etwa 50 cm, ausgebildet sind und diese Heizelemente vorgefertigt sind. Hierdurch können diese an Ort und Stelle auf die
Vorderkante eines Rotorblattes aufgeklebt werden. Diese Elemente sind bevorzugt ein vorgefertigter Verbund aus rotorblattseitig klebender Trägerfolie mit dem auf der rotorblattfernen Seite aufgebrachten Heizlack und dem darauf angeordneten Isolationslack bzw. Isolationsfolie, mit den zwischen der Trägerfolie und der Isolationsfolie befindlichen Kupferflachbänder. Ferner können weiterhin, und dies ebenfalls in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung, die
Kupferfolien aufgebracht werden, so dass ein weiterer Vorbereitungsschritt vorgefertigt integriert werden kann. Auf einfachste Weise werden die vorgefertigten einzelnen Heizelemente, insbesondere mit dem bereits aufgebrachten Blitzschutz, nacheinander auf die Vorderkante des Rotorblattes aufgeklebt und nach dem Aufkleben mit einer abschließenden Erosionsschicht abgedeckt.
Besonders bevorzugt werden die Folien mit entsprechenden Überlappungen versehen.
Zusätzlich werden die Randbereiche in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung mit einer Überragung des eigentlichen Bereiches ausgebildet.
Das entsprechend erfindungsgemäße Aufbringverfahren für einen
Windenergieanlagenrotorblatteisfreihalte- und -enteisungsanordnungsaufbau auf einem
Rotorblatt einer Windenergieanlage mit dem entsprechenden Aufbau weist die Schritte auf:
I. Vorbereiten der Rotorblattoberfläche;
II. Aufkleben des/der elektrischen Heizelemente(s) durch Aufkleben der Trägerfolie, die mit dem graphithaltigen Heizlack versehen ist, wobei die Trägerfolie auf die vorbereitete
Rotorblattoberfläche aufgeklebt wird, und diese elektrischen Heizelemente mit Flachbändern und / oder diese Flachbänder mit Zuleitungen und/oder Zuleitungspunkten in oder auf der Rotorblattoberfläche kontaktiert werden;
III. Aufkleben der Isolationsfolie oder Aufbringen des Isolierlackes auf dem graphithaltigen
Heizlack, wobei die Isolationsfolie oder Isolierlack den graphithaltigen Heizlack
wenigstens vollständig überdeckt;
IV. Aufkleben der Kupferfolie auf die Isolationsfolie oder den Isolierlack, wobei die Kupferfolie die Isolationsfolie oder den Isolierlack wenigstens vollständig überdeckt;
V. Aufbringen der Erosionsschicht auf der Kupferfolie durch Aufkleben der Erosionsschutzfolie oder Aufbringen des Erosionsschutzlackes, wobei die Erosionsschutzfolie oder der
Erosionsschutzlack die Kupferfolie wenigstens vollständig überdeckt.
Durch dieses vorbeschriebene Verfahren können sowohl neue als auch im Bestand befindliche Rotorblätter auf einfachste Weise umgerüstet werden. Das Vorbereiten der Rotorblattoberfläche ist selbstverständlich individuell zu sehen, so dass ein älteres Rotorblatt in der Regel insbesondere die Rotorblattvorderkanten repariert bzw. instand gesetzt werden müssen, so dass eine neue oder neuwertig vergleichbare Oberfläche entsteht, wohingegen neuere
Rotorblätter vielleicht nur gecleant bzw. gesäubert werden müssen, so dass eine für die Klebung der Trägerfolie notwendige Oberfläche vorhanden ist und auch letztendlich der Erosionsschutzlack oder die Erosionsschutzfolie, die selbstverständlich leicht über die
Randbereiche hinausgeht, gut auf dieser Oberfläche haften kann.
Insbesondere werden in einer bevorzugten Ausgestaltung die Schichten, die nacheinander aufgebracht werden, über den Randbereich der vorherigen Schicht hinaus aufgetragen.
Hierdurch ist ein zusätzlicher Schutz der Kantenbereiche möglich, wobei diese Ausgestaltung besonders bevorzugt ist, da enorme Kräfte durch den Wnd an der kritischen Vorderkante des Rotorblattes vorliegen. Die Überlappung der Schichten erzeugt zudem auch noch eine gute aerodynamische Ausbildung der Oberfläche.
Zur optimalen Vorbereitung der Aufbringungsarbeiten und zur Effizienzsteigerung können die Schritte II. und III. bei Verwendung von Isolationsfolie zusammen ausgeführt werden, wobei hierzu vor dem gemeinsamen Aufbringen der Trägerfolie mit dem graphithaltigen Heizlack und der Isolationsfolie in einem Schritt die Trägerfolie mit dem graphithaltigen Heizlack auf die Isolationsfolie geklebt wird. Hierdurch wird ein großes Einsparungspotenzial realisiert, was die Zeit zum Aufbringen bei Montage im Feld als auch bei Neuanlagen in der Werkshalle betrifft.
Vorzusehende Kontaktierungen, wie Kupferbänder, nämlich zur Stromleitung in die einzelnen Felder und Stromverbindungen der einzelnen Felder, neben dem graphithaltigen Heizlack auf der Trägerfolie und/oder der Isolationsfolie oder unter der der Isolationsfolie / dem Isolationslack aufgebracht werden. Hierbei ist beispielsweise und auch bevorzugt eine entsprechende Ausgestaltung realisierbar, bei der die Trägerfolie mit dem darauf aufgebrachten Heizlack deutlich von der Isolationsfolie in dessen Flächenausdehnung überragt wird, so dass die anzuordnenden Flachkupferkabel neben der Trägerfolie auf der Rotorblattoberfläche liegen und quasi von der Isolationsfolie auf der Rotorblattoberfläche gehalten werden. Durch die deutliche Überlappung kann die untere Trägerfolie mit dem Heizelement klein gehalten werden entsprechend der tatsächlichen Heizfläche. Die stromführenden Leitungen werden dann mit Hilfe der Isolationsfolie aufgebracht und fixiert, da die Isolationsfolie deutlich breiter ausgebildet ist und so die stromführenden Leitungen, wie die Kupferflachbänder überdeckt.
Ferner können die Kontaktierungen, wie Kupferflachbänder, ebenfalls mit entsprechenden Klebern, wenigstens einseitig, versehen werden, so dass diese wenigstens einseitig klebend auf den entsprechenden Oberflächen aufgebracht werden können.

Claims

A N S P R Ü C H E
Windenergieanlagenrotorblatteisfreihalte- und -enteisungsanordnungsaufbau an der Vorderkante eines Rotorblattes einer Windenergieanlage,
aufweisend wenigstens eine auf dem Rotorblatt aufgebrachte oder integrierte Heizzone, die zyklisch und/oder kontinuierlich angesteuert werden kann,
wobei die Heizzone wenigstens ein elektrisches Heizelement umfasst und von einem
Blitzschutzsystem abgedeckt und mit einer Erosionsschicht zum Schutz vor Erosion versehen ist,
wobei
- das oder die elektrischen Heizelemente als ein auf einer Trägerfolie aufgebrachter graphithaltiger Heizlack ausgestaltet ist/sind und auf dem Rotorblatt als erste Schicht mit der Trägerfolie aufgeklebt ist/sind und das oder die elektrischen Heizelemente mit aus Kupferlegierungen bestehenden Flachbändern zur Stromversorgung der elektrischen Heizelemente kontaktiert sind,
- auf dem elektrischen Heizsystem eine Isolationsfolie oder ein Isolierlack aufgebracht ist,
- auf der Isolationsfolie oder dem Isolierlack das Blitzschutzsystem, das eine Kupferfolie ist, aufgebracht ist
und
- auf dem Blitzschutzsystem die Erosionsschicht aufgebracht ist, wobei die
Erosionsschicht ein Erosionsschutzlack oder eine Erosionsschutzfolie ist.
Windenergieanlagenrotorblatteisfreihalte- und -enteisungsanordnungsaufbau nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Flachbänder mit einem elektrisch leitfähigen Kleber mit den Heizelementen verklebt sind
und/oder die Flachbänder aus Kupferberyllium bestehen.
Windenergieanlagenrotorblatteisfreihalte- und -enteisungsanordnungsaufbau nach
Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Isolationsfolie einseitig oder doppelseitig klebend, wobei die Kupferfolie ebenfalls wenigstens einseitig klebend, ausgebildet ist. Windenergieanlagenrotorblatteisfreihalte- und -enteisungsanordnungsaufbau nach einem der Ansprüche 1 ,2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kupferfolie zur Erhöhung der Haftung oberflächenbehandelt ist und/oder die
Kupferfolie nahezu hochreines Kupfer aufweist und/oder die Kupferfolie gewalzt und nach dem Walzen geglüht worden ist und/oder eine Dicke im Bereich von 0, 1 bis 0,2 mm aufweist und/oder die Kupferfolie mittels eines Veredlungsverfahrens zusätzliche oberflächlich aufgebrachte Kupferanlagerungen aufweist.
Windenergieanlagenrotorblatteisfreihalte- und -enteisungsanordnungsaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
der graphithaltige Heizlack auf der Trägerfolie Graphit oder Kohlenstoff-Nanomaterialien und Graphit aufweist.
Windenergieanlagenrotorblatteisfreihalte- und -enteisungsanordnungsaufbau nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schichtdicke des Heizlackes auf der Trägerfolie im Bereich von 20μηι bis 160μηι oder im Bereich von 20μηι bis 90μηι liegt oder im Bereich von 20μηι bis 70μηι liegt beträgt.
Windenergieanlagenrotorblatteisfreihalte- und -enteisungsanordnungsaufbau nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Trägerfolie, auf die der Heizlack aufgebracht ist, und/oder die Isolationsfolie aus Polyethylenterephthalat [PET], Polyethylen [PE] oder Polyurethan [PU] besteht und/oder flexibel ausgebildet ist.
Windenergieanlagenrotorblatteisfreihalte- und -enteisungsanordnungsaufbau nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Trägerfolie vor dem Aufbringen des Heizlackes elektrochemisch oder mittels einer Plasmaaktivierung behandelt ist. Windenergieanlagenrotorblatteisfreihalte- und -enteisungsanordnungsaufbau nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die als Lack ausgebildete Erosionsschicht ein zwei-Komponentiger Lack ist, der im Bereich von wenigstens 300 μηι bis 600 μηι, Schichtdicke aufgebracht ist.
Windenergieanlagenrotorblatteisfreihalte- und -enteisungsanordnungsaufbau nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
zur Durchführung der elektrischen Leitungen / Flachbänder für die Heizelemente und/oder für das Blitzschutzsystem Durchführungen in unbelasteten Bereichen des Rotorblattes vorgesehen sind, wobei diese Durchführungen als Kupferbolzen oder Kupferpin ausgebildet sind und wenigstens im Blattinneren als Rundleiter fortgeführt sind.
Windenergieanlagenrotorblatteisfreihalte- und -enteisungsanordnungsaufbau nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
zur Kontaktierung der Heizelemente untereinander und/oder zur Kontaktierung mit einem Energieversorgungsanschluss am oder im Rotorblatt flache Kupferbänder vorgesehen sind und diese zwischen der Trägerfolie und der Isolationsfolie / dem Isolationslack oder unter der der Isolationsfolie / dem Isolationslack angeordnet sind.
Aufbringverfahren für einen Windenergieanlagenrotorblatteisfreihalte- und -enteisungsanordnungsaufbau auf einem Rotorblatt einer Windenergieanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch die Schritte:
I. Vorbereiten der Rotorblattoberfläche;
II. Aufkleben des/der elektrischen Heizelemente(s) durch Aufkleben der Trägerfolie, die mit dem graphithaltigen Heizlack versehen ist, wobei die Trägerfolie auf die
vorbereitete Rotorblattoberfläche aufgeklebt wird, und diese elektrischen Heizelemente mit Flachbändern und / oder diese Flachbänder mit Zuleitungen und/oder
Zuleitungspunkten in oder auf der Rotorblattoberfläche kontaktiert werden;
III. Aufkleben der Isolationsfolie oder Aufbringen des Isolierlackes auf dem graphithaltigen Heizlack, wobei die Isolationsfolie oder Isolierlack den graphithaltigen Heizlack wenigstens vollständig überdeckt;
IV. Aufkleben der Kupferfolie auf die Isolationsfolie oder den Isolierlack, wobei die Kupferfolie die Isolationsfolie oder den Isolierlack wenigstens vollständig überdeckt; V. Aufbringen der Erosionsschicht auf der Kupferfolie durch Aufkleben der
Erosionsschutzfolie oder Aufbringen des Erosionsschutzlackes, wobei die
Erosionsschutzfolie oder der Erosionsschutzlack die Kupferfolie wenigstens vollständig überdeckt.
13. Aufbringverfahren nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schichten, die nacheinander aufgebracht werden, über den Randbereich der vorherigen Schicht hinaus aufgetragen werden. 14. Aufbringverfahren nach Anspruch 12 oder 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schritte II. und III. bei Verwendung von Isolationsfolie zusammen ausgeführt werden, wobei hierzu vor dem gemeinsamen Aufbringen der Trägerfolie mit dem graphithaltigen Heizlack und der Isolationsfolie in einem Schritt die Trägerfolie mit dem graphithaltigen Heizlack auf die Isolationsfolie geklebt wird.
Aufbringverfahren nach Anspruch 12, 13 oder 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
vorzusehende Kontaktierungen, wie Kupferbänder, nämlich zur Stromleitung in die einzelnen Felder und Stromverbindungen der einzelnen Felder, neben dem
graphithaltigen Heizlack auf der Trägerfolie und/oder der Isolationsfolie aufgebracht werden.
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