WO2020104389A1 - Rotorblatt einer windenergieanlage mit einer isolatorlage und einer schutzlage - Google Patents

Rotorblatt einer windenergieanlage mit einer isolatorlage und einer schutzlage

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WO2020104389A1
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rotor blade
protective layer
electrically conductive
layer
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PCT/EP2019/081682
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Urs Bendel
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Senvion Gmbh
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • Rotor blade of a wind turbine with an insulator layer and a protective layer
  • the invention relates to a rotor blade of a wind energy plant with at least one belt, at least one protective layer, which is arranged on the outside of the rotor blade on the at least one belt, the at least one protective layer being electrically conductive and being connected to a lightning conductor.
  • the invention also relates to a method for producing a rotor blade of a wind turbine; in that at least one electrically conductive protective layer is arranged on the outside of the rotor blade on at least one belt and is connected to a lightning conductor.
  • Rotor blades with belts are already well known in the prior art.
  • rotor blades can consist of a rotor blade shell, which in turn is advantageously constructed from two half rotor blade shells.
  • a belt runs in the longitudinal direction of each of the rotor blade half-shells. The two belts face each other and a web is guided between the belts.
  • Several belts can be provided per rotor blade half-shell, and several webs can also be provided.
  • the problem with rotor blades is that lightning strikes in particular in the tip area of the rotor blade and along the rear edge of the rotor blade. Flash receptors are provided to discharge the flashes, which are therefore arranged in particular on the tip and along the rear edge of the rotor blade.
  • the lightning receptors are connected to a lightning rod that is grounded so that lightning strikes are directed through the rotor blade and the tower into the ground.
  • CFRP belts are electrically conductive and attract lightning strikes.
  • the CFRP belts can be covered on the outside of the rotor blade with an electrically conductive protective layer.
  • the protective layer can be a film, a fabric, scrim or knitted fabric or something similar, consist of an electrically conductive material, preferably copper, aluminum or carbon fibers, and the protective layer is known to be electrically conductive with the
  • Lightning derivative connected.
  • Such a lightning arrester system is shown, for example, in EP 3 330 528 A1.
  • the at least one electrically conductive protective layer which can preferably consist of aluminum, copper or materials containing carbon fibers, protects the at least one belt from lightning strikes, but the strong currents occurring during the lightning strike can nevertheless damage the at least one belt.
  • the at least one protective layer is electrically decoupled from the at least one belt.
  • at least one electrically insulating insulator layer is provided between the at least one belt and the at least one protective layer, which is arranged between the at least one protective layer and the at least one belt.
  • the at least one insulator layer is selected so large that it completely covers a plan or a contour of the at least one belt, at least in the section in which the at least one protective layer is provided, and thus electrically insulates the at least one protective layer from the at least one belt .
  • the at least one insulator layer therefore advantageously has a width that is larger in each cross section along a longitudinal direction than the width of the at least one belt, and the at least one protective layer has a width that is also larger than that in each cross section along the longitudinal direction Width of the at least one belt.
  • the at least one insulator layer can be wider than the at least one protective layer, but it can also be narrower than the at least one protective layer.
  • the at least one protective layer projects beyond the at least one belt in the longitudinal direction and the at least one insulator layer also projects beyond the at least one belt in the longitudinal direction, so that the at least one belt in its outline or in its contour completely of the at least one insulator layer in which Section in which the at least one protective layer also covers the at least one belt is covered. It has been shown that the electrical decoupling of the at least one belt from the at least one protective layer reduces damage to the at least one belt in the event of lightning strikes.
  • the CFRP belt is electrically conductive. It consists of carbon fibers that are surrounded by a matrix that is hardened in the manufacturing process.
  • the carbon fibers can be introduced into the belt in different ways, e.g. B. as dry layers, as pre-impregnated layers, so-called prepregs, as direct rovings or as prefabricated, already cured semi-finished products.
  • This belt can be built directly in the mold for the construction of the rotor blade shell, or in a separate form, the prefabricated belt then being integrated during the construction of the rotor blade shell.
  • the so-called CFRP straps have the advantage that they are particularly light in terms of strength and rigidity.
  • the at least one belt and the at least one protective layer are electrically isolated or decoupled from one another, but in the present case this only means that the at least one insulator layer is provided between the two layers over the entire extent of the at least one belt and the at least one protective layer, which prevents a flashover or electric breakdown in the event of a lightning strike.
  • the at least one belt is electrically conductively connected to the at least one protective layer at individual points in order to establish potential equalization.
  • the at least one protective layer is electrically conductively connected to the lightning conductor, so that the lightning that strikes the at least one protective layer is discharged into the ground.
  • the at least one belt is electrically conductively connected to the at least one protective layer, which in turn is electrically conductively connected to the lightning conductor.
  • the at least one belt can have a multiplicity of carbon fiber-reinforced individual layers, practice has shown that such a belt can be regarded as a component that is conductive in its entirety, even though the individual carbon fibers are surrounded by a plastic matrix that is itself not electrically conductive.
  • the rotor blade according to the invention is characterized in that the protective layer is either not at all connected to the belt, or is only connected to the end faces of the layers which form the belt, either only at the tip-side or root-side end thereof.
  • the protective layer itself is connected at its root end in an electrically conductive manner to the electrically conductive discharge system and is therefore grounded.
  • the lightning conductor can be designed as a single electrically conductive cable.
  • each of the rotor blades mentioned above can be produced by one of the methods mentioned.
  • At least one electrically conductive protective layer is arranged on the outside of the rotor blade on at least one belt and connected to a lightning conductor.
  • at least one electrically insulating insulator layer is arranged between the at least one protective layer and the at least one belt. It has been shown that the electrical decoupling leads to protection of the belt in the event of lightning strikes.
  • the protective layer can be placed in a manufacturing form of a rotor blade shell or partial shell or half shell, the insulator layer is placed over it, and the belt is placed on the insulator layer. Finally, the structure can be laminated.
  • CFRP belts are preferably used as the belt.
  • An electrically conductive connection between the at least one belt and the at least one protective layer is preferably formed only at the tip-side end of the belt or only at the root-side end of the belt.
  • the manufacturing process is particularly material-saving.
  • the at least one belt advantageously has a multiplicity of carbon fiber-reinforced individual layers, The invention is described on the basis of three exemplary embodiments in four figures. Show:
  • FIG. 1 is a sectional view of a longitudinal section of a rotor blade according to the invention along a web
  • Fig. 2 is a plan view of the rotor blade according to the invention with a CFRP belt and a protective layer according to the invention, which is completely insulated from the CFRP belt.
  • Fig. 3 is a view of a basic structure of the longitudinal section of the CFRP belt with the protective layer and an insulator layer in a second Embodiment, wherein the protective layer is electrically conductively connected to the end faces of the CFRP layers.
  • Fig. 4 is a view of a basic structure of the longitudinal section of the CFRP belt with the protective layer and the insulation layer in a third embodiment, the protective layer being electrically conductively connected to the tip-side end faces of the CFRP layers.
  • FIG. 1 shows a schematic view of part of a longitudinal section along a web 1, in particular a main web, of a rotor blade 15.
  • the web 1 is arranged between a suction-side and a pressure-side rotor blade surface 5.
  • the rotor blade surface 5 limits the respective suction-side or pressure-side rotor blade half-shell to the outside.
  • the structure in FIG. 1 is mirror-symmetrical, and layers and features on the suction and pressure side are designated by the same reference numerals.
  • the rotor blade half-shells consist of a laminate structure which has an electrically conductive protective layer 4 on the inside of the rotor blade surface 5, which in the embodiment according to FIG. 1 contains carbon fibers or even consists entirely of carbon fibers.
  • the protective layer 4 can form the outermost layer of the rotor blade half shell, but it is also conceivable that a glass fiber layer is also placed on the outside on the protective layer 4, which protects the protective layer 4 from damage.
  • the layer structure of the pressure-side and suction-side rotor blade half-shells is basically the same.
  • an insulator layer 3 is provided, which consists, for example, of glass fiber reinforced plastic.
  • the Insulator layer 3 electrically separates the protective layer 4 from a carbon fiber-containing belt 2 arranged on the inside of the rotor blade inside the insulator layer 3.
  • the carbon fiber-containing belt 2 is likewise electrically conductive and is electrically separated from the electrically conductive protective layer 4 by the insulator layer 3.
  • the carbon fiber belts 2 are also referred to as CFRP belts 2.
  • the rotor blade is constructed such that a pressure-side and a suction-side CFRP belt 2 are arranged opposite one another in an interior of the rotor blade and the web 1 runs between the CFRP belts 2.
  • the CFRP belts 2 in particular increase the specific strength and rigidity of the rotor blade.
  • the web 1 absorbs the thrust and pressure forces that result from the deformation of the rotor blade under load.
  • FIG. 2 shows a schematic plan view of the rotor blade 15, for example from FIG. 1.
  • the pressure-side belt 2 extends almost over the entire longitudinal extent in the longitudinal direction L of the rotor blade 15 and in a tip section 17 and in a central rotor blade section 18 and a central section of the belt 2 is completely covered on the outside of the rotor blade by the protective layer 4.
  • the protective layer 4 covers a contour 12 of the belt 2 assigned to it.
  • the contour 12 of the belt 2 is shown translucently in FIG. 2.
  • the structure applies to the suction and pressure side of the rotor blade 15.
  • the protective layer 4 protects the electrically conductive CFRP belt 2 from lightning strikes, which experience has shown to occur in particular in the tip section 17 and along a rear edge of the rotor blade 15.
  • the CFRP belt 2 also attracts lightning strikes compared to electrically non-conductive belts.
  • flash receptors are usually provided on the rotor blade 15, which are preferably arranged directly on the tip in the tip section 17 and also spaced apart from one another along the rear edge of the rotor blade 15.
  • the lightning receptors are electrically connected to a lightning rod.
  • the flash receptors are not shown in FIG. 2. 2, however, shows the lightning conductor 16, which extends parallel to the belt 2 over the entire longitudinal extent and is electrically conductively connected in the region of a rotor blade root 19 to a grounding (not shown), which strikes a lightning strike into the rotor blade 15 via the lightning conductor 16 Earth.
  • Rotary passages of the lightning lead 16 through a rotor blade connection are known in the prior art.
  • the lightning receptors (not shown) are directly connected to the lightning conductor 16. 2 shows that in addition to the lightning conductor 16, the protective layer 4 is connected in an electrically conductive manner at a connection point 14.
  • the connection point 14 can be a copper cable that extends from the protective layer 4 to the
  • Lightning lead 15 is guided. In principle, several connection points 14 can be provided.
  • Fig. 3 shows the structure of the transition according to the invention from the CFRP belt 2 to the protective layer 4 in a longitudinal section.
  • the CFRP belt 2 comprises a plurality of carbon fiber reinforced individual layers 25.
  • FIG. 3 shows that the CFRP belt 2 is constructed from a large number of carbon fiber reinforced individual layers 25.
  • the CFRP belt 2 is usually manufactured separately in a manufacturing mold in a lamination process in the manufacture of the rotor blade shell. For this purpose, the large number of carbon fiber-reinforced individual layers 25 are superimposed.
  • the rotor blade half shell is manufactured in a separate manufacturing mold available for the rotor blade half shell.
  • the protective layer 4 is placed on an optionally provided individual glass fiber layer, which can be designed as an elongated rectangle in a plan view shown in FIG. 2.
  • the protective layer 4 is placed along the manufacturing mold in the longitudinal direction L directly on the manufacturing mold or optionally on an additionally provided glass fiber layer, and then the insulator layer 3 is placed on the inside of the rotor blade on the protective layer 4, which has a width B that is at least the width of the belt 2 corresponds and corresponds to at least one length of the belt 2 in the section in which the protective layer 4 covers the belt 2.
  • the protective layer 4 is so wide that it covers the outline of the belt 2 and in the tip section 17 only so long that it protrudes beyond the tip-side end of the belt 2 into the tip section 17.
  • the CFRP belt 2 is placed on the insulator layer 3
  • the insulator layer 3 is preferably formed in one piece and in one layer. The insulator layer 3 electrically separates the protective layer 4 from the CFRP belt 2.
  • the protective layer 4 protects the CFRP belt 2 from lightning strikes and in particular from the impact of smaller current flows following a main lightning impulse current.
  • the protective layer 4 is electrically conductively connected to the lightning conductor 16 via the connection point 14 according to FIG. 3.
  • the electrically conductive CFRP belts 2 or the carbon fiber reinforced individual layers 25 of the CFRP belt 2 can also be electrically charged, it is provided according to the invention to connect the CFRP belt 2 with the lightning conductor 16 in an electrically conductive manner with the aid of the protective layer 4 . It is provided according to the invention, as shown in FIG. 3, at the root end of the individual carbon fiber reinforced individual layers

Abstract

Rotorblatt einer Windenergieanlage mit wenigstens einem Gurt (2), wenigstens einer Schutzlage (4), die rotorblattaußenseitig auf dem wenigstens einen Gurt (2) angeordnet ist, wobei die wenigstens eine Schutzlage (4) elektrisch leitend ausgebildet ist und mit einer Blitzableitung (16) verbunden ist, wobei wenigstens eine elektrisch isolierende Isolatorlage (3), die zwischen der wenigstens einen Schutzlage (4) und dem wenigstens einen Gurt (2) angeordnet ist.

Description

Rotorblatt einer Windenergieanlage mit einer Isolatorlage und einer Schutzlage
Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt einer Windenergieanlage mit wenigstens einem Gurt, wenigstens einer Schutzlage, die rotorblattaußenseitig auf dem wenigstens einen Gurt angeordnet ist, wobei die wenigstens eine Schutzlage elektrisch leitend ausgebildet ist und mit einer Blitzableitung verbunden ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines Rotorblattes einer Windenergieanlage; indem wenigstens eine elektrisch leitend ausgebildete Schutzlage rotorblattaußenseitig auf wenigstens einem Gurt angeordnet wird und mit einer Blitzableitung verbunden wird.
Rotorblätter mit Gurten sind im Stand der Technik bereits hinlänglich bekannt. Grundsätzlich können Rotorblätter aus einer Rotorblattschale bestehen, die günstigerweise wiederum aus zwei Rotorblatthalbschalen aufgebaut ist. In Längsrichtung jeder der Rotorblatthalbschalen verläuft ein Gurt. Die beiden Gurte liegen sich einander gegenüber, und zwischen den Gurten ist ein Steg entlanggeführt. Es können pro Rotorblatthalbschale mehrere Gurte vorgesehen sein, und ebenso können mehrere Stege vorgesehen sein. Problematisch bei Rotorblättern ist, dass Blitze insbesondere in den Tipbereich des Rotorblattes und entlang der Rotorblatthinterkante einschlagen. Zum Ableiten der Blitze sind Blitzrezeptoren vorgesehen, die daher insbesondere am Tip und entlang der Rotorblatthinterkante angeordnet sind. Die Blitzrezeptoren sind mit einer Blitzableitung verbunden, die geerdet ist, so dass der Einschlag eines Blitzes durch das Rotorblatt hindurch und den Turm hindurch in die Erde abgeleitet wird.
Durch die zunehmenden Rotordurchmesser werden in zunehmenderWeise Kohlenstofffasern in den Rotorblättern verbaut. Insbesondere können auch die Gurte faserhaltige Lagen aufweisen, die Gurte können sogar im Wesentlichen aus kohlenstofffaserhaltigen Materialien bestehen. Die CFK- Gurte sind elektrisch leitend und ziehen Blitzeinschläge an. Zum Schutz der CFK-Gurte können die CFK-Gurte rotorblattaußenseitig mit einer elektrisch leitenden Schutzlage überdeckt sein.
Die Schutzlage kann eine Folie, ein Gewebe, Gelege oder Gewirke oder etwas Ähnliches sein, aus einem elektrisch leitenden Material, vorzugsweise Kupfer, Aluminium oder Kohlenstofffasern bestehen und die Schutzlage ist bekannterweise elektrisch leitend mit der
l Blitzableitung verbunden. Ein derartiges Blitzableitsystem ist beispielsweise in der EP 3 330 528 A1 dargestellt.
Es hat sich hier gezeigt, dass bei Blitzeinschlägen dennoch Beschädigungen an den Gurten auftreten können.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Rotorblatt einer Windenergieanlage zur Verfügung zu stellen, das gegenüber dem Stand der Technik einen besseren Schutz vor Blitzeinschlägen bietet.
Es ist auch Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Rotorblattes zur Verfügung zu stellen.
Die Aufgabe wird hinsichtlich des Rotorblattes durch ein eingangs genanntes Rotorblatt mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 erfüllt.
Überraschend hat sich gezeigt, dass die wenigstens eine elektrisch leitende Schutzlage, die vorzugsweise aus Aluminium, Kupfer oder aus kohlenstofffaserhaltigen Materialien bestehen kann, zwar den wenigstens einen Gurt vor Blitzeinschlägen schützt, die beim Blitzeinschlag auftretenden starken Ströme den wenigstens einen Gurt aber dennoch beschädigen können.
Es ist daher erfindungsgemäß vorgesehen, die wenigstens eine Schutzlage elektrisch leitend von dem wenigstens einen Gurt zu entkoppeln. Dazu ist erfindungsgemäß zwischen dem wenigstens einen Gurt und der wenigstens einen Schutzlage wenigstens eine elektrisch isolierende Isolatorlage vorgesehen, die zwischen der wenigstens eine Schutzlage und dem wenigstens einen Gurt angeordnet ist. Günstigerweise ist die wenigstens eine Isolatorlage so groß ausgewählt, dass sie einen Grundriss oder eine Kontur des wenigstens einen Gurtes zumindest in dem Abschnitt, in dem die wenigstens eine Schutzlage vorgesehen ist, vollständig überdeckt und somit die wenigstens eine Schutzlage von dem wenigstens einen Gurt elektrisch isoliert.
Die wenigstens eine Isolatorlage weist daher günstigerweise eine Breite auf, die in jedem Querschnitt entlang einer Längsrichtung größer ist als die Breite des wenigstens einen Gurtes, und die wenigstens eine Schutzlage weist eine Breite auf, die ebenfalls in jedem Querschnitt entlang der Längsrichtung größer ist als die Breite des wenigstens einen Gurtes. Die wenigstens eine Isolatorlage kann breiter sein als die wenigstens eine Schutzlage, sie kann aber auch schmaler sein als die wenigstens eine Schutzlage.
Im Tipabschnitt überragt die wenigstens eine Schutzlage den wenigstens einen Gurt in Längsrichtung und die wenigstens eine Isolatorlage überragt den wenigstens einen Gurt in Längsrichtung ebenfalls, so dass der wenigstens eine Gurt in seinem Grundriss bzw. in seiner Kontur vollständig von der wenigstens einen Isolatorlage, in dem Abschnitt, in dem die wenigstens eine Schutzlage den wenigstens einen Gurt ebenfalls überdeckt, abgedeckt ist. Es hat sich gezeigt, dass die elektrische Entkopplung des wenigstens einen Gurtes von der wenigstens einen Schutzlage Beschädigungen des wenigstens einen Gurtes bei Blitzeinschlägen verringert.
Der CFK Gurt ist elektrisch leitend. Er besteht aus Kohlenstofffasern, die mit einer Matrix umgeben werden, die im Fertigungsprozess ausgehärtet wird. Die Kohlenstofffasern können in unterschiedlichen Arten in den Gurt eingebracht werden, z. B. als trockene Lagen, als vorimprägnierte Lagen, sogenannte Prepregs, als Direktrovinge oder als vorgefertigte, bereits ausgehärtete Halbzeuge. Dieser Gurt kann direkt in der Form für den Bau der Rotorblattschale aufgebaut werden, oder in einer separaten Form, wobei der vorgefertigte Gurt dann während des Baus der Rotorblattschale integriert wird. Die sogenannten CFK-Gurte haben den Vorteil, dass sie bezogen auf die Festigkeit und Steifigkeit besonders leicht sind.
Besonders bevorzugt ist es, eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem wenigstens einen Gurt und der wenigstens einen Schutzlage vorzusehen; zwar sind der wenigstens eine Gurt und die wenigstens eine Schutzlage elektrisch voneinander isoliert oder entkoppelt, das bedeutet im vorliegenden Fall jedoch nur, dass über die gesamte Ausdehnung des wenigstens einen Gurtes und der wenigstens einen Schutzlage die wenigstens eine Isolatorschicht zwischen den beiden Lagen vorgesehen ist, die bei Blitzeinschlag einen Funkenüberschlag oder einen Stromdurchschlag verhindert. Dennoch ist es vorgesehen, den wenigstens einen Gurt an einzelnen Stellen elektrisch leitend mit derwenigstens einen Schutzlage zu verbinden, um einen Potentialausgleich herzustellen. Insbesondere ist die wenigstens eine Schutzlage elektrisch leitend mit der Blitzableitung verbunden, so dass der Blitz, der in die wenigstens eine Schutzlage einschlägt, in die Erde abgeleitet wird. Durch Reibung oder auch durch Blitzeinschlag kann es jedoch Vorkommen, dass die Gurte selbst elektrisch aufgeladen werden. Um hier einen Potentialausgleich zu schaffen, ist der wenigstens eine Gurt mit der wenigstens einen Schutzlage elektrisch leitend verbunden, die wiederum mit der Blitzableitung elektrisch leitend verbunden ist. Der wenigstens eine Gurt kann eine Vielzahl an kohlenstofffaserverstärkten Einzellagen aufweisen, die Praxis hat gezeigt, dass ein solcher Gurt als ein in seiner Gesamtheit leitendes Bauteil angesehen werden kann, obwohl die einzelnen Kohlenstofffasern mit einer Kunststoffmatrix umgeben sind, die selbst nicht elektrisch leitend ist.
Das erfindungsgemäße Rotorblatt zeichnet sich dadurch aus, dass die Schutzlage mit dem Gurt elektrisch leitenden entweder gar nicht oder nur mit den Stirnseiten der Lagen verbunden ist, die den Gurt bilden und zwar entweder nur an deren tipseitigen oder wurzelseitigen Ende. Die Schutzlage selber ist dabei an ihrem wurzelseitigen Ende elektrisch leitend mit dem elektrisch leitenden Ableitsystem verbunden ist und dadurch geerdet ist. Die Blitzableitung kann als ein einzelnes elektrisch leitendes Kabel ausgebildet sein.
Die Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch ein eingangs genanntes Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 8 erfüllt.
Die genannten Verfahren eignen sich zur Herstellung eines der oben genannten Rotorblätter, umgekehrt kann jedes der oben genannten Rotorblätter durch eines der genannten Verfahren hergestellt werden. Zur Herstellung eines Rotorblattes einer Windenergieanlage wird wenigstens eine elektrisch leitend ausgebildete Schutzlage rotorblattaußenseitig auf wenigstens einem Gurt angeordnet und mit einer Blitzableitung verbunden. Erfindungsgemäß wird wenigstens eine elektrisch isolierende Isolatorlage zwischen der wenigstens einen Schutzlage und dem wenigstens einen Gurt angeordnet. Es hat sich gezeigt, dass die elektrische Entkopplung zu einem Schutz des Gurtes bei Blitzeinschlägen führt. Zunächst kann die Schutzlage in eine Herstellungsform einer Rotorblattschale bzw. -teilschale oder -halbschale eingelegt werden, darüber wird die Isolatorlage gelegt, und auf die Isolatorlage wird der Gurt gelegt. Abschließend kann der Aufbau laminiert werden. Als Gurt werden vorzugsweise CFK-Gurte verwendet. Vorzugsweise wird eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem wenigstens einen Gurt und der wenigstens einen Schutzlage nur am tipseitigen Ende des Gurtes oder nur am wurzelseitigen Ende des Gurtes ausgebildet. Das Herstellungsverfahren ist besonders materialsparend. Günstigerweise weist der wenigstens eine Gurt eine Vielzahl an kohlenstofffaserverstärkten Einzellagen auf, Die Erfindung wird anhand von drei Ausführungsbeispielen in vier Figuren beschrieben. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht eines Längsschnitts eines erfindungsgemäßen Rotorblattes entlang eines Stegs,
Fig. 2 eine Draufsicht des erfindungsgemäßen Rotorblattes mit einem CFK-Gurt und einer erfindungsgemäßen Schutzlage, die vollständig gegenüber dem CFK-Gurt isoliert ist Fig. 3 eine Ansicht eines prinzipiellen Aufbaus des Längsschnittes des CFK-Gurtes mit der Schutzlage und einer Isolatorlage in einer zweiten Ausführungsform, wobei die Schutzlage elektrisch leitend mit den wurzelseitigen Stirnseiten der CFK-Lagen verbunden ist. Fig. 4 eine Ansicht eines prinzipiellen Aufbaus des Längsschnittes des CFK-Gurtes mit der Schutzlage und der Isolationslage in einer dritten Ausführungsform, wobei die Schutzlage elektrisch leitend mit den tipseitigen Stirnseiten der CFK-Lagen verbunden ist. Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Teils eines Längsschnittes entlang eines Steges 1 , insbesondere eines Hauptsteges, eines Rotorblattes 15. Der Steg 1 ist zwischen einer saugseitigen und einer druckseitigen Rotorblattoberfläche 5 angeordnet. Die Rotorblattoberfläche 5 begrenzt die jeweilige saugseitige beziehungsweise druckseitige Rotorblatthalbschale nach außen. Der Aufbau in Fig. 1 ist spiegelsymmetrisch, und saug- und druckseitige Lagen und Merkmale werden mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Die Rotorblatthalbschalen bestehen aus einem Laminataufbau, der rotorblattinnenseitig der Rotorblattoberfläche 5 eine elektrisch leitende Schutzlage 4 aufweist, die in der Ausführungsform gemäß Fig. 1 kohlenstofffaserhaltig ist oder sogar vollständig aus Kohlenstofffasern besteht. Die Schutzlage 4 kann die äußerste Lage der Rotorblatthalbschale ausbilden, es ist jedoch auch denkbar, dass außenseitig auf die Schutzlage 4 noch eine Glasfaserlage gelegt ist, die die Schutzlage 4 vor Beschädigungen schützt.
Grundsätzlich ist gemäß Fig. 1 der Schichtaufbau der druckseitigen und der saugseitigen Rotorblatthalbschale gleich. Rotorblattinnenseitig der Schutzlage 4 ist eine Isolatorschicht 3 vorgesehen, die beispielsweise aus glasfaserverstärktem Kunststoff besteht. Die Isolatorschicht 3 trennt die Schutzlage 4 elektrisch von einem rotorblattinnenseitig der Isolatorschicht 3 angeordneten kohlenstofffaserhaltigen Gurt 2. Der kohlenstofffaserhaltige Gurt 2 ist ebenfalls elektrisch leitend und durch die Isolatorschicht 3 von der elektrisch leitenden Schutzlage 4 elektrisch getrennt. Die kohlenstofffaserhaltigen Gurte 2 werden auch als CFK-Gurte 2 bezeichnet.
Das Rotorblatt ist so aufgebaut, dass in einem Innenraum des Rotorblattes ein druckseitiger und ein saugseitiger CFK-Gurt 2 sich gegenüberliegend angeordnet sind und zwischen den CFK-Gurten 2 der Steg 1 verläuft. Die CFK-Gurte 2 erhöhen insbesondere die spezifische Festigkeit und Steifigkeit des Rotorblattes. Der Steg 1 nimmt die Schub- und Druckkräfte auf, die sich bei der Verformung des Rotorblattes unter Last ergeben.
Grundsätzlich können zwischen der Schutzlage 4 und dem CFK-Gurt 2 noch weitere Lagen, insbesondere kunststofffaserhaltige Lagen angeordnet sein. Insbesondere weist die Rotorblatthalbschale in einer Längsrichtung L seitlich vom saug- und druckseitigen CFK-Gurt 2 möglicherweise eine Vielzahl an Gewebe- oder Gelegelagen auf, die zusätzlich einen Sandwichkernmaterial umfassen können. Erfindungsgemäß sind die CFK-Gurte 2 auf jeder Seite der Rotorblattschale von der zugehörenden Schutzlage 4 elektrisch vollständig getrennt. Fig. 2 zeigt eine schematische Draufsicht des Rotorblattes 15 beispielsweise aus Fig. 1. Fig. 2 zeigt, dass sich der druckseitige Gurt 2 beinahe über die gesamte Längsausdehnung in Längsrichtung L des Rotorblattes 15 erstreckt und in einem Tipabschnitt 17 und in einem mittleren Rotorblattabschnitt 18 und einem mittleren Abschnitt des Gurtes 2 rotorblattaußenseitig von der Schutzlage 4 vollständig abgedeckt ist. Dies bedeutet insbesondere, dass die Schutzlage 4 eine Kontur 12 des ihr zugeordneten Gurtes 2 überdeckt. Die Kontur 12 des Gurtes 2 ist in Fig. 2 durchscheinend dargestellt. Der Aufbau gilt für die Saug- und Druckseite des Rotorblattes 15. Die Schutzschicht 4 schützt den elektrisch leitenden CFK-Gurt 2 vor Blitzeinschlägen, die zwar erfahrungsgemäß insbesondere im Tipabschnitt 17 und entlang einer Hinterkante des Rotorblattes 15 auftreten. Der CFK-Gurt 2 zieht jedoch gegenüber elektrisch nichtleitenden Gurten Blitzeinschläge zusätzlich an.
Neben der Schutzschicht 4 sind am Rotorblatt 15 üblicherweise Blitzrezeptoren vorgesehen, die vorzugsweise direkt am Tip im Tipabschnitt 17 wie auch voneinander beabstandet entlang der Hinterkante des Rotorblattes 15 angeordnet sind. Die Blitzrezeptoren sind mit einem Blitzableiter elektrisch leitend verbunden. In Fig. 2 sind die Blitzrezeptoren nicht eingezeichnet. Fig. 2 zeigt jedoch die Blitzableitung 16, die sich über die gesamte Längsausdehnung parallel zum Gurt 2 erstreckt und im Bereich einer Rotorblattwurzel 19 mit einer nicht eingezeichneten Erdung elektrisch leitend verbunden ist, die einen in das Rotorblatt 15 einschlagenden Blitz über die Blitzableitung 16 in die Erde ableitet. Drehdurchführungen der Blitzableitung 16 durch einen Rotorblattanschluss hindurch sind im Stand der Technik bekannt.
An die Blitzableitung 16 sind die nicht eingezeichneten Blitzrezeptoren direkt angeschlossen. Fig. 2 zeigt, dass zusätzlich an die Blitzableitung 16 die Schutzlage 4 an einer Verbindungsstelle 14 elektrisch leitend angeschlossen ist. Es kann sich bei der Verbindungsstelle 14 um ein Kupferkabel handeln, das von der Schutzlage 4 an die
Blitzableitung 15 geführt ist. Grundsätzlich können mehrere Verbindungsstellen 14 vorgesehen sein.
Fig. 3 zeigt den Aufbau des erfindungsgemäßen Überganges von dem CFK-Gurt 2 zur Schutzlage 4 in einem Längsschnitt. Der CFK-Gurt 2 umfasst mehrere kohlenstofffaserverstärkte Einzellagen 25. Fig. 3 zeigt, dass der CFK-Gurt 2 aus einer Vielzahl an kohlenstofffaserverstärkten Einzellagen 25 aufgebaut ist.
Üblicherweise wird der CFK-Gurt 2 bei der Herstellung der Rotorblattschale separat in einer Herstellungsform in einem Laminierverfahren gefertigt. Dazu wird die Vielzahl an kohlenstofffaserverstärkten Einzellagen 25 übereinandergelegt.
Die Rotorblatthalbschale wird in einer für die Rotorblatthalbschale bereitstehenden eigenen Herstellungsform gefertigt. Rotorblattinnenseitig wird auf eine optional vorgesehene einzelne Glasfaserschicht die Schutzlage 4 gelegt, die in einer gemäß Fig. 2 dargestellten Draufsicht als langgezogenes Rechteck ausgebildet sein kann. Die Schutzlage 4 wird entlang der Herstellungsform in der Längsrichtung L direkt auf die Herstellungsform oder optional auf eine zusätzlich vorgesehene Glasfaserlage gelegt, und dann wird auf die Schutzlage 4 die Isolatorschicht 3 rotorblattinnenseitig gelegt, die eine Breite B aufweist, die zumindest der Breite des Gurtes 2 entspricht und zumindest einer Länge des Gurtes 2 in dem Abschnitt entspricht, in dem die Schutzlage 4 den Gurt 2 überdeckt. Die Schutzlage 4 ist so breit ausgebildet, dass sie den Grundriss des Gurtes 2 überdeckt und im Tipabschnitt 17 nur so lang, dass sie über das tipseitige Ende des Gurtes 2 hinaus in den Tipabschnitt 17 hinein absteht. Der CFK-Gurt 2 wird auf die Isolatorschicht 3 gelegt Die Isolatorschicht 3 ist vorzugsweise einteilig und einlagig ausgebildet. Die Isolatorschicht 3 trennt die Schutzlage 4 von dem CFK-Gurt 2 elektrisch.
Die Schutzlage 4 schützt den CFK-Gurt 2 vor Blitzeinschlägen und insbesondere vor Einschlägen von, einem Hauptblitz-Impuls-Strom folgenden, kleineren Stromflüssen. Die Schutzschicht 4 ist über die Verbindungsstelle 14 gemäß Fig. 3 mit der Blitzableitung 16 elektrisch leitend verbunden. Da sich jedoch auch die elektrisch leitenden CFK-Gurte 2 bzw. die kohlenstofffaserverstärkten Einzellagen 25 des CFK-Gurtes 2 elektrisch aufladen können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, den CFK-Gurt 2 mit Hilfe der Schutzlage 4 elektrisch leitend ebenfalls mit der Blitzableitung 16 zu verbinden. Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, gemäß Fig. 3, am wurzelseitigen Ende der einzelnen kohlenstofffaserverstärkten Einzellagen
25 des CFK-Gurtes 2 die kohlenstofffaserverstärkten Einzellagen 25 durch elektrisch leitende Verbindungen 26 mit der Schutzlage 4 zu verbinden und die Schutzlage 4 an ihrem wurzelseitigen Ende mit der Blitzableitung 16 über eine Verbindungsstelle 14 zu verbinden, so dass der CFK-Gurt 2 insgesamt und jede einzelne kohlenstofffaserverstärkte Einzellage 25 des CFK-Gurtes 2 elektrisch leitend mit der Blitzableitung 16 verbunden sind und damit geerdet sind und daher ein Potentialausgleich zwischen Schutzlage 4 und CFK-Gurt 2 stattfindet. In einer dritten Ausführungsform gemäß Fig. 4 ist der Aufbau zunächst genau wie der in der Fig. 3 gezeigte und beschriebene Aufbau. Die Erläuterungen zu Fig. 3 gelten auch hier. Es ist die elektrisch leitende Verbindungsstelle 14 zwischen der Schutzlage 4 und der Blitzableitung 16 am wurzelseitigen Ende der Schutzlage 4 vorgesehen. In der dritten Ausführungsform gemäß Fig. 4 sind jedoch die einzelnen kohlenstofffaserverstärkten Einzellagen 25 des CFK- Gurtes 2 nicht am wurzelseitigen, sondern vielmehr am tipseitigen Ende durch elektrisch leitende Verbindungen 26 mit der Schutzlage 4 durch die elektrisch leitenden Verbindungen
26 verbunden.
Bezugszeichenliste
1 Steg
2 Gurt
3 Isolatorlage
4 Schutzlage
5 Rotorblattoberfläche
12 Kontur
14 Verbindungsstelle
15 Rotorblatt
16 Blitzableitung
17 Tipabschnitt
18 Rotorblattabschnitt
19 Rotorblattwurzel
25 kohlenstofffaserverstärkte Einzellagen
26 elektrisch leitende Verbindungen
B Breite
L Längsrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Rotorblatt einer Windenergieanlage mit
wenigstens einem Gurt (2),
wenigstens einer Schutzlage (4), die rotorblattaußenseitig auf dem wenigstens einen Gurt (2) angeordnet ist, wobei die wenigstens eine Schutzlage (4) elektrisch leitend ausgebildet ist und mit einer Blitzableitung (16) verbunden ist,
gekennzeichnet durch wenigstens eine elektrisch isolierende Isolatorlage (3), die zwischen der wenigstens einen Schutzlage (4) und dem wenigstens einen Gurt (2) angeordnet ist.
2. Rotorblatt nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Isolatorlage (3) einen Grundriss des wenigstens einen Gurtes (2) vollständig überdeckt.
3. Rotorblatt nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Gurt (2) elektrisch leitend ausgebildet ist.
4. Rotorblatt nach Anspruch 1 , 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Gurt (2) ein
kohlenstofffaserhaltiger Gurt (2) ist.
5. Rotorblatt nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrisch leitende Verbindung (26) zwischen dem wenigstens einen Gurt (2) und der wenigstens einen Schutzlage (4) nur am tipseitigen Ende des Gurtes (2) oder nur am wurzelseitigen Ende des Gurtes (2) vorgesehen ist.
6. Rotorblatt nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Gurt (2) eine Vielzahl an kohlenstofffaserverstärkten Einzellagen (25) aufweist.
7. Rotorblatt nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Schutzlage (4) separat mit der Blitzableitung (16) elektrisch leitend verbunden ist.
8. Verfahren zur Herstellung eines Rotorblattes einer Windenergieanlage; indem wenigstens eine elektrisch leitend ausgebildete Schutzlage (4),
rotorblattaußenseitig auf wenigstens einem Gurt (2) angeordnet wird und mit einer Blitzableitung (16) verbunden wird,
dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine elektrisch isolierende Isolatorlage (3), zwischen der wenigstens einen Schutzlage (4) und dem wenigstens einen Gurt (2) angeordnet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrisch leitende Verbindung (26) zwischen dem wenigstens einen Gurt (2) und der wenigstens einen Schutzlage (4) nur am tipseitigen Ende des Gurtes (2) oder nur am wurzelseitigen Ende des Gurtes (2) ausgebildet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Gurt (2) eine Vielzahl an kohlenstofffaserverstärkten Einzellagen (25) aufweist.
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