WO2020104585A1 - Rotorblatt mit einem elektrischen potentialausgleichselement und ein verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Rotorblatt mit einem elektrischen potentialausgleichselement und ein verfahren zu dessen herstellung

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WO2020104585A1
WO2020104585A1 PCT/EP2019/082072 EP2019082072W WO2020104585A1 WO 2020104585 A1 WO2020104585 A1 WO 2020104585A1 EP 2019082072 W EP2019082072 W EP 2019082072W WO 2020104585 A1 WO2020104585 A1 WO 2020104585A1
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WO
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electrically conductive
belt
rotor blade
protective layer
carbon fibers
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Application number
PCT/EP2019/082072
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Marc Daniel ROMMELFANGER
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Senvion Gmbh
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02G13/00—Installations of lightning conductors; Fastening thereof to supporting structure
    • H02G13/80—Discharge by conduction or dissipation, e.g. rods, arresters, spark gaps
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    • 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
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    • F03D1/06—Rotors
    • F03D1/065—Rotors characterised by their construction elements
    • F03D1/0675—Rotors characterised by their construction elements of the blades
    • 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
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    • F03D80/30—Lightning protection
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
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    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates to a rotor blade of a wind power plant with a belt having carbon fibers, which is covered on the outside of the rotor blade by an electrically conductive protective layer, and a lightning conductor, which is connected to the electrically conductive protective layer.
  • the invention also relates to a method for producing a rotor blade of a wind turbine with a belt containing carbon fibers.
  • Rotor blades with lightning protection are of course known in the prior art.
  • a rotor blade with a potential equalization system is known, which comprises an electrically conductive grid from which transverse connectors extend.
  • the equipotential bonding elements are arranged in the rotor blade shell in the area of the lightning receptors around the lightning receptors.
  • a disadvantage of the known lightning protection system is that modern belts can also consist of electrically conductive materials such as carbon fibers and that the known lightning protection system does not offer sufficient protection against potential differences and current flashovers into current-conducting belts.
  • the object is achieved by a rotor blade mentioned at the beginning with the characterizing features of claim 1.
  • the rotor blade of a wind turbine comprises at least one belt containing carbon fiber.
  • the rotor blades usually comprise at least two opposing belts containing carbon fibers.
  • Each of the belts runs in the longitudinal direction from the rotor blade root into the tip section.
  • the carbon fiber belts can be constructed from one or more layers of carbon fiber material. Usually, individual carbon fibers run in the longitudinal direction over the entire longitudinal extent of the belts and thus give the belt high tensile strength.
  • Carbon fibers are electrically conductive. In the past, it has often been found that lightning strikes in sections or areas of carbon fiber
  • electrically conductive protective layers are therefore provided which cover the carbon fiber belts on the outside of the rotor blade at least in sections, preferably completely.
  • the protective layers can be aluminum or other metal layers which completely cover at least one tip section of the belt on the outside of the rotor blade, which are thus preferably wider than the belt in each cross section at least in the tip section and project beyond the belt in the longitudinal direction in the direction of the tip.
  • the protective layers are electrically connected with a lightning arrester system.
  • the lightning arrester system is, for example, an electrical cable that runs in the longitudinal direction of the
  • Rotor blade for example, runs along a web between two opposing belts or along an inner wall of the rotor blade shell.
  • the lightning conductor is led through the rotor blade connection on the rotor hub and through the rotor hub and through a connection of the rotor hub to the tower.
  • the lightning rod is led down the tower into the ground to divert the lightning from the rotor blade into the earth.
  • an electrical potential equalization element is provided according to the invention with a multiplicity of electrically conductive pins which emanate from an electrically conductive base body and which are inserted, pressed in or the like in the belt. At least some of the carbon fibers are thus brought into electrically conductive contact with the pins.
  • the equipotential bonding element is electrically conductively connected to the electrically conductive protective layer.
  • the potential equalization element can be an electrically conductive base body for example in the form of a flat cuboid, that is to say an approximately board-shaped shape, from which pins preferably extend on one side.
  • the pins can be metal pins which are attached to the base body, in particular screwed, welded or soldered on, and are therefore also connected to it in an electrically conductive manner.
  • the equipotential bonding element is pressed into a belt or inserted or installed.
  • the potential equalization element is preferably pressed into a short end face of the belt, so that the pins extend in the longitudinal direction of the belt, the base body having a thickness which corresponds to the thickness of the belt and a depth which corresponds to the depth of the belt.
  • the longitudinal extension of the potential equalization element in the longitudinal direction of the belt can be designed to be shorter than its depth and thickness.
  • the potential equalization element has a large number of pins, so that as many as possible, preferably the majority of the carbon fibers of the belt come into contact with one of the pins, so that an electrically identical potential can form between the carbon fibers.
  • the equipotential bonding element is also arranged in another way on the belt, that is to say, for example, it is pressed into the belt on a wide long side or even pressed into the belt on a narrow long side.
  • the potential equalization element is preferably arranged along an entire width of at least one layer of the belt containing carbon fibers and connects carbon fibers of the at least one layer in an electrically conductive manner to one another and to the protective layer.
  • Exactly one potential equalization element can be assigned to each belt, but two, three or any higher number of potential equalization elements can also be assigned to it.
  • each individual equipotential bonding element has a thickness which does not correspond to the thickness of the entire belt, but only the thickness of one, two or more layers of the belt in the case of multi-layer belts.
  • the potential equalization element connects the carbon fibers of the one layer on the one hand to one another and on the other hand to the protective layer assigned to the belt.
  • a second and possibly further potential equalization elements are advantageously provided, which are assigned to the other layers of the same belt and are pressed into the layers and their carbon fibers connect to each other in an electrically conductive manner and connect them to the associated protective layer in an electrically conductive manner.
  • opposite suction and pressure-side straps are each covered with a suction or pressure-side protective layer, and the suction and pressure-side protective layers are electrically conductively connected to one another with an electrical clamp.
  • all the belts of a rotor blade are preferably provided with carbon fibers to increase the tensile strength, but also to reduce the weight and to save material, so that each of the belts is assigned a protective layer.
  • suction and pressure-side belts which are preferably located opposite one another on the rotor blade, are then respectively covered or protected with a suction layer or pressure-side protective layer on the outside of the rotor blade, and an electrically conductive clamp is provided for potential equalization, which electrically conductively connects the opposite pressure and suction-side protective layers connects.
  • the clip is particularly preferably also connected in an electrically conductive manner to the potential equalization element or elements which are pressed or built into the carbon fiber-containing belts on the pressure or suction side.
  • the object is achieved by a method mentioned at the beginning with the features of claim 9.
  • each of the rotor blades mentioned above can be produced by one of the methods named below.
  • the method for producing a rotor blade of a wind power plant with a carbon fiber-containing belt comprises the steps that the carbon fiber-containing belt is covered on the outside of the rotor blade by an electrically conductive protective layer, a lightning conductor is connected to the electrically conductive protective layer, and a potential equalization element with a plurality of electrically conductive pins preferably emanate from one side of an electrically conductive base body, is pressed into the belt.
  • a potential equalization element with a plurality of electrically conductive pins preferably emanate from one side of an electrically conductive base body, is pressed into the belt.
  • the potential equalization element is electrically conductively connected to the electrically conductive protective layer.
  • the function of the potential equalization element has already been described above, it can be pressed into the belt or in layers of the belt.
  • the potential equalization element is therefore chosen with a depth corresponding to the belt and a thickness which corresponds to at least one layer of the belt containing carbon fibers.
  • FIG. 1 shows a schematic structure of a CFRP belt with the potential equalization element according to the invention in a perspective view
  • FIG. 3 a cross section of a rotor blade according to the invention with two CFRP belts and a clip according to the invention.
  • the rotor blades of modern wind turbines are usually made up of two laminated rotor blade half-shells that are glued together at their peripheral edge.
  • a belt 1, 2 in the form of a main belt is arranged along a longitudinal direction L of each of the two rotor blade half-shells.
  • two or more belts 1, 2 can also be arranged next to one another and in the longitudinal direction L in each half of the rotor blade shell.
  • the belts 1, 2 are laminated into the rotor blade half shells on the inside of the rotor blade.
  • the belts 1, 2, in particular the main belts are usually located in pairs opposite one another and between the belts
  • a web 3 is arranged, which is glued to the two belts 1, 2 along its two longitudinal edges.
  • a corresponding structure with two straps 1, 2 designed as main straps and the web 3 is shown schematically in cross section in FIG. 3.
  • the belts 2, 2 are reinforced with long carbon fibers 4, which can extend over the entire longitudinal extent in the longitudinal direction L of the belt 1, 2.
  • Fig. 1 shows a schematic configuration of a belt 1, which consists of three individual, superimposed carbon fiber-containing layers 6, 7, 8, and each of the carbon fiber-containing layers has longitudinally extending carbon fibers 4.
  • the layers 6, 7, 8 containing carbon fiber are provided as prepregs before the belt 1 is manufactured. It is a semi-finished product that is flexible and is supplied as a roll.
  • the prepregs are usually rolled up in rolls of 10 cm in width and 1 cm in thickness.
  • the individual layers 6, 7, 8 containing carbon fiber are formed from a plurality of prepregs (not shown) arranged alongside one another along a width B. 1 shows three layers 6, 7, 8 containing carbon fibers.
  • the carbon fibers 4 can be woven into a scrim or fabric and can be connected to an uncured epoxy resin to form a prepreg.
  • the prepreg is a semi-finished product.
  • the straps 1, 2 are usually manufactured in a separate production form for straps. It is separated from a manufacturing form for the rotor blade half shell.
  • the carbon fiber-containing layers 6, 7, 8 are superimposed and infused with an epoxy resin and cured. Infusion methods are known in the art.
  • the finished belt 1, 2 is then placed in a manufacturing mold of a rotor blade half-shell and laminated firmly together with the lay-up layers, fabric layers, sandwich cores or other fibrous layers of the rotor blade half-shells.
  • the carbon fibers 4 shown in Fig. 1 are electrically conductive.
  • the straps 1 laminated in the rotor blades and having carbon fibers 4 are also called CFRP straps 1. When lightning strikes the straps 1, the carbon fibers 4 can have or develop different electrical potentials in their different carbon fibers 4, for example due to induction currents or the like generated by them.
  • the different electrical potentials in the individual carbon fibers 4 can lead to electrical flashovers between carbon fibers 4 of the individual carbon fiber-containing layers 6, 7, 8 or spark flashovers.
  • the carbon fibers 4 are connected to one another in an electrically conductive manner by means of a potential equalization element 9 shown in FIG. 1 and are thus brought to the same electrical potential.
  • the potential equalization element 9 has a metallic, board-shaped block, which forms a base body 11.
  • a plurality of electrically conductive pins 12 protrude from the base body 11 on one side, which pins are in turn connected to the electrically conductive base body 11 in an electrically conductive manner.
  • the base body 11 can be a metal body, the pins 12 can also be metal pins that are soldered or welded onto the base body 11 in an electrically conductive manner.
  • the base body 11 is with its pin side in an end face of the belt 1, as shown in Fig. 1 schematically shown, pressed or hammered.
  • the pins 12 are at a very short distance from one another, and by driving the pins 12 into the end face of the belt 1, at least most of the carbon fibers 4 are touched by the pins 12 and thus connected to the base body 11 in an electrically conductive manner.
  • the electrical connection of the individual layers 6, 7, 8 containing carbon fibers and of the individual carbon fibers 4 to one another brings the layers 6, 7, 8 to one another to the same electrical potential.
  • a protective layer 13 is indicated, which actually extends over the entire width of the CFRP belt 1 and which is also electrically conductively connected to the base body 11.
  • An electrically conductive connection 15 can be formed by a metallic screw, a soldered connection or the like.
  • the protective layer 13 is an electrically conductive layer which is arranged between an outer skin of the rotor blade and the CFRP belt 1.
  • the protective layer 13 can also form the outer skin itself, but as a rule the protective layer 13 is still covered by a thin fiber layer for protection against mechanical damage.
  • the protective layer 13 serves to protect the CFRP belt 1 from lightning strikes. It has been shown that lightning usually strikes a rotor blade tip or a rotor blade trailing edge.
  • Flash receptors (not shown) are provided there, which are connected to a lightning conductor 16.
  • the lightning conductor 16 passes through the rotor blade and reaches the ground via a rotary feedthrough through a rotor blade connection and a rotor blade hub via a tower. It has been shown that smaller secondary flashes, but also the main flashes themselves, can also strike the electrically conductive CFRP belt 1.
  • the electrically conductive protective layer 13 is therefore provided on the outside of the rotor blade of the CFRP belt 1.
  • the protective layer 13 has a width B which covers the width B of the belt 1 at least in a tip section, preferably along an entire length of the tip section, and has a length which in particular in a tip section of the belt 1 also covers the belt 1 covered, so that the belt 1 - seen from the outside - is completely covered by the protective layer 13 at least in the tip section.
  • the protective layer 13 as well as the individual carbon fibers 4 harbor the risk that they are at a different electrical potential than the CFRP belt 1. This can lead to spark jumps or breakdowns from the protective layer 13 into the CFRP belt 1.
  • the protective layer 13 is in any case electrically conductively connected to the potential equalization element 9, so that both the protective layer 13 and the individual carbon fiber-containing layers 6, 7, 8 of the CFRP belt 1 are kept at a uniform electrical level and there can be no lightning strikes within the rotor blade.
  • the equipotential bonding element 9 and the protective layer 13 connected to it in an electrically conductive manner are grounded via the lightning conductor 16 according to FIG. 3.
  • the lightning conductor 16 is designed as an electrically conductive cable which runs along the web 3 or at another location in the longitudinal direction L of the rotor blade, through which the rotor blade connection is guided on a rotor blade hub, through which the rotor blade hub is guided, through the connection of the nacelle to the tower is led and then led into the ground via another lightning conductor.
  • the lightning conductor 16 is connected to the protective layer 13 of a CFRP belt 1 on the suction side as well as to a protective layer 14 of a CFRP belt 2 on the pressure side, via an electrically conductive clip 17.
  • Both the pressure-side and the suction-side CFRP belts 1, 2 are each covered at least in sections by one of the protective layers 13, 14.
  • Each of the CFRP belts 1, 2 is preferably provided with the potential equalization element 9.
  • the potential equalization element 9 can be introduced into the CFRP belt 1, 2 on one end face of the CFRP belt 1, 2, preferably the tip-side end face, but also on the rotor root end face of the CFRP belt 1, 2 according to FIG. 2. It is also conceivable that a plurality of potential equalization elements 9 are provided per CFRP belt 1, 2, so that the potential equalization element 9 connects only one carbon fiber-containing layer 6 or two carbon fiber-containing layers 6 of the CFRP belt 1, 2 and another
  • Equipotential bonding element 9 connects further carbon fiber layers 7, 8 of the same CFRP belt 1, 2 to one another.
  • the potential equalization elements 9, which are assigned to a common CFRP belt 1, 2, are electrically conductively connected to the protective layer 13, 14 assigned to the CFRP belt 1, 2.
  • the connection 15 is in each case designed as shown in FIG. 2.
  • the equipotential bonding elements 9 and protective layers 13, 14 of the suction-side and pressure-side belts 1, 2 are connected to one another via the electrically conductive bracket 17 shown in FIG. 3.
  • the bracket 17 is with the
  • Lightning derivative 16 in turn connected in an electrically conductive manner.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt einer Windkraftanlage mit einem Kohlenstofffasern (4) aufweisenden Gurt (1, 2), der rotorblattaußenseitig von einer elektrisch leitenden Schutzlage (13, 14) überdeckt ist, und einer Blitzableitung (16), die mit der elektrisch leitenden Schutzlage (13, 14) verbunden ist, wobei ein Potentialausgleichselement (9) mit einer Vielzahl an elektrisch leitenden Stiften (12), die von einem elektrisch leitenden Grundkörper (11) abgehen und die in den Gurt (1, 2) eingedrückt sind und wobei zumindest einige der Kohlenstofffasern (4) mit den Stiften (12) in elektrisch leitendem Kontakt stehen und das Potentialausgleichselement (9) mit der elektrisch leitenden Schutzlage (13, 14) elektrisch leitend verbunden ist.

Description

Rotorblatt mit einem elektrischen Potentialausgleichselement und ein Verfahren zu dessen Herstellung Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt einer Windkraftanlage mit einem Kohlenstofffasern aufweisenden Gurt, der rotorblattaußenseitig von einer elektrisch leitenden Schutzlage überdeckt ist, und einer Blitzableitung, die mit der elektrisch leitenden Schutzlage verbunden ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines Rotorblattes einer Windkraftanlage mit einem kohlenstofffaserhaltigen Gurt.
Rotorblätter mit einem Blitzschutz sind im Stand der Technik natürlich bekannt. Aus der EP 3 184 814 A1 ist ein Rotorblatt mit einem Potentialausgleichssystem bekannt, das ein elektrisch leitendes Gitter umfasst, von dem Transversalkonnektoren abgehen. Die Potentialausgleichselemente sind in der Rotorblattschale im Bereich der Blitzrezeptoren um die Blitzrezeptoren herum angeordnet.
Nachteilig an dem bekannten Blitzschutzsystem ist, dass moderne Gurte ebenfalls aus elektrisch leitenden Materialen wie Kohlenstofffasern bestehen können und dass das bekannte Blitzschutzsystem keinen hinreichenden Schutz gegenüber auftretenden Potentialdifferenzen und Stromüberschlägen in stromleitende Gurte hinein bietet.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein eingangs genanntes Rotorblatt mit einem Blitzschutzsystem, das auch die Gurte des Rotorblattes vor Stromüberschlägen besser schützt, zur Verfügung zu stellen.
Es ist ebenso Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Rotorblattes zur Verfügung zu stellen, das elektrisch leitenden Gurten einen besseren Schutz vor Stromüberschlägen bietet. Die Aufgabe wird in ihrem ersten Aspekt durch ein eingangs genanntes Rotorblatt mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 erfüllt.
Das erfindungsgemäße Rotorblatt einer Windkraftanlage umfasst wenigstens einen kohlenstofffaserhaltigen Gurt. Üblicherweise umfassen die Rotorblätter wenigstens zwei sich gegenüberliegende kohlenstofffaserhaltige Gurte. Jeder der Gurte verläuft in Längsrichtung von der Rotorblattwurzel bis in den Tipabschnitt hinein. Die kohlenstofffaserhaltigen Gurte können aus einer oder mehreren Lagen kohlenstofffaserhaltigen Materials aufgebaut sein. Üblicherweise verlaufen einzelne Kohlenstofffasern in Längsrichtung über die gesamte Längsausdehnung der Gurte und geben dem Gurt damit eine hohe Zugfestigkeit.
Kohlenstofffasern sind elektrisch leitend. Es hat sich in der Vergangenheit häufig herausgestellt, dass Blitze in kohlenstofffaserhaltige Abschnitte oder Bereiche von
Rotorblättern einschlagen. Zum Schutz von kohlenstofffaserhaltigen Gurten sind daher elektrisch leitende Schutzlagen vorgesehen, die die kohlenstofffaserhaltigen Gurte rotorblattaußenseitig zumindest abschnittsweise, vorzugsweise vollständig überdecken. Bei den Schutzlagen kann es sich um Aluminium oder andere Metalllagen handeln, die zumindest einen Tipabschnitt des Gurtes rotorblattaußenseitig vollständig abdecken, die somit vorzugsweise breiter als der Gurt in jedem Querschnitt zumindest im Tipabschnitt sind und den Gurt in Längsrichtung in Richtung des Tips überragen.
Die Schutzlagen sind mit einem Blitzableitsystem elektrisch leitend verbunden. Das Blitzableitsystem ist beispielsweise ein elektrisches Kabel, das in Längsrichtung des
Rotorblattes beispielsweise entlang eines Steges zwischen zwei sich gegenüberliegenden Gurten oder entlang einer Innenwandung der Rotorblattschale verläuft. Die Blitzableitung ist durch den Rotorblattanschluss an der Rotornabe geführt und durch die Rotornabe hindurch und durch einen Anschluss der Rotornabe am Turm geführt. Die Blitzableitung ist den Turm hinunter in das Erdreich geführt, um den Blitz vom Rotorblatt in die Erde abzuleiten.
Bei Blitzeinschlägen neigen die Kohlenstofffasern der Gurte hohe und teilweise auch sehr unterschiedliche elektrische Potentiale auszubilden. Es können sich beim Blitzeinschlag Induktionsströme in den Kohlenstofffasern ausbilden, es können aber auch Nebenblitze oder der Blitz selbst durch die Schutzlage direkt in die Gurte einschlagen und somit zu hohen Potentialen und unterschiedlichen Potentialen führen.
Die unterschiedlichen Potentiale der Kohlenstofffasern oder kohlenstofffaserhaltigen Lagen der Gurte führen wiederum zu Stromüberschlägen oder Funkenübersprüngen von einer Kohlenstofffaser zur anderen Kohlenstofffaser. Um Stromüberschläge zu verhindern, ist erfindungsgemäß ein elektrisches Potentialausgleichselement mit einer Vielzahl an elektrisch leitenden Stiften vorgesehen, die von einem elektrisch leitenden Grundkörper abgehen und die in den Gurt eingefügt, eingedrückt o. ä. sind. Zumindest einige der Kohlenstofffasern werden somit mit den Stiften in elektrisch leitenden Kontakt gebracht. Das Potentialausgleichselement ist mit der elektrisch leitenden Schutzlage elektrisch leitend verbunden. Das Potentialausgleichselement kann einen elektrisch leitenden Grundkörper beispielsweise in Form eines flachen Quaders, also einer etwa brettförmigen Gestalt, aufweisen, von dem vorzugsweise einseitig Stifte abgehen. Die Stifte können Metallstifte sein, die an den Grundkörper angebracht, insbesondere angeschraubt, angeschweißt oder angelötet sind, mit ihm also ebenfalls elektrisch leitend verbunden sind. Das Potentialausgleichselement ist in einen Gurt eingedrückt oder eingeführt oder eingebaut. Vorzugsweise ist das Potentialausgleichselement an eine kurze Stirnseite des Gurtes eingedrückt, so dass sich die Stifte in Längsrichtung des Gurtes erstrecken, wobei der Grundkörper eine Dicke aufweist, die der Dicke des Gurtes entspricht und eine Tiefe, die der Tiefe des Gurtes entspricht. Die Längsausdehnung des Potentialausgleichselementes in Längsrichtung des Gurtes kann durchaus kürzer als seine Tiefe und Dicke ausgebildet sein.
Das Potentialausgleichselement weist eine Vielzahl an Stiften auf, so dass möglichst viele, vorzugsweise die Mehrheit der Kohlenstofffasern des Gurtes, mit einem der Stifte in Berührung kommen, so dass sich zwischen den Kohlenstofffasern ein elektrisch gleiches Potential ausbilden kann.
Grundsätzlich ist es denkbar, dass das Potentialausgleichselement auch anderweitig am Gurt angeordnet ist, also beispielsweise an einer breiten Längsseite in den Gurt eingedrückt ist oder sogar in eine schmale Längsseite in den Gurt eingedrückt ist.
Das Potentialausgleichselement ist vorzugsweise entlang einer gesamten Breite zumindest einer kohlenstofffaserhaltigen Lage des Gurtes angeordnet und verbindet Kohlenstofffasern der zumindest einen Lage elektrisch leitend miteinander und mit der Schutzlage. Jedem Gurt kann genau ein Potentialausgleichselement, es können ihm aber auch zwei, drei oder jede höhere Anzahl an Potentialausgleichselementen zugeordnet sein. Bei mehreren Potentialausgleichselementen weist jedes einzelne Potentialausgleichselement eine Dicke auf, die nicht der Dicke des gesamten Gurtes entspricht, sondern lediglich der Dicke einer, zwei oder mehrerer Lagen des Gurtes bei mehrlagig aufgebauten Gurten. Das Potentialausgleichselement verbindet in dieser Ausführungsform die Kohlenstofffasern der einen Lage zum einen untereinander und zum anderen mit der dem Gurt zugeordneten Schutzlage.
Günstigerweise sind noch ein zweites und möglicherweise weitere Potentialausgleichselemente vorgesehen, die den anderen Lagen desselben Gurtes zugeordnet sind und in die Lagen eingedrückt sind und die deren Kohlenstofffasern miteinander elektrisch leitend verbinden und sie mit der zugehörenden Schutzlage elektrisch leitend verbinden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind sich gegenüberliegende saug- und druckseitige Gurte jeweils mit einer saug- bzw. druckseitigen Schutzlage abgedeckt, und die saug- und druckseitigen Schutzlagen sind mit einer elektrischen Klammer miteinander elektrisch leitend verbunden. Üblicherweise sind vorzugsweise alle Gurte eines Rotorblattes zur Erhöhung der Zugfestigkeit, aber auch zur Verringerung des Gewichtes und zur Materialersparnis mit Kohlenstofffasern versehen, so dass jedem der Gurte eine Schutzlage zugeordnet ist. Die sich vorzugsweise am Rotorblatt gegenüberliegenden saug- und druckseitigen Gurte sind dann jeweils mit einer saug- bzw. druckseitigen Schutzlage rotorblattaußenseitig überdeckt bzw. geschützt, und zum Potentialausgleich ist eine elektrisch leitende Klammer vorgesehen, die die sich gegenüberliegenden druck- und saugseitigen Schutzlagen miteinander elektrisch leitend verbindet.
Besonders bevorzugt ist die Klammer auch mit dem oder den Potentialausgleichselementen elektrisch leitend verbunden, die in die druck- bzw. saugseitigen kohlenstofffaserhaltigen Gurte eingedrückt bzw. eingebaut sind. Die Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch ein eingangs genanntes Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 erfüllt.
Das Verfahren eignet sich zur Herstellung eines der obengenannten Rotorblätter. Umgekehrt ist jedes der obengenannten Rotorblätter durch eines der nachfolgend benannten Verfahren herstellbar.
Das Verfahren zur Herstellung eines Rotorblattes einer Windkraftanlage mit einem kohlenstofffaserhaltigen Gurt umfasst die Schritte, dass der kohlenstofffaserhaltige Gurt rotorblattaußenseitig von einer elektrisch leitenden Schutzlage überdeckt wird, eine Blitzableitung mit der elektrisch leitenden Schutzlage verbunden wird und ein Potentialausgleichselement mit einer Vielzahl an elektrisch leitenden Stiften, die von einem elektrisch leitenden Grundkörper vorzugsweise einseitig abgehen, in den Gurt eingedrückt wird. Dadurch gelangen zumindest einige der Kohlenstofffasern mit den Stiften in elektrisch leitenden Kontakt, und das Potentialausgleichselement wird mit der elektrisch leitenden Schutzlage elektrisch leitend verbunden. Die Funktion des Potentialausgleichselements ist bereits oben beschrieben, es kann in den Gurt oder in Lagen des Gurtes eingedrückt werden. Das Potentialausgleichselement wird daher mit einer dem Gurt entsprechenden Tiefe gewählt und einer Dicke gewählt, die wenigstens einer kohlenstofffaserhaltigen Lage des Gurtes entspricht.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels in drei Figuren beschrieben. Dabei zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Aufbau eines CFK-Gurtes mit erfindungsgemäßem Potentialausgleichselement in einer perspektivischen Ansicht,
Fig. 2 den CFK-Gurt mit dem erfindungsgemäßen Potentialausgleichselement und einer Schutzlage, Fig. 3 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Rotorblattes mit zwei CFK-Gurten und einer erfindungsgemäßen Klammer.
Rotorblätter moderner Windkraftanlagen sind üblicherweise aus zwei laminierten Rotorblatthalbschalen aufgebaut, die an ihrem umlaufenden Rand miteinander verklebt sind. Zur Erhöhung der Zug- und Beugestabilität des Rotorblattes ist entlang einer Längsrichtung L jeder der beiden Rotorblatthalbschalen jeweils ein Gurt 1 , 2 in Form eines Hauptgurtes angeordnet. Es können aber auch zwei oder mehr Gurte 1 , 2 nebeneinander und in Längsrichtung L in jeder der Rotorblatthalbschalen angeordnet sein. Die Gurte 1 , 2 sind rotorblattinnenseitig in die Rotorblatthalbschalen einlaminiert. Üblicherweise liegen die Gurte 1 , 2, insbesondere die Hauptgurte, einander paarweise gegenüber und zwischen den Gurten
1 , 2 eines Paares ist jeweils ein Steg 3 angeordnet, der mit den beiden Gurten 1 , 2 entlang seiner beiden Längskanten verklebt ist. Ein entsprechender Aufbau mit zwei als Hauptgurte ausgebildeten Gurten 1 , 2 und dem Steg 3 ist in Fig. 3 schematisch im Querschnitt dargestellt. Zur Verringerung des Gewichtes und Erhöhung der Zugfestigkeit der Rotorblätter sind die Gurtei , 2 mit langen Kohlenstofffasern 4 verstärkt, die durchaus über die gesamte Längsausdehnung in Längsrichtung L des Gurtes 1 , 2 verlaufen können.
Fig. 1 zeigt eine schematische Ausbildung eines Gurtes 1 , der aus drei einzelnen, aufeinandergelegten kohlenstofffaserhaltigen Lagen 6, 7, 8 besteht, und jede der kohlenstofffaserhaltigen Lagen weist in Längsrichtung L verlaufende Kohlenstofffasern 4 auf. Die kohlenstofffaserhaltigen Lagen 6, 7, 8 werden vor der Herstellung des Gurtes 1 als Prepregs zur Verfügung gestellt. Dabei handelt es sich um ein Halbfertigzeug, das biegsam ist und als Rollenware zur Verfügung gestellt wird. Die Prepregs sind üblicherweise in Breiten von 10 cm bei Dicken von 1 cm auf Rollen aufgerollt. Die einzelnen kohlenstofffaserhaltigen Lagen 6, 7, 8 sind aus mehreren, entlang einer Breite B nebeneinander angeordneten Prepregs (nicht dargestellt) gebildet. Übereinander sind wie Fig. 1 zeigt drei kohlenstofffaserhaltige Lagen 6, 7, 8 angeordnet.
Die Kohlenstofffasern 4 können in einem Gelege oder Gewebe eingewoben sein und mit einem nicht ausgehärteten Epoxidharz zu einem Prepreg verbunden sein. Das Prepreg ist ein Halbzeug. Die Gurte 1 , 2 werden üblicherweise in einer separaten Herstellungsform für Gurte hergestellt. Sie ist von einer Herstellungsform für die Rotorblatthalbschale getrennt.
Dazu werden die kohlenstofffaserhaltigen Lagen 6, 7, 8 übereinandergelegt und mit einem Epoxidharz infundiert und ausgehärtet. Infusionsverfahren sind im Stand der Technik bekannt. Der fertige Gurt 1 , 2 wird dann in eine Herstellungsform einer Rotorblatthalbschale eingelegt und mit den Gelegeschichten, Gewebeschichten, Sandwichkernen oder sonstigen faserhaltigen Lagen der Rotorblatthalbschalen fest zusammenlaminiert. Die in Fig. 1 dargestellten Kohlenstofffasern 4 sind elektrisch leitend. Die in die Rotorblätter laminierten, Kohlenstofffasern 4 aufweisenden Gurte 1 werden auch CFK-Gurte 1 genannt. Die Kohlenstofffasern 4 können bei Blitzeinschlägen in die Gurte 1 , beispielsweise aufgrund durch sie erzeugter Induktionsströme oder Ähnliches, in ihren unterschiedlichen Kohlenstofffasern 4 unterschiedliche elektrische Potentiale aufweisen oder ausbilden. Durch die unterschiedlichen elektrischen Potentiale in den einzelnen Kohlenstofffasern 4 kann es zu elektrischen Überschlägen zwischen Kohlenstofffasern 4 der einzelnen kohlenstofffaserhaltigen Lagen 6, 7, 8 kommen oder zu Funkenüberschlägen. Um die Strom- und Funkenüberschläge zu verhindern, werden die Kohlenstofffasern 4 mittels eines in Fig. 1 dargestellten Potentialausgleichselementes 9 elektrisch leitend miteinander verbunden und somit auf ein gleiches elektrisches Potential gebracht. Das Potentialausgleichselement 9 weist einen metallischen, brettförmigen Block auf, der einen Grundkörper 11 ausbildet. Von dem Grundkörper 11 stehen an einer Seite mehrere elektrisch leitende Stifte 12 ab, die mit dem elektrisch leitenden Grundkörper 11 wiederum elektrisch leitend verbunden sind. Der Grundkörper 1 1 kann ein Metallkörper sein, die Stifte 12 können ebenfalls Metallstifte sein, die an den Grundkörper 1 1 elektrisch leitend angelötet oder angeschweißt sind. Der Grundkörper 11 wird mit seiner Stiftseite in eine Stirnseite des Gurtes 1 , wie in Fig. 1 schematisch dargestellt, eingedrückt oder eingeschlagen. Die Stifte 12 weisen einen sehr geringen Abstand voneinander auf, und durch das Einschlagen der Stifte 12 in die Stirnseite des Gurtes 1 werden zumindest die meisten der Kohlenstofffasern 4 von den Stiften 12 berührt und somit elektrisch leitend mit dem Grundkörper 1 1 verbunden. Durch die elektrische Verbindung der einzelnen kohlenstofffaserhaltigen Lagen 6, 7, 8 wie auch der einzelnen Kohlenstofffasern 4 untereinander werden die Lagen 6, 7, 8 untereinander auf ein gleiches elektrisches Potential gebracht.
In Fig. 2 ist eine Ausführungsform in einer seitlichen Ansicht gezeigt; zusätzlich ist eine Schutzlage 13 angedeutet, die sich tatsächlich über die gesamte Breite des CFK-Gurtes 1 erstreckt und die ebenfalls elektrisch leitend mit dem Grundkörper 1 1 verbunden ist. Eine elektrisch leitende Verbindung 15 kann durch eine metallische Schraube, eine Lötverbindung oder Ähnliches ausgebildet sein. Die Schutzlage 13 ist eine elektrisch leitende Lage, die zwischen einer Außenhaut des Rotorblattes und dem CFK-Gurt 1 angeordnet ist. Die Schutzlage 13 kann auch die Außenhaut selbst bilden, in der Regel ist die Schutzlage 13 jedoch noch von einer dünnen Faserlage zum Schutz vor mechanischen Beschädigungen überzogen. Die Schutzlage 13 dient dazu, den CFK-Gurt 1 vor Blitzeinschlägen zu schützen. Es hat sich gezeigt, dass Blitze üblicherweise in eine Rotorblattspitze oder eine Rotorblatthinterkante einschlagen. Dort sind hier nicht dargestellte Blitzrezeptoren vorgesehen, die mit einer Blitzableitung 16 verbunden sind. Die Blitzableitung 16 durchzieht das Rotorblatt und gelangt über eine Drehdurchführung durch einen Rotorblattanschluss und eine Rotorblattnabe über einen Turm in den Boden. Es hat sich gezeigt, dass kleinere Nebenblitze, aber auch die Hauptblitze selbst auch in den elektrisch leitenden CFK-Gurt 1 einschlagen können. Zum Schutz des CFK-Gurtes 1 ist daher rotorblattaußenseitig des CFK-Gurtes 1 die elektrisch leitende Schutzlage 13 vorgesehen. Die Schutzlage 13 weist eine Breite B auf, die die Breite B des Gurtes 1 zumindest in einem Tipabschnitt, vorzugsweise entlang einer gesamten Länge des Tipabschnitts, überdeckt und sie weist eine Länge auf, die insbesondere in einem Tipabschnitt des Gurtes 1 den Gurt 1 auch tipseitig überdeckt, so dass der Gurt 1 - von außen gesehen - zumindest im Tipabschnitt komplett von der Schutzlage 13 abgedeckt ist.
Die Schutzlage 13 wie auch die einzelnen Kohlenstofffasern 4 bergen die Gefahr, dass sie sich auf einem anderen elektrischen Potential befinden als der CFK-Gurt 1. Dadurch kann es zu Funkensprüngen oder Durchschlägen von der Schutzlage 13 in den CFK-Gurt 1 kommen. Um einen derartigen Stromdurchschlag zu verhindern, ist die Schutzlage 13 jedenfalls mit dem Potentialausgleichselement 9 elektrisch leitend verbunden, so dass sowohl die Schutzlage 13 als auch die einzelnen kohlenstofffaserhaltigen Lagen 6, 7, 8 des CFK-Gurtes 1 auf einem einheitlichen elektrischen Niveau gehalten werden und es zu keinen Blitzdurchschlägen innerhalb des Rotorblattes kommen kann. Das Potentialausgleichselement 9 und die mit ihm elektrisch leitend verbundene Schutzlage 13 sind gemäß Fig. 3 über die Blitzableitung 16 geerdet. Die Blitzableitung 16 ist als ein elektrisch leitendes Kabel ausgebildet, das entlang des Steges 3 oder an einer anderen Stelle in Längsrichtung L des Rotorblattes verläuft, durch den Rotorblattanschluss an einer Rotorblattnabe geführt ist, durch die Rotorblattnabe geführt ist, durch den Anschluss des Maschinenhauses am Turm geführt ist und dann über eine weitere Blitzableitung in den Erdboden hineingeführt ist.
Die Blitzableitung 16 ist gemäß Fig. 3 über eine elektrisch leitende Klammer 17 mit der Schutzlage 13 eines saugseitigen CFK-Gurtes 1 wie auch mit einer Schutzlage 14 eines druckseitigen CFK-Gurtes 2 verbunden. Sowohl die druckseitigen als auch die saugseitigen CFK-Gurte 1 , 2 sind jeweils von einer der Schutzlagen 13, 14 zumindest abschnittsweise abgedeckt. Vorzugsweise ist jeder der CFK-Gurte 1 , 2 mit dem Potentialausgleichselement 9 versehen. Das Potentialausgleichselement 9 kann an einer Stirnseite des CFK-Gurtes 1 , 2, vorzugsweise der tipseitigen Stirnseite, aber auch der rotorwurzelseitigen Stirnseite des CFK- Gurtes 1 , 2 gemäß Fig. 2, in den CFK-Gurt 1 , 2 eingebracht sein. Es ist auch denkbar, dass mehrere Potentialausgleichselemente 9 pro CFK-Gurt 1 , 2 vorgesehen sind, so dass das Potentialausgleichselement 9 nur eine kohlenstofffaserhaltige Lage 6 oder zwei kohlenstofffaserhaltige Lagen 6 des CFK-Gurtes 1 , 2 miteinander verbindet und ein weiteres
Potentialausgleichselement 9 weitere kohlenstofffaserhaltige Lagen 7, 8 desselben CFK- Gurtes 1 , 2 miteinander verbindet. Die Potentialausgleichselemente 9, die einem gemeinsamen CFK-Gurt 1 , 2 zugeordnet sind, sind mit der dem CFK-Gurt 1 , 2 zugeordneten Schutzlage 13, 14 elektrisch leitend verbunden. Die Verbindung 15 ist jeweils wie in Fig. 2 dargestellt ausgebildet. Die Potentialausgleichselemente 9 und Schutzlagen 13, 14 der saugseitigen und der druckseitigen Gurte 1 , 2 sind miteinander über die in Fig. 3 dargestellte, elektrisch leitende Klammer 17 miteinander verbunden. Die Klammer 17 ist mit der
Blitzableitung 16 wiederum elektrisch leitend verbunden. Bezugszeichenliste
1 Gurt / CFK-Gurt
2 Gurt / CFK-Gurt
3 Steg
4 Kohlenstofffasern
6 kohlenstofffaserhaltige Lage
7 kohlenstofffaserhaltige Lage
8 kohlenstofffaserhaltige Lage
9 Potentialausgleichselement
11 Grundkörper
12 Stifte
13 Schutzlage
14 Schutzlage
15 Verbindung
16 Blitzableitung
17 Klammer
B Breite
L Längsrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Rotorblatt einer Windkraftanlage mit einem Kohlenstofffasern (4) aufweisenden Gurt (1 , 2), der rotorblattaußenseitig von einer elektrisch leitenden Schutzlage (13, 14) überdeckt ist, und einer Blitzableitung (16), die mit der elektrisch leitenden Schutzlage (13, 14) verbunden ist, gekennzeichnet durch ein Potentialausgleichselement (9) mit einer Vielzahl an elektrisch leitenden Stiften (12), die von einem elektrisch leitenden Grundkörper (1 1 )
abgehen und die in den Gurt (1 , 2) eingedrückt sind und dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Kohlenstofffasern (4) mit den Stiften (12) in elektrisch leitendem Kontakt stehen und das Potentialausgleichselement (9) mit der elektrisch leitenden Schutzlage (13, 14) elektrisch leitend verbunden ist.
2. Rotorblatt nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass das Potentialausgleichselement (9) an einer Stirnseite des Gurtes (1 , 2) angeordnet ist.
3. Rotorblatt nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass das Potentialausgleichselement (9) einen metallischen Grundkörper (1 1 ) aufweist, von dem metallische Stifte (12) lotrecht abgehen, die leitend an dem Grundkörper (1 1 ) angebracht sind.
4. Rotorblatt nach Anspruch 1 , 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass das Potentialausgleichselement (9) entlang einer gesamten Breite (B) zumindest einer kohlenstofffaserhaltigen Lage (6) des Gurtes (1 ,
2) angeordnet ist und Kohlenstofffasern (4) der zumindest einen Lage (6) elektrisch leitend miteinander und mit der Schutzlage (13, 14) verbindet.
5. Rotorblatt nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens noch ein weiteres
Potentialausgleichselement (9) vorgesehen ist, das entlang einer gesamten Breite (B) einer weiteren kohlenstofffaserhaltigen Lage (7, 8) angeordnet ist und
Kohlenstofffasern (4) der weiteren Lage (7, 8) elektrisch leitend miteinander und mit der Schutzlage (13, 14) verbindet.
6. Rotorblatt nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass sich gegenüberliegende saug- und druckseitige Gurte (1 , 2) eine saug- und druckseitige Schutzlage (13, 14) aufweisen und die saug- und druckseitige Schutzlage (13, 14) durch eine elektrisch leitende Klammer (17) miteinander elektrisch verbunden sind.
7. Rotorblatt nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die Klammer (17) mit der Blitzableitung (16) elektrisch leitend verbunden ist.
8. Rotorblatt nach Anspruch 6, 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die Klammer (17) mit den den Gurten (1 , 2)
zugeordneten Potentialen (9) elektrisch leitend verbunden ist.
9. Verfahren zur Herstellung eines Rotorblattes einer Windkraftanlage mit einem
Kohlenstofffaser (4) aufweisenden Gurt (1 , 2), indem
der kohlestofffaserhaltige Gurt (1 , 2) rotorblattaußenseitig von einer elektrisch leitenden Schutzlage (13, 14) überdeckt wird und
eine Blitzableitung (16) mit der elektrisch leitenden Schutzlage (13, 14) verbunden wird und
dadurch gekennzeichnet, dass ein Potentialausgleichselement (9) mit einer Vielzahl an elektrisch leitenden Stiften (12), die von einem elektrisch leitenden Grundkörper (1 1 ) abgehen, in den Gurt (1 , 2) eingedrückt wird und
zumindest einige der Kohlestofffasern (4) mit den Stiften (12) in elektrisch leitenden Kontakt gelangen und
das Potentialausgleichselement (9) mit der elektrisch leitenden Schutzlage (13, 14) elektrisch leitend verbunden wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass das Potentialausgleichselement (9) mit einer dem Gurt
(1 , 2) entsprechenden Tiefe gewählt wird und mit einer Dicke gewählt wird, die wenigstens einer kohlenstofffaserhaltigen Lage (6, 7, 8) entspricht.
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