DE102007050009A1

DE102007050009A1 - Blitzschutz für Windenergieanlagen

Info

Publication number: DE102007050009A1
Application number: DE102007050009A
Authority: DE
Inventors: Bastian Lewke
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2006-10-19
Filing date: 2007-10-17
Publication date: 2008-04-30
Also published as: US20080095624A1; CN101165340B; CN101165340A; DK200701440A

Abstract

Beschrieben wird ein Rotorflügel für eine Windenergieanlage. Der Rotorflügel beinhaltet ein Blitzschutzsystem. Dabei beinhaltet der Rotorflügelkörper ein nicht leitfähiges Material mindestens einen Abnehmer (110, 110', 310, 310'), der als Ort für das Auftreffen eines Blitzeinschlags ausgelegt ist, ein isoliertes Ableitelement innerhalb des Rotorflügelkörpers, wobei der isolierte Ableiter aufweist: einen Ableiter (120; 320; 420), wobei der Ableiter und der mindestens eine Abnehmer miteinander ver430), die den Ableiter als Isolierung bedeckt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft den Blitzschutz von Windenergieanlagen. Im Besonderen betrifft die Erfindung den Blitzschutz von Windenergieanlagen und den Blitzschutz von Rotorflügeln von Windenergieanlagen. Ganz besonders betrifft die Erfindung einen Rotorflügel, ein Blitzschutzsystem und ein Verfahren zur Herstellung eines Rotorflügels.
Schäden an Windenergieanlagen aufgrund von Blitzeinschlägen sind als ein zunehmendes Problem erkannt worden. Der Einfluss von Blitzeinschlagschäden auf die Verlässlichkeit von Windenergieanlagen und Windenergieparks kann mit der zunehmenden Kapazität von Windenergieanlagen von Belang sein. Das ist besonderes dann der Fall, wenn verschiedene große Windenergieanlagen in Windparks zusammen betrieben werden, weil der mögliche Ausfall von mehreren Großerzeugereinheiten aufgrund eines Blitzeinschlages beträchtlich sein kann. Im Gegensatz zu anderen elektrischen Einrichtungen, wie Überlandleitungen und Kraftwerken, ist es schwieriger für Windenergieanlagen, Schutzableiter bereitzustellen, die um die Windenergieanlage herum oder oberhalb der Windenergieanlage angeordnet werden können. Dies ist durch die äußere Größe und die Natur von Windenergieanlagen bedingt. Windenergieanlagen haben typischerweise zwei oder drei Rotorflügel mit einem Durchmesser von mehreren 10 Metern bis zu 100 m oder mehr. Der Rotor rotiert hoch über dem Erdboden. Zusätzlich gibt es die umfassende Nutzung von isolierenden Verbundmaterialien, so wie glasfaserverstärk ter Kunststoff, als lasttragende Teile. Außerdem müssen bei einem Blitzschutz-System aerodynamische Betrachtungen und die Berücksichtigung der Geschwindigkeit der sich drehenden Rotorflügel berücksichtigt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Im Hinblick auf das oben Gesagte wird entsprechend einer Ausführungsform ein Rotorflügel für eine Windenergieanlage geschaffen. Der Rotorflügel weist einen Rotorflügelkörper, mindestens einen als Ort für das Auftreffen eines Blitzeinschlags ausgelegten Abnehmer und ein isoliertes Ableiterelement innerhalb des Rotorflügelkörpers auf. Der isolierte Ableiter weist einen Leiter auf, wobei der Ableiter und der mindestens eine Abnehmer miteinander verbunden sind und eine dielektrische Ummantelung mit einer Durchschlagfestigkeit von mindestens 10 kV/mm den Ableiter als Isolierung abdeckt.
Weitere Ausführungsformen, Aspekte, Vorteile und Merkmale gehen aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen hervor.
Entsprechend einer noch weiteren Ausführungsform, wird ein Blitzschutzsystem für eine Windenergieanlage geschaffen. Das System beinhaltet einen Rotorflügelkörper, mindestens eine Blitzabnehmerstelle, die auf der äußeren Oberfläche des Rotorflügelkörpers ein leitfähiges Material aufweist, einen Ableiter, wobei der Ableiter und die mindestens eine Abnehmerstelle elektrisch miteinander verbunden sind, und eine Isolationsschicht, das direkt auf dem Ableiter aufgebracht ist und dafür ausgelegt ist, die Wahrscheinlichkeit eines Blitzeinschlags an einer Stelle auf dem Ableiter oder an einer anderen Stelle auf dem Rotorflügel als der mindestens einen Abnehmerstelle zu reduzieren.
Weitere Ausführungsformen betreffen Windenergieanlagen, welche die hierin beschriebenen Rotorflügel und Blitzschutzsysteme beinhalten.
Entsprechend einer anderen Ausführungsform wird ein Verfahren zur Herstellung eines Rotorflügels für eine Windenergieanlage beschrieben. Das Verfahren beinhaltet: Isolieren eines Ableiters mit einer dielektrischen Schicht mit einer Durchschlagfestigkeit von mindestens 10 kV/mm, Befestigen eines isolierten Ableiters an einem isolierten Rotorflügelkörper, und Verbinden mindestens eines Abnehmers, der als Stelle für einen Blitzeinschlag ausgelegt ist, mit einem Ableiter.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Nun wird im Detail auf die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung Bezug genommen, von welcher ein oder mehrere Beispiele in den Figuren veranschaulicht werden. Jedes Beispiel wird durch die Erklärung der Erfindung gegeben und ist nicht als eine Einschränkung der Erfindung gemeint. Z.B. können die veranschaulichten oder als Teil einer Ausführungsform beschriebenen Merkmale an oder in Verbindung mit einer anderen Ausführungsform verwendet werden, um noch eine weitere Ausführungsform zu ergeben. Es ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung solche Modifikationen und Variationen beinhaltet.
Moderne Windturbinenrotorflügel sind Strukturen, die aus verschiedenen Materialien, wie glasfaserverstärktem Kunststoff (GRP), Holz, laminiertem Holz und kohlefaserverstärktem Kunststoff (CRP), hergestellt werden. Teile und Komponenten, so wie Befestigungsflansche, Gewichte, Lager, Drähte und elektrische Leitungen bestehen aus Metall. Besonders für die ganz aus einem nicht leitenden Material aufgebauten Rotorflügel sind die Blitzableiterstellen, d.h. die Abnehmer, meist nahe der Spitze oder über den gesamten Rotorflügel verteilt anzutreffen.
Das allgemeine Problem des Blitzschutzes für Windturbinenrotorflügel besteht darin, den Strom des Blitzschlages sicher von der Ableiterstelle zur Nabe zu leiten. Deshalb muss das System in die unterschiedlichen Teile der Windturbine voll integriert werden, um sicherzustellen, dass alle Teile, die als Blitzeinschlagspunkte wahrscheinlich sind, in der Lage sind, dem Blitzschlag standzuhalten.
1 veranschaulicht eine erste Ausführungsform einer Windenergieanlage 100. Oben auf dem Mast 20 ist das Maschinengehäuse 22 angeordnet. Die Nabe 26 ist drehbar am Maschinengehäuse 22 befestigt. Die Nabe ist weiterhin mit den Rotorflügeln 28 verbunden. Der höchste Punkt für Blitzeinschläge 105 ist durch die Höhe 32 des Mastes und die Länge 34 des Rotorflügels gegeben, welche dem Radius des Rotors entsprechend ist. Um in der vorbestimmten Blitzschlagschutzklasse zu sein, muss der Blitz, der einem Teil der Windenergieanlage näher kommt als eine vorbestimmte Distanz, von der Beschädigung der Einrichtung abgehalten werden. Der Abstand des Blitzes 105 von der Windenergieanlage zeichnet die unterschiedlichen Blitzschutzsicherheitsklassen aus. Ein allgemeines Verfahren zur Bestimmung der Blitzschutzklasse ist das Rollkugel-Verfahren. Demnach wird eine Kugel 130 mit einem Radius 132 virtuell um jedes Teil des zu schützenden Systems gerollt. Das Risikogebiet des Blitzeinschlages wird definiert als die Kugel, deren Mittelpunkt auf dem Blitzkanal liegt. Als die Oberfläche der Kugel 130 werden jene Punkte betrachtet, von denen ausgehend sich eine Entladung ereignen kann.
Für verschiedene Blitzschutzklassen sind verschiedene Radien gegeben, d.h. 20 m für die Klasse I. Für jeden Ort an der Oberfläche hat ein Blitzschlag eine gewisse Wahrscheinlichkeit. Je kleiner der Radius, umso wahrscheinlicher ist, dass ein Blitzeinschlag auftreten wird. Schutz besteht für jede mögliche Position der Kugel 130, der sich mit dem Radius 132 um die Windenergieanlage bewegt.
Um z.B. zur Blitzschutzsicherheitsklasse I zu gehören, muss der Blitz in der Lage sein, so nahe zu kommen wie die Kugel 130 mit dem Radius von 20 m und die Windenergieanlage muss vor Blitzeinschlag ausgehend von einem Blitzkananl geschützt werden, der innerhalb einer solchen Distanz liegt, dass die Kugel der Stellen einer möglichen Entladung die Einrichtung nicht berühren. Mit anderen Worten, es ist wünschenswert, ein Blitzschutzsystem für die Windenergieanlage und deren Komponenten zu haben, so dass die Kugel mit einem Radius, der dem Abstand entspricht, der die Windenergieanlage oder Komponenten derselben beschädigen würde, die Oberfläche der Windenergieanlage nicht berührt.
In der in 1 illustrierten Ausführungsform sind die Abnehmer 110, 110' an den Rotorflügeln 28 angeordnet. Die Abnehmer sind mit den Ableitern 120 innerhalb des Rotorflügels verbunden. Weiterhin wird über die Nabe 26 und die Leiter 122 eine elektrische Verbindung hergestellt, so dass die Ströme von Blitzeinschlägen an den Abnehmern durch die Ableiter 122 fließen können, wobei der Leiter 122, wie durch das Bezugszeichen 123 angezeigt, geerdet ist.
Dabei wird ein Blitzschutz des Rotorflügels etabliert, indem die Abnehmer als gewünschte Blitzeinschlagsstellen bereitgestellt werden und indem Leiter bereitgestellt werden, um den Blitzstrom abzuleiten. Es ist das Prinzip dieses Schutzsystems, einen bevorzugten Weg für den Blitzschlag bereitzustellen.
Somit kann das Blitzschutzsystem einzelne Blitzabnehmer aufweisen, die an der Spitze des Rotorflügels angeordnet sind. Von den Abnehmern an der Spitze führt ein innenliegendes Ableitersystem den Strom des Blitzschlages zum Ansatz des Rotorflügels. Dies kann z.B. bei Rotorflügeln mit einer Länge von bis zu 20 m angewandt werden. Entsprechend einer anderen Ausführungsform werden besonders längere Rotorflügel mit Abnehmern ausgestattet, die über den Rotorflügel verteilt sind. Die Abnehmer, welche die Oberfläche durchdringen, können entsprechend einer Ausführungsform auf eine Art und Weise angeordnet werden, dass die Wahrscheinlichkeit des Blitzschlags auf ungeschützte Teile der Oberfläche reduziert ist. Die Beabstandung der einzelnen Abnehmer kann entsprechend einer anderen Ausführungsform z.B. eine Beabstandung sein, bei der die Überschlagsspannung entlang der Rotorflügeloberfläche geringer ist, als die Durchschlagspannung der Außenhaut des Rotorflügels. Als ein Beispiel können entsprechend einer Ausführungsform feste Leiter auf der Oberfläche mit einer Beabstandung, die sich zwischen 30 cm bis 60 cm bewegt, angeordnet werden.
Jedoch sind die Orte, an denen der Blitz auf der Windenergieanlage oder auf Komponenten derselben einschlägt, durch das lokale elektrische Feld vorgegeben. Schäden an Windenergieanlagen, über die früher berichtet wurde, zeigen, dass in einigen Fällen der Blitz direkt am Ableiter einschlägt, insbesondere auf der hinteren Kante des Rotorflügels. Blitzeinschläge an nicht leitenden Rotorflügeln können zumindest teilweise durch die Tatsache erklärt werden, dass Wasser die Rotorflügel leitfähiger macht. Ein anderer Faktor kann sein, dass die Rotorflügel schlicht in dem Weg liegen, auf dem der Blitz in die Windenergieanlage einschlägt. Außerdem ist bekannt, dass Entladungen sich entlang einer Oberfläche leichter entwickeln, als durch die Luft.
Wenn der Blitz direkt durch einen nicht leitenden Teil des Rotorflügels in den Ableiter einschlägt, z.B. in die hintere Kante des Rotorflügels, können an dem GRP des Rotorflügels aufgrund der Oberflächenverkohlung der Glasfasern, Durchschläge und Delaminierung auftreten. Diese Schäden können die Funktionalität und/oder die Lebensdauer des Rotorflügels verschlechtern und können weiterhin einen bevorzugten Pfad für einen zweiten und weiteren Blitzeinschlag bereitstellen.
Ernsthafter Schaden an Windturbinenrotorflügeln wird verursacht, wenn der Blitz innerhalb des Rotorflügels Lichtbogenüberschläge verursacht. Die Lichtbogenüberschläge können sich in mit Luft gefüllten Hohlräumen innerhalb des Rotorflügels oder entlang der inneren Oberflächen bilden. Die durch solche internen Lichtbogenentladungen verursachte Druckwelle kann die Oberflächenhäute des Rotorflügels zerstören. Interne Lichtbogenentladungen bilden sich oft zwi schen dem Blitzeinschlagspunkt an der Spitze des Rotorflügels und einigen leitfähigen Komponenten im Inneren des Rotorflügels. Eine andere Art von Schaden tritt auf, wenn der Strom des Blitzeinschlages oder Teile von diesem in oder zwischen die Schichten des Verbundmaterials geleitet wird, vermutlich, weil solche Schichten etwas Feuchtigkeit zurückhalten.
Entsprechend der hierin beschriebenen Ausführungsformen wird die elektrische Feldstärke um den Leiter 120 herum, welche entscheidet, ob der Blitzeinschlag den Leiter direkt trifft, reduziert, indem eine Isolationshülle um den Leiter herum bereitgestellt wird.
Daher wird das Ableitungselement in Form eines isolierten Kabels bereitgestellt. Entsprechend einer anderen Ausführungsform wird die Isolierung besonderes in Bereichen des Rotorflügels bereitgestellt, in denen es am wahrscheinlichsten ist, dass der Blitz auf den Rotorflügel auftreffen könnte. Dieser Bereich kann z.B. der äußere (spitze) Teil des Rotorflügels 28 sein. Es ist klar, dass die Umhüllung des Leiters 120 mit einer Isolationshülle bedeutet, dass im Wesentlichen der gesamte Leiter bedeckt ist, z.B. mit Ausnahme jener Teile, an welchen Verbindungen mit den Abnehmern vorliegen. Entsprechend einer anderen Ausführungsform können die Verbindungen mit den Abnehmern auch mit einem Isolationsmaterial isoliert sein.
Die Isolierung um den Leiter herum reduziert die elektrische Feldstärke um den Leiter herum und kann deshalb einen elektrischen Durchschlag verhindern. Weiterhin kann die Isolierung um den Leiter herum, entsprechend einer anderen Ausführungsform, das den Leiter umgebende elektrische Feld homogenisieren. Entsprechend der Glasfasergewebebindung, die gewöhnlich verwendet wurde, konnte das elektrische Feld nicht dahingehend kontrolliert werden, dass es homogen ist. Entsprechend der hierin beschriebenen Ausführungsformen, erlaubt die Isolationshülle um den Leiter herum die Kontrolle eines homogenen elektrischen Feldes.
Ein Ableitersystem kann einen ausreichend großen Querschnitt aufweisen, um in der Lage zu sein, einem direkten Blitzeinschlag zu widerstehen und den vollen Strom des Blitzschlags abzuleiten. Entsprechend einer Ausführungsform kann der minimale Querschnitt für Aluminium z.B. 50 mm² betragen. Das Ableitersystem wird mit den Abnehmern auf dem Rotorflügel verbunden. Diese auf der Oberfläche des Rotorflügels befestigten Leiter können die Aerodynamiken des Rotorflügels verschlechtern oder ungewünschten Lärm erzeugen. Für die in den Rotorflügel eingebetteten Leiter, Drähte oder Litzen kann zum Beispiel entweder Aluminium oder Kupfer verwendet werden. Die Blitzableiter können innerhalb des Rotorflügels angeordnet werden. Metallische Halter für die Leiter durchdringen die Oberfläche des Rotorflügels und dienen als einzelne Blitzabnehmer. Die für den Blitzschutz von Windenergierotorflügeln verwendeten Materialien werden in der Lage sein, den elektrischen, thermischen und elektrodynamischen Belastungen, welche durch den Blitzstrom auferlegt werden, zu widerstehen.
2 veranschaulicht eine andere Ausführungsform. In 2 ist ein Rotorflügel 28 gezeigt. Die Rotationsrichtung ist durch den Pfeil 202 veranschaulicht. Der Rotorflügel 28 hat eine vordere Kante 28a und eine hintere Kante 28b. Der Rotorflügel beinhaltet Abnehmer 110' an der Spitze des Rotorflügels und Abnehmer 100 innerhalb des Rotorflü gels. Die Abnehmer 110, 110' sind mit dem Ableiter 120 verbunden.
Für gewöhnlich verwendete Blitzschutzsysteme wurden die folgenden Situationen beobachtet. Auf der einen Seite gibt es Blitzeinschläge 204 auf einem der Abnehmer und die Ladung wird über die Ableitung oder 120 entladen. Auf der anderen Seite können ebenso Blitzeinschläge 206, 206' auftreten, welche in den Rotorflügel 28 eindringen, wobei der Ableiter 120 direkt durch den Blitz getroffen wird. Dadurch treten die oben erwähnten Beschädigungen auf.
Durch Bereitstellung einer den Ableiter umgebenden Isolationsschicht wird, entsprechend einer der hierin beschriebenen Ausführungsformen, die elektrische Feldstärke um den Ableiter 120 herum, welche entscheidet, ob der Blitz in den Ableiter direkt einschlägt, homogenisiert und reduziert.
Das Ableiterelement kann in Form eines isolierten Kabels bereitgestellt werden. Die den Ableiter umgebende Isolationsschicht reduziert die elektrische Feldstärke um den Ableiter herum und kann dadurch außerdem einen elektrischen Ausfall vermeiden. Weiterhin kann die den Ableiter umgebende Isolierung, entsprechend einer anderen Ausführungsform, das den Ableiter umgebende elektrische Feld homogenisieren. Entsprechend der Glasfasergewebebindung, welche gewöhnlich verwendet wurde, kann das elektrische Feld nicht so kontrolliert werden, dass es homogen ist. Entsprechend den hierin beschriebenen Ausführungsformen erlaubt die den Ableiter umgebende Isolationsschicht die Kontrolle eines homogenen elektrischen Feldes.
Entsprechend einer Ausführungsform, die in den 3a und 3b veranschaulicht ist, wird ein Ableiterelement bereitgestellt, das den Ableiter 320 und den Isolator 330 aufweist. Die Isolierung reduziert das Risiko von Blitzeinschlägen direkt am Ableiter. Dadurch hat der gewünschte Entladungspfad entlang der Abnehmer 310, der Abnehmer 312 zum Ableiter und der Ableiter 320 selbst eine noch höhere Wahrscheinlichkeit. Entsprechend kann die Wahrscheinlichkeit eines Blitzschlages, der durch die nicht leitenden Teile der Rotorflügelschale hindurch direkt am Ableiter anhaftet, reduziert werden.
3a zeigt einen mittigen Abschnitt des Rotorflügels 28. 3b zeigt einen Abschnitt 28' der Flügelspitze des Rotorflügels. Innerhalb der hohlen Struktur des Rotorflügels kann ein Verstärkungsbalken 328 bereitgestellt werden. Entsprechend einer Ausführungsform kann das Ableitelement in Form eines isolierten Ableiters 320, 330 an dem Verstärkungsbalken 328 befestigt sein. Wie in 3b gezeigt kann das Ableitelement zu einer der inneren Oberflächen des Rotorflügels an der Flügelspitze und einem Abschnitt geführt werden. Allgemein sind die Abnehmer 310, 310' mit dem Ableiter durch die Leiter 312 verbunden.
Entsprechend einer anderen Ausführungsform ist der Querschnitt des Ableiters 320 kreisrund oder hat einen Mindestkrümmungsradius von mindestens etwa 2 mm. Verglichen mit einem rechtwinkligen Ableiter verringert ein Ableiter mit gekrümmtem Querschnitt zusätzlich das elektrische Feld, welches während des Blitzeinschlags auftritt, und reduziert dadurch das Risiko von irrtümlich anhaftenden Blitzeinschlägen weiter. Entsprechend einer weiteren Ausführungsform hat die elektrische Stärke der Isolationsschicht 330 mindestens eine elektrische Stärke von 50 kV/mm. Typischer Weise liegt die elektrische Stärke entsprechend einer anderen Ausführungsform oberhalb 1100 kV/mm. Die Dicke der Isolierung kann zum Beispiel in einem Bereich von 0,5–5 mm liegen. Entsprechend einer anderen Ausführungsform kann eine mehrschichtige dielektrische Ummantelung bereitgestellt werden, die als Isolierung für den Ableiter wirkt.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform kann der Ableiter Kupfer oder Aluminium als ein Material für die Leitung der Entladung beinhalten. Abhängig von den Materialien kann die Fläche des Querschnitts des Ableiters mindestens 30 mm², 50 mm², 70 mm² oder sogar mehr betragen. Daher muss bedacht erden, dass abhängig vom Querschnitt und dem damit zusammenhängenden Widerstand die Temperatur des Ableiters mehr oder weniger erhöht sein kann, wenn sich der Blitzeinschlag ereignet. Auf einen Blitzeinschlag hin kann ein Temperaturanstieg des Ableiters von bis zu 100° C oder mehr erwartet werden. Daher kann das Isolationsmaterial, in Verbindung mit den Außentemperaturen, eine Temperaturbeständigkeit von 150° C, 160° C, 180° C oder sogar höhere Temperaturen aufweisen. Typischer Weise kann die Temperaturbeständigkeit eine Langzeit-Temperaturbeständigkeit sein, um die Dauerhaftigkeit der Isolierung während der gesamten Lebensdauer des Rotorflügels aufrecht zu erhalten. Entsprechend der verschiedenen Ausführungsformen kann eines der folgenden Materialien verwendet werden: Ethylen-Chlortrifluorenethylen-Copolymer, Ethylen-Tetrafluorenethylen-Copolymer, oder Polyfluorethylenpropylen.
Entsprechend einer anderen Ausführungsform beinhaltet das Ableitelement einen Ableiter 320 und eine Isolierung 330, die in dem Rotorflügel 28 so positioniert ist, dass das Ableitelement im Wesentlichen entlang der neutralen Achse des Rotorflügels angeordnet ist. Während des Betriebs der Windenergieanlage erfahren die Rotorflügel aufgrund der Windkräfte, die auf sie wirken, eine Biegung. Im Allgemeinen liegt, unabhängig davon, ob der Rotorflügel gekrümmt ist, eine neutrale Faser oder ein Gebiet mit einer minimalen Verdichtung oder Spannung des Rotorflügels vor. Das Ableitelement ist typischer Weise entlang dieses Gebietes mit einer minimalen Materialverdichtung oder Materialspannung angeordnet. So wie in den 3a und 3b angezeigt, kann dies zumindest für den Mittelabschnitt des Rotorflügels zutreffen. Entsprechend einer anderen Ausführungsform hat das Material der Isolierung des Ableiters ein Elastizitätsmodul (Young-Modul) von etwa 10 kN/mm², 5 kN/mm² oder weniger. Dadurch wird durch die Bereitstellung der Isolierung 330 für den Ableiter die Elastizität des Rotorflügels kaum beeinträchtigt.
4 veranschaulicht eine andere Ausführungsform. Darin ist die Flügelspitze 28' des Rotorflügels gezeigt. Ein Ableiter 420, der durch eine Isolationsschicht 430 isoliert ist, wird auf der inneren Oberfläche des Rotorflügels bereitgestellt. Aus Fertigungsgründen hat der Ableiter eine nicht kreisrunde Form. Dies kann zumindest für den Endabschnitt des Rotorflügels zutreffen. Die elektrische Feldstärke, welche dadurch vergrößert wird, kann durch die Bereitstellung zusätzlicher Isolierung kontrolliert werden. Dies kann zum Beispiel verwirklicht werden durch die Bereitstellung einer Isolierung mit einer erhöhten elektrischen Stärke oder durch Bereitstellung einer dickeren Isolierungsschicht.
Innerhalb 4 ist das Ableitelement an dem Rotorflügel durch die Glasfaserschicht 428 befestigt. Wie oben beschrieben kann im Mittelabschnitt des Rotorflügels der Ableiter zum Beispiel an einem Verstärkungsbalken innerhalb des Rotorflügels befestigt sein.
Entsprechend einer anderen Ausführungsform hat die elektrische Stärke der Isolationsschicht 330 mindestens eine elektrische Stärke von 70 kV/mm. Typischer Weise, entsprechend einer anderen Ausführungsform, ist die elektrische Feldstärke größer als 120 kV/mm. So wie oben beschrieben kann ein rechteckiger Ableiter eine dickere Isolierung aufweisen, d.h. im Bereich von 0,5 mm–8 mm. Jedoch kann die Isolationsschicht, entsprechend anderer Ausführungsformen, als eine mehrschichtige dielektrische Schicht zur Isolierung mit einer verbesserten Feldkontrolle bereitgestellt werden.
So wie beschrieben können im Hinblick auf die vorhergehenden Ausführungsformen Modifikationen bestehen, welche weitere Ausführungsformen begründen. Entsprechend kann der Ableiter Kupfer oder Aluminium als ein Material zur Leitung der Entladung beinhalten. Abhängig von den Materialien kann die Querschnittsfläche des Ableiters mindestens 30 mm², 50 mm², 70 mm² oder sogar mehr betragen. Weiterhin kann das Isolationsmaterial eine Beständigkeit gegenüber Temperaturen von 150°, 180° oder sogar höheren Temperaturen aufweisen. Typischer Weise kann die Temperaturbeständigkeit eine Langzeit-Temperaturbeständigkeit sein, um die Dauerhaftigkeit des Isolators während der gesamten Lebensdauer des Rotorflügels aufrechtzuerhalten. Entsprechend der verschiedenen Ausführungsformen kann eines der folgenden Materialien verwendet werden: Ethylen-Chlortrifluorenethylen-Copoly mer, Ethylen-Tetrafluorenethylen-Copolymer, oder Polyfluorethylenpropylen.
5 veranschaulicht ein Ersatzschaltbild eines Rotorflügels bei Blitzschlagbedingungen. Allgemein kann Blitzeinschlag durch einen Leitkanal 530 simuliert werden. Der Leitkanal zeigt einen gewissen Ladungsbetrag pro Längeneinheit. 5 zeigt weiterhin in die Oberfläche des Rotorflügels 28 integrierte Abnehmer 110. Die Abnehmer 110 sind mit den Ableitern 120 verbunden. Der Ableiter ist, wie durch das Bezugszeichen 123 angezeigt, geerdet. Für eine gegebene Blitzschlag-Situation, das heißt einen gegebenen Leitkanal 530 gibt es Durchbruchsspannungen U_L 531 und Impedanzen dC_L 532 zwischen dem Leitkanal und dem Rotorflügel. Die Oberfläche des Rotorflügels hat äquivalente Elemente von Durchbruchsspannungen dU_o 532, Impedanzen dC_o 534 und entsprechend Widerstand/Impedanz dR_o 535. Diese Oberflächeneigenschaften können pro Längeneinheit angegeben werden. Somit liegen mehrere Längeneinheiten zwischen den zwei in 5 gezeigten Abnehmern.
Zusätzlich zu den Leitern zwischen den Abnehmern 110 und den Ableitern 120, welche als ideal gezeichnet sind (kein Widerstand), gibt es Impedanzen dC_W 536 und Durchbruchsspannungen dU_W 537 innerhalb der Oberfläche des Rotorflügels 28. Zwischen der Oberfläche des Rotorflügels und dem Ableiter gibt es Impedanzen dCa 540 und Durchbruchsspannungen dU_A 542.
Die Durchbruchsspannungen 531, 537 und 542 sind auf der direkten Linie zwischen dem Leitkanal 530 und dem Ableiter angezeigt. Durch die Bereitstellung der Isolierung, wie oben beschrieben, werden die Impedanzen dC_A 540 zwischen der Rotorflügeloberfläche und den Ableitern vergrößert. Die Durchbruchsspannungen U_A 542, welche zusammen mit dem Potenzial 531 und 537 aus dem Leitkanal 530 hervorgehen, werden vergrößert. Somit ist die Wahrscheinlichkeit eines Blitzeinschlages in einen der Abnehmer 110 erhöht.
Beschrieben wird ein Rotorflügel für eine Windenergieanlage. Der Rotorflügel beinhaltet ein Blitzschutzsystem. Dabei beinhaltet der Rotorflügelkörper ein nicht leitfähiges Material mindestens einen Abnehmer 110, 110', 310, 310', der als Ort für das Auftreffen eines Blitzeinschlags ausgelegt ist, ein isoliertes Ableitelement innerhalb des Rotorflügelkörpers, wobei der isolierte Ableiter aufweist: einen Ableiter 120; 320; 420, wobei der Ableiter und der mindestens eine Abnehmer miteinander verbunden sind; und eine dielektrische Schicht 330; 430 die den Ableiter als Isolierung bedeckt.

20: Mast
21: Maschinengehäuse
26: Nabe
28: Rotorflügel
28': Flügelspitze
32: Masthöhe
34: Rotorradius
100: Windenergieanlage
105: Blitzschlag
110: Abnehmer
110': Abnehmer
120: Ableiter
122: Blitzableiter
123: Erdreich
130: umlaufende Kugel
132: Radius des Wirkungsbereichs bzw. der Kugel
202: Rotationsrichtung
204: Blitzschlag
206: Blitzschlag
206': Blitzschlag
310: Abnehmer
310': Abnehmer
312: Leiter
320: Ableiter
328: Verstärkungsstab
330: Isolierung
420: Ableiter
428: Befestigungsschicht
430: Isolierung
530: Leitkanal
531: Potenzial
532: Kondensator
533: Potenzial
534: Kondensator
535: Widerstand/Impedanz
536: Kondensator
537: Potenzial
540: Kondensator
542: Potenzial

Claims

Rotorflügel für eine Windenergieanlage aufweisend: einen Rotorflügelkörper (28); mindestens einen Abnehmer (110, 110', 310, 310'), der als Ort für das Auftreffen eines Blitzeinschlags ausgelegt ist, ein isoliertes Ableiterelement innerhalb des Rotorflügelkörpers, wobei der isolierte Ableiter aufweist: einen Ableiter (120; 320; 420), wobei der Ableiter und der mindestens eine Abnehmer miteinander verbunden sind; und eine dielektrische Schicht (330; 430) mit einer Durchschlagfestigkeit von mindestens 10 kV/mm, die den Ableiter als Isolierung bedeckt.
Rotorflügel nach Anspruch 1, wobei der Ableiter in allen nicht verzweigten Endabschnitten von mindestens 75 % der Länge des Rotorflügels in Richtung der Flügelspitzen des Rotorflügels mit einer dielektrischen Schicht bedeckt ist.
Rotorflügel nach einem der Ansprüche 1–2, wobei die dielektrische Stärke der dielektrischen Schicht mindestens 50 kV/mm beträgt.
Rotorflügel nach einem der Ansprüche 1–3, wobei der Ableiter einen gewölbten Querschnitt mit einem minimalen Wölbungsradius oberhalb von mehr als 2 mm aufweist.
Rotorflügel nach einem der Ansprüche 1–4, wobei der Ableiter einen Querschnittsbereich von mindestens 30 mm² aufweist.
Rotorflügel nach einem der Ansprüche 1–4, wobei das dielektrische Schichtmaterial einen Langzeittemperaturbeständigkeit gegenüber Temperaturen von mindestens 120°C aufweist.
Rotorflügel nach einem der Ansprüche 1–6, wobei der Ableiter ungefähr an der neutralen Faser des Rotorflügels angeordnet ist.
Windenergieanlage (100) aufweisend: einen Rotorflügel entsprechend einem der Ansprüche 1–7.
Verfahren zur Herstellung eines Rotorflügels für eine Windenergieanlage aufweisend: Isolierung eines Ableiters mit einer dielektrischen Schicht (330; 430), welche eine dielektrische Stärke von mindestens 10 kV/mm bereitstellt, Befestigung eines isolierten Ableiters (120; 330; 420) innerhalb des Rotorflügelkörpers; Verbindung mindestens eines Abnehmers (110, 110', 310, 310'), der dazu ausgelegt ist, um ein Ort für das Anhaften des Blitzeinschlags zu sein.
Verfahren zur Herstellung eines Rotorflügels nach Anspruch 9, wobei der Ableiter entlang von mindestens 75 % der Länge des Rotorflügels isoliert ist.