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Die Erfindung betrifft einen Windenergieanlagenrotorblatteisfreihalte- und -enteisungsanordnungsaufbau an der Vorderkante eines Rotorblattes einer Windenergieanlage, aufweisend wenigstens eine auf dem Rotorblatt aufgebrachte oder integrierte Heizzone, die zyklisch und/oder kontinuierlich angesteuert werden kann, wobei die Heizzone wenigstens ein elektrisches Heizelement umfasst und von einem Blitzschutzsystem abgedeckt und mit einer Erosionsschicht zum Schutz vor Erosion versehen ist, wobei das elektrische Heizelement, das ein auf einer Trägerfolie aufgebrachter graphithaltiger Heizlack ist, auf dem Rotorblatt als erste Schicht aufgeklebt ist, auf dem elektrischen Heizsystem eine Isolationsfolie oder ein Isolierlack aufgebracht ist, auf der Isolationsfolie oder dem Isolierlack das Blitzschutzsystem, das eine Kupferfolie ist, aufgebracht ist und auf dem Blitzschutzsystem die Erosionsschicht aufgebracht ist, wobei die Erosionsschicht ein Erosionsschutzlack oder eine Erosionsschutzfolie ist.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Aufbringverfahren für einen Windenergieanlagenrotorblatteisfreihalte- und -enteisungsanordnungsaufbau auf einem Rotorblatt einer Windenergieanlage.
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Windenergieanlagen haben das Problem, das deren Rotorblätter bei entsprechenden Wetterlagen, insbesondere wenn die Windenergieanlagen an höhergelegenen Standorten aufgebaut sind, anfangen zu vereisen. Dieses teilweise auch ungleichmäßige Vereisen der Rotorblätter kann zu einer Anlagenunwucht und damit verbundenen Schwingungen sowie auch zum Eisabwurf in die Umgebung führen. Es entstehen durchaus sehr hohe Ertragsausfälle durch die Vereisung der Rotorblätter und auch durch fehlerhafte Eissensoren in den Windenergieanlagen.
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Windenergieanlagen in stark vereisungsgefährdeten Gebieten haben oftmals sogar bis zu 70 Tage Stillstand während eines Winters (so zum Beispiel an Standorten in Österreich). Exemplarisch sei hier für eine 1,3 MW-Anlage ein Ausfall von ca. 15 Tagen genannt, der sich auf 8.000 EUR beziffern lässt. Noch extremer verhält es sich mit 3 MW-Anlagen, bei denen sich der Ertragsverlust auf 30.000 EUR bei 15 Tagen Eisstillstandzeit beziffern lässt. Auch Anlagen in nicht unmittelbar vereisungsgefährdeten Gebieten müssen häufig wegen Eisbildung abgeschaltet werden, so dass insgesamt eine sehr große Nachfrage nach Enteisungsvorrichtungen gegeben ist.
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Eis bildet sich immer nur während des Betriebes an der Vorderkante des Rotorblattes, so dass eine Heizung auch nur dort zu montieren ist. Es ist nur eine geringe elektrische Heizleistung notwendig, da nur eine geringe Fläche beheizt werden muss und das Heizen nur an der Oberfläche, wo das Eis entsteht, und nicht im Inneren des Blattes erfolgt.
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Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Anordnungen bekannt, um Rotorblätter von Windenergieanlagen zu enteisen bzw. eisfrei zu halten.
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Am Bedeutendsten dürfte der bekannte Stand der Technik aus der Druckschrift
EP 2 826 993 sein, aus der ein Windenergieanlagenrotorblattenteisungsverfahren mit einem an einem Rotorblatt angeordneten Windenergieanlagenrotorblattenteisungssystem bekannt ist, bei dem modulare elektrische Heizelemente, die zyklisch, wiederkehrend, diskontinuierlich und/oder kontinuierlich angesteuert werden, wobei mindestens ein modulares Heizelement mit einem Temperaturfühler und/oder elektrischem Widerstandsmesser versehen ist, wobei ein kontinuierliches Messen von Umweltmesswerten erfolgt und das Windenergieanlagenrotorblattenteisungssystem bei Erreichen von vorgegebenen Umweltmesswerten aktiviert wird. Ferner ist aus dieser Druckschrift ein Windenergieanlagenrotorblattheizsystem an einem Rotorblatt einer Windenergieanlage bekannt, das mindestens zwei Heizzonen mit modularen Heizelementen umfasst, wobei die modularen Heizelemente zyklisch und/oder kontinuierlich ansteuerbar sind, ein Ansteuerungssystem zur Aktivierung einzelner Heizzonen, Hauptheizelementen und/oder Hilfsheizelementen, Umwelt-, Umgebungs-, Regen-, Temperatur- und/oder Luftfeuchtigkeitssensoren zur Erfassung von Regelgrößen, wobei die Sensoren durch das Ansteuerungssystem ausgewertet werden.
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Das Haupt-Probleme im Stand der Technik ist im Wesentlichen, dass es keine Anti- and De-Ice Systeme zum Nachrüsten gibt und die implementierten System nicht funktionieren. Es fehlt also tatsächlich an einer wirklichen Lösung und einem entsprechenden System, dass das Problem der Eisbildung und Vereisung von Rotorblättern von Windenergieanlagen tatsächlich angeht und auch effektiv löst..Hierbei ist ein wesentlicher Aspekt die Aufbringbarkeit einer derartigen Enteisungsanordnung für Rotorblätter einer Windenergieanlage, da diese Aufbringung an vorhandenen bzw. in Betrieb stehenden Anlagen vorgenommen werden muss und es hierbei im Stand der Technik mit den bekannten Anordnungen und Verfahren nicht möglich ist, effizient und nahezu bei jeder angemessenen Witterung derartige Enteisungsanordnungen in Feldmontage zu montieren.
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Es wurde insbesondere erkannt, dass bei im Stand der Technik befindlichen Enteisungsanordnungen für Rotorblätter einer Windenergieanlage derzeit kein durables und einfach zu montierendes Gesamtsystem bekannt ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Windenergieanlagenrotorblatteisfreihalte- und -enteisungsanordnungsaufbau anzugeben, das einfach zu montieren ist, eine nahezu dauerhafte und effizient zu betreibende Eisfreiheit ermöglicht, wobei insbesondere die Montage im Feld, also unmittelbar an der Windenergieanlage erfolgen soll. Mithin soll der Eisansatz vermieden bzw. beseitigt werden und zudem eine lokale Reparaturfähigkeit möglich sein. Die Beständigkeit und Haltbarkeit ist hierbei von entscheidender Bedeutung.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Windenergieanlagenrotorblatteisfreihalte- und -enteisungsanordnungsaufbau gemäß Hauptanspruch sowie einem Aufbringverfahren für einen Windenergieanlagenrotorblatteisfreihalte- und -enteisungsanordnungsaufbau auf einem Rotorblatt einer Windenergieanlage gemäß nebengeordnetem Anspruch.
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Der Windenergieanlagenrotorblatteisfreihalte- und -enteisungsanordnungsaufbau wird an der Vorderkante eines Rotorblattes einer Windenergieanlage angebaut, da erkannt wurde, dass dieser Bereich der entscheidene Bereich der Eisbildung ist. Der Windenergieanlagenrotorblatteisfreihalte- und -enteisungsanordnungsaufbau weist wenigstens eine an der Vorderkante des Rotorblattes bei nachträglicher Anbringung aufgebrachte oder bei neuen Rotorblättern insbesondere werksseitig vorgesehenen Windenergieanlagenrotorblatteisfreihalte- und -enteisungsanordnungsaufbauten integrierte Heizzone auf, die zyklisch und/oder kontinuierlich angesteuert werden kann, wobei die Heizzone wenigstens ein elektrisches Heizelement umfasst und von einem Blitzschutzsystem abgedeckt und mit einer Erosionsschicht zum Schutz vor Erosion versehen ist. Diesbezüglich ist erfindungsgemäß das elektrische Heizelement ein auf einer Trägerfolie aufgebrachter graphithaltiger Heizlack, das auf dem Rotorblatt als erste Schicht aufgeklebt ist. Auf dem elektrischen Heizsystem ist dann eine Isolationsfolie oder ein Isolierlack und auf der Isolationsfolie oder dem Isolierlack das Blitzschutzsystem, das eine Kupferfolie ist, aufgebracht. Zum Abschluss ist auf dem Blitzschutzsystem die Erosionsschicht aufgebracht, wobei die Erosionsschicht ein Erosionsschutzlack oder eine Erosionsschutzfolie ist.
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Durch diesen Lagenaufbau ist es erstmalig möglich, einen einfach zu montierenden, nämlich sowohl für neue Rotorblätter als auch für die nachträgliche Anbringung eines derartigen Aufbaus an vorhandene Rotorblätter, Windenergieanlagenrotorblatteisfreihalte- und -enteisungsanordnungsaufbau zu verwenden, der eine Eisfreihaltung bzw. Enteisung ermöglicht.
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Die quasi doppelseitig klebend ausgebildete Isolationsfolie bildet die Isolationsschicht zwischen der Heiz- und der Kupferfolie. Sie bildet die Trennung der stromleitenden bzw. stromführenden Ebenen. Und ist in einer entsprechenden besonders bevorzugten Ausführungsform selbstverständlich auf entsprechend vorgesehene Kupferflachbänder, die den Strom zu den Heizzonen leiten bzw. den Strom von den Kupferfolien wegleiten.
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Die eine oder auch mehreren Heizzonen können insbesondere durch mehrere einzelne miteinander verbundene Heizelemente realisiert werden, wobei es diesbezüglich vorteilhaft ist, dass die Aufbringung der einzelnen beispielsweise 50 cm langen Heizelemente abschnittsweise erfolgt und die einzelnen abschnittsweisen Heizelemente miteinander über Kupferflachbänder stirnseitig verbunden werden.
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Zur Erzielung einer gleichmäßigen Beheizung über die zu beheizende Fläche sind die einzelnen abschnittsweisen Heizelemente wenigstens einer Heizzone flächenmäßig gleich groß ausgebildet, damit auf diese Weise ein ausreichender und gleichmäßiger Widerstand realisiert wird.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Isolationsfolie doppelseitig klebend ausgebildet ist, da hierdurch eine einfache Handhabung gegeben ist, um den Windenergieanlagenrotorblatteisfreihalte- und -enteisungsanordnungsaufbau herzustellen.
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Alternativ kann neben einer doppelseitig klebenden Isolationsfolie auch eine einseitig klebende Isolationsfolie verwendet werden, wobei insbesondere die Isolationsfolie auf der Rotorblattoberflächen zugewandten Seite mit einem entsprechenden Kleber versehen ist und so im vorbereiteten Verbund mit der Trägerfolie mit dem darauf angeordneten Heizlack vorgefertigt oder prozessiert/verarbeitet werden kann. Bei dieser Ausgestaltung wäre dann im weiteren die Kupferfolie mit einem entsprechenden Kleber versehen, so dass die Kupferfolie rotorblattseitig mit dem Kleber versehen auf die Isolationsfolie, die in diesem Fall nicht klebend auf dieser Seite ausgebildet ist, aufgebracht werden kann.
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Ferner hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, dass die Kupferfolie zur Erhöhung der Oberflächenrauigkeit oberflächenbehandelt ist. Hierzu bietet sich eine entsprechende im Stand der Technik bekannte Aktivierung der oberen Kupferschicht an, so dass eine bessere Haftung realisiert wird. Zur Erhöhung der Durabilität sollte ferner die Kupferfolie nahezu hochreines Kupfer aufweisen. Weiter vorteilhaft ist es, wenn die Kupferfolie während des Herstellungsprozesses gewalzt wird, wodurch es härter wird, und nach dem Walzen geglüht wird, so dass die Kupferfolie im Anschluss flexibler und wieder weich wird. Insbesondere weist die Kupferfolie eine Dicke von 0,1 mm auf. Insbesondere kann besonders bevorzugt Kupferfolie verwendet werden, die mittels zusätzlicher oberflächlich aufgebrachter Kupferanlagerungen, beispielsweise in einem Säurebad, behandelt wurde, wobei diese Kupferfolien eine hochaktive Oberfläche aufweisen und entsprechend gut eine Haftverbindung mittels eines Klebers zu der/den Folien bzw. dem/den Lacken eingehen.
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Die Kupferschicht schützt letztendlich die Heizschicht vor der Einwirkung eines Blitzeinschlages. Die Kupferschicht ist hierzu derart ausgelegt, dass die stärksten Blitzeinschläge von ihr beim Einschlag aufgenommen und über entsprechende Erdungsvorrichtungen oder auch die herkömmliche Blitzschutzanlage in den Boden abgeleitet werden können.
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Der graphithaltige Heizlack auf der Trägerfolie kann insbesondere als Graphit oder aber auch als Kohlenstoff-Nanomaterialien in Verbindung mit Graphit vorliegen. Ferner hat sich gezeigt, dass eine diesbezügliche Polyurethanbasis des graphithaltigen Heizlackes leicht zu verarbeiten ist, insbesondere auf die Trägerfolie über ein Rakelverfahren aufgetragen werden kann.
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Die Schichtdicke des Heizlackes auf der Trägerfolie liegt im Bereich von 40µm bis 160µm. Besonders bevorzugt liegt die Schichtdicke des Heizlackes im Bereich von 60µm bis 80µm. Besonders bevorzugt beträgt die Schichtdicke des Heizlackes auf der Trägerfolie etwa 70µm, da bei dieser Schichtdicke der für die Windenergieanlagenenteisung notwendige Heizwiderstand realisiert wird.
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Die Trägerfolie, auf die der Heizlack aufgebracht ist, als auch insbesondere die Isolationsfolie bestehen in einer besonders bevorzugten Ausführungsform aus Polyethylenterephthalat [PET]. Ferner sind noch die Materialien Polyethylen [PE] oder Polyurethan [PU] zur Ausbildung der Folien geeignet.
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Die Trägerfolie wird in einer besonders bevorzugten Ausführungsform vor dem Aufbringen des Heizlackes elektrochemisch oder mittels einer Plasmaaktivierung behandelt, so dass das Aufbringen des graphithaltigen Heizlackes auf die Trägerfolie mit einer besonders starken Haftung möglich ist.
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Die als Lack ausgebildete Erosionsschicht ist insbesondere ein zwei-Komponentiger Lack, der im Bereich von wenigstens 200 µm bis 350 µm, Schichtdicke aufgebracht ist. Eine Schichtdicke von 300µm hat sich diesbezüglich als besonders vorteilhaft in Bezug auf die Materialverbrauch, Auftragemöglichkeit und Durabilität herausgestellt.
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Bevorzugt ist auch die Form einer Erosionsschutzfolie, die ebenfalls mit Schichtdicken im Bereich von 200µm bis 400µm, insbesondere 300µm vorliegt und aufgebracht bzw. aufgeklebt wird.
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Es hat sich gezeigt, dass insbesondere die zu verwendenden Kleber Acrylatkleber sind, die zu diesem Anbindungszweck Verwendung finden. Acrylatklebstoffe sind synthetisch gewonnene Klebstoffe, deren Eigenschaften sich vor allem durch ihre hohe Alterungs- und Temperaturbeständigkeit sowie ferner durch deren Unempfindlichkeiten gegen UV-Strahlung und Oxidation auszeichnen. Es können sowohl säurehaltige als auch wasserbasierte Acrylatkleber verwendet werden, da in Kombination mit einem möglichen sauerstofffreien Kupfer wenig Komplikationen auch unter besonderen Witterungsbedingungen (Feuchtigkeit, Temperatur) zu erwarten sind.
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Zur Kontaktierung der Heizelemente untereinander und/oder zur Kontaktierung mit einem Energieversorgungsanschluss am oder im Rotorblatt können insbesondere flache Kupferbänder vorgesehen werden. Diese flachen Kupferbänder lassen sich zwischen der Trägerfolie oder neben der Trägerfolie und der Isolationsfolie / dem Isolationslack sehr gut anordnen und im Zuge des Vorbereitungsprozesses bzw. des Aufbringungsprozesses sehr leicht vorbereiten bzw. aufbringen. Diesbezüglich sind die Folien, nämlich die Trägerfolie für den Heizlack und die Isolationsfolie entsprechend größer ausgebildet, so dass die Kupferflachbänder zur Leitung des Stromes mit auf den Folien positioniert und untergebracht werden können. Ein Vorkonfektionieren dieser Kupferflachbänder zur Stromleitung bei gleichzeitiger Positionierung auf den entsprechenden Folien ist ebenfalls besonders bevorzugt umzusetzen.
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Da auch zur Stromversorgung entsprechende Leitungen vorgesehen werden müssen, die die Heizzonen mit Strom versorgen, werden erfindungsgemäß zudem Kupferflachbänder in den Lagenaufbau mit eingebunden.
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Diese Kupferbänder werden in einer besonderen Ausführungsform an Kontaktpunkten an der Rotorblattoberfläche geführt, wo sie durch das Rotorblatt über diese Kontaktpunkte, die in die Rotorblattoberfläche eingelassen sind und bündig mit der eigentlichen Rotorblattoberfläche abschließen, und dort mit den Kupferkontakten verbunden. Auf der Innenseite des Rotorblattes sind von diesen Kontaktpunkten normale Kabel zu der Stromversorgung innerhalb der Nabe vorgesehen.
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Ebenfalls ist eine besonders bevorzugte Ausführungsform, wenn die gesamte Heizzone eines Rotorblattes aus wenigstens drei Heizzonen besteht, und die einzelnen Heizzonen aus mehreren Heizelementen, beispielsweise mit einer Länge von etwa 50 cm, ausgebildet sind und diese Heizelemente vorgefertigt sind. Hierdurch können diese an Ort und Stelle auf die Vorderkante eines Rotorblattes aufgeklebt werden. Diese Elemente sind bevorzugt ein vorgefertigter Verbund aus rotorblattseitig klebender Trägerfolie mit dem auf der rotorblattfernen Seite aufgebrachten Heizlack und dem darauf angeordnetenIsolationslack bzw. Isolationsfolie, mit den zwischen der Trägerfolie und der Isolationsfolie befindlichen Kupferflachbänder. Ferner können weiterhin, und dies ebenfalls in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung, die Kupferfolien aufgebracht werden, so dass ein weiterer Vorbereitungsschritt vorgefertigt integriert werden kann. Auf einfachste Weise werden die vorgefertigten einzelnen Heizelemente, insbesondere mit dem bereits aufgebrachten Blitzschutz, nacheinander auf die Vorderkante des Rotorblattes aufgeklebt und nach dem Aufkleben mit einer abschließenden Erosionsschicht abgedeckt.
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Besonders bevorzugt werden die Folien mit entsprechenden Überlappungen versehen. Zusätzlich werden die Randbereiche in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung mit einer Überragung des eigentlichen Bereiches ausgebildet.
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Das entsprechend erfindungsgemäße Aufbringverfahren für einen Windenergieanlagenrotorblatteisfreihalte- und -enteisungsanordnungsaufbau auf einem Rotorblatt einer Windenergieanlage mit dem entsprechenden Aufbau weist die Schritte auf:
- I. Vorbereiten der Rotorblattoberfläche;
- II. Aufkleben des/der elektrischen Heizelemente(s) durch Aufkleben der Trägerfolie, die mit dem graphithaltigen Heizlack versehen ist, wobei die Trägerfolie auf die vorbereitete Rotorblattoberfläche aufgeklebt wird;
- III. Aufkleben der Isolationsfolie oder Aufbringen des Isolierlackes auf dem graphithaltigen Heizlack, wobei die Isolationsfolie oder Isolierlack den graphithaltigen Heizlack wenigstens vollständig überdeckt;
- IV. Aufkleben der Kupferfolie auf die Isolationsfolie oder den Isolierlack, wobei die Kupferfolie die Isolationsfolie oder den Isolierlack wenigstens vollständig überdeckt;
- V. Aufbringen der Erosionsschicht auf der Kupferfolie durch Aufkleben der Erosionsschutzfolie oder Aufbringen des Erosionsschutzlackes, wobei die Erosionsschutzfolie oder der Erosionsschutzlack die Kupferfolie wenigstens vollständig überdeckt.
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Durch dieses vorbeschriebene Verfahren können sowohl neue als auch im Bestand befindliche Rotorblätter auf einfachste Weise umgerüstet werden. Das Vorbereiten der Rotorblattoberfläche ist selbstverständlich individuell zu sehen, so dass ein älteres Rotorblatt in der Regel insbesondere die Rotorblattvorderkanten repariert bzw. instand gesetzt werden müssen, so dass eine neue oder neuwertig vergleichbare Oberfläche entsteht, wohingegen neuere Rotorblätter vielleicht nur gecleant bzw. gesäubert werden müssen, so dass eine für die Klebung der Trägerfolie notwendige Oberfläche vorhanden ist und auch letztendlich der Erosionsschutzlack oder die Erosionsschutzfolie, die selbstverständlich leicht über die Randbereiche hinausgeht, gut auf dieser Oberfläche haften kann.
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Insbesondere werden in einer bevorzugten Ausgestaltung die Schichten, die nacheinander aufgebracht werden, über den Randbereich der vorherigen Schicht hinaus aufgetragen. Hierdurch ist ein zusätzlicher Schutz der Kantenbereiche möglich, wobei diese Ausgestaltung besonders bevorzugt ist, da enorme Kräfte durch den Wind an der kritischen Vorderkante des Rotorblattes vorliegen. Die Überlappung der Schichten erzeugt zudem auch noch eine gute aerodynamische Ausbildung der Oberfläche.
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Zur optimalen Vorbereitung der Aufbringungsarbeiten und zur Effizienzsteigerung können die Schritte II. und III. bei Verwendung von Isolationsfolie zusammen ausgeführt werden, wobei hierzu vor dem gemeinsamen Aufbringen der Trägerfolie mit dem graphithaltigen Heizlack und der Isolationsfolie in einem Schritt die Trägerfolie mit dem graphithaltigen Heizlack auf die Isolationsfolie geklebt wird. Hierdurch wird ein großes Einsparungspotenzial realisiert, was die Zeit zum Aufbringen bei Montage im Feld als auch bei Neuanlagen in der Werkshalle betrifft.
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Vorzusehende Kontaktierungen, wie Kupferbänder, nämlich zur Stromleitung in die einzelnen Felder und Stromverbindungen der einzelnen Felder, neben dem graphithaltigen Heizlack auf der Trägerfolie und/oder der Isolationsfolie oder unter der der Isolationsfolie / dem Isolationslack aufgebracht werden. Hierbei ist beispielsweise und auch bevorzugt eine entsprechende Ausgestaltung realisierbar, bei der die Trägerfolie mit dem darauf aufgebrachten Heizlack deutlich von der Isolationsfolie in dessen Flächenausdehnung überragt wird, so dass die anzuordnenden Flachkupferkabel neben der Trägerfolie auf der Rotorblattoberfläche liegen und quasi von der Isolationsfolie auf der Rotorblattoberfläche gehalten werden. Durch die deutliche Überlappung kann die untere Trägerfolie mit dem Heizelement klein gehalten werden entsprechend der tatsächlichen Heizfläche. Die stromführenden Leitungen werden dann mit Hilfe der Isolationsfolie aufgebracht und fixiert, da die Isolationsfolie deutlich breiter ausgebildet ist und so die stromführenden Leitungen, wie die Kupferflachbänder überdeckt.
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Ferner können die Kontaktierungen, wie Kupferflachbänder, ebenfalls mit entsprechenden Klebern, wenigstens einseitig, versehen werden, so dass diese wenigstens einseitig klebend auf den entsprechenden Oberflächen aufgebracht werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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