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Die Erfindung betrifft eine Blitzschutzanlage für beispielsweise eine nicht-statische Industrieanlage wie ein Windkraftrad sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Blitzschutzanlage.
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Eine Blitzschutzanlage vermeidet in erster Linie, dass ein Blitz in das geschützte Objekt einschlägt. Der Einschlag findet stattdessen in der Blitzschutzanlage statt. Im Falle eines Einschlags bietet die Blitzschutzanlage dem Blitzstrom einen definierten, niederohmigen Strompfad, womit Beschädigungen am geschützten Objekt vermieden werden.
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Bei einer nichtstatischen Industrieanlage, wie z.B. einem Windrad ist Blitzschlag ein großes Problem, da Windkraftanlagen meist an exponierten Lagen errichtet werden, welche häufig den höchsten Punkt in einem größeren Umfeld darstellen.
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Nachdem der höchste Punkt eines vertikalen Windrades zu jeder Zeit die Spitze eines Rotorblattes ist, wird der Eintrittsbereich des Blitzes auf einem der Rotorblätter liegen. Die sehr hohe Stromdichte in einem Blitz muss über den Rotorflügel durch den Rotor nach unten abgeleitet werden.
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Somit kommt es bei einem Blitzeinschlag im Rotorblatt, bedingt durch den inneren Widerstand der verwendeten Materialien, zu typischen Blitzschäden wie Brände und Überhitzung der einzelnen Komponenten sowie zu temperaturbedingten mechanischen Verformungen.
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In bestehenden Windkraftanlagen sind deshalb als Blitzschutzanlage konventionelle metallische Leiterbahnen zur Ableitung der hohen Stromdichte vorgesehen. Diese verlaufen entweder komplett an der Außenhaut des Rotorblattes oder sind im Inneren des Rotorblattes verlegt, sodass nur das Ende der Leiterbahnen an der Spitze des Rotorblattes aus diesem Austritt. Eine weitere Form des Blitzschutzes ist die Einbringung eines metallischen Netzes in eine deckende Lackschicht auf der Oberfläche des Rotorblattes. Hierdurch entsteht lokal eine metallische Struktur, welche entstehende Ströme und Spannungen durch eine Verbindung zum Stativ der Windkraftanlage erdet.
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Nachteilig an den herkömmlich angewendeten Blitzschutzanlagen von nicht-statischen Industrieanlagen wie Windkrafträdern ist, dass sie nur kostenintensiv herstellbar und/oder applizierbar sind, korrosionsanfällig und nicht für die Nachrüstung bestehender Anlagen tauglich sind.
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Aus der
WO 2014/206676 ist eine fundamentale Neuerung zur Blitzableitung bei nichtstatischen Anlagen in Form einer Oberflächenbeschichtung zur Potentialabführung bekannt. Dabei wird ein Lack mit einem Füllstoff aus plättchenförmigen keramischen, leitfähig beschichteten Partikeln eingesetzt. Nachteilig an dieser Oberflächenbeschichtung ist jedoch die vergleichsweise niedrige Leitfähigkeit der keramischen Partikel zusammen mit den hohen Füllgraden, die erforderlich sind für eine effektive Blitzableitung.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine leicht applizierbare, wartungsfreundliche, gegebenenfalls nachrüstbare massenfertigungstaugliche, witterungsbeständige und vor allem hocheffektive Blitzschutzanlage zur Verfügung zu stellen, die insbesondere an nicht-statischen Industrieanlagen, wie beispielsweise an Windkrafträdern, einsetzbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung, wie sie in der Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen offenbart wird, gelöst.
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Dementsprechend ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine Blitzschutzanlage in Form einer hochleitfähigen Verbundwerkstoffschicht, die auf der Oberfläche einer nicht-statischen Industrieanlage aufgebracht wird, wobei die Verbundwerkstoffschicht eine polymere Matrix, die mit hochleitfähigen Metallpartikeln gefüllt ist, umfasst.
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Durch eine Verbundwerkstoffschicht oder Verbundwerkstoffbeschichtung nicht-statischer – beispielsweise – rotierender Flächen aus temperaturbeständigem Verbundwerkstoff, gefüllt mit hochleitfähigen Metallpartikeln, kann die Potentialdifferenz, die durch den Blitzeinschlag im Körper aufgebaut wird, über die große Oberfläche der Anlage abgebaut werden, ohne dass es durch lokale, sehr große Stromdichte zu Überhitzungsschäden an der nicht-statischen Industrieanlage kommt.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die eine polymere Matrix, gefüllt mit beschichteten Metallpartikeln, als Blitzschutz auf die Oberfläche von beispielsweise Wind-Rotorblättern aufgebracht.
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Bevorzugt werden leitfähige Metallpartikel aus elementarem Metall und/oder Metalllegierung eingesetzt, bevorzugt aus einem hochleitfähigen edlen Metall wie beispielsweise Kupfer. Der Füllstoff in Form von „Metallpartikeln“ im Sinne der vorliegenden Erfindung kann eine Mischung verschiedener metallischer Partikelfraktionen umfassen oder in einer einzigen Partikelfraktion vorliegen. Die Unterschiede zwischen den einzelnen Partikelfraktionen können dabei sowohl im Metallpartikelmaterial, im Aufbau des einzelnen Metallpartikels, also beispielsweise beschichtet oder unbeschichtet, in der Form, also beispielsweise plättchen-, kugel-, faser- oder stabförmig, sowie in der mittleren Größe der Metallpartikel liegen.
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Bevorzugt wird ein Füllstoff, der mehrere Fraktionen umfasst, eingesetzt.
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Bevorzugt liegt die mittlere Größe der Partikel im Bereich von 5µm bis 500µm, insbesondere im Bereich von 20 µm bis 100µm und ganz bevorzugt im Bereich von 35 bis 80 µm. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung umfassen Mischungen verschiedener Partikelformen, wobei Plättchen und Kugeln besonders bevorzugt sind.
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Durch Variation der mittleren Partikelgröße in einer bi- oder multimodalen Füllstoffmischung lassen sich insbesondere Kosten sparen, die Verarbeitbarkeit verbessern und außerdem besonders leichte Verbundwerkstoffschichten im Sinne von Leichtbau herstellen, weil Leitfähigkeitspfade mit geringem Gehalt an Füllstoff realisierbar sind.
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Nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind die Metallpartikel beschichtet, insbesondere mit einem Metall und/oder einem Metalloxid. Beispielsweise werden mit Metall beschichtete Metallpartikel, wie silberbeschichtete Kupferpartikel, eingesetzt, bei denen im Betrieb durch Korrosion die zunächst rein metallische Beschichtung langsam durch Oxidation zum Metalloxid korrodiert, bis letztendlich, nach komplett erfolgter Korrosion oder Oxidation anstelle der metallischen Beschichtung des Metallpartikels nur noch eine metalloxidische Beschichtung des Metallpartikels nachweisbar ist. Dazwischen sind alle Stufen der teilweise oxidierten Beschichtung des Metallpartikels nachweisbar.
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Dabei haben sich für die Beschichtung der Metallpartikel insbesondere die Metalle und/oder Legierungen als günstig erwiesen, bei denen die metallische Beschichtung des Metallpartikels korrosionsbeständig ist, insofern als die korrodierte Beschichtung, also das Metalloxid selbst leitfähig bleibt, sodass die Korrosion der Metallpartikel-Beschichtung keinen oder nur einen geringen negativen Einfluss auf die Leitfähigkeit des Partikels hat.
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Beispielsweise besteht die Beschichtung der Metallpartikel aus einem reinen Metall, dessen oberflächliche Oxidschicht ebenfalls elektrisch leitfähig ist, vorzugsweise aus Silber.
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Für eine Beschichtung der Rotorblätter ist eine flexible Applikation des Verbundwerkstoffes vorteilhaft. Die hier vorgeschlagene Herstellung der Verbundwerkstoffbeschichtung umfasst die Schritte
- – Herstellung einer verarbeitbaren Mischung aus Lösungsmittel, unvernetztem Polymer und Füllstoff
- – Versprühen, Rakeln, Tauchen und/oder Pinseln der verarbeitbaren Mischung auf die nicht-statische Industrieanlage
- – Aushärten und Vernetzung des Polymers und Entfernen des Lösungsmittels.
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Es wurden in Versuchen bereits mehrere polymere Matrizen in Applikationstestreihen durch Sprühen, Rakeln, Tauchen und/oder Pinseln als Verbundwerkstoffschichten appliziert, sodass gezeigt werden konnte, dass die erfindungsgemäßen Blitzschutzanlagen durch eine funktionelle Beschichtung auch auf einer gekrümmten Oberfläche anwendbar sind. Beispielsweise können auf diese Weise komplette Rotorflügel z.B. über Sprüh- und/oder Pinselapplikation beschichtet werden.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Beschichtung ein Verbundwerkstoff, dessen metallischer Füllstoff ein plättchenförmiges, hochleitfähiges Metallsubstrat, wie beispielsweise Kupfer, das eine elektrisch leitfähige metallische Beschichtung, wie beispielsweise Silber, umfasst. Die oberflächliche Metallbeschichtung wird durch die Wechselwirkung mit dem Luftsauerstoff sowie der Luftfeuchtigkeit oxidiert, wobei – zumindest bei einer Beschichtung aus Silber – ein ebenfalls elektrisch leitfähiges Metalloxid gebildet wird, was den darunterliegenden Metallkern passiviert und die Partikelkontaktwiderstände großteils eliminiert.
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In Bezug auf die geeigneten polymeren Matrizen wird hiermit vollinhaltlich auf die
WO 2014/206676 verwiesen, deren Inhalt hiermit zum Inhalt der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.
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Insbesondere eignen sich als polymere Matrix beispielsweise Duroplasten wie z.B. Epoxide oder Polyurethane, Thermoplasten wie z.B. PEEK, PAI oder PEI und schließlich Polysiloxane wie z.B. Silikonelastomere oder Silikonharze, sowie beliebige Mischungen, Blends oder Copolymere der vorgenannten Verbindungen in Betracht. Bevorzugt werden polymere Matrixmaterialien, die bei Raumtemperatur härten, damit die Applikation vereinfacht ist.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und dabei den Pfad der elektrischen Leitfähigkeit in der polymeren Matrix, der sich durch die Füllstoffpartikel bildet.
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1 zeigt die hochleitfähige Beschichtung der hochleitfähigen Partikel, beispielsweise die Silber(oxid)-Schicht 1 an der Oberfläche der Kupfer-Partikel 2, die den hochleitfähigen Kupferkern 3 passiviert und damit die Kontaktwiderstände 4 zwischen den Partikeln Silber, Silberoxid und/oder Kupfer eliminiert.
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Gezeigt wird in 1 eine hochleitfähige Beschichtung, die innerhalb der Perkolation, also bei 25 Gew% und darüber Füllstoffanteil an plättchenförmigem und/oder kugelförmigen Füllstoff, einen sehr niedrigen Widerstand aufweist.
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In Tests wurde beispielsweise eine Beschichtung mit einem Quadratwiderstand von 0,2 Ohm bei 60 µm Schichtdicke hergestellt, was in der Größenordnung des Widerstands von Metallgittern oder Kohlefasergittern liegt, die unter anderem auch für Blitzschutzanwendungen zum Einsatz kommen.
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In 2 ist die Perkolationskurve plättchenförmiger und kugelförmiger Metallpartikel in einem Lack, das ungehärtete Polymer und ein Lösungsmittel umfassend, eines – beispielsweise bei Raumtemperatur härtenden – Polymers dargestellt. Zu erkennen ist, dass bei einem Anteil in Gew% von über 30 Gew%, insbesondere aber bei ungefähr 60Gew% ein mit metallischen Leitern vergleichbarer Widerstand resultiert.
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3 zeigt den Vorteil der Versilberung. In der Graphik werden Edelstahlpigmente, Kupferpigmente und versilberte Kupferpigmente hinsichtlich ihres Widerstandes bei 45 PMK in PEI verglichen. Auf der x-Achse sind dazu in dieser Reihenfolge jeweils Messungen von Säulen 1a, 1b Stahlpigment 100, 1a, 2b, Stahlpigment 200, 3a, 3b, versilbertes Kupfer 100, 4a, 4b, versilbertes Kupfer 200, 5 dendritisches Kupfer 100 und 6 plättchenförmiges Kupfer 100 aufgetragen. Die Zahlenwerte bezeichnen die Rakelspaltdicke. Zu den ersten 4 Füllstoffpigmenten gibt es jeweils zwei Messungen 1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b, einmal bei Raumtemperatur und einmal bei 110°C. Bei 110°C ist der Widerstand in allen Fällen geringer als bei Raumtemperatur.
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Die reinen Kupferpigmente sind per se hochohmiger als die versilberten Kupferpigmente, was auf die hochohmige Kupferoxidschicht zurückzuführen ist. Die Edelstahlpigmente sind ebenfalls hochohmiger, allerdings aufgrund der höheren intrinsischen Widerstände. Nach einer Temperaturauslagerung bei 110°C sind die reinen Kupferpigmente nach erfolgter Oxidation, also nachempfundener Korrosion, nicht mehr messbar, die Edelstahl und versilberten Kupferpigmente sind stabil, da das durch Korrosion aus der Silberbeschichtung entstandene Silberoxid den innenliegenden metallischen Kern passiviert und selbst sehr leitfähig ist.
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Plättchenförmige Metallpartikel mit oberflächiger Oxidschicht haben an dieser Stelle mehrere Vorteile gegenüber rein kugelförmigen Partikeln: Sie zeigen eine frühe Perkolationsschwelle, beispielsweise zum Teil bei unter 50 Gew.-%. Dabei spielt der Formfaktor eine Rolle. Das wäre bei der Dichte von Kupfer ein Volumenfüllgrad von unter 10 Vol% Füllgrad in der polymeren Matrix.
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Durch die geringe Einwaage kommt es zu einer geringen Verbundwerkstoffdichte, was dem Leichtbauprinzip entspricht, also einem deutlichen Vorteil des hier erstmals vorgestellten hochleitfähigen Verbundwerkstoffes, insbesondere gegenüber der rein metallischen Variante einer Blitzschutzanlage, die herkömmlich bei – beispielsweise – Windkrafträdern eingesetzt wird.
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Die mit Silber beschichteten Metallpartikel sind korrosionsbeständig, da sie an der Oberfläche durch Ausbildung des Metalloxids passiviert werden.
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Die Metallpartikel führen im Vergleich zur herkömmlichen Blitzschutzanordnung über metallische Netze bevorzugt zu einer hohen Verarbeitungsstabilität der Applikationsrezeptur, weil es sich um einen Lack handelt und Lösemittel im Lack bei Applikation verwendet wird.
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Die vorliegenden Metallpartikel mit leitfähiger, passivierender Oxidschicht sind hinsichtlich ihres elektrischen Widerstandes den alternativen Füllstoffen und Füllstoffsystemen, wie beispielsweise mit keramischen Füllstoffen für die Eignung in einer Blitzschutzanlage weit überlegen. Beispielsweise wird der Quadratwiderstand in Ohm des Kupfer-Silber-Hybrids im Bereich von 10–1 Ohm bis 102 Ohm angegeben, wohingegen der Quadratwiderstand von Glimmer bei über 1012 liegt.
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Durch Nutzung eines leicht applizierbaren Lackes, der mit elektrisch hochleitfähigen Metallpartikeln gefüllt und gut sprühbar ist, können vorgefertigte Bauteile, wie z.B. Rotorblätter von Windkraftanlagen leicht beschichtet und kontaktiert werden. Zudem können mit dieser Technologie auch polymere Bauteile im Luftfahrtbereich beschichtet werden, die somit als potentialabführend wirksam werden können, beispielsweise als Ersatz für Metallgitter oder Kohlefasergitter.
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Gemäß der Erfindung wird durch die sehr hohe Leitfähigkeit der Metallpartikel sowie der ebenfalls leitfähigen Metalloxidschicht an deren Oberfläche ein sehr gut leitfähiger und Langzeit temperaturstabiler Lack erzeugt, der eine gute elektrische Ableitung gewährleistet, da er einen in etwa gleichen Widerstand wie Metall- und/oder Kohlefasernetze/gitter hat. Durch die Möglichkeit einer flächendeckenden Beschichtung des gesamten Bauteils wird eine sehr große Querschnittsfläche für die Ableitung hoher elektrischer Ströme und Spannungen zu Verfügung gestellt. Somit entstehen im Falle eines Blitzeinschlages in der Beschichtung keine gefährlichen Temperaturerhöhungen durch lokale Ströme und es kommt zu keiner Degeneration der darunterliegenden Polymerschichten und/oder zu Überhitzung der elektrischen Komponenten.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform werden verschiedene Partikelformen eingesetzt. Insbesondere bewährt hat sich dabei die Mischung plättchenförmig / rund. Durch die Nutzung und Mischung verschiedener Partikelformen und/oder Partikelgrößen kann die Leitfähigkeit der Blitzschutzanlage weiter verbessert werden.
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In Messungen konnte nachgewiesen werden, dass Mischungen aus Kugeln und Plättchen desselben Füllstoff-Materials um 1 Dekade besser leitfähig sind, als die reinen Füllstoffe mit Partikel aus plättchenförmigen oder globularen Partikelformen.
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Deshalb wird hier beispielsweise ein stöchiometrisches Verhältnis von kugel- zu plättchenförmigen Partikeln bis hin zu Mischungen von ein Drittel zu zwei Drittel plättchenförmig zu kugelig, vorgeschlagen.
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Es können verschiedenste Matrizen für die Blitzschutzbeschichtung verwendet werden. Hierfür wären denkbar:
- – Duroplasten wie z.B. Epoxide oder Polyurethane,
- – Thermoplasten wie z.B. PEEK, PAI oder PEI,
- – Polysiloxane wie z.B. Silikonelastomere oder Silikonharze.
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Es können verschiedenste Applikationsmethoden verwendet werden. Zur Herstellung einer Blitzschutzanlage gemäß der vorliegenden Erfindung eignen sich folgende Methoden:
- – Pinselbeschichtung,
- – Sprühbeschichtung,
- – Tauchbeschichtung und/oder Pulverbeschichtung.
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Durch die Erfindung wird erstmals ein hocheffektiver, leicht applizierbarer Verbundwerkstoff, der in dünnsten Schichten wie ein Lack aufbringbar ist, vorgestellt, der als effektive Blitzschutzanlage bei nicht-statischen Anlagen einsetzbar ist. Der Lack ist beliebig ausbesserbar und nachrüstbar und somit beliebig flexibel anwendbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2014/206676 [0008, 0024]
