DE4436197C2 - Windenergieanlage mit Blitzschutzeinrichtung - Google Patents
Windenergieanlage mit BlitzschutzeinrichtungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage mit einem Maschinenträger, der auf
einem Unterbau drehbar angeordnet ist, mit einer auf dem Maschinenträger
gelagerten Rotorwelle mit einer Rotornabe und mit mindestens einem Rotorblatt,
vorzugsweise aus elektrisch nicht leitendem Material, wie glasfaserverstärktem
Kunststoff.
Der Einsatz von Windenergieanlagen zur Erzeugung elektrischer Energie hat in den
letzten Jahren aufgrund der knappen Vorräte an fossilen Energieträgern zugenom
men. Um den Wind wirtschaftliche zur Erzeugung der elektrischen Energie nutzen
zu können, müssen diese Windenergieanlagen in Gebieten aufgestellt werden, in
denen häufig ein mittlerer bis starker Wind auftritt. Bevorzugte Aufstellungsgebiete
sind deshalb Meeresküsten, freie Felder oder Berge.
Die Aufstellung der Windenergieanlagen in diesem freien Gelände und auch die
größe Bauhöhe der Windenergieanlagen verursachen für diese eine relativ hohe
Blitzeinschlagsgefährdung.
Bei bekannten Windenergieanlagen, wie beispielsweise im DE-Fachbuch "Windkraft
anlagen" von Erich Hau, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, London,
Paris, Tokyo 1988, Seiten 471, 472 beschrieben, wird ein Blitzschlag über die
Rotornabe, die Rotorwelle und die Rotorlage
rungen des Maschinenträgers in den Unterbau und in das
Fundament der Windenergieanlage abgeleitet. Der Unterbau kann
als Turm, Plattform oder dergleichen ausgebildet sein. Die bei
einem Blitzeinschlag auftretenden Spannungsdifferenzen von
einigen Millionen Volt bewirken fließende Ströme mit einer
Stromstärke bis zu 100.000 Ampere. Diese Ströme mit so hohen
Stromstärken können nachteilig dazu führen, daß die
stromdurchflossenen Bauteile, wie die Rotornabe und die
Rotorlagerungen, beschädigt werden. Die Folge sind dann zeit-
und kostenaufwendige Reparaturen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wind
energieanlage der eingangs genannten Gattung aufzuzeigen, bei
der ein einschlagender Blitz ableitbar ist, ohne Be
schädigungen zu verursachen.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst
worden, daß im Bereich jeder Rotorblattwurzel, in einem
Isolations-Abstand zur Rotornabe, ein mit der Rotorblattwurzel
in elektrischer Wirkverbindung stehendes Blitzableitungsorgan
angeordnet ist, das einen Überleitungsvorsprung aufweist, der
einem feststehenden, elektrisch leitenden Bauteil des
Maschinenträgers, der geerdet ist, bis auf einen vorbestimmten
Abstand angenähert ist.
Erfindungsgemäß wird somit ein in ein Rotorblatt der
Windenergieanlage einschlagender Blitz vorteilhaft nicht über
die Rotornabe und die Rotorlagerungen, sondern im Bereich der
Rotorblattwurzel von dem Rotorblatt über das Blitzableitungs
organ abgeleitet. Das vorzugsweise glasfaserverstärkte
Kunststoffmaterial der Rotorblattwurzel bewirkt dabei aufgrund
des ausreichenden Isolations-Abstandes die Isolation der
Rotornabe. Das Blitzableitungsorgan rotiert mit der Rotor
blattwurzel um das feststehende, elektrisch leitende Bauteil
des Maschinenträgers. Der Blitz wird in dieses Bauteil über
den Überleitungsvorsprung des Blitzableitungsorgans abge
leitet.
Der Abstand zwischen dem Überleitungsvorsprung und dem
feststehenden Bauteil ist sehr klein. Bei Blitzeinschlag
bildet sich deshalb zwischen dem Überleitungsvorsprung und dem
Bauteil eine Funkenstrecke aus. Zwischen Überleitungsvorsprung
und Bauteil tritt eine Funkenentladung auf, bei der der
Widerstand des Luftspaltes schnell abfällt und der Blitzstrom
abfließen kann.
Bei der Ableitung des Blitzeinschlages treten in der
Windenergieanlage somit vorteilhaft keine Beschädigungen auf.
Nach einer ersten Weiterbildung ist die Erfindung
dadurch gekennzeichnet, daß das Blitzableitungsorgan eine
Fangstange ist. Die Fangstange ist beispielsweise auf einer
Rotornabenverkleidung angeordnet, so daß sich ihre Anordnung
zur Rotorblattwurzel nicht verändert. Die Rotornabenver
kleidung besteht aus einem elektrisch nicht leitenden
Material, damit der Blitzeinschlag über die Fangstange nur in
das feststehende Bauteil des Maschinenträgers abgeleitet wird.
Nach einer nächsten Weiterbildung der Erfindung ist
vorgesehen, daß das feststehende, elektrisch leitende Bau
teil des Maschinenträgers ein koaxial zur Rotorwelle ange
ordneter Ableitring ist und daß dieser in seinem dem Überlei
tungsvorsprung zugekehrten Bereich einen vorbestimmten Blitz
ableitungsweg aufweist. Von dem Überleitungsvorsprung tritt
der abgeleitete Blitzeinschlag in den Ableitring ein. Dabei
kann der vorbestimmte Blitzableitungsweg beispielsweise
dadurch ausgebildet sein, daß in einer Lackbeschichtung des
Ableitringes ein Bereich mit einer geringeren Lackschichtdicke
angeordnet ist.
Eine weitere Weiterbildung der Erfindung sieht vor,
daß die Fangstange mit ihrem dem Überleitungsvorsprung abge
wandten freien Ende einem auf der Rotorblattwurzel ange
ordneten elektrischen Leitelement bis auf einen vorbestimmten
Abstand angenähert ist. Das auf der Rotorblattwurzel ange
ordnete elektrische Leitelement dient vorteilhaft der Über
leitung der Blitzströme vom Rotorblatt auf die Fangstange. Der
Abstand, bis auf den die Fangstange dazu dem Leitelement
angenähert ist, ist sehr klein, so daß bei Blitzeinschlag auch
zwischen diesen Bauteilen eine Funkenstrecke ausgebildet wird
und die Blitzströme nach einer Funkenentladung mit geringem
Widerstand über die Fangstange abfließen können. Die
berührungslose Annäherung hat auch den Vorteil, daß zum
Beispiel korrosionschützende Lackschichten nicht durch eine
schleifende Anlage beschädigt werden.
Eine erste Untererfindung, für die auch selbständiger
Schutz beansprucht wird, ist dadurch gekennzeichnet, daß jedes
Rotorblatt an seiner Spitze und in einem Isolations-Abstand
zur Rotornabe auf seiner Rotorblattwurzel angeordnete
elektrische Leitelemente aufweist, die miteinander elektrisch
leitend verbunden sind.
Die Ausstattung jedes Rotorblattes mit diesen
elektrischen Leitelementen hat den Vorteil, daß ein in das
Rotorblatt einschlagender Blitz über diese aufgenommen und mit
einem geringen Widerstand abgeleitet werden kann. Eine Be
schädigung des vorzugsweise aus glasfaserverstärktem Kunst
stoffmaterial hergestellten Rotorblattes wird somit vermieden.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen,
daß das an der Spitze des Rotorblattes angeordnete Leitelement
als Aluminiumformteil ausgebildet ist. Diese Ausbildung hat
den Vorteil, daß Aluminium ein leichter und somit für die
Anordnung an der Rotorblattspitze gut geeigneter Werkstoff und
zugleich ein guter elektrischer Leiter ist.
Eine nächste Weiterbildung sieht vor, daß in der Vor
derkante und in der Hinterkante jedes Rotorblattes elektrische
Leitelemente angeordnet sind, welche die an der Spitze des
Rotorblattes und auf seiner Rotorblattwurzel angeordneten
Leitelemente elektrisch leitend verbinden. Diese Leitelemente
leiten die Blitzströme von dem an der Spitze des Rotorblattes
angeordneten Leitelement ab und schützen das Rotorblatt vor
Blitzeinschlägen außerhalb des Bereiches der Rotorblattspitze.
Wie sich gezeigt hat, schlagen Blitze außer in die Spitze des
Rotorblattes überwiegend in seine Vorderkante und in seine
Hinterkante ein. Durch die mit dieser Weiterbildung
getroffenen Anordnungen ist das Rotorblatt in seinen
gefährdeten Bereichen hinreichend gegen einen Blitzeinschlag
geschützt.
Die Leitelemente in den Kanten weisen einen für die
Aufnahme von Blitzeinschlägen und die Ableitung der Blitz
ströme erforderlichen Querschnitt, zum Beispiel 100 mm2, auf.
Über die Leitelemente wird der in das Rotorblatt eingeschlage
ne Blitz in den Bereich der Rotorblattwurzel abgeleitet.
Nach einer nächsten Weiterbildung der Erfindung ist
vorgesehen, daß das auf der Rotorblattwurzel angeordnete
Leitelement ein auf der Oberfläche der Rotorblattwurzel
mindestens abschnittsweise horizontal umlaufender Alumi
niumring ist. In diesen Aluminiumring fließt der Blitzstrom
ein, und der Aluminiumring leitet den Blitzeinschlag von dem
Rotorblatt vorteilhaft in die Fangstange über. Der Isolations-
Abstand verhindert dabei eine Ableitung des Blitzeinschlages
über die Rotornabe. Die Anordnung des Aluminiumringes hat
somit den Vorteil, daß die Ableitung unabhängig von dem gerade
eingestellten Rotorblattwinkel erfolgen kann.
Eine zweite Untererfindung, für die auch selbständiger
Schutz beansprucht wird, ist dadurch gekennzeichnet, daß in
einem Bereich des Maschinenträgers, der dem Unterbau zugekehrt
ist, ein Blitzableitungselement angeordnet ist, das sich mit
einem elektrisch leitenden Bauelement des Unterbaus in
schleifender Anlage befindet.
Dieses Blitzableitungselement dient vorteilhaft dazu,
einen vom Rotorblatt in den Maschinenträger abgeleiteten Blitz
beziehungsweise einen in den Maschinenträger selbst einge
schlagenen Blitz weiter in den Unterbau und in das Fundament
abgezuleiten. Durch die schleifende Anlage des Blitzab
leitungselementes mit dem elektrisch leitenden Bauelement des
Unterbaus ist vorteilhaft gewährleistet, daß die Blitzab
leitung unabhängig von der momentanen Drehstellung des
Maschinenträgers in den Unterbau möglich ist.
Dabei ist nach einer Weiterbildung vorgesehen, daß das
Blitzableitungselement als ein mit einem Anpreßdruck
beaufschlagter Stößel ausgebildet ist. Diese Ausbildung dient
vorteilhaft der sicheren und schnellen Ableitung des Blitzes
von dem Maschinenträger in den Unterbau. Ein so ausgebildeter
Stößel, der beispielsweise mit einer Feder beaufschlagt sein
kann, gewährleistet einen guten elektrischen Kontakt zum
Unterbau, so daß durch die sichere Ableitung des Blitzes
beispielsweise empfindliche Bauelemente elektronischer Schal
tungen der Windenergieanlage vor hohen Blitzströmen geschützt
werden.
Eine nächste Weiterbildung sieht vor, daß das
elektrisch leitende Bauelement des Unterbaus eine Reibscheibe
ist, die im oberen Bereich des Unterbaus in einer waagerechten
Ebene und koaxial zur Drehachse des Maschinenträgers liegend
angeordnet ist. Diese Reibscheibe stellt vorteilhaft das dem
Stößel entsprechende Gegenstück dar, mit dem ein guter
elektrischer Kontakt hergestellt wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist in der Zeichnung
dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 eine zweifach unterbrochene, schematische Seitenan
sicht einer Windenergieanlage,
Fig. 2 einen Querschnitt eines Rotorblattes der Windenergie
anlage gemäß Fig. 1,
Fig. 3 eine maßstäblich vergrößerte Seitenansicht der Einzel
heit III in Fig. 1,
Fig. 4 eine Draufsicht auf einen Bereich einer geschnitten
dargestellten Rotorblattwurzel gemäß Fig. 3 und
Fig. 5 eine maßstäblich vergrößerte Schnittansicht der Ein
zelheit V in Fig. 1.
Die Windenergieanlage hat einen Maschinenträger 14,
auf dem eine etwa waagerecht ausgerichtete, nicht dargestellte
Rotorwelle gelagert ist, mit einer Rotornabe, an der
Rotorblätter 5 angeordnet sind. Der Maschinenträger 14 ist auf
einem Turm 3 um eine lotrechte Achse drehbar angeordnet. Der
Turm 3 ist in einem Fundament 4 verankert.
Zur besseren Übersicht ist nur ein Rotorblatt 5
dargestellt. Die Spitze des Rotorblattes 5 ist als Aluminium
formteil 6 ausgebildet. Auf der Rotorblattwurzel 24 ist ein
die Rotorblattwurzel 24 horizontal umlaufender Aluminiumring 8
angeordnet. Stangenförmige Leitelemente 7, die in der
Vorderkante und in der Hinterkante des Rotorblattes verlaufen,
verbinden das Aluminiumformteil 6 der Spitze elektrisch
leitend mit dem auf der Rotorblattwurzel 24 angeordneten
Aluminiumring 8.
In der Fig. 2 ist dargestellt, daß die Leitelemente 7
in der Vorderkante und der Hinterkante direkt in ein Schalen
laminat 28 des Rotorblattes 5 eingepaßt sind und dazu eine D-
bzw. V-Form aufweisen.
Im Bereich der Rotorblattwurzel 24 ist auf Höhe des
Aluminiumringes 8 eine Fangstange 9 als Blitzableitungsorgan
angeordnet (Fig. 3 und 4). Die Fangstange 9 ist über einen
Überleitungsvorsprung 11 einem elektrisch leitenden Ableit
ring 10 bis auf einen vorbestimmten Abstand, zum Beispiel 3
mm, angenähert. Mit ihrem dem Überleitungsvorsprung 11
abgewandten freien Ende 25 ist die Fangstange 9 auch dem
Aluminiumring 8 bis auf einen vorbestimmten, etwa gleichen
Abstand angenähert.
Der geerdete Ableitring 10 ist koaxial zur Rotorwelle
angeordnet. Somit ist die Annäherung des Überleitungsvor
sprunges 11 während der vollständigen Drehung des Rotorblattes
5 gewährleistet.
Der Maschinenträger 14 wird von einer zusätzlichen
Fangstange 12 überragt, die an den Maschinenträger 14 mit
einer elektrisch leitenden Verbindung 13 angeschlossen ist.
Eine Verkleidung 29 umschließt den Maschinenträger 14 voll
ständig.
Der Turm 3 ist mit Ringerdern 27 verbunden, die aus
dem Fundament 4 in das Erdreich laufen.
Bei der Ausführung nach Fig. 3 ist der horizontale
Aluminiumring 8 nur abschnittsweise um die Rotorblattwurzel 24
herumgeführt. Das untere Ende des Leitelementes 7 ist mit dem
Aluminiumring 8 elektrisch leitend verbunden. Der elektrische
Blitzableitungsweg zwischen dem Aluminiumring 8 und dem
Ableitring 10 wird durch die Fangstange 9 hergestellt, die mit
Schellen oder dergleichen auf einer Rotornabenverkleidung 15
aus elektrisch nicht leitendem Material waagerecht liegend
befestigt ist und sich somit mit dem Rotorblatt 5 mitdreht. An
dem dem Rotorblatt 5 abgewandten Ende der Fangstange 9 ist ein
Kreuzverbinder 16 angeordnet, der die Fangstange 9 mit dem
Überleitungsvorsprung 11 verbindet. Der Überleitungsvorsprung
11 ist senkrecht durch die Rotornabenverkleidung 15 hindurch
dem Ableitring 10 bis auf den vorbestimmten Abstand ange
nähert.
Die Darstellung in der Fig. 4 verdeutlicht auch, daß
der Ableitring 10 im Bereich der Annäherung des Überleitungs
vorsprunges 11 auf Höhe des Kreuzverbinders 16 einen
vorbestimmten Blitzableitungsweg 17 in Form einer geringeren
Lackschichtdicke aufweist. Fig. 4 zeigt auch, daß der
Aluminiumring 8 um die Rotorblattwurzel 24 halbkreisförmig
herumgeführt ist, um beide Leitelemente 7 miteinander zu
verbinden und um bei den möglichen Winkeleinstellungen des
Rotorblattes 5 eine elektrische Wirkverbindung zur Fangstange
9 zu gewährleisten. Die Fangstange 9 weist an ihrem dem
Aluminiumring 8 bis auf den vorbestimmten Abstand ange
näherten, freien Ende 25 eine die Feldstärke im Vergleich zur
Umgebung erhöhende kegelförmige Spitze auf.
Fig. 5 zeigt eine elektrisch leitende Verbindung
zwischen dem Maschinenträger 14 und dem oberen Bereich des
Turms 3. In diesem Bereich des Turms 3 ist eine waagerecht
liegende Reibscheibe 20 koaxial zur Drehachse des Maschinen
trägers 14 angeordnet. Der Maschinenträger 14 hat in einem den
Turm 3 zugekehrten Bereich ein Blitzableitungselement, das als
mit einem Anpreßdruck beaufschlagter Stößel 19 ausgebildet
ist. Dieser Stößel 19 ist in diesem Bereich so am Maschinen
träger 14 senkrecht angeordnet, daß er auf die Reibscheibe 20
drückt und somit eine elektrisch leitende Verbindung
herstellt. Auch bei Drehungen des Maschinenträgers 14 bleibt
diese Verbindung aufgrund der schleifenden Anlage bestehen.
Ein in die Windenergieanlage einschlagender Blitz wird
folgendermaßen abgeleitet:
Ein in ein Rotorblatt 5 einschlagender Blitz wird
zunächst in den Maschinenträger 14 abgeleitet. Ausgehend vom
Aluminiumformteil 6 oder einem Leitelement 7 wird der Blitz
über die Leitelemente 7 in den Aluminiumring 8 abgeleitet.
Unabhängig vom momentanen Rotorblattwinkel wird der Blitz vom
Aluminiumring 8 dann über die Fangstange 9 in den Ableitring
10 übergeleitet. Über den vorbestimmten Blitzableitungsweg 17
des Ableitringes 10 wird der Blitz über nicht dargestellte
leitende Verbindungen in den Maschinenträger 14 eingeleitet.
Ein in die zusätzliche Fangstange 12 einschlagender
Blitz wird über die Verbindung 13 gleichfalls in den
Maschinenträger 14 eingeleitet.
Die Blitzableitung vom Maschinenträger 14 in den Turm
3 erfolgt über die sich in schleifender Anlage befindenden
Stößel 19 und Reibscheibe 20. Die Blitzableitung ist somit
auch unabhängig von der momentanen Drehstellung des
Maschinenträgers 14 gewährleistet.
Die weitere Blitzableitung erfolgt über den Turm 3,
das Fundament 4 und die in das Erdreich laufenden Ringerder
27.
Claims (12)
1. Windenergieanlage mit einem Maschinenträger, der auf einem Unterbau
drehbar angeordnet ist, mit einer auf dem Maschinenträger gelagerten Rotorwelle
mit einer Rotornabe, mit mindestens einem Rotorblatt und mit einer Blitzschutzüber
leitung von den Rotorblättern zu einem feststehenden, elektrisch leitenden Bauteil
des Maschinenträgers, der geerdet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Blitzschutzüberleitung als ein im Bereich der
Rotorblattwurzel (24) in einem Isolations-Abstand zur Rotornabe angeordnetes, mit
der Rotorblattwurzel (24) in elektrischer Wirkverbindung stehendes Blitzableitungs
organ ausgebildet ist, das einen Überleitungsvorsprung (11) aufweist, der dem
feststehenden, elektrisch leitenden Bauteil des Maschinenträgers (14) bis auf einen
vorbestimmten Abstand angenähert ist.
2. Windenergieanlage nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das Blitzableitungsorgan eine Fangstange (9) ist.
3. Windenergieanlage nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß das feststehende, elektrisch leitende Bauteil des
Maschinenträgers (14) ein koaxial zur Rotorwelle angeordneter Ableitring (10) ist
und daß dieser in seinem dem Überleitungsvorsprung (11) zugekehrten Bereich
einen vorbestimmten Blitzableitungsweg (17) aufweist.
4. Windenergieanlage nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Fangstange (9) mit ihrem dem Überleitungsvor
sprung (11) abgewandten freien Ende (25) einem auf der Rotorblattwurzel (24)
angeordneten, elektrischen Leitelement bis auf einen vorbestimmten Abstand
angenähert ist.
5. Windenergieanlage mit einem Maschinenträger, der auf einem Unterbau
drehbar angeordnet ist, mit einer auf dem Maschinenträger gelagerten Rotorwelle
mit einer Rotornabe und mit mindestens einem Rotorblatt,
dadurch gekennzeichnet, daß jedes Rotorblatt (5) an seiner Spitze und in einem
Isalations-Abstand zur Rotornabe auf seiner Rotorblattwurzel (24) angeordnete,
elektrische Leitelemente aufweist, die miteinander elektrisch leitend verbunden sind.
6. Windenergieanlage nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß das an der Spitze des Rotorblattes (5) angeordnete
Leitelement als Aluminiumformteil (6) ausgebildet ist.
7. Windenergieanlage nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, daß in der Vorderkante und in der Hinterkante jedes
Rotorblattes (5) elektrische Leitelemente (7) angeordnet sind, welche die an der
Spitze des Rotorblattes (5) und auf seiner Rotorblattwurzel (24) angeordneten
Leitelemente elektrisch leitend verbinden.
8. Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 4 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß das auf der Rotorblattwurzel (24) angeordnete
Leitelement ein auf der Oberfläche der Rotorblattwurzel (24) mindestens abschnitts
weise horizontal umlaufender Aluminiumring (8) ist.
9. Windenergieanlage, mit einem Maschinenträger, der auf einem Unterbau
drehbar angeordnet ist, mit einer auf dem Maschinenträger gelagerten Rotorwelle
mit einer Rotornabe und mit mindestens einem Rotorblatt,
dadurch gekennzeichnet, daß in einem Bereich des Maschinenträgers (14), der dem
Unterbau zugekehrt ist, ein Blitzableitungselement angeordnet ist, das sich mit
einem elektrisch leitenden Bauelement des Unterbaus in schleifender Anlage
befindet.
10. Windenergieanlage nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß das Blitzableitungselement als ein mit einem
Anpreßdruck beaufschlagter Stößel (19) ausgebildet ist.
11. Windenergieanlage nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitende Bauelement des Unterbaus eine
Reibscheibe (20) ist, die im oberen Bereich des Unterbaus in einer waagerechten
Ebene und koaxial zur Drehachse des Maschinenträgers (14) liegend angeordnet ist.
12. Windenergieanlage nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Rotorblatt aus einem elektrischen Nicht
leitermaterial wie beispielsweise glasfaserverstärktem Kunststoff besteht.
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DE4436197A DE4436197C2 (de) | 1994-10-11 | 1994-10-11 | Windenergieanlage mit Blitzschutzeinrichtung |
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DE4436197A DE4436197C2 (de) | 1994-10-11 | 1994-10-11 | Windenergieanlage mit Blitzschutzeinrichtung |
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DE4436197C2 true DE4436197C2 (de) | 1998-09-24 |
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ID=6530408
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE4436197A Revoked DE4436197C2 (de) | 1994-10-11 | 1994-10-11 | Windenergieanlage mit Blitzschutzeinrichtung |
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