DE4436290C1 - Windkraftanlage mit Blitzschutz - Google Patents
Windkraftanlage mit BlitzschutzInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit einem
turmartigen Ständer, der einen mit Rotorblättern versehenen
Rotor und einen von diesem angetriebenen Generator trägt.
Bei durch Benutzung bekanntgewordenen Windkraftanlagen der
vorgenannten Art besteht das Problem der Sicherung gegen
Blitzeinschlag, da die Windkraftanlagen meist in flachem
Gelände aufgestellt sind sowie aufgrund ihrer Höhe
umliegende Baulichkeiten oder auch natürliche Erhebungen wie
Bäume oder dergleichen überragen und daher gegen
Blitzeinschlag besonders anfällig sind. Die Anfälligkeit
gegen Blitzeinschlag wird noch dadurch vergrößert, daß über
die Bauhöhe des Ständers an sich hinaus die Gesamthöhe der
Windkraftanlage noch nahezu verdoppelt wird durch die
umlaufenden Rotorblätter, die besonders an ihren äußersten
Spitzen besondere Anziehungspunkte für eine Blitzentladung
ausbilden. Der mit einem Blitzeinschlag verbundene Schaden
liegt dann nicht nur in der notwendigen Reparatur der
gegebenenfalls durch Blitzeinschlag zerstörten Teile, wie
insbesondere Rotorblätter, sondern in dem oft über einen
längeren Zeitraum andauernden völligen Betriebsausfall der
betreffenden Windkraftanlage.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für eine
Windkraftanlage der eingangs genannten Art eine wirksame
Blitzschutzeinrichtung anzugeben.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich einschließlich
vorteilhafter Ausgestaltungen und Weiterbildungen der
Erfindung aus dem Inhalt der Patentansprüche, welche dieser
Beschreibung nachgestellt sind.
Die Erfindung sieht in ihrem Grundgedanken vor, daß zur
Einrichtung eines Blitzschutzes an dem Ständer ein in
eine Kontaktstellung mit einem in eine zum Ständer parallele
Lage gebrachten Rotorblatt bringbarer und über den Ständer
geerdeten Stromabnehmer angeordnet ist.
Eine Windkraftanlage mit einem daran ausgebildeten aus
fahrbaren Blitzableiter als Blitzschutz ist in der älteren
Anmeldung gemäß WO 94/25752 beschrieben.
Mit der Erfindung ist der Vorteil verbunden, daß die
Gefährdung der Windkraftanlage durch Blitzeinschlag
vermindert ist, weil der im Auslösefall stillgesetzte Rotor
mit einem Rotorblatt in Kontakt mit dem zugeordneten
Stromabnehmer steht, so daß der Blitzstrom eines
gegebenenfalls in den Rotor einschlagenden Blitzes über den
Stromabnehmer abgeleitet und dadurch von den empfindlichen
Teilen der Windkraftanlage wie Maschinenhaus und
Rotorlagerung weitgehend ferngehalten wird. Die zur
Auslösung der Blitzschutzeinrichtung vorgesehenen
beziehungsweise notwendigen Gewittermelder sind bereits
bekannt und verfügbar, und sie werden schon zur präventiven
Aus- und Umschaltung von gefährdeten Anlagen im allgemeinen
eingesetzt; diese Gewittermelder können entweder zentral und
an anderer Stelle aufgestellt oder aber nach einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung auch in der jeweiligen
Windkraftanlage selbst angeordnet sein. Ergibt also die von
einem Gewittermelder vorgenommene Beobachtung und
Datenauswertung eine Gefährdungslage für die betreffende
Windkraftanlage, so wird der Rotor der Windkraftanlage in
einer Stellung stillgesetzt, in welcher der Rotor in
direkten oder indirekten Kontakt mit einem vorzugsweise
ausfahrbar und damit in entsprechenden Kontakt mit dem
Rotorblatt bringbaren Stromabnehmer gelangt, so daß der
Blitzstrom über den geerdeten Stromabnehmer abfließen kann.
Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen,
daß die Rotorblätter des Rotors an ihren äußeren Spitzen
jeweils mit einer Kappe aus einem elektrisch leitenden
Material versehen sind, mit welchen der Stromabnehmer im
Auslösefall einen direkten oder indirekten Kontakt
herstellt. Nach einem Ausführungsbeispiel der
Erfindung sind die einzelnen Kappen der Rotorblätter über
Leiterbahnen aus einem elektrisch leitenden Material,
vorzugsweise aus Kupfergewebe, untereinander verbunden,
wobei nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zu der
metallischen Nabe der Windkraftanlage eine weitere
Verbindung über zugeordnete Widerstandsbänder hergestellt
werden kann. Bei einer direkten Kontaktierung zwischen
Stromabnehmer und Rotorblattspitze fließt der Blitzstrom bei
einem direkten Blitzeinschlag in das obere der beiden
festgesetzten Rotorblätter sowohl über das erste Rotorblatt,
das Widerstandsband, das Lager und den Ständer als auch über
das erste und zweite jeweils miteinander verbundene
Rotorblatt und den Stromabnehmer zur Erde ab. Zur
Herstellung einer indirekten Kontaktierung ist zwischen dem
leitfähigen Stromabnehmer und der leitfähigen
Rotorblattspitze ein gasförmiger oder fester Insolierstoff
angeordnet, und in diesem fließt der Blitzstrom ebenfalls
über das erste Rotorblatt, das Widerstandsband, das Lager
und den Ständer zur Erde ab. Hierbei baut sich aufgrund des
hohen induktiven Widerstandes der Strombahn eine solch große
Spannung zwischen der Spitze des nach unten gerichteten
Rotorblattes und dem am Ständer angebrachten Stromabnehmer
auf, daß ein Überschlag am Stromabnehmer zum Rotor auftritt
und auch hier ein paralleler Strompfad entsteht. Der leicht
erhöhte Widerstand auf dem Wege über das Kupfergewebe, die
Widerstandsbänder, Lager und Ständer der Windkraftanlage
begünstigt jedoch den leichteren Stromfluß über das
Rotorblatt und den Stromabnehmer, so daß der Blitzstrom
größtenteils über den vorgegebenen Ableitweg abfließt.
Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen,
daß eine Einrichtung zum Bremsen und Festlegen des Rotors im
Auslösefall in die dem Stromabnehmer zugeordnete Stellung
vorgesehen ist. Dies ist insbesondere dann gegeben, wenn die
Windkraftanlage mit einem in die Windrichtung beispielsweise
über einen Azimutantrieb nachführbaren Maschinenhaus
ausgerüstet ist; in einem solchen Fall kann über den
Azimutantrieb der Rotor dann in eine Lage gebracht werden,
in welcher der Stromabnehmer mit dem Rotorblatt in Kontakt
treten kann, wobei der Rotor beispielsweise einer
zweiflügeligen Windkraftanlage in eine exakt senkrechte
Position gebracht und dort arretiert wird.
Soweit bei einer Windkraftanlage die Lagerung des Rotors
über eine Pendelnabe verwirklicht ist, ist nach einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgesehen, daß der Rotor
über eine Einrichtung in eine Lage kippbar und in dieser
Lage arretierbar ist, in welcher das vor dem Ständer
liegende Rotorblatt des Rotors den geringstmöglichen Abstand
zum Ständer und damit zum Stromabnehmer aufweist. Eine Wind
kraftanlage mit einem zum Zwecke der Wartung an den Ständer
anklappbaren Rotor ist grundsätzlich aus der DE-AS 27 53 956
bekannt.
Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der
Stromabnehmer als ein zur Achse des Ständers klappbar
eingerichteter Arm ausgebildet sein, wobei diese
Ausführungsform voraussetzt, daß der Rotor der
Windkraftanlage im Auslösefall aktiv in eine auf den
klappbaren Stromabnehmerarm bezogene Lage überführt werden
kann.
Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen,
daß der Stromabnehmerarm über einen Hilfsantrieb um die
Achse des Ständers drehbar ist; damit wird dem Umstand
Rechnung getragen, daß je nach Atmosphärik keine
ausreichende Stromstärke mehr zur Verfügung steht, um den
Rotor in seine zugeordnete Lage zum Stromabnehmerarm zu
bringen; in diesem Fall kann dann der Arm über einen
Hilfsantrieb in die zugeordnete Stellung zum Rotorblatt
nachdrehbar sein, wobei die dafür erforderliche, wesentlich
geringere Energie über eine Batterie vorgehalten werden
kann.
Nach einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist vorgesehen, daß der Stromabnehmer als ein den Ständer
umgebener Ring ausgebildet ist, wobei dieser Ring auch
feststehend ausgebildet sein kann, der in einem möglichst
geringen Abstand zu dem umlaufenden Rotorblatt steht. Es ist
dabei davon auszugehen, daß der Blitzstrom einen geringen
Abstand zwischen dem stillgesetzten Rotorblatt und dem
feststehenden Ring überbrückt.
Vorzugsweise besteht aber der als Stromabnehmer dienende
Ring aus mehreren einzelnen Segmenten, die zur Achse des
Ständers beweglich angeordnet sind, so daß die Segmente
entsprechend der Stellung des Rotors in eine Kontaktlage mit
dem stillgesetzten Rotorblatt gebracht werden können; diese
Ausbildung eignet sich insbesondere für Ausführungsformen
einer Windkraftanlage, bei denen der Rotor aktiv nicht
gedreht werden kann.
Zur Verbesserung der Ableitung des Blitzstromes kann nach
einem Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgesehen sein, daß
zwischen dem Rotorblatt und dem Stromabnehmer ein direkter
Berührungskontakt besteht; so kann der Stromabnehmer in
seinem mit den zugeordneten Rotorblatt in Kontakt kommenden
Bereich mit einer Bürste aus einem elektrisch leitenden
Material versehen sein, womit Toleranzen bei der Zuordnung
der Bauteile zueinander ausgeglichen werden können; auch die
Anordnung einer Kohleplatte ist möglich.
Alternativ kann nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung
auch vorgesehen sein, daß zwischen dem Rotorblatt und dem
Stromabnehmer ein indirekter Kontakt zur Blitzstromableitung
eingerichtet ist; in diesem Fall wird eine Funkenstrecke
oder eine Gleitentladungsstrecke dadurch ausgebildet, daß
zwischen dem leitfähigen Stromabnehmer und der leitfähigen
Rotorblattspitze ein gasförmiger oder ein fester
Isolierstoff angeordnet ist.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung
wiedergegeben, die nachstehend beschrieben sind. Es zeigen:
Fig. 1 eine Windkraftanlage mit einem zweiflügeligem Rotor
und Blitzschutzeinrichtung,
Fig. 2 in einer vergrößerten Darstellung den Stromabnehmer
gemäß Fig. 1,
Fig. 3 in einer vergrößerten Darstellung die
Pendelnabenarretierung des Rotors gemäß Fig. 1,
Fig. 4 eine vergrößerte ausschnittsweise Darstellung des
Rotorblatts gemäß Fig. 1,
Fig. 5 eine Windkraftanlage mit Stromabnehmer in einer
anderen Ausführungsform,
Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Stromabnehmers
bei einer Windkraftanlage,
Fig. 7 den Gegenstand der Fig. 6 in einer Draufsicht.
In Fig. 1 ist eine Windkraftanlage in sehr vereinfachter,
schematischer Darstellung wiedergegeben; dabei ist mit 10
ein turmartiger Ständer bezeichnet, der als Gittergerüst
oder auch als massive Säule ausgebildet sein kann. Auf den
Ständer 10 ist aufgesetzt ein Maschinenhaus 11 zur Aufnahme
eines Generators, der von einem Rotor 12 mit zwei
Rotorblättern 13 angetrieben wird. Der Rotor 12 ist mittels
einer sogenannten Pendelnabe 14 gelagert, die
Ausweichbewegungen des Rotors 12 ermöglicht, wobei in Fig.
1 die andere mögliche Extremlage des Rotors gestrichelt
angedeutet ist. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist an dem
Ständer 10 ein Stromabnehmerarm 15 über ein Gelenk 16
klappbar angeordnet, wobei der im Auslösefall von dem
Ständer 10 weggeklappte Stromabnehmerarm 15 mit dem
zugeordneten Rotorblatt 13 des Rotors 12 in Kontakt bringbar
ist, indem der Rotor 12 über im einzelnen aus Fig. 3
ersichtliche Zylinder 18 in eine Lage gekippt und in dieser
Lage arretiert ist, in welcher das vor dem Ständer 10
liegende Rotorblatt 13 den geringstmöglichen Abstand zum
Ständer 10 und zum Stromabnehmerarm 15 aufweist, so daß in
dieser Stellung der Stromabnehmerarm 15 in direkten oder
indirekten Kontakt mit dem Ende des Rotorblattes 13 kommt.
Wie aus Fig. 2 im einzelnen ersichtlich ist, ist der
Stromabnehmerarm 15 an seinem freien und mit dem
zugeordneten Rotorblatt 13 in Kontakt kommenden Ende mit
einer Bürste 17 vorzugsweise aus Kupferdraht versehen, um
den Kontakt zum Rotorblatt 13 betreffend die Ableitung des
Blitzstromes zu verbessern und eventuelle Toleranzen
auszugleichen; wie nicht weiter dargestellt, kann alternativ
auch eine Kohleplatte vorgesehen sein. Ebenfalls nicht
dargestellt sind die Möglichkeiten einer indirekten
Kontaktierung des Stromabnehmers mit dem metallischen
Rotorblattende, bei welcher eine Funkenstrecke oder eine
Gleitentladungsstrecke ausgebildet wird.
Wie sich aus Fig. 4 entnehmen läßt, sind die äußeren
Spitzen der beiden Rotorblätter 13 jeweils mit einer Kappe
19 aus einem elektrisch leitenden Material versehen, wobei
die beiden Kappen 19 über längs der Rotorblätter 13
verlaufende Leiterbahnen 20 aus einem elektrisch leitenden
Material, vorzugsweise Kupfergewebe, miteinander verbunden
sind, so daß ein Blitzstrom eines in das von der
Windkraftanlage wegragende Rotorblatt einschlagenden Blitzes
bis zum Kontakt des Stromabnehmerarmes 15 mit dem anderen
Rotorblatt 13 abfließen kann. Im Bereich der Pendelnabe 14
ist eine blitzstromtragfähige Verbindung zwischen dem
Kupfergeflecht und der Nabe herzustellen; in diesem Bereich
sind daher von dem den Rotor 12 haltenden Pendelrahmen 22
ausgehende und den Rotor 12 einschließende Widerstandsbänder
21 angeordnet, mittels derer vermieden werden soll, daß der
Blitzstrom seinen Weg über die Nabe und den Ständer in die
Erdung findet, vielmehr größtenteils über den leitenden Weg
der Leiterbahnen 20 und die Kappe 19 zum Stromabnehmerarm 15
geleitet wird.
In Fig. 5 ist schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel
dargestellt, bei welchem mit einem geringen Abstand zum
Rotor 12 beziehungsweise den Rotorblättern 13 ein
feststehender Ring 23 als Stromabnehmer angeordnet ist, so
daß kein Rückführen des Rotors 12 in eine bestimmte Lage
erforderlich ist.
Diese Ausführungsform eignet sich auch für Pendelnaben-Rotoren
ohne eine Pendelbremse oder Pendel-Positionierung,
weil der Rotor 12 eine beliebige Lage zu dem Ring 23 als
Stromabnehmer einnehmen kann.
Aus den Fig. 6 und 7 ergibt sich ein Ausführungsbeispiel,
in welchem der Stromabnehmerring durch einzelne Segmente 24
gebildet wird, wobei diese Segmente 24 nun durch Tragarme 25
gehalten sind, die über versetzt angeordnete Gelenkpunkte 26
an dem Ständer 10 sitzen, so daß die einzelnen Segmente 24
des Stromabnehmerringes an den Ständer 10 herangeklappt
werden können und in diesem Ruhestand jeweils versetzt
zueinander beziehungsweise übereinander anliegen, wie sich
dies aus Fig. 7 ergibt. Mit dieser Gestaltung ist es
möglich, wiederum nach dem Stillsetzen des Rotors 12 einen
unmittelbaren, jeweils direkten oder indirekten Kontakt
zwischen den Stromabnehmersegmenten 24 und dem zugeordneten
Rotorblatt 13 des stillgesetzten Rotors 12 herzustellen.
Claims (18)
1. Windkraftanlage mit einem turmartigen Ständer, der
einen mit Rotorblättern versehenen Rotor und einen von
diesem angetriebenen Generator trägt, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Einrichtung eines Blitzschutzes
an dem Ständer (10) ein in eine Kontaktstellung mit
einem in eine zum Ständer (10) parallele Lage
gebrachten Rotorblatt (13) bringbarer und über den
Ständer (10) geerdeter Stromabnehmer (15, 23, 24)
angeordnet ist.
2. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Rotorblätter (13) des Rotors
(12) an ihren äußeren Spitzen jeweils mit einer Kappe
(19) aus einem elektrisch leitenden Material versehen
sind, zu welchen der Stromabnehmer (15, 23, 24) im
Auslösefall einen Kontakt herstellt.
3. Windkraftanlage nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kappen (19) der einzelnen
Rotorblätter (13) des Rotors (12) über eine oder
mehrere, auch mehrfach verbundene Leiterbahnen
(20) aus einem elektrisch leitenden Material
untereinander verbunden sind.
4. Windkraftanlage nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen (20) aus
Kupfergewebe bestehen.
5. Windkraftanlage nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen (20) aus einem
flammgespritzten leitenden Material bestehen.
6. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Leiterbahnen
(20) der Rotorblätter (13) und der metallischen Nabe
(14) des Rotors (12) blitzstromträgfähige
Widerstandsbänder (21) angeordnet sind.
7. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum
Bremsen und Festlegen des Rotors (12) im Auslösefall in
die dem Stromabnehmer (15, 23, 24) zugeordnete Stellung
vorgesehen ist.
8. Windkraftanlage nach Anspruch 7 mit einer Pendelnabe
als Rotorlagerung, dadurch gekennzeichnet, daß der
Rotor (12) über die Einrichtung (18) in eine Lage
kippbar und in dieser Lage arretierbar ist, in welcher
das vor dem Ständer (10) liegende Rotorblatt (13) den
geringstmöglichen Abstand zum Ständer (10) und zum
Stromabnehmer (15, 23, 24) aufweist.
9. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß der Stromabnehmer als ein
zur Achse des Ständers (10) klappbar eingerichteter Arm
(15) ausgebildet ist.
10. Windkraftanlage nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, daß der Arm (15) über einen
Hilfsantrieb um die Achse des Ständers (10) drehbar
ist.
11. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß der Stromabnehmer als ein
den Ständer (10) umgebender Ring (23) ausgebildet ist.
12. Windkraftanlage nach Anspruch 11, dadurch
gekennzeichnet, daß der Stromabnehmerring in einzelne
Segmente (24) unterteilt ist, die zur Achse des
Ständers (10) beweglich angeordnet sind.
13. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Rotorblatt
(13) und dem Stromabnehmer (15, 23, 24) ein direkter
Berührungskontakt besteht.
14. Windkraftanlage nach Anspruch 13, dadurch
gekennzeichnet, daß der Stromabnehmer (15, 23, 24) in
seinem mit dem zugeordneten Rotorblatt (13) in Kontakt
kommenden Bereich mit einer Bürste (17) aus einem
elektrisch leitenden Material versehen ist.
15. Windkraftanlage nach Anspruch 13, dadurch
gekennzeichnet, daß der Stromabnehmer (15, 23, 24) in
seinem mit dem zugeordneten Rotorblatt (13) in Kontakt
kommenden Bereich mit einer Kohleplatte versehen ist.
16. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Rotorblatt
(13) und dem Stromabnehmer (15, 23, 24) ein indirekter
Kontakt zur Blitzstromableitung eingerichtet ist.
17. Windkraftanlage nach Anspruch 16, dadurch
gekennzeichnet, daß der Bereich zwischen dem
Stromabnehmer (15, 23, 24) und dem Rotorblatt (13) in
dessen Stillstand als Funkenstrecke ausgebildet ist.
18. Windkraftanlage nach Anspruch 16, dadurch
gekennzeichnet, daß der Bereich zwischen dem
Stromabnehmer (15, 23, 24) und dem Rotorblatt (13) in
dessen Stillstand als Gleitentladungsstrecke
ausgebildet ist.
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