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Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt einer Windenergieanlage mit wenigstens einem Gurt, wenigstens einer Schutzlage, die rotorblattaußenseitig auf dem wenigstens einen Gurt angeordnet ist, wobei die wenigstens eine Schutzlage elektrisch leitend ausgebildet ist und mit einer Blitzableitung verbunden ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines Rotorblattes einer Windenergieanlage; indem wenigstens eine elektrisch leitend ausgebildete Schutzlage rotorblattaußenseitig auf wenigstens einem Gurt angeordnet wird und mit einer Blitzableitung verbunden wird.
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Rotorblätter mit Gurten sind im Stand der Technik bereits hinlänglich bekannt. Grundsätzlich können Rotorblätter aus einer Rotorblattschale bestehen, die günstigerweise wiederum aus zwei Rotorblatthalbschalen aufgebaut ist. In Längsrichtung jeder der Rotorblatthalbschalen verläuft ein Gurt. Die beiden Gurte liegen sich einander gegenüber, und zwischen den Gurten ist ein Steg entlanggeführt. Es können pro Rotorblatthalbschale mehrere Gurte vorgesehen sein, und ebenso können mehrere Stege vorgesehen sein.
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Problematisch bei Rotorblättern ist, dass Blitze insbesondere in den Tipbereich des Rotorblattes und entlang der Rotorblatthinterkante einschlagen. Zum Ableiten der Blitze sind Blitzrezeptoren vorgesehen, die daher insbesondere am Tip und entlang der Rotorblatthinterkante angeordnet sind. Die Blitzrezeptoren sind mit einer Blitzableitung verbunden, die geerdet ist, so dass der Einschlag eines Blitzes durch das Rotorblatt hindurch und den Turm hindurch in die Erde abgeleitet wird.
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Durch die zunehmenden Rotordurchmesser werden in zunehmender Weise Kohlenstofffasern in den Rotorblättern verbaut. Insbesondere können auch die Gurte faserhaltige Lagen aufweisen, die Gurte können sogar im Wesentlichen aus kohlenstofffaserhaltigen Materialien bestehen. Die CFK- Gurte sind elektrisch leitend und ziehen Blitzeinschläge an. Zum Schutz der CFK-Gurte können die CFK-Gurte rotorblattaußenseitig mit einer elektrisch leitenden Schutzlage überdeckt sein.
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Die Schutzlage kann eine Folie, ein Gewebe, Gelege oder Gewirke oder etwas Ähnliches sein, aus einem elektrisch leitenden Material, vorzugsweise Kupfer, Aluminium oder Kohlenstofffasern bestehen und die Schutzlage ist bekannterweise elektrisch leitend mit der Blitzableitung verbunden. Ein derartiges Blitzableitsystem ist beispielsweise in der
EP 3 330 528 A1 dargestellt.
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Es hat sich hier gezeigt, dass bei Blitzeinschlägen dennoch Beschädigungen an den Gurten auftreten können.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Rotorblatt einer Windenergieanlage zur Verfügung zu stellen, das gegenüber dem Stand der Technik einen besseren Schutz vor Blitzeinschlägen bietet.
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Es ist auch Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Rotorblattes zur Verfügung zu stellen.
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Die Aufgabe wird hinsichtlich des Rotorblattes durch ein eingangs genanntes Rotorblatt mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 erfüllt.
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Überraschend hat sich gezeigt, dass die wenigstens eine elektrisch leitende Schutzlage, die vorzugsweise aus Aluminium, Kupfer oder aus kohlenstofffaserhaltigen Materialien bestehen kann, zwar den wenigstens einen Gurt vor Blitzeinschlägen schützt, die beim Blitzeinschlag auftretenden starken Ströme den wenigstens einen Gurt aber dennoch beschädigen können.
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Es ist daher erfindungsgemäß vorgesehen, die wenigstens eine Schutzlage elektrisch leitend von dem wenigstens einen Gurt zu entkoppeln. Dazu ist erfindungsgemäß zwischen dem wenigstens einen Gurt und der wenigstens einen Schutzlage wenigstens eine elektrisch isolierende Isolatorlage vorgesehen, die zwischen der wenigstens eine Schutzlage und dem wenigstens einen Gurt angeordnet ist. Günstigerweise ist die wenigstens eine Isolatorlage so groß ausgewählt, dass sie einen Grundriss oder eine Kontur des wenigstens einen Gurtes zumindest in dem Abschnitt, in dem die wenigstens eine Schutzlage vorgesehen ist, vollständig überdeckt und somit die wenigstens eine Schutzlage von dem wenigstens einen Gurt elektrisch isoliert.
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Die wenigstens eine Isolatorlage weist daher günstigerweise eine Breite auf, die in jedem Querschnitt entlang einer Längsrichtung größer ist als die Breite des wenigstens einen Gurtes, und die wenigstens eine Schutzlage weist eine Breite auf, die ebenfalls in jedem Querschnitt entlang der Längsrichtung größer ist als die Breite des wenigstens einen Gurtes.
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Die wenigstens eine Isolatorlage kann breiter sein als die wenigstens eine Schutzlage, sie kann aber auch schmaler sein als die wenigstens eine Schutzlage.
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Im Tipabschnitt überragt die wenigstens eine Schutzlage den wenigstens einen Gurt in Längsrichtung und die wenigstens eine Isolatorlage überragt den wenigstens einen Gurt in Längsrichtung ebenfalls, so dass der wenigstens eine Gurt in seinem Grundriss bzw. in seiner Kontur vollständig von der wenigstens einen Isolatorlage, in dem Abschnitt, in dem die wenigstens eine Schutzlage den wenigstens einen Gurt ebenfalls überdeckt, abgedeckt ist. Es hat sich gezeigt, dass die elektrische Entkopplung des wenigstens einen Gurtes von der wenigstens einen Schutzlage Beschädigungen des wenigstens einen Gurtes bei Blitzeinschlägen verringert.
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Der CFK Gurt ist elektrisch leitend. Er besteht aus Kohlenstofffasern, die mit einer Matrix umgeben werden, die im Fertigungsprozess ausgehärtet wird. Die Kohlenstofffasern können in unterschiedlichen Arten in den Gurt eingebracht werden, z. B. als trockene Lagen, als vorimprägnierte Lagen, sogenannte Prepregs, als Direktrovinge oder als vorgefertigte, bereits ausgehärtete Halbzeuge. Dieser Gurt kann direkt in der Form für den Bau der Rotorblattschale aufgebaut werden, oder in einer separaten Form, wobei der vorgefertigte Gurt dann während des Baus der Rotorblattschale integriert wird. Die sogenannten CFK-Gurte haben den Vorteil, dass sie bezogen auf die Festigkeit und Steifigkeit besonders leicht sind.
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Besonders bevorzugt ist es, eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem wenigstens einen Gurt und der wenigstens einen Schutzlage vorzusehen; zwar sind der wenigstens eine Gurt und die wenigstens eine Schutzlage elektrisch voneinander isoliert oder entkoppelt, das bedeutet im vorliegenden Fall jedoch nur, dass über die gesamte Ausdehnung des wenigstens einen Gurtes und der wenigstens einen Schutzlage die wenigstens eine Isolatorschicht zwischen den beiden Lagen vorgesehen ist, die bei Blitzeinschlag einen Funkenüberschlag oder einen Stromdurchschlag verhindert. Dennoch ist es vorgesehen, den wenigstens einen Gurt an einzelnen Stellen elektrisch leitend mit der wenigstens einen Schutzlage zu verbinden, um einen Potentialausgleich herzustellen. Insbesondere ist die wenigstens eine Schutzlage elektrisch leitend mit der Blitzableitung verbunden, so dass der Blitz, der in die wenigstens eine Schutzlage einschlägt, in die Erde abgeleitet wird. Durch Reibung oder auch durch Blitzeinschlag kann es jedoch vorkommen, dass die Gurte selbst elektrisch aufgeladen werden. Um hier einen Potentialausgleich zu schaffen, ist der wenigstens eine Gurt mit der wenigstens einen Schutzlage elektrisch leitend verbunden, die wiederum mit der Blitzableitung elektrisch leitend verbunden ist.
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Der wenigstens eine Gurt kann eine Vielzahl an kohlenstofffaserverstärkten Einzellagen aufweisen, die Praxis hat gezeigt, dass ein solcher Gurt als ein in seiner Gesamtheit leitendes Bauteil angesehen werden kann, obwohl die einzelnen Kohlenstofffasern mit einer Kunststoffmatrix umgeben sind, die selbst nicht elektrisch leitend ist.
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Das erfindungsgemäße Rotorblatt zeichnet sich dadurch aus, dass die Schutzlage mit dem Gurt elektrisch leitenden entweder gar nicht oder nur mit den Stirnseiten der Lagen verbunden ist, die den Gurt bilden und zwar entweder nur an deren tipseitigen oder wurzelseitigen Ende. Die Schutzlage selber ist dabei an ihrem wurzelseitigen Ende elektrisch leitend mit dem elektrisch leitenden Ableitsystem verbunden ist und dadurch geerdet ist. Die Blitzableitung kann als ein einzelnes elektrisch leitendes Kabel ausgebildet sein.
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Die Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch ein eingangs genanntes Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 8 erfüllt.
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Die genannten Verfahren eignen sich zur Herstellung eines der oben genannten Rotorblätter, umgekehrt kann jedes der oben genannten Rotorblätter durch eines der genannten Verfahren hergestellt werden.
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Zur Herstellung eines Rotorblattes einer Windenergieanlage wird wenigstens eine elektrisch leitend ausgebildete Schutzlage rotorblattaußenseitig auf wenigstens einem Gurt angeordnet und mit einer Blitzableitung verbunden. Erfindungsgemäß wird wenigstens eine elektrisch isolierende Isolatorlage zwischen der wenigstens einen Schutzlage und dem wenigstens einen Gurt angeordnet. Es hat sich gezeigt, dass die elektrische Entkopplung zu einem Schutz des Gurtes bei Blitzeinschlägen führt. Zunächst kann die Schutzlage in eine Herstellungsform einer Rotorblattschale bzw. -teilschale oder -halbschale eingelegt werden, darüber wird die Isolatorlage gelegt, und auf die Isolatorlage wird der Gurt gelegt. Abschließend kann der Aufbau laminiert werden. Als Gurt werden vorzugsweise CFK-Gurte verwendet.
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Vorzugsweise wird eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem wenigstens einen Gurt und der wenigstens einen Schutzlage nur am tipseitigen Ende des Gurtes oder nur am wurzelseitigen Ende des Gurtes ausgebildet. Das Herstellungsverfahren ist besonders materialsparend.
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Günstigerweise weist der wenigstens eine Gurt eine Vielzahl an kohlenstofffaserverstärkten Einzellagen auf,
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Die Erfindung wird anhand von drei Ausführungsbeispielen in vier Figuren beschrieben. Dabei zeigen:
- 1 eine Schnittansicht eines Längsschnitts eines erfindungsgemäßen Rotorblattes entlang eines Stegs,
- 2 eine Draufsicht des erfindungsgemäßen Rotorblattes mit einem CFK-Gurt und einer erfindungsgemäßen Schutzlage, die vollständig gegenüber dem CFK-Gurt isoliert ist
- 3 eine Ansicht eines prinzipiellen Aufbaus des Längsschnittes des CFK-Gurtes mit der Schutzlage und einer Isolatorlage in einer zweiten Ausführungsform, wobei die Schutzlage elektrisch leitend mit den wurzelseitigen Stirnseiten der CFK-Lagen verbunden ist.
- 4 eine Ansicht eines prinzipiellen Aufbaus des Längsschnittes des CFK-Gurtes mit der Schutzlage und der Isolationslage in einer dritten Ausführungsform, wobei die Schutzlage elektrisch leitend mit den tipseitigen Stirnseiten der CFK-Lagen verbunden ist.
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1 zeigt eine schematische Ansicht eines Teils eines Längsschnittes entlang eines Steges 1, insbesondere eines Hauptsteges, eines Rotorblattes 15. Der Steg 1 ist zwischen einer saugseitigen und einer druckseitigen Rotorblattoberfläche 5 angeordnet. Die Rotorblattoberfläche 5 begrenzt die jeweilige saugseitige beziehungsweise druckseitige Rotorblatthalbschale nach außen. Der Aufbau in 1 ist spiegelsymmetrisch, und saug- und druckseitige Lagen und Merkmale werden mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Die Rotorblatthalbschalen bestehen aus einem Laminataufbau, der rotorblattinnenseitig der Rotorblattoberfläche 5 eine elektrisch leitende Schutzlage 4 aufweist, die in der Ausführungsform gemäß 1 kohlenstofffaserhaltig ist oder sogar vollständig aus Kohlenstofffasern besteht. Die Schutzlage 4 kann die äußerste Lage der Rotorblatthalbschale ausbilden, es ist jedoch auch denkbar, dass außenseitig auf die Schutzlage 4 noch eine Glasfaserlage gelegt ist, die die Schutzlage 4 vor Beschädigungen schützt.
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Grundsätzlich ist gemäß 1 der Schichtaufbau der druckseitigen und der saugseitigen Rotorblatthalbschale gleich. Rotorblattinnenseitig der Schutzlage 4 ist eine Isolatorschicht 3 vorgesehen, die beispielsweise aus glasfaserverstärktem Kunststoff besteht. Die Isolatorschicht 3 trennt die Schutzlage 4 elektrisch von einem rotorblattinnenseitig der Isolatorschicht 3 angeordneten kohlenstofffaserhaltigen Gurt 2. Der kohlenstofffaserhaltige Gurt 2 ist ebenfalls elektrisch leitend und durch die Isolatorschicht 3 von der elektrisch leitenden Schutzlage 4 elektrisch getrennt. Die kohlenstofffaserhaltigen Gurte 2 werden auch als CFK-Gurte 2 bezeichnet.
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Das Rotorblatt ist so aufgebaut, dass in einem Innenraum des Rotorblattes ein druckseitiger und ein saugseitiger CFK-Gurt 2 sich gegenüberliegend angeordnet sind und zwischen den CFK-Gurten 2 der Steg 1 verläuft. Die CFK-Gurte 2 erhöhen insbesondere die spezifische Festigkeit und Steifigkeit des Rotorblattes. Der Steg 1 nimmt die Schub- und Druckkräfte auf, die sich bei der Verformung des Rotorblattes unter Last ergeben.
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Grundsätzlich können zwischen der Schutzlage 4 und dem CFK-Gurt 2 noch weitere Lagen, insbesondere kunststofffaserhaltige Lagen angeordnet sein. Insbesondere weist die Rotorblatthalbschale in einer Längsrichtung L seitlich vom saug- und druckseitigen CFK-Gurt 2 möglicherweise eine Vielzahl an Gewebe- oder Gelegelagen auf, die zusätzlich einen Sandwichkernmaterial umfassen können. Erfindungsgemäß sind die CFK-Gurte 2 auf jeder Seite der Rotorblattschale von der zugehörenden Schutzlage 4 elektrisch vollständig getrennt.
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2 zeigt eine schematische Draufsicht des Rotorblattes 15 beispielsweise aus 1. 2 zeigt, dass sich der druckseitige Gurt 2 beinahe über die gesamte Längsausdehnung in Längsrichtung L des Rotorblattes 15 erstreckt und in einem Tipabschnitt 17 und in einem mittleren Rotorblattabschnitt 18 und einem mittleren Abschnitt des Gurtes 2 rotorblattaußenseitig von der Schutzlage 4 vollständig abgedeckt ist. Dies bedeutet insbesondere, dass die Schutzlage 4 eine Kontur 12 des ihr zugeordneten Gurtes 2 überdeckt. Die Kontur 12 des Gurtes 2 ist in 2 durchscheinend dargestellt. Der Aufbau gilt für die Saug- und Druckseite des Rotorblattes 15. Die Schutzschicht 4 schützt den elektrisch leitenden CFK-Gurt 2 vor Blitzeinschlägen, die zwar erfahrungsgemäß insbesondere im Tipabschnitt 17 und entlang einer Hinterkante des Rotorblattes 15 auftreten. Der CFK-Gurt 2 zieht jedoch gegenüber elektrisch nichtleitenden Gurten Blitzeinschläge zusätzlich an.
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Neben der Schutzschicht 4 sind am Rotorblatt 15 üblicherweise Blitzrezeptoren vorgesehen, die vorzugsweise direkt am Tip im Tipabschnitt 17 wie auch voneinander beabstandet entlang der Hinterkante des Rotorblattes 15 angeordnet sind. Die Blitzrezeptoren sind mit einem Blitzableiter elektrisch leitend verbunden. In 2 sind die Blitzrezeptoren nicht eingezeichnet.
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2 zeigt jedoch die Blitzableitung 16, die sich über die gesamte Längsausdehnung parallel zum Gurt 2 erstreckt und im Bereich einer Rotorblattwurzel 19 mit einer nicht eingezeichneten Erdung elektrisch leitend verbunden ist, die einen in das Rotorblatt 15 einschlagenden Blitz über die Blitzableitung 16 in die Erde ableitet. Drehdurchführungen der Blitzableitung 16 durch einen Rotorblattanschluss hindurch sind im Stand der Technik bekannt.
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An die Blitzableitung 16 sind die nicht eingezeichneten Blitzrezeptoren direkt angeschlossen. 2 zeigt, dass zusätzlich an die Blitzableitung 16 die Schutzlage 4 an einer Verbindungsstelle 14 elektrisch leitend angeschlossen ist. Es kann sich bei der Verbindungsstelle 14 um ein Kupferkabel handeln, das von der Schutzlage 4 an die Blitzableitung 15 geführt ist. Grundsätzlich können mehrere Verbindungsstellen 14 vorgesehen sein.
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3 zeigt den Aufbau des erfindungsgemäßen Überganges von dem CFK-Gurt 2 zur Schutzlage 4 in einem Längsschnitt. Der CFK-Gurt 2 umfasst mehrere kohlenstofffaserverstärkte Einzellagen 25. 3 zeigt, dass der CFK-Gurt 2 aus einer Vielzahl an kohlenstofffaserverstärkten Einzellagen 25 aufgebaut ist.
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Üblicherweise wird der CFK-Gurt 2 bei der Herstellung der Rotorblattschale separat in einer Herstellungsform in einem Laminierverfahren gefertigt. Dazu wird die Vielzahl an kohlenstofffaserverstärkten Einzellagen 25 übereinandergelegt.
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Die Rotorblatthalbschale wird in einer für die Rotorblatthalbschale bereitstehenden eigenen Herstellungsform gefertigt. Rotorblattinnenseitig wird auf eine optional vorgesehene einzelne Glasfaserschicht die Schutzlage 4 gelegt, die in einer gemäß 2 dargestellten Draufsicht als langgezogenes Rechteck ausgebildet sein kann. Die Schutzlage 4 wird entlang der Herstellungsform in der Längsrichtung L direkt auf die Herstellungsform oder optional auf eine zusätzlich vorgesehene Glasfaserlage gelegt, und dann wird auf die Schutzlage 4 die Isolatorschicht 3 rotorblattinnenseitig gelegt, die eine Breite B aufweist, die zumindest der Breite des Gurtes 2 entspricht und zumindest einer Länge des Gurtes 2 in dem Abschnitt entspricht, in dem die Schutzlage 4 den Gurt 2 überdeckt. Die Schutzlage 4 ist so breit ausgebildet, dass sie den Grundriss des Gurtes 2 überdeckt und im Tipabschnitt 17 nur so lang, dass sie über das tipseitige Ende des Gurtes 2 hinaus in den Tipabschnitt 17 hinein absteht. Der CFK-Gurt 2 wird auf die Isolatorschicht 3 gelegt.
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Die Isolatorschicht 3 ist vorzugsweise einteilig und einlagig ausgebildet. Die Isolatorschicht 3 trennt die Schutzlage 4 von dem CFK-Gurt 2 elektrisch.
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Die Schutzlage 4 schützt den CFK-Gurt 2 vor Blitzeinschlägen und insbesondere vor Einschlägen von, einem Hauptblitz-Impuls-Strom folgenden, kleineren Stromflüssen. Die Schutzschicht 4 ist über die Verbindungsstelle 14 gemäß 3 mit der Blitzableitung 16 elektrisch leitend verbunden. Da sich jedoch auch die elektrisch leitenden CFK-Gurte 2 bzw. die kohlenstofffaserverstärkten Einzellagen 25 des CFK-Gurtes 2 elektrisch aufladen können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, den CFK-Gurt 2 mit Hilfe der Schutzlage 4 elektrisch leitend ebenfalls mit der Blitzableitung 16 zu verbinden. Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, gemäß 3, am wurzelseitigen Ende der einzelnen kohlenstofffaserverstärkten Einzellagen 25 des CFK-Gurtes 2 die kohlenstofffaserverstärkten Einzellagen 25 durch elektrisch leitende Verbindungen 26 mit der Schutzlage 4 zu verbinden und die Schutzlage 4 an ihrem wurzelseitigen Ende mit der Blitzableitung 16 über eine Verbindungsstelle 14 zu verbinden, so dass der CFK-Gurt 2 insgesamt und jede einzelne kohlenstofffaserverstärkte Einzellage 25 des CFK-Gurtes 2 elektrisch leitend mit der Blitzableitung 16 verbunden sind und damit geerdet sind und daher ein Potentialausgleich zwischen Schutzlage 4 und CFK-Gurt 2 stattfindet.
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In einer dritten Ausführungsform gemäß 4 ist der Aufbau zunächst genau wie der in der 3 gezeigte und beschriebene Aufbau. Die Erläuterungen zu 3 gelten auch hier. Es ist die elektrisch leitende Verbindungsstelle 14 zwischen der Schutzlage 4 und der Blitzableitung 16 am wurzelseitigen Ende der Schutzlage 4 vorgesehen. In der dritten Ausführungsform gemäß 4 sind jedoch die einzelnen kohlenstofffaserverstärkten Einzellagen 25 des CFK-Gurtes 2 nicht am wurzelseitigen, sondern vielmehr am tipseitigen Ende durch elektrisch leitende Verbindungen 26 mit der Schutzlage 4 durch die elektrisch leitenden Verbindungen 26 verbunden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Steg
- 2
- Gurt
- 3
- Isolatorlage
- 4
- Schutzlage
- 5
- Rotorblattoberfläche
- 12
- Kontur
- 14
- Verbindungsstelle
- 15
- Rotorblatt
- 16
- Blitzableitung
- 17
- Tipabschnitt
- 18
- Rotorblattabschnitt
- 19
- Rotorblattwurzel
- 25
- kohlenstofffaserverstärkte Einzellagen
- 26
- elektrisch leitende Verbindungen
- B
- Breite
- L
- Längsrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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