DE102008006427A1

DE102008006427A1 - Integrierter Anströmkantenschutz für Windkraftanlagenflügel

Info

Publication number: DE102008006427A1
Application number: DE102008006427A
Authority: DE
Inventors: Jamie T. Livingston; Nicolas K. Althoff; Stefan Herr; Kevin Standish
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-01-29
Filing date: 2008-01-28
Publication date: 2008-07-31
Also published as: CN101235796B; US7896616B2; CN101235796A; US20080181775A1; DK200800103A; DK178516B1

Abstract

Windkraftanlagenflügel (5), einen integrierten Erosions-, Blitz- und Vereisungsschutz für eine Anströmseite (120) umfassend. Die Anströmkante (120) umfasst eine Frontfläche (105) mit einem außerhalb der Frontfläche (105) angeordneten Erosionsschild (140). Ein interner Blitzableiterpfad (160) ist mit einer elektrischen Verbindung (155) von dem Erosionsschild (140) zu dem Blitzableiterpfad (160) versehen. Ein Wärme erzeugendes Element (145) ist zwischen dem Erosionsschild (140) und der Frontfläche (105) angeordnet, und ein Wärmeleitpfad (195) von dem Wärme erzeugenden Element (145) zu dem Erosionsschild (140) wird zur Verfügung gestellt. Ferner wird ein Mittel (175) zur Verbindung des Wärme erzeugenden Elements (145) mit einer elektrischen Energiequelle (170) des Flügels (5) zur Verfügung gestellt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf den Schutz einer Windkraftanlage gegen mehrere Naturelemente und insbesondere auf ein integriertes System zum Schutz der Anströmkante des Windkraftanlagenflügels gegen Erosion, Blitzschlag und Vereisung.
Es ist zu erwarten, dass Windkraftanlagen in der gesamten Welt eine als Energiequelle zunehmend an Bedeutung gewinnen, da sie eine erneuerbare Energiequelle nutzen, die keine kohlenstoffbasierten Gase emittiert. Dem Wind ausgesetzt zu sein, ist zentral für diese Energiequelle. Durch dieses dem-Wind-Ausgesetztsein sind die Windkraftanlage und ihre Flügel Risiken durch Naturelemente ausgesetzt, darunter Erosion, Blitzschlag und Vereisung.
Windkraftanlagenflügel sind aerodynamisch konstruiert, um auf effiziente Weise den Wind „einzufangen" und die Windenergie in eine Drehbewegung des Flügels umzuwandeln, so dass sie schließlich durch einen elektrischen Generator in elektrischen Strom umgewandelt wird. Die Erosion der Flügelanströmkante verformt die aerodynamische Form und führt zu einer verminderten Effizienz des „Windfangs" und einer geringeren Ausgangsleistung. Wind und Regen können eine Erosion des Flügels zur Folge haben, aber mitgezogener Sand, Schmutz und Ablagerungen können zu noch ernsthafterer Abnutzung und Verformung führen.
Windkraftanlagen werden oft an freiliegenden oder erhöhten Standorten errichtet und ziehen durch ihre Position an dem höchsten Punkt Blitzschläge an. Die Windkraftanlagenflügel bilden bei der Rotation den höchsten Punkt der Anlagenstruktur und werden so häufig der Einschlagpunkt für Blitze. Ähnlich wie bei den Schäden durch Erosion, führt auch die Beschädigung der Anströmkante durch Blitzeinschläge zu einer verringerten Effizienz und Ausgangsleistung. Während Erosion in der Tendenz breiter gestreut über die Oberfläche der Anströmkante auftritt, verursachen Blitzeinschläge tendenziell eine konzentriertere Beschädigung am Einschlagpunkt, bis hin zur Zerstörung des Flügels.
Die Vereisung des Flügels wirkt sich durch die Formänderung des Flügels und durch die Beeinträchtigung des aerodynamischen Verhaltens auf die Leistung aus. Vereisung auf dem Flügel bildet auch ein Risiko für Menschen und Ausrüstung unterhalb und in der Nähe der Windkraftanlage. Bricht das Eis durch Schmelzen oder mechanische Kräfte von dem Flügel ab, kann es mit der Rotationsgeschwindigkeit des Flügels fortgeschleudert werden und aus einer erheblichen Höhe herabfallen.
Es wurden bereits verschiedene Verfahren und Systeme zum Schutz von Windkraftanlagen gegen die Naturelemente zur Verfügung gestellt. Diese Verfahren sind jedoch für gewöhnlich auf den Schutz des Flügels oder Anströmkante vor nur einem Beschädigungstyp ausgerichtet.
Dementsprechend existiert ein Bedarf an einem integrierten Schutzsystem zum Schutz der Anströmkante eines Windkraftanlagenflügels vor Erosion, Blitzschlag und Vereisung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System und ein Verfahren zum Schutz einer Anströmkante eines Windkraftanlagenflügels vor Erosion, Blitzschlag und Vereisung.
Kurz gesagt wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Windkraftanlagenflügel mit integriertem Anströmkantenschutz zur Verfügung gestellt. Die Anströmkante weist eine Frontfläche auf, die mit einem Erosionsschutz versehen ist, der außerhalb der Frontfläche angeordnet ist. Ein interner Blitzableiterpfad ist mit einer elektrischen Verbindung zwischen dem Erosionsschutz und dem internen Blitzableiterpfad ausgestattet. In der Nähe des Erosionsschutzes und der frontalen Oberfläche ist ein Heizelement angeordnet. Es wird ein Wärmeleitpfad von dem Wärme erzeugenden Element zu dem Erosionsschutz bereitgestellt. Ferner werden Mittel zur Verbindung des Heizelements mit einer Energiequelle innerhalb des Flügels zur Verfügung gestellt.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein integriertes Schutzsystem für Anströmkanten von Windkraftanlagenflügeln zur Verfügung gestellt. Das Schutzsystem umfasst einen Windkraftanlagenflügel mit einer Anströmkante – wobei zu der Anströmkante eine frontale Oberfläche gehört – und Schutzelemente, zu denen zumindest eines der folgenden gehört: ein außerhalb der Frontfläche angeordneter Erosionsschutz, ein außerhalb der Frontfläche angeord neter Blitzrezeptor sowie in der Nähe der frontalen Oberfläche angeordnete Mittel zur Erwärmung der Anströmkante.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum integrierten Schutz der Anströmkante eines Windkraftanlagenflügels gegen Erosion, Blitzschlag und Vereisung zur Verfügung gestellt. Das Verfahren umfasst den Erosionsschutz einer Frontfläche der Anströmkante eines Windkraftanlagenflügels mit zumindest einer der folgenden Erosionsschutzvorrichtungen: einem Erosionsschild aus Metall, einem Erosionsschild aus modifiziertem Metall, einem Erosionsschild aus einer zweiteiligen Schicht aus einer Polymer- und einer Metallschicht, wobei der Erosionsschild mit einer Blitzableitervorrichtung in dem Flügel verbunden wird. Das Verfahren umfasst ebenfalls die Bereitstellung von Heizelementen, die in der Nähe des Erosionsschildes und der frontalen Oberfläche angeordnet werden, und das Verbinden der Heizelemente mit einer Energiequelle in dem Flügel. Die Verfahrensschritte beinhalten auch die Bereitstellung eines Wärme leitenden und elektrisch isolierenden Materials zwischen den Heizelementen und dem Erosionsschutz, das Treffen von Maßnahmen für die Ableitung der Energie eines Blitzeinschlags in den Erosionsschild durch das interne Blitzableitersystem von des Flügels zum Erdboden und das Bereitstellen einer Energiequelle für die Heizelemente zur Vermeidung von Vereisung und zur Enteisung des Flügelanströmkante.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und andere Eigenschaften, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind besser zu verstehen, wenn die folgende detaillierte Beschreibung mit Bezug auf die be gleitenden Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Bezugszeichen durchweg gleiche Teile bezeichnen.
1 zeigt eine typische Windkraftanlagenstruktur;
2 zeigt eine typische Struktur eines Windkraftanlagenflügels;
3 zeigt ein Profil einer erfindungsgemäßen Anströmkante eines Windkraftanlagenflügels, wobei die Anströmkante eine Einbuchtung für die Montage externer Schutzelemente bereitstellt;
3A zeigt eine erfindungsgemäße Anströmkante für eines Windkraftanlagenflügels mit einem Heizelement, das eine flüssige oder gasförmige Wärmequelle enthält;
4 zeigt einen existierenden internen Blitzableiterpfad;
5 zeigt erfindungsgemäße integrierte Schutzkomponenten für eine Anströmkante ohne Einbuchtung, wobei die Montage der externen Schutzelemente die Form der Frontfläche der Anströmkante vervollständigt.
6 zeigt eine Frontansicht eines beispielhaften Erosionsschildes auf der Anströmkante eines Windkraftanlagenflügels.
7A zeigt eine bevorzugte Anordnung eines erfindungsgemäßen einteiligen Erosionsschildes auf einer Frontansicht eines Flügels;
7B zeigt eine bevorzugte Anordnung einer erfindungsgemäßen einteiligen, Wärme leitenden/elektrisch isolierenden Schicht auf einer Frontansicht eines Flügels;
7C zeigt eine bevorzugte Anordnung eines erfindungsgemäßen einteiligen, Widerstandsstreifens auf einer Frontansicht eines Flügels und
8 zeigt einen erfindungsgemäßen Querschnitt durch die Anströmkante des Flügels mit Durchdringungen zur Bereitstellung eines Pfades für Blitzschläge zu einem zentralen Leiter.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die folgenden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weisen viele Vorteile auf, darunter die Bereitstellung eines integrierten Schutzsystems gegen Erosion, Blitzschläge und Vereisung für die Anströmkante des Windkraftanlagenflügels. Das Schutzsystem umfasst einen Erosionsschild mit aerodynamischen Eigenschaften, der die Anströmkante vor Erosion schützt und darüber hinaus als Blitzrezeptor und – ableiter dient, und eine Wärmequelle zur Enteisung oder Verhinderung der Vereisung der Anströmkante.
1 stellt eine typische Windkraftanlagenstruktur dar. Die Windkraftanlage 1 umfasst einen tragenden Turm 2 und ein auf dem tragenden Turm 2 angebrachtes Maschinenhaus 3. Das Maschinenhaus 3 beherbergt den elektrischen Generator (nicht gezeigt) und das Getriebe (nicht gezeigt) und trägt eine Rotorwelle (nicht gezeigt), die sich von dem Getriebe aus erstreckt. Der auf der Rotorwelle montierte Windkraftan lagenrotor 4 trägt mittels einer Nabe 6 drei Windkraftanlagenflügeln 5.
2 stellt eine typische Struktur eines Windkraftanlagenflügels dar. Der Flügelfuß 10 ist der der Nabe 6 benachbarte Flügelabschnitt. Das entgegengesetzte Flügelende ist die Spitze 15. Die Rotationsrichtung des Flügels wird durch den Pfeil 20 angezeigt. Die Flügelkante in Rotationsrichtung ist die Anströmkante 25. Die entgegengesetzte Flügelkante ist die Abströmkante 30.
Der Flügel und besonders die Anströmkante sind Erosion, Blitzschlägen und Vereisung ausgesetzt. Die hohe Geschwindigkeit und die Position der Anströmkante verstärken die Erosionswirkung von Feuchtigkeit und luftgetragenem Sand auf die Kante. Im Hinblick auf die Anfälligkeit für Blitzeinschlag erreicht das der Spitze am nächsten liegende Flügelende während der Rotation unter allen Windkraftanlagenkomponenten den höchsten Punkt, so dass folglich die Wahrscheinlichkeit eines Blitzeinschlags hier am höchsten ist.
3 zeigt ein Profil einer erfindungsgemäßen Frontfläche einer Anströmkante eines Windkraftanlagenflügels. Die Frontfläche 105 kann eine Einbuchtung 110 aufweisen, die ungefähr auf einer Mittelachse 115 der Anströmkante 120 des Flügels 100 angeordnet ist. Die Einbuchtung 110 verfügt über eine ausreichende Tiefe 125 und eine ausreichende Breite 130, um die integrierten Schutzelemente 135 für die Anströmkante aufzunehmen. Die Schutzelemente können einen Erosionsschild 140 und ein Wärme erzeugendes Element 145 umfassen. Der Erosionsschild 140 ist außerhalb der Frontfläche 105 der Anströmkante 120 des Flügels 100 positioniert. Der Erosions schild 1440 hat eine Doppelfunktion, indem er auch als Blitzrezeptor für Blitzeinschläge in dem Flügel 100 dient.
Der Flügel 100 verfügt ferner über einen internen Blitzableiterpfad. Der interne Blitzableiterpfad einer Windkraftanlage umfasst Mittel zur Leitung eines durch einen Blitzschlag induzierten Stroms durch den Flügel in die Erde. Schlägt ein Blitz in den Flügel ein, muss der elektrische Strom von dem Flügel durch das Maschinenhaus zum Turm und in den Erdboden geleitet werden. In dem Windkraftanlagenflügel können viele Anordnungen zur Verfügung gestellt werden, um den elektrischen Strom vom Einschlagpunkt und durch den Flügel zu leiten.
4 zeigt einen existierenden beispielhaften internen Blitzableiterpfad in dem Flügel, der einen von ungefähr der Flügelspitze 15 zu der Nabe verlaufenden zentralen Leiter 155 mit einer Vielzahl peripherer Rezeptoren (nicht gezeigt) umfasst, die mit dem zentralen Leiter 155 durch periphere Blitzableiter 160 verbunden sind. Die peripheren Rezeptoren sind von der Spitze 15 einwärts entlang der Flügelspannweite verteilt. Die peripheren Rezeptoren bestehen aus in verschiedenen Formen und Größen gestalteten Metallkomponenten zum Anziehen und Ableiten der mit einem Blitzeinschlag in ihrer Nähe verbundenen Energie. Die peripheren Rezeptoren können direkt mit dem zentralen Leiter 155 oder durch einen peripheren Leiter geeigneter Größe verbunden sein.
Als ein Teil des erfindungsgemäßen integrierten Anströmkantenschutzes kann der Erosionsschild als dezentralisierter peripherer Rezeptor dienen, der mit dem zentralen Leiter 155 an einer Vielzahl von Metall-Verbindungspunkten 45 (3) durch die peripheren Leiter 160 verbunden ist. Die Verbindungspunkte 45 sind in annähernd gleichem Abstand entlang der Länge des Erosionsschildes 140 auf dem Flügel 100 angeordnet (7A).
In 3 kann der Windkraftanlagenflügel 100 auch einen Wärmeleitweg von dem Wärme erzeugenden Element 145 zum Erosionsschild 140 und eine elektrische Energiequelle 170 in des Flügels 100 mit einem Wärmeleitweg von dem Wärme erzeugenden Element 145 zu dem Erosionsschild 140 umfassen. Ferner kann die elektrische Energiequelle in dem Flügel von dem Maschinenhaus, dem Turm oder einer externen Energiequelle durch die Nabe mit Energie versorgt werden.
Weiter auf 3 bezogen, kann das Wärme erzeugende Element 145 zum Schutz der Anströmkante vor Vereisung eine Vielzahl von Widerstandsstreifen 144 umfassen. Die Vielzahl von Widerstandsstreifen 144 kann ferner von dem Erosionsschild elektrisch isoliert sein. Weiter kann die Vielzahl von Widerstandsstreifen 144 mit der elektrischen Energiequelle 170 in dem Flügel durch elektrische Leitungen 175 verbunden sein. Eine Materialschicht mit Wärme leitenden und elektrisch leitenden Eigenschaften 143 kann zwischen der Vielzahl von Widerstandsstreifen und dem Erosionsschild angeordnet sein. Alternativ kann die Vielzahl von Widerstandsstreifen auf der Innenfläche 106 der Hülle 60 hinter der Frontfläche 105 angeordnet sein. In diesem Fall würde der Wärmeleitpfad zum Erosionsschild 140 durch die Hülle 60 führen.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird eine Einbuchtung 110 in der Frontfläche der Anströmkante bereitgestellt. Die Einbuchtung 110 ist für die Aufnahme des Erosionsschildes 140, der Wärme leitenden/elektrisch isolierenden Schicht 143 und der Vielzahl von Widerstandsstreifen 144 be messen. Die Außenfläche 180 des Erosionsschildes 140 ist so geformt, dass sie die aerodynamische Konstruktion der Frontfläche 105 der Anströmkante 120 vervollständigt, wenn sie über der Vielzahl von Widerstandsstreifen 144 und der Wärme leitenden/elektrisch isolierenden Schicht 143 auf die Einbuchtung 100 der Anströmkante 120 montiert wird. Die Form der Innenfläche 185 des Erosionsschildes 140 ist der Außenfläche 195 der Wärme leitenden/elektrisch isolierenden Schicht 143 angepasst. Die Form der Außenfläche 195 der Wärme leitenden/elektrisch isolierenden Schicht 143 ist der Innenfläche 185 des Erosionsschildes 140 angepasst, und die Form der Innenfläche 190 der Wärme leitenden/elektrisch isolierenden Schicht 143 ist der Außenfläche 200 der Vielzahl von Widerstandsstreifen 144 angepasst. Weiter ist die Form der Außenfläche 200 der Vielzahl von Widerstandsstreifen 144 der Innenfläche 190 der Wärme leitenden/elektrisch isolierenden Schicht 143 angepasst, und die Form der Innenflächen 205 der Vielzahl von Widerstandsstreifen 144 ist der eingebuchteten Frontfläche 105 der Anströmkante 120 angepasst.
3A zeigt eine erfindungsgemäße Anströmkante eines Windkraftanlagenflügels mit einem Heizelement, das eine flüssige oder gasförmige Wärmequelle enthalten kann. Das Heizelement 305 ist in der Nähe des Erosionsschildes 140 und der Frontfläche 105 des Flügels 100 angeordnet. Das Heizelement 305 ist auf der Innenfläche 315 der Flügelhülle 60 angeordnet und in der Form an diese angepasst. Die flüssige oder gasförmige Wärmequelle 300 wird in dem Flügel 100 bereitgestellt; die Wärmequelle kann jedoch auch in dem Maschinenhaus, der Nabe oder dem Turm angeordnet und durch den Flügel 100 verbunden sein. Das Heizgas oder die Heizflüssigkeit wird durch Fluidleitungen 310 zu dem Heizelement 305 und von diesem fort geleitet. Das Heizgas oder die Heizflüssigkeit strömt durch Kanäle oder Rohre in das Heizelement 305, wodurch die Heizenergie in den Körper des Heizelements 305 und durch die Hülle 60 des Flügels 100 zu dem Erosionsschild 140 geleitet wird. Hier ist der Erosionsschild 140 direkt an der Frontfläche 105 der Hülle 60 befestigt, um einen effektiven Wärmetransfer zum Erosionsschild 140 zwecks Enteisung zu unterstützen. Alternativ kann eine Wärme leitende Schicht (nicht gezeigt) zwischen der Frontfläche 105 der Hülle 60 und dem Erosionsschild 140 angeordnet sein. Der Erosionsschild 140 kann eine Doppelfunktion haben, indem er auch als Blitzrezeptor für Blitzeinschläge in den Flügel 100 dient.
Der Erosionsschild 140 kann eine der folgenden Komponenten sein: ein Metallstreifen, ein Streifen aus modifiziertem Metall (z. B. Metall-Polymer- oder Metall-Keramikmischungen) oder eine zweiteilige Schicht aus Polymer- und Metallschicht. In Übereinstimmung damit, dass die Oberfläche des Flügels 100 einem höheren Erosions-, Blitzschlags- und Vereisungsrisiko ausgesetzt ist, kann sich der Erosionsschild entweder teilweise oder insgesamt entlang der Frontalfläche 105 der Anströmkante 120 erstrecken. 6 zeigt den Erosionsschild 140, der von ungefähr der Mitte des Flügels 100 bis ungefähr zur Flügelspitze 15 reicht. Wie dargestellt, kann der Erosionsschild 140 auch aus einem Streifen bestehen, der auf einer ungefähren Mittelachse 142 der Frontfläche 105 der Anströmkante zentriert ist. Alternativ (nicht gezeigt) kann der Erosionsschild 140 bezogen auf die Mittelachse 142 der Frontalfläche 105 der Anströmkante auch schräg angeordnet sein.
5 zeigt die erfindungsgemäßen integrierten Schutzkomponenten für die nicht eingebuchtete Frontfläche der Anströmkante des Flügels. Die Außenfläche 180 des Erosions schildes 140 ist so geformt, dass sie die aerodynamische Konstruktion der Frontfläche der Anströmkante vervollständigt, wenn sie über der Vielzahl von Widerstandsstreifen 144 und der Wärme leitenden/elektrisch isolierenden Schicht 143 auf die nicht eingebuchtete Frontfläche 105 der Anströmkante 120 montiert wird. Die Form der Innenfläche 185 des Erosionsschildes 140 ist der Außenfläche 195 der Wärme leitenden/elektrisch isolierenden Schicht 143 angepasst. Die Form der Außenfläche 195 der Wärme leitenden/elektrisch isolierenden Schicht 143 ist der Innenfläche 185 des Erosionsschildes 140 angepasst, und die Form der Innenfläche 190 der Wärme leitenden/elektrisch isolierenden Schicht 143 ist der Außenfläche 200 der Vielzahl von Widerstandsstreifen 144 angepasst. Weiter ist die Form der Außenfläche 200 der Vielzahl von Widerstandsstreifen 144 der Innenfläche 190 der Wärme leitenden/elektrisch isolierenden Schicht 143 angepasst, und die Form der Innenflächen 205 der Vielzahl von Widerstandsstreifen 144 ist der nicht eingebuchteten Frontfläche 105 der Anströmkante angepasst. Wie zuvor für die eingebuchtete Frontfläche beschrieben, können die Schutzkomponenten an der Frontfläche durch Haft- oder mechanische Mittel befestigt werden. Alternativ können die angepassten Oberflächen der einzelnen Teile (die Widerstandsstreifen, die Wärme leitende/elektrisch isolierende Schicht und der Erosionsschild) der Reihe nach an der darunter liegenden Oberfläche unter Verwendung von Haft- oder mechanischen Mitteln befestigt werden. Alternativ kann eine Flüssigkeits- oder Gaswärmequelle, zu der ein Flüssigkeitsheizelement gehört, das auf der Innenfläche einer nicht eingebuchteten Frontfläche der Anströmkante angeordnet wird, zur Enteisung verwendet werden.
Ferner kann eine alternative Möglichkeit zum Einbau der integrierten Schutzkomponenten zum Einsatz kommen, wobei das Wärme leitende und isolierende Material und das Heizelement an der Frontfläche der Anströmkante durch gemeinsame Herstellung mit einer Außenhülle des Flügels befestigt werden.
6 zeigt eine beispielhafte erfindungsgemäße Anordnung des montierten Erosionsschildes 140 (über der abgedeckten Wärme leitenden/elektrisch isolierenden Schicht und den Widerstandsstreifen) in einer Vorderansicht der Anströmkante 120. Der Erosionsschild 140 kann bezogen auf die Mittelachse der Flügelanströmkante zentral angeordnet werden. Der Erosionsschild 140 bedeckt die Frontfläche 105 von ungefähr der Flügelmitte bis ungefähr zur Flügelspitze 15. 7A, 7B und 7C zeigen eine vergrößerte Vorderansicht der an der Anströmkante angebrachten Schutzelemente.
7A zeigt eine bevorzugte erfindungsgemäße Anordnung eines einteiligen Erosionsschildes 140, der vollständig die Öffnung einer Einbuchtung (nicht gezeigt) bedeckt, die in Längsrichtung von ungefähr der Flügelmitte bis ungefähr zur Spitze 15 des Flügels 5 verläuft. Jedoch können auch andere Anordnungen von Einbuchtungen in Verbindung mit den Erosionsschilden zur Verfügung gestellt werden, beispielsweise eine, bei der eine Vielzahl von Einbuchtungen entlang der Länge des Flügels bereitgestellt wird und eine Vielzahl von Abschnitten des Erosionsschildes entsprechend der Einbuchtungen bemessen ist.
Es wird eine Vielzahl beispielhafter elektrischer Verbindungen 45 gezeigt, die mit der Außenfläche des Erosionsschildes 140 verbunden sind, um den Erosionsschild 140 mit dem internen Blitzableitersystem in dem Flügel zu verbinden. Die elektrischen Verbindungen mit dem Erosionsschild können jedoch in vielen Anordnungen ausgeführt werden, die auf dem Fachgebiet der Elektrik bekannt sind.
7B zeigt eine beispielhafte erfindungsgemäße Anordnung der Wärme leitenden und elektrisch isolierenden Schicht 143 in der Einbuchtung der Frontfläche der Anströmkante des Flügels 5. Die Wärme leitende und elektrisch isolierende Schicht 143 sorgt für die Wärmeleitung von den Wärme erzeugenden Widerstandsstreifen zum Erosionsschild, um Vereisung zu verhindern oder eine Enteisung durchzuführen. Die Schicht sorgt auch für die elektrische Isolierung der elektrischen Energiequelle auf den Widerstandsstreifen gegenüber dem Blitzableiterpfad, so dass Blitzschlag nicht die Widerstandsstreifen 144 oder die elektrische Energiequelle beeinträchtigt oder beschädigt. Die Wärme leitende und elektrisch isolierende Schicht 143 wird vorzugsweise als ein einteiliger Streifen zur Verfügung gestellt, der eine Vielzahl von Ausschnitten 220 umfasst. Die Ausschnitte 220 bieten der Energie eines Blitzes, der in den Erosionsschild einschlägt, einen Weg zum internen Blitzableitersystem in dem Flügel. Die Wärme leitende und elektrisch isolierende Schicht 143 kann jedoch in einer Vielzahl von Abschnitten zur Verfügung gestellt werden, beispielsweise, wenn mehrere separate Einbuchtungen auf der Frontseite der Anströmkante bereitgestellt werden.
7C zeigt eine beispielhafte erfindungsgemäße Anordnung des Heizelements (Widerstandsstreifen in dieser Ausführungsform) 145 in der Einbuchtung (nicht gezeigt) der Anströmkante des Flügels 5. Die Widerstandsstreifen 145 können als ein einziger Streifen bereitgestellt werden, der den gesamten Bereich der Einbuchtung bedeckt. Alternativ kann eine Vielzahl von Widerstandsstreifen bereitgestellt werden, beispielsweise, wenn mehrere Einbuchtungen auf der Anström kante bereitgestellt werden. Es werden Ausschnitte 225 in dem Widerstandsstreifen bereitgestellt, die auf dem Streifen neben den Ausschnitten 220 in der Wärme leitenden und elektrisch isolierenden Schicht darüber angeordnet sind. Die Ausschnitte 225 bieten der Energie eines Blitzes, der in den Erosionsschild einschlägt, einen Weg zum internen Blitzableitersystem in dem Flügel, ohne den Widerstandsstreifen 144 oder die angeschlossene Wechselstromquelle zu beeinträchtigen. Obwohl nicht dargestellt, kann eine Vielzahl von Sensoren eingesetzt werden, um die Temperatur der Anströmkante zu erfassen und in Verbindung mit einem Windkraftanlagensteuersystem für die Steuerung des elektrischen Stroms zu sorgen, mit dem die Widerstandsstreifen versorgt werden.
8 zeigt einen erfindungsgemäßen Querschnitt durch die Anströmkante des Flügels an der Einbuchtung und umfasst den Erosionsschild 140, die Wärme leitende und elektrisch isolierende Schicht 143, den Widerstandsstreifen 144 und die Hülle 60 des Flügels. Die Ausschnitte 220 in der Wärme leitenden/elektrisch isolierenden Schicht 143, die Ausschnitte 225 in dem Widerstandsstreifen 144 und die Ausschnitte 230 in der Hülle 60 des Flügels sorgen für den Fluss des Blitzstroms durch den Leiter 160 von der Oberfläche 180 des Erosionsschildes 140 bis zu dem zentralen Leiter 155 in des Flügels.
Es wird weiter ein Verfahren zum integrierten Schutz der Flügelanströmkante zur Verfügung gestellt. Das Verfahren umfasst die Bereitstellung eines Erosionsschildes aus Metall oder modifiziertem Metall für eine Frontfläche der Anströmkante des Windkraftanlagenflügels, um die Anströmkante vor Erosion zu schützen. Das Material und die Dicke des Schildes bieten eine ausreichende Haltbarkeit, um der Erosion zumindest während der Lebensdauer des Flügels standzuhalten. Das Verfahren sieht eine Verbindung des Erosionsschildes aus Metall oder modifiziertem Metall mit einer Blitzableitervorrichtung in des Flügels vor, die die Energie eines in den Schild einschlagenden Blitzes durch den Flügel und durch die Nabe, durch das Maschinenhaus, den Turm und in den Erdboden leitet.
Das Verfahren umfasst weiter das Bereitstellen und die Positionierung der Widerstandsstreifen zwischen dem Erosionsschild und der Frontfläche der Anströmkante. Die Anströmkante kann entweder eine eingebuchtete Frontfläche aufweisen, wie in 3 dargestellt, oder eine konturierte und nicht eingebuchtete Oberfläche wie in 5 gezeigt. Die Widerstandsstreifen können ein einziger Streifen sein, der ungefähr den Gesamtbereich der von dem Erosionsschild bedeckten Frontfläche abdeckt, oder es kann sich um mehrere Widerstandsstreifen handeln, beispielsweise, wenn die Frontfläche der Anströmkante mehr als einen eingebuchteten Bereich aufweist, oder um ausgewählte Bereiche der von dem Erosionsschild bedeckten Anströmkante mit Heizung zu versorgen.
Das Verfahren umfasst ebenfalls die Verbindung der Widerstandsstreifen mit einer elektrischen Energiequelle in dem Flügel und die Bereitstellung einer Schicht aus Wärme leitendem und elektrisch isolierendem Material zwischen den Widerstandsstreifen und dem Erosionsschild, um dem Erosionsschild zur Verhinderung der Eisbildung bzw. zur Enteisung Wärme zuzuführen und gleichzeitig die Widerstandsstreifen und die elektrische Energiequelle in des Flügels gegen die Energie eines Blitzeinschlags in den Erosionsschild zu isolieren. Bei Blitzeinschlag in den Erosionsschild wird die Energie vom Erosionsschild durch das interne Blitzableitersystem des Flü gels in den Erdboden geleitet. Ferner versorgt das Verfahren die Widerstandsstreifen mit elektrischer Energie, um eine Vereisung zu verhindern und die Anströmkante des Flügels zu enteisen.
Das Verfahren kann es ferner umfassen, die äußere Form des Schildes so auszubilden, dass eine aerodynamische Konstruktion der Frontfläche der Anströmkante vervollständigt wird, wenn der Erosionsschild auf einer eingebuchteten Oberfläche der Anströmkante über der Wärme leitenden und elektrisch isolierenden Schicht und den Widerstandsstreifen montiert wird.
Das Verfahren kann es ferner umfassen, die äußere Form des Schildes so auszubilden, dass eine aerodynamische Konstruktion der Frontfläche der Anströmkante vervollständigt wird, wenn der Erosionsschild auf einer nicht eingebuchteten Oberfläche der Anströmkante über der Wärme leitenden und elektrisch isolierenden Schicht und den Widerstandsstreifen montiert wird.
Darüber hinaus kann die Montage des Erosionsschildes über dem Wärme leitenden/elektrisch isolierenden Material und der Vielzahl von Widerstandsstreifen auf einer eingebuchteten oder nicht eingebuchteten Oberfläche der Anströmkante unter Verwendung von entweder einer Haftbefestigung oder einer mechanischen Befestigung oder beidem erfolgen.
4 zeigt ein dezentralisiertes Blitzschlagschutzsystem zum Einfangen und Weiterleiten des elektrischen Stroms eines Blitzschlags. Das Schutzsystem umfasst eine Vielzahl peripherer Leiter 160, die, ausgehend von peripheren Blitzrezeptoren (nicht gezeigt), mit einem zentralen Leiter 155 verbunden sind. Die peripheren Leiter 160 sind von der Spitze nach innen entlang der Flügelspannweite verteilt. Die peripheren Rezeptoren sind in verschiedenen Formen und Größen gestaltete Metallkomponenten zum Anziehen und Weiterleiten der mit einem Blitzeinschlag in ihrer Nähe verbundenen Energie.
Während hier nur gewisse Eigenschaften der Erfindung dargestellt und beschrieben wurden, werden Fachleuten viele Modifikationen und Änderungen einfallen. Es ist daher zu beachten, dass beabsichtigt ist, dass die angefügten Patentansprüche alle derartigen Modifikationen und Änderungen abdecken, soweit sie dem wahren Geist der Erfindung entsprechen.

1: Windkraftanlage
2: tragender Turm
3: Maschinenhaus
4: Rotor
5: Flügel
6: Nabe
10: Flügelfuß
15: Flügelspitze
20: Rotationsrichtungs-Pfeil
25: Anströmkante
30: Anströmkante
45: Punkte elektrischer Verbindung
60: Hülle
100: Flügel
105: Frontfläche
110: Einbuchtung
115: Mittelachse
120: Anströmkante
125: Einbuchtungstiefe
130: Einbuchtungsbreite
135: Schutzeinheit
140: Erosionsschild
143: Wärme leitende/elektrisch isolierende Schicht
144: Widerstandsstreifen
145: Wärme erzeugendes Element
150: peripherer Leiter
155: zentraler Leiter
160: peripherer Leiter
165: Wärmeleitpfad
170: elektrische Energiequelle
175: elektrische Leitungen zu Widerstandsstreifen
180: Außenfläche des Erosionsschildes
185: Innenfläche des Erosionsschildes
190: Innenfläche der Wärme leitenden/elektrisch isolierenden Schicht
195: Außenfläche der Wärme leitenden/elektrisch isolierenden Schicht
200: Außenfläche der Widerstandsstreifen
205: Innenfläche der Widerstandsstreifen
220: Ausschnitt in der Wärme leitenden/elektrisch isolierenden Schicht
225: Ausschnitt in den Widerstandsstreifen
230: Ausschnitt in der Hülle
300: Wärmequelle
305: Heizelement
310: Heizungs-Fluidleitungen für Flüssigkeit oder Gas
315: Hülleninnenfläche
320: Rohre

Claims

Windkraftanlagenflügel, umfassend: eine Anströmkante (120) mit einer Frontfläche (105); einen außerhalb der Frontfläche (105) angeordneten Erosionsschild (140); einen Blitzableiterpfad (160); eine elektrische Verbindung (155) von dem Erosionsschild (140) zu dem Blitzableiterpfad (160); ein in der Nähe des Erosionsschildes (140) und der Frontfläche (105) angeordnetes Heizelement (145); einen Wärmeleitpfad (143) von dem Heizelement (145) zu dem Erosionsschild und Mittel (175) zur Verbindung des Heizelements (145) mit einer Energiequelle in des Flügels (5).
Windkraftanlagenflügel (5) nach Anspruch 1, wobei der Erosionsschild (140) eines der folgenden Elemente umfasst: einen Metallstreifen, einen Streifen aus modifiziertem Metall und eine zweiteilige Schicht aus einer Polymerschicht und einer Metallschicht.
Windkraftanlagenflügel (5) nach Anspruch 2, wobei der Erosionsschild umfasst: einen Streifen, der sich entweder entlang einem Teil der Anströmkante oder entlang der gesamten Anströmkante (120) des Flügels (5) erstreckt.
Windkraftanlagenflügel (5) nach Anspruch 3, wobei der Erosionsschild (140) umfasst: einen Streifen, der entweder zentriert auf der Mittelachse (142) der Anströmkante (120) oder bezogen auf die Mittelachse schräg angeordnet ist oder auf den beides zutrifft.
Windkraftanlagenflügel (5) nach Anspruch 4, wobei der Flügel weiter umfasst: entweder eine Einbuchtung (110) in der Frontfläche oder eine nicht eingebuchtete Frontfläche (105) der Anströmkante (120), für die Aufnahme zumindest eines der folgenden Elemente bemessen: des Erosionsschildes (140), des Wärme leitenden und elektrisch isolierenden Materials (143) und des Heizelements (145); eine derart geformte Außenfläche (180) des Erosionsschildes (140), dass sie eine aerodynamische Konstruktion der Frontfläche (105) der Anströmkante (120) bildet, wenn sie außerhalb von entweder dem Heizelement (145) oder dem Wärme leitenden und elektrisch isolierenden Material (143) oder beiden auf die Einbuchtung in der Anströmkante (120) montiert ist.
Windkraftanlagenflügel (5) nach Anspruch 5, wobei zumindest eines der folgenden Elemente – der Erosionsschild (140), das Wärme leitende und elektrisch isolierende Material (143) und das Heizelement (145) – an der Frontfläche (105) der Anströmkante (120) durch zumindest eines der folgenden Verfahren befestigt ist: Haftbefestigung, mechanische Befes tigung, Befestigung durch die gemeinsame Herstellung mit einer Außenhülle (60) des Flügels (5).
Windkraftanlagenflügel (5) nach Anspruch 5, wobei das Heizelement (145) eine Vielzahl von Wärme erzeugenden Widerstandsstreifen (144) umfasst.
Windkraftanlagenflügel nach Anspruch 7, ferner umfassend: Wärme erzeugende Widerstandsstreifen (144), die von dem Erosionsschild (140) elektrisch isoliert sind; eine elektrische Energiequelle (170), die durch eine Hülle (60) des Flügels (5) mit der Vielzahl von Widerstandsstreifen (144) verbunden ist, und ein Wärme leitendes und elektrisch isolierendes Material (143), das zwischen der Vielzahl von Widerstandsstreifen (144) und dem Erosionsschild (140) angeordnet ist.
Windkraftanlagenflügel nach Anspruch 1, wobei das Heizelement (145) entweder ein Heizelement (305) mit Heißluft oder heißer Flüssigkeit oder beidem ist, und an einer Innenfläche (315) der Frontfläche (105) einer Hülle (60) des Flügels (5) befestigt und in seiner Form dieser Innenfläche angepasst ist.
Windkraftanlagenflügel (5) nach Anspruch 9, wobei das Heizelement (305) mit einer Wärmequelle (300) in des Flügels (5) verbunden ist.