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Title:
WIND TURBINE WITH PROTECTION AGAINST LIGHTNING
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1994/025752
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention concerns a wind turbine with a tower-like mast (10) carrying a rotor fitted with blades (13) and a generator powered by the rotor, the aim of the invention being to provide a suitable lightning-protection installation. To this end, the wind turbine is fitted with a deployable lightning conductor (19), coupled to a thunderstorm detector designed to trigger the deployment of the lightning conductor, and with associated earthing. When deployed, the lightning conductor extends beyond the blades of the rotor which is stopped when the lightning conductor deployment is triggered.

Inventors:
SEDLMAYR GERHARD (DE)
Application Number:
PCT/DE1994/000523
Publication Date:
November 10, 1994
Filing Date:
May 04, 1994
Export Citation:
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Assignee:
AUTOFLUG ENERGIETECH GMBH (DE)
SEDLMAYR GERHARD (DE)
International Classes:
F03D11/00; H02G13/00; (IPC1-7): F03D11/04; H02G13/00
Foreign References:
DE45966C
US5184215A1993-02-02
DE80162C
DE2838238A11980-03-20
US4311434A1982-01-19
US1743526A1930-01-14
EP0016602A11980-10-01
DE4029932A11992-03-26
US4447847A1984-05-08
DE729096C1942-12-09
Other References:
C.W.DODD ET AL: "Maintainability of wind turbines in a lightning environment", ANNUAL ENG.CONF. ON RELIABILITY ETC, 25 May 1983 (1983-05-25), MONTREAL
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Claims:
P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Windkraftanlage mit einem turmartigen Ständer, der einen mit Rotorblättern versehenen Rotor und einen von diesem angetriebenen Generator trägt, dadurch gekennzeichnet, daß an der Windkraftanlage ein ausfahrbarer und mit einem Gewittermelder zu seiner Auslösung gekoppelter Blitzableiter (14, 15, 16, 19) mit zugeordneter Erdung angeordnet ist, wobei der Blitzableiter (14, 15, 16, 19) in seiner ausgefahrenen Stellung die Rotorblätter (13) des im Auslösefall stillgesetzten Rotors (12) überragt.
2. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ausfahrbare Blitzableiter als aus dem turmartigen Ständer (10) nach oben ausfahrbare Stange (14) ausgebildet ist.
3. Windkraftanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß die Stange (14) an ihrem oberen Ende mit einem schirmartig aufspannbaren Gestell (15) versehen ist.
4. Windkraftanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere sowohl nach oben als auch seitlich ausfahrbare Stangen (19) als Blitzableiter angeordnet sind .
5. Windkraftanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Rotorblatt (13) des in der vorgegebenen Position stillgesetzten Rotors (12) eine ausfahrbare und das zugeordnete Rotorblatt (13) überragende Stange (19) als Blitzableiter zugeordnet ist.
6. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der stillgesetzten Stellung des Rotors (12) ein Rotorblatt (13) in einer mit dem Ständer (10) deckungsgleichen Lage steht.
7. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorblätter (13) versetzbar am Rotor (12) angeordnet und im Auslösefall in einer mit dem Ständer (10) deckungsgleichen Lage festlegbar sind.
8. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, daß der ausfahrbare Blitzableiter als den turmartigen Ständer (10) vollständig einhausendes und aus einem am Erdboden eingerichteten Vorratsraum (17) über den Ständer (10) zu entfaltendes Gittergeflecht (16) ausgebildet ist.
9. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorblätter (13) des Rotors (12) in sich teleskopisch ein und ausfahrbar sind .
10. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ständer (10) in seiner Höhe teleskopisch ein und ausfahrbar ist.
11. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in wenigstens einem Rotorblatt (13) ein ausfahrbarer und in der ausgefahrenen Stellung aus der Spitze des Rotorblattes (13) hervortretender Blitzableiter angeordnet ist.
12. Windkraftanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß in der stillgesetzten Stellung des Rotors (12) das mit dem ausfahrbaren Blitzableiter versehene Rotorblatt (13) des Ständer (10) und jedes andere am Rotor (12) vorgesehene Rotorblatt (13) überragt .
13. Windkraftanlage nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß alle an einem Rotor (12) angeordneten Rotorblätter (13) mit einem ausfahrbaren Blitzableiter versehen sind.
Description:
Windkraftanlage mit Blitzschutz

B e s c h r e i b u n g

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 und 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 an ihren äußersten Spitzen besondere Anziehungspunkte für eine Blitzeπtladung ausbilden. Der mit einem Blitzeinschlag verbundene Schaden liegt dann nicht nur in der notwendigen Reparatur der gegebenenfalls durch den Blitzeinschlag zerstörten Teile, wie insbesondere Rotorblätter, sondern in dem oft über einen längeren Zeitraum andauernden völligen Betriebsausfall der betreffenden Windkraf anlage.

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 an der Windkraftanlage ein ausfahrbarer und mit einem Gewittermelder zu seiner Auslösung gekoppelter Blitzableiter mit zugeordneter Erdung angeordnet ist, wobei der Blitzableiter in seiner ausgefahrenen Stellung die Rotorblätter des ± m Auslösefall stillgesetzten Rotors überragt.

Mit der Erfindung ist der Vorteil verbunden, daß die Gefährdung der Windkraftanlage durch Blitzeinschlag vermindert ist, weil die jeweils im Auslösefall ausgefahrenen und die Rotorblätter des stillgesetzten Rotors der Windkraftanlage überragenden Blitzableiter verhindern, daß der Blitz in die Rotorblätter einschlägt. Mit der erfindungsgemäßen Ausfahrbarkeit der Blitzableiter ist zudem der Vorteil verbunden, daß im Normalbetrieb die Blitzableiter nicht sichtbar sind und somit die Optik der in die Landschaft gestellten Windkraftanlagen verbessert ist. Die zur Auslösung der Blitzableiter vorgesehenen Gewittermelder sind bereits bekannt und verfügbar, und sie werden schon zur präventiven Aus- und Umschaltung von gefährdeten Anlagen eingesetzt. Ergibt also die von einem Gewittermelder vorgenommene Beobachtung und Dateπauswertung eine Gefährdungslage für die betreffende Windkraftanlage, so

können nach Stillsetzen der Anlage die Rotorblätter in ihre Blitzschutzstellung gebracht und der Blitzableiter ausgefahren werden.

Entsprechende Gewittermelder sind heute schon teilweise flächendeckend eingerichtet, so daß entsprechende Auslösesignale für die Blitzschutzeinrichtung an Windkraftanlagen zur Verfügung stehen. Insbesondere bei einer Aufstellung von Windkraftanlagen in sogenannten Windkraftanlagen-Parks kann es sich auch empfehlen, dem entsprechenden Windkraftanlageπ-Park einen eigenen Gewittermelder zuzuordnen.

Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der ausfahrbare Blitzableiter als aus der Spitze des turmartigen Ständers ausfahrbare Stange ausgebildet, die nach einem abgewandelten Ausführungsbeispiel zusätzlich an ihrem oberen Ende mit einem schirmartig aufspannbaren Gestell versehen sein kann. Es versteht sich, daß die entsprechende Blitzableiterstange mit einer geeigneten Erdung zu versehen ist, die bei Einschlag eines sogenannten heißen Blitzes für eine Ableitung der Entladungsenergie längs des Ständers sorgt, ohne daß der Ständer selbst in Mitleidenschaft gezogen wird.

Die Schutzwirkung der Windkraftanlage gegen Blitzeinschlag kann dadurch weiter verbessert werden, daß mehrere sowohl nach oben als auch seitlich ausfahrbare Stangen als Blitz¬ ableiter vorgesehen sind, so daß sich eine Art Fangkorb zum Schutz des innerhalb des von den Stangen umfaßten Bereichs stehenden Rotorblattes des in Blitzschutzstelluπg stillgesetzten Rotors ergibt.

Die vorstehend bezeichneten Ausführungsformen sind insbesondere bei zweiflügeligen Rotoren von Windkraftanlagen

anwendbar, wobei dafür Sorge zu tragen ist, daß die ausfahrbaren Blitzableiter-Stangen die Abmessung der Rotorblätter überragen. Dieser Gesichtspunkt gilt grundsätzlich auch für mit drei Rotorblättern ausgerüstete Rotoren, wobei hierfür nach einem zweckmäßigen Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgesehen sein kann, daß jedem einzelnen Rotorblatt des in der Blitzschutzstellung stillgesetzten Rotors eine ausfahrbare und das zugeordnete Rotorblatt überragende Stange des Blitzableiters zugeordnet ist .

Wie schon angesprochen ist vorgesehen, daß auf ein von dem zugeordneten Gewittermelder abgesetztes Signal ein Stillsetzen des Rotors in einer Blitzschutzstellung erfolgt, und hierzu ist vorgesehen, daß in der stillgesetzten Stellung des Rotors ein Rotorblatt in einer mit dem Ständer deckungsgleichen Lage steht; dieses gilt sowohl für zweiflügelige als auch für dreiflügelige Rotoren.

Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, die Gefährdung der Windkraftanlage als solcher durch Blitzeinschlag noch dadurch herabzusetzen, daß .die Rotorblätter versetzbar am Rotor angeordnet und im Auslösefall in einer mit dem Ständer deckungsgleichen Lage festlegbar sind. Mit dem damit verbundenen Einklappen der Rotorblätter in eine parallel zum Ständer liegende Lage sind praktisch keine den Ständer noch überragenden Teile vorgesehen, so daß auch die dabei vorgesehenen ausfahrbaren Blitzableiter in ihren Abmessungen entsprechend geringer gehalten werden können.

Nach einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der ausfahrbare Blitzableiter als ein den turmartigen Ständer

vollständig einhausendes und aus einem am Erdboden eingerichteten Vorratsraum über den Ständer zu entfaltendes Gittergeflecht ausgebildet, so daß um den Ständer mit den in die Blitzschutzstellung gebrachten Rotorblättern ein Faraday-Käfig aufgerichtet wird, der für die Abschirmung des von ihm begrenzten Raumes sorgt. Diese Ausführungsform gilt sowohl für Windkraftanlagen mit feststehenden Rotorblätterπ , bei denen dann die Abmessungen des Gittergeflechtes entsprechend groß gewählt werden müssen, als auch für Rotoren mit einklappbaren Rotorblättern, bei denen sich der vorstehende Vorschlag mit geringerem Aufwand verwirklichen läßt.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, daß das Rotorblatt in sich teleskopisch ein- und ausfahrbar eingerichtet ist, wobei auf vorteilhafte Weise die Schutzwirkung der Windkraftanlage schon dadurch vermindert ist, daß bei teleskopisch in sich zusammengeschobenen Rotorblättern die Ausladung der Windkraftanlage vermindert und so die Gefahr von Blitzein¬ schlägen verringert ist. Gleichzeitig hat diese Ausführung den Vorteil, daß die im einzelnen vorgesehenen und im Auslösefall in Position zu bringenden Blitzableiter weniger aufwendig ausgeführt sein müssen, weil die Ausladung der Rotorblätter ganz wesentlich verringert ist. Dies gilt insbesondere für das Ausführungsbeispiel mit dem über den Ständer zu entfaltenden Gittergeflecht, bei welchem dieser Vorteil der Erfindung zum Tragen kommt.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung sieht vor, daß der Ständer in seiner Höhe teleskopisch ein- und ausfahrbar ist; auch mit dieser Maßnahme wird die Gefährdung der Windkraftanlage als solche gegen Blitzeinschlag schon wesentlich vermindert, weil die exponierte Höhe der Windkraftanlage damit vermindert werden kann. Gleichzeitig

ist der für den Blitzableiter erforderliche Aufwand verringert, und schließlich ist mit dieser Ausführungsform der besondere Vorteil verbunden, daß die durch die Teleskopierbarkeit des Ständers ermöglichte Bauhöheπver- ringerung auch den Reparatur- und Montageaufwand wesentlich verringern hilft, weil bei zusammengeschobenem Ständer der Rotor beziehungsweise der mit ihm verbundene Generator besser erreichbar werden.

Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung kann vorgesehen sein, daß in wenigstens einem Rotorblatt ein ausfahrbarer und in der ausgefahrenen Stellung aus der Spitze des Rotorblattes hervortretender Blitzableiter angeordnet ist; hierbei ist dafür Sorge zu tragen, daß in der stillgesetzten Stellung des Rotors das mit dem ausfahrbaren Blitzableiter versehene Rotorblatt den Ständer und jedes andere am Rotor angeordnete Rotorblatt überragt; bei einer entsprechenden Blitzwarnung kann der in dem Rotorblatt ausfahrbar angeordnete Blitzableiter aus dem Rotorblatt ausgefahren werden, so daß der so gebildete Blitzableiter den höchsten Punkt der Windkraftanlage bildet und den Blitzschutz übernimmt. Nach einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung können auch alle an einem Rotor angeordneten Rotorblätter mit einem ausfahrbaren Blitzableiter versehen sein.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung wiedergegeben, welche nachstehend beschrieben sind. Es zeigen :

Fig. 1 eine Windkraftanlage mit zweiflügeligem Rotor mit ausgefahrener Blitzableiter-Stange,

Fig. 2 eine Windkraf anlage gemäß Figur 1 mit mehreren Blitzableiter-Stangen,

Fig. 3 eine Windkraftanlage mit einem dreiflügeligen Rotor und den einzelnen Rotorblättern zugeordneten Blitzableiter-Stangen,

Fig. 4 eine Windkraftanlage mit versetzbaren Rotorblättern in Blitzschutzstellung,

Fig. 5 den Gegenstand der Figur 4 in einer anderen Ausführungsform.

In Figur 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 Generator 11, der von einem Rotor 12 mit zwei Rotorblättern 13 angetrieben wird. Mit 14 ist eine Blitzableiter-Stange bezeichnet, die. in der in Figur 1 ersichtlichen Darstellung ausgefahren ist und eine solche Länge hat, daß sie die Länge des einzelnen Rotorblattes 13 übersteigt, auch wenn der Rotor 12 in einer Stellung stillgesetzt ist, in welcher ein Rotorblatt 13 parallel zum Ständer 10 liegt.

Bei dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind bei einem mit zwei Rotorblättern 13 ausgebildeten Rotor 12

nun mehrere sowohl nach oben als auch seitlich ausfahrbare Blitzableiter-Stangen 19 angeordnet, die eine Art Fangkorb in Form eines umgekehrten Regenschirms ausbilden, wobei jede einzelne Blitzableiter-Stange 19 den von den Rotorblättern 13 überstrichenen Umfangskreis überragt.

Bei dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Rotor 12 nun drei Rotorblätter 13 auf, denen jeweils eine ausfahrbare Stange 19 als Blitzableiter zugeordnet ist, wobei die Zuordnung davon ausgeht, daß das Stillsetzen des Rotors 12 in einer Lage erfolgt, in welcher ein Rotorblatt 13 in einer zum Ständer 10 parallel ausgerichteten Lage steht.

Bei dem in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Rotorblätter 13 eines zwei- oder auch dreiflügelig ausgebildeten Rotors 12 beweglich am Rotor 12 angeordnet und somit in eine gemeinsame Stellung einklappbar, in welcher die Rotorblätter 13 in etwa deckungsgleich mit dem Ständer 10 liegen, so daß eine exponierte Lage der Rotorblätter bei Blitzgefährdung vermieden ist. Als Blitzschutz ist aus dem Ständer 10 eine Blitzableiter-Stange 14 ausgefahren, die an ihrer oberen Spitze ein schirmartiges Gestell 15 trägt, welches mit dem Ausfahren der Stange 14 entfaltet wird. Die Ausfahrhöhe der Stange 14 und die Entfaltungsgröße des Gestells 15 sind im Einzelfall je nach Ausführung der Windkraftanlage zu optimieren.

Es versteht sich, daß das aus Figur 4 ersichtliche schirm¬ artige Gestell 15 am oberen Ende der Blitzableiter-Stange 14 auch bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel Anwendung finden kann.

Bei den vorstehend erörterten Ausführungsbeispielen ist eine Erdungsleitung von der zugeordneten Blitzschutz-Stange 14, 19 an dem Ständer 10 so hinabzuführen, daß beim Einschlag eines heißen Blitzes die Energieabfuhr ohne Beschädigung des Ständers 10 erfolgt.

In Figur 5 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung schematisch angedeutet, bei welcher wiederum die Rotor¬ blätter 13 zunächst in ihre Blitzschutzstellung am Ständer 10 gebracht sind, wie dies zu Figur 4 beschrieben ist.

Ein Gittergeflecht 16 ist nach Art eines Faraday-Käfigs um den Ständer 10 aufgespannt, wobei das Gittergeflecht 16 aus einem am Erdboden, insbesondere im Fundament der Windkraftanlage angeordneten Vorratsraum 17 ausgezogen ist; geeignete AufSpannmechanismen sind hierzu vorzusehen, die für ein Aufspannen des Gittergeflechtes 16 beispielsweise über die auf dem Ständer 10 sitzende Halte- und Montagestange 18 sorgen. Hierzu können geeignete Seilführungen mit entsprechenden Winden dienen; es ist auch möglich, entsprechende Halteseile von dem Vorratsraum 17 zur Halte- und Montagestange 18 zu führen und längs so vorgespannter Seile für ein Aufziehen des Gittergeflechtes 16 zu sorgen.

Das vorstehend beschriebene Konzept eines Faraday-Käfigs zum Schutz der Windkraftanlage läßt sich auch ' bei den in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispielen verwirklichen, wobei das Gittergeflecht 16 dann die Rotorblätter 13 mit umspannen muß. Das bedeutet, daß der Vorratsraum 17 in entsprechend größerer Entfernung zum Ständer 10 am Erdboden angeordnet sein muß, um das Überspannen der Windkraftanlage zu ermöglichen.

Wie nicht weiter dargestellt kann vorgesehen sein, die Rotorblätter 13 des Rotors 12 jedes für sich teleskopisch in sich ein- und ausfahrbar einzurichten, so daß die Ausladung der Rotorblätter 13 vermindert werden kann. -Damit werden insbesondere die an die Ausladung des ausfahrbaren Blitzableiters zu stellenden Anforderungen verringert. Bei der Teleskopierbarkeit der Rotorblätter ist insbesondere auf eine sichere Arretierung für den Betriebsfall zu achten; der Antrieb der entsprechenden Teleskopeinrichtung kann beispielsweise hydraulisch oder mechanisch beziehungsweise bei einfacheren Anlagen auch durch entsprechende Seilzüge erfolgen .

In gleicher Weise ist auch der Ständer 10 teleskopisch ein- und ausfahrbar einzurichten, wobei hierfür dieselben Gesichtspunkte wie hinsichtlich der Ein- und Ausfahrbarkeit der Rotorblätter gelten. In diesem Zusammenhang versteht es sich, daß insbesondere bei dreiflügeligen Rotoren zusätzlich zur Teleskopierbarkeit des Ständers wenigstens ein Rotorblatt teleskopisch ein- und ausfahrbar sein muß, um beim Einfahren des Ständers 10 den nötigen Spielraum zu geben .

Ohne eine zeichnerische Darstellung umfaßt die Erfindung auch eine Ausführungsform, bei welcher in wenigstens einem Rotorblatt ein ausfahrbarer und in ausgefahrenem Zustand aus der Spitze des betreffenden Rotorblattes hervortretender Blitzableiter angeordnet ist; zweckmäßig weist jedes Rotorblatt des Rotors einen solchen Blitzableiter auf. In diesem Zusammenhang muß beim Stillsetzen der Windkraftanlage aufgrund eines entsprechenden Warnsignals gewährleistet sein, daß das den höchsten Punkt der Windkraftanlage bildende Rotorblatt mit einem ausfahrbaren Blitzschutz versehen ist. Der ausfahrbare Blitzschutz kann dabei

als aus dem Rotorblatt ausfahrbare Stange ausgebildet sein, die wiederum selbst als Teleskopstange ausgebildet sein kann; als Antrieb sind mechanische, elektrische, hydraulische oder pneumatische Antriebe möglich.

Die in der vorstehenden Beschreibung, den Patentansprüchen, der Zusammenfassung und der Zeichnung offenbarten Merkmale des Gegenstandes dieser Unterlagen können einzeln als auch in beliebigen Kombinationen untereinander für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.




 
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