WO2014023734A1

WO2014023734A1 - Cfk widerstandsblattheizung

Info

Publication number: WO2014023734A1
Application number: PCT/EP2013/066487
Authority: WO
Inventors: Christian CLEMENS
Original assignee: Wobben Properties GmbH
Current assignee: Wobben Properties GmbH
Priority date: 2012-08-06
Filing date: 2013-08-06
Publication date: 2014-02-13
Anticipated expiration: 2015-02-06
Also published as: EP2880308B1; CA2878999A1; MX2015001372A; JP6085679B2; AU2013301544A1; CN104520582A; DK2880308T3; TW201418573A; AU2013301544B2; RU2015107734A; AR092052A1; CL2015000270A1; US20150204311A1; RU2619388C2; ZA201500204B; IN2015DN00362A; EP2880308A1; JP2015531038A; KR101699640B1; CN104520582B

Description

CFK Widerstandsblattheizung

Die Erfindung betrifft ein beheizbares Rotorblatt einer Windenergieanlage. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Beheizen eines Rotorblattes einer Windenergieanlage und die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung einen in einem Rotorblatt auszubildenden Überspannungsabieiter und die Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung zum Beheizen eines Rotorblattes. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Auslegen einer Heizvorrichtung.

An den Rotorblättern von Windenergieanlagen kann es bei Temperaturen unter 0°C oder knapp darüber zu Vereisungen kommen. Diesem Problem wird nach dem Stand der Technik begegnet durch Rotorblattheizungen. Ein Verfahren zum Enteisen eines Rotor- blattes einer Windenergieanlage ist bekannt aus EP 0842360. Diesem Verfahren liegt die Aufgabe zugrunde, ein in konstruktiver Hinsicht möglichst einfaches und damit kostengünstiges, dabei jedoch effektives Verfahren zur Vermeidung der sich aus Vereisungen der Rotorblätter ergebenden Nachteile zu finden. Diese Aufgabe wird gemäß dem genannten Dokument so gelöst, dass ein erwärmtes Wärmeträgermedium nach Durchströ- men eines blattnasenseitigen Hohlraumes mit entsprechender Wärmeabgabe an Bereiche der Blattwand in einen blatthinterkantenseitigen Hohlraum gelenkt und daraus abgeleitet wird. Nach Einleitung der Warmluft an der Blattwurzel kühlt sich diese entlang der Blattlängsachse (Blattradius) ab. Dies hat den Nachteil, dass die Abtauwirkung am Ort des stärksten Eisansatzes, nämlich der Blattspitze bereits stark reduziert ist. Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, zumindest eines der o.g. Probleme zu adressieren. Insbesondere soll eine Lösung vorgeschlagen werden, die möglichst gezielt Heizleistung bereitstellen kann, die an die jeweilige Position entlang des Rotorblattes angepasst ist. Zumindest soll eine alternative Lösung vorgeschlagen werden.

Erfindungsgemäß wird ein Rotorblatt gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen. Demnach ist eine Heizvorrichtung vorgesehen, die im Bereich der Rotorblattoberfläche angeordnet ist, um das Rotorblatt zu beheizen. Die Anordnung im Bereich der Rotorblattoberfläche bedeutet insbesondere, dass diese Heizvorrichtung in einer bzw. der Außenschale des Rotorblattes angeordnet ist. Die Heizvorrichtung kann hierfür in diese Außenschale eingearbeitet sein, insbesondere im Falle einer Außenschale aus faserverstärktem Kunststoff kann sie in dieses Material einlaminiert sein. Außerdem kann sie auch unmittelbar innen an der Außenschale befestigt sein, wie bspw. flächig angeklebt sein. Die Heizvorrichtung weist Heizstränge auf und die Heizstränge sind sinusförmig, wellenförmig und/oder zickzackförmig ausgebildet. Ihre Ausbildung lässt sich sprachlich anhand eines sinusförmigen Verlaufs gut erläutern, was nachfolgend teilweise gemacht wird. Die dabei beschriebenen und ausgenutzten Effekte sind aber nicht auf eine Sinusform im streng mathematischen Sinne beschränkt. Es kommt darauf an, dass die Heizstränge nicht unmittelbar gerade bzw. gestreckt verlaufen, sondern durch ihre sinusförmige, wellenförmige oder zickzackförmige Ausgestaltung von einer solchen linienförmigen, insbesondere geradlinigen Ausgestaltungen abweichen. Durch diese Ausgestaltung wird jeder Heizstrang somit auch in einem Streifen und damit in einer Fläche, statt nur entlang einer Linie, ausgebildet. Dieser Streifen bzw. diese Fläche ist dabei parallel zur Rotorblattoberfläche in dem jeweiligen Bereich angeordnet. Bezogen auf die Sinusform bedeutet das, dass diese parallel zur Blattoberfläche schwingt.

Eine Sinusfunktion weist eine Amplitude und eine Periodenlänge auf. Diese Werte charakterisieren, neben einer Phasenlage auf die es hier weniger ankommt, einen Sinusver- lauf. In ähnlicher Weise charakterisiert eine Amplitude die Wellenhöhe im Fallen des wellenförmigen Verlaufs und eine Amplitude charakterisiert die Zackenhöhe im Falle eines zickzackförmigen Verlaufs. Die Periodenlänge beschreibt den Abstand von einem Spitzenwert zum Nächsten, oder von einem Nulldurchgang der Kurve zum übernächsten Nulldurchgang. In diesem Sinne beschreibt die Wellenlänge auch den Abstand zweier Wellenberge im Falle der wellenförmigen Ausgestaltung bzw. den Abstand zweier benachbarter Zacken im Falle der zackenförmigen Ausgestaltung. Hierfür wird für den sinusförmigen Verlauf, den wellenförmigen Verlauf und auch den zickzackförmigen Verlauf zusammenfassend und vereinheitlichend vorliegend von Wellenlänge gesprochen. Es wird nun vorgeschlagen, dass die Amplitude und/oder die Wellenlänge entlang der Heizstränge variiert, um dadurch abschnittsweise eine spezifische Flächenheizleistung der Heizvorrichtung zu variieren.

Hier liegt insbesondere der Gedanke zugrunde, dass durch Variation der Amplitude und/oder der Wellenlänge bei unverändertem Abstand zwischen Anfangspunkt und Endpunkt des jeweiligen Heizstrangs, dennoch die zum Heizen wirksame Länge des Heizstrang s erhöht und damit die Heizleistung dieser Strecke zwischen besagtem Anfangs- und Endpunkt erhöht wird. Die Heizstränge sind elektrische leitfähig und werden zum Beheizen mit einem entsprechend elektrischen Heizstrom beaufschlagt. Dieser Heizstrom ist, gemäß dem Kirchhoff- schen Knotensatz, entlang jedes Heizstrangs gleich groß und führt daher in jedem gleich langen Strangabschnitt des Heizstrangs zu derselben Heizleistung. Durch eine Verringe- rung der Wellenlänge können mehr gleich lange Abschnitte eines Heizstrangs auf derselben Fläche untergebracht werden, wodurch sich die Heizleistung dieser Fläche erhöht. Es erhöht sich also die spezifische Flächenheizleistung hierdurch. Eine solche Erhöhung ist grundsätzlich auch durch eine Erhöhung der Amplitude erzielbar, wobei dies für die Betrachtung eines einzelnen Heizstrangs zunächst zu einem breiteren Bereich führen würde, in dem dieser Heizstrang verläuft. Bei der Verwendung vieler parallel verlaufender und im Grunde in Phase schwingender Heizstränge kann eine Erhöhung der Amplitude mit nur geringer Verbreiterung des Heizstreifens erreicht werden, in dem diese Heizstränge angeordnet sind.

Vorzugsweise verlaufen die Amplitude und die Wellenlänge jeweils parallel zur Rotor- blattoberfläche. Die Heizstränge bilden somit eine flächige Anordnung und diese flächige Anordnung ist parallel zur Rotorblattoberfläche und in ihrer Nähe angeordnet und kann dort gezielt die Rotorblattoberfläche beheizen. Es ist zu beachten, dass die Beheizung dem Ziele dient, eine Vereisung zu verhindern oder zu lösen. Insoweit wird die Heizleistung an der Rotorblattoberfläche benötigt. Vorzugsweise verlaufen die Heizstränge in Längsrichtung des Rotorblattes. Dadurch können zunächst die Heizstränge in Richtung der Blattwurzel zur Rotorblattspitze verlegt werden und entsprechend lange Bereiche des Rotorblatts überspannen. Durch die Ausrichtung in Rotorblattlängsachse kann dabei durch Variation insbesondere der Wellenlänge eine Variation der spezifischen Flächenheizleistung in Längsrichtung des Rotorblattes erreicht werden. Somit kann durch die vorgeschlagene Variation der spezifischen Flächenheizleistung in Rotorblattlängsrichtung dem Umstand Rechnung getragen werden, dass eine Vereisung besonders stark im Bereich der Rotorblattspitze zu erwarten ist. Hieran kann nun auf einfache Art und Weise die spezifische Heizleistung örtlich, also bezogen auf die Position entlang des Rotorblattes, angepasst werden. Vorzugsweise wird auch vorgeschlagen, dass die Heizstränge zur Rotorblattspitze hin eine konstante Wellenlänge und/oder eine kleiner Amplitude aufweisen. Die spezifische Flächenheizleistung wird vorzugsweise über die Wahl des jeweiligen Abstandes benachbarter Heizstränge, die Wahl der Wellenlänge der Heizstränge und die Wahl der Amplitude der Heizstränge eingestellt.

Vorteilhaft ist auch, dass eine verringerte Amplitude durch eine Verringerung der Wellen- länge ausgeglichen werden kann. Macht bspw. ein geringeres Platzangebot eine Verringerung der Amplitude erforderlich, könnte dies zu einer Verringerung der spezifischen Flächenheizleistung führen, die wiederum durch eine Verringerung der Wellenlänge erhöht werden könnte, um somit einen Ausgleich zu schaffen.

Gemäß einer Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die Heizstränge als Kohlefasern und/oder als Kohlefaserrovings in das Rotorblatt eingearbeitet sind. Eine solche Ausgestaltung wird insbesondere vorgeschlagen, wenn das Rotorblatt, zumindest im Bereich ihrer Außenschale aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere kohlefaserverstärktem Kunststoff gefertigt ist. In diesem Fall sind die Kohlefasern oder Kohlefaserrovings an die Verwendung in einem solchen Material bzw. innerhalb einer solchen Struktur angepasst. Der Aufbau der Außenschale kann sich somit auf bekannten Materialen beschränken.

Es ist aber zu beachten, dass die Heizstränge praktisch keinen Beitrag zur Stabilisierung des Rotorblattes liefern können, weil sie nicht gerade verlegt sind. Damit ist die Stabilität und damit Auslegung der Stabilität des Rotorblattes von diesen Heizsträngen unabhängig. Das erleichtert die Auslegung. Die Heizstränge aus Kohlefasern oder Kohlefaserrovings können somit auf einfache Art und Weise vorgesehen werden und sie bilden ein gut geeignetes Material als elektrischer Heizwiderstand, weil sie, vereinfacht ausgedrückt, eine elektrische Leitfähigkeit besitzen, die aber vergleichsweise gering ist, jedenfalls im Vergleich zu üblichen metallischen Leitern. Gemäß einer Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die Heizstränge in Heizgruppen aus mehreren parallel geschalteten Heizsträngen aufgeteilt sind und mehrere Heizgruppen zueinander in Reihe geschaltet sind. Demnach verlaufen mehrere, meist sehr viele Heizstränge in einer Heizgruppe parallel zueinander und sind auch elektrisch parallel geschaltet, indem sie an einem gemeinsamen Anfangsknoten und einem gemeinsamen Endknoten elektrisch zusammengeschaltet sind. Die Heizstränge einer Heizgruppe verlaufen vorzugsweise auch hinsichtlich ihrer Sinusform, Wellenform und/oder Zickzackform parallel zueinander, insbesondere etwa in Phase. Mehrere solcher Heizgruppen werden elektrisch in Reihe geschaltet, insbesondere entlang der Rotorblattlängsrichtung auch in einer Reihe angeordnet. Durch diese Reihenschaltung fließt derselbe Strom durch jede Heizgruppe. Weist jede Heizgruppe auch jeweils gleich viele Heizstränge auf, die auch innerhalb einer Heizgruppe dieselben elektrischen Werte aufweisen, fließt auch in jedem Heizstrang derselbe Strom. Durch die Veränderung bzw. unterschiedliche Auswahl der Wellenlänge der Heizstränge für unterschiedliche Heizgruppen lässt sich eine unterschiedliche spezifische Flächenheizleistung jeder dieser Heizgruppen einstellen. Es kann aber gleichwohl auch oder alternativ hierdurch eine spezifische Flächenheizleistung innerhalb einer Heizgruppe variiert werden. Überhaupt ermöglicht diese Variation der Amplitude und/oder Wellenlänge entlang der Rotorblattlängsachse eine kontinuierliche bzw. stufenlose Einstellung der jeweils gewünschten spezifischen Flächenheizleistung. Dies kann insoweit unabhängig einer bestimmten Verschaltung in Heizgruppen oder anderweitig erfolgen und wird allein durch die Variation der Wellenlänge und/oder der Amplitude ermöglicht. Vorzugsweise ist die Heizvorrichtung insgesamt bzw. gruppenweise in Umfangsrichtung um das Rotorblatt, nämlich um die Rotorblattachse, herum angeordnet. Es wird also gemäß dieser Ausführungsform eine Unterteilung in Umfangsrichtung der Heizvorrichtung und/oder der Heizgruppen vermieden. Auch für diese Anordnung wird bevorzugt, dass die Heizvorrichtung in die Blattschale eingearbeitet ist, insbesondere einlaminiert ist. Gemäß einer Ausführungsform können aber, um bspw. eine Strukturierung zu vereinfachen, einheitlich für unterschiedliche Heizgruppen unterschiedliche Amplituden und/oder unterschiedliche Wellenlängen vorgesehen sein. Wird einer bestimmten Heizgruppe eine bestimmte Wellenlänge und eine bestimmte Amplitude zugeordnet, kann dadurch der Heizgruppe die entsprechende spezifische Flächenheizleistung, bei vorgegebenem Heizstrom, zugeordnet werden.

Eine weitere Ausführungsform schlägt vor, dass das Rotorblatt ein elektrisches Blitzableitungssystem zum Ableiten eines Blitzes aufweist. Hierfür wird weiter vorgesehen, dass die Heizvorrichtung über Funkenstrecken oder andere Überspannungsschutzeinrichtung bzw. Überspannungsabieiter mit dem Blitzableitungssystem so gekoppelt ist, dass eine galvanische Trennung vorliegt, solange kein Blitz in das Rotorblatt einschlägt und der Überspannungsleiter bzw. die Funkenstrecke von elektrischem Strom passiert bzw. übersprungen werden, wenn durch einen Blitzschlag in das Rotorblatt eine elektrische Spannung in der Heizvorrichtung induziert wird. Die Heizvorrichtung ist somit mit dem Blitzableitungssystem gekoppelt, aber im Normalbetrieb galvanisch getrennt. Diese Verbindung zum Blitzableitungssystem beeinflusst somit den Normalbetrieb der Heizvorrichtung nicht.

Ein solcher Überspannungsabieiter kann bspw. als entsprechend dimensionierte Diode oder als Varistor ausgebildet sein bzw. solche Bauelemente beinhalten. Solche Bauelemente sind, teilweise stromrichtungsabhängig, erst ab einer bestimmten Spannung leitend und weisen davor einen sehr hohen elektrischen Widerstand auf, was hier auch als galvanisch nicht leitend bezeichnet wird. Der Überspannungsabieiter leitet Überspannungen ab und ist insoweit ein Überspannungsschutz und der Begriff Überspannungs- schütz wird in der vorliegenden Anmeldung synonym für Überspannungsabieiter verwendet. Eine mögliche Ausführungsform des Überspannungsabieiters ist eine Funkenstrecke, die insoweit repräsentativ für diverse, auch nicht aufgeführte, Überspannungsabieiter beschrieben wird.

Schlägt nun ein Blitz in das Rotorblatt ein, kann aber ein Potentialausgleich über diese Funkenstrecken ggf. durchgeführt werden. Ein solcher Potentialausgleich wird besonders dann erforderlich, wenn ein Blitz in das Rotorblatt einschlägt, zu einem hohen Strom in dem Blitzableitungssystem führt und dadurch in der Heizvorrichtung, insbesondere in den Heizsträngen eine Spannung induziert. Diese Spannung sollte insbesondere zum Schutz der Heizvorrichtung abgeführt werden bzw. ausgeglichen werden, wozu die Funkenstre- cken bzw. andere Überspannungsschutzeinrichtungen vorgesehen sind.

Gemäß einer Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass am Anfang und am Ende der Heizvorrichtung und zwischen jeder Heizgruppe jeweils ein Überspannungsabieiter, insbesondere eine Funkenstrecke zur Ankopplung der Heizvorrichtung an das Blitzableitungssystem angeordnet ist. Hierdurch wird eine hohe Spannung über die gesamte Strecke der Heizvorrichtung, die im Falle eines Blitzeinschlags induziert würde, vermieden werden, weil bereits Potentialausgleiche in den Zwischenbereichen, nämlich zwischen den Heizgruppen durch die Funkenstrecken erreicht werden. Die maximal hierbei anliegende Spannung ist für jede Heizgruppe auf die Spannung beschränkt, die auch in genau dieser Heizgruppe induziert werden würde, bevor die Spannung an einer Fun- kenstrecke überschlägt.

Vorzugsweise weist das Rotorblatt eine Blattwurzel und eine Blattspitze auf und die Heizvorrichtung ist in zwei in Reihe geschaltete Abschnitte aufgeteilt. Hiervon verläuft der erste Abschnitt von der Blattwurzel zur Blattspitze und der zweite zurück von der Blatt- spitze zur Blattwurzel. Diese beiden Abschnitte können nun auf einfache Weise im Bereich der Blattwurzel an eine Stromversorgung angeschlossen werden, um dort den Heizstrom zur Verfügung zu stellen. Der Heizstrom fließt somit, vereinfachend ausgedrückt, durch den ersten Abschnitt zur Blattspitze hin und durch den zweiten Abschnitt von der Blattspitze zurück. Alternativ kann auch eine Versorgungsleitung von der Blattwurzel bis zur Blattspitze geführt werden, wenn die Heizvorrichtung nicht in die beschriebenen oder ähnlichen Abschnitte aufgeteilt ist.

Erfindungsgemäß wird zudem eine Windenergieanlage vorgeschlagen, die einen Rotor mit wenigstens einem Rotorblatt aufweist. Üblicherweise sind aber drei Rotorblätter vorgesehen. Diese Windenergieanlage ist dadurch gekennzeichnet, dass ihre Rotorblätter eine Heizvorrichtung aufweisen und insbesondere so ausgebildet sind, wie oben gemäß wenigstens einer Ausführungsform beschrieben wurde. Somit kann die Windenergieanlage besonders gut auch für Situationen einsetzbar gemacht werden, bei denen ein Eisansatz auftreten kann. Erfindungsgemäß wird zudem ein Überspannungsabieiter, insbesondere eine Funkenstrecke vorgeschlagen, die dazu vorbereitet sind, eine Kopplung zwischen einem elektrischen Blitzableitungssystem eines Rotorblattes und einer Heizvorrichtung zum Beheizen des Rotorblattes herzustellen. Der Überspannungsabieiter, bzw. die Funkenstrecke sind dazu vorbereitet, die Kopplung so herzustellen, dass eine galvanische Trennung vorliegt, solange kein Blitz in das Rotorblatt einschlägt und dass der Überspannungsabieiter bzw. die Funkenstrecke vom Strom passiert bzw. übersprungen wird, also ein elektrischer Überschlag erreicht wird, wenn durch einen Blitzschlag in das Rotorblatt, nämlich insbesondere in das Blitzableitungssystem, eine elektrische Spannung in der Heizvorrichtung induziert wird. Die Funkenstrecke verhindert also im Normalbetrieb eine galvanische Verbindung. Für den Fall des Blitzschlages ist der Überspannungsabieiter bzw. die Funkenstrecke so dimensioniert, dass die sich dabei einstellende Spannung zu einem Überschlag führen kann, der Überspannungsabieiter bzw. die Funkenstrecke sind also so dimensioniert, dass der normale Heizbetrieb, bei dem die Heizvorrichtung mit elektrischem Strom zum Heizen beaufschlagt wird, nicht zu einem Funkenüberschlag an der Funkenstrecke führt. Gleichzeitig muss die Funkenstrecke oder anderer Überspannungsabieiter aber so dimensioniert sein, insbesondere einen so geringen Abstand aufweisen, dass im Falle der durch Blitzschlag induzierten Spannung ein Überschlag stattfinden kann, bevor eine solche Spannung eine die Heizvorrichtung gefährdende Spannungshöhe erreicht. Vorzugsweise ist der Überspannungsabieiter gekapselt ausgeführt, insbesondere als Modul, so dass im Falle eines Blitzschlags und resultierendem Spannungsüberschlag in dem Spannungsabieiter eine Brand- oder Explosionsgefahr für den Überspannungsabieiter umgebende Elemente vermieden wird und der Spannungsabieiter von außen aus dem Rotorblatt (1 ) entnommen und/oder in das Rotorblatt (1 ) eingesetzt werden kann. Im Falle eines Blitzschlags können an dem Überspannungsabieiter kurzzeitig hohe Spannungen und/oder hohe Ströme auftreten, deren Einfluss auf umgebende Elemente, insbesondere die Rotorblattschale oder andere Elemente des Rotorblattes zerstörerisch sein kann und durch die vorgeschlagene Einkapselung vermieden, zumindest begrenzt wird. Beispielsweise können hier durch Explosionen im Rotorblatt vermieden werden, die durch einen solchen Spannungsüberschlag ansonsten entstehen können.

Gemäß einer Ausführungsform ist der Überspannungsabieiter als Funkenstrecke ausgebildet, die einen Rezeptor und einen Funkendorn aufweist. Der Rezeptor wird mit dem Blitzableitungssystem verbunden und stellt dazu eine galvanische Verbindung her. In den Rezeptor kann insoweit auch ein Blitz einschlagen, der dann dadurch das Blitzableitungssystem erreicht. Der Funkendorn ist mit der Heizvorrichtung verbunden und gegen den Rezeptor im Grunde isoliert. Es wird ein Funkenabstand zwischen dem Rezeptor und dem Funkendorn festgelegt, der so gewählt wird, dass er eine Überschlagsspannung festlegt, nämlich diejenige Spannung, bei der ein Funke zwischen dem Funkendorn und dem Rezeptor überschlägt. Somit kann diese Überschlagsspannung durch den Abstand zwischen Funkendorn und Rezeptor, nämlich den Funkenabstand, festgelegt werden. Vorzugsweise ist der Funkenabstand einstellbar. Hierdurch können zum Einen Justierungen bei der Installation vorgenommen werden, zum Anderen kann auch eine Anpassung vorgenommen werden, wenn sich der Abstand bspw. durch Ablagerungen verändert hat. Eins solcher Abstand zwischen Funkendorn und Rezeptor kann auch anderweitig festgesetzt werden und es braucht dazu auch kein Dorn verwendet zu werden, sondern es kann auch eine andere Form, z.B. eine Kugeloberfläche gewählt werden.

Vorzugsweise sind der Rezeptor und der Funkendorn oder wenigstens einen Isolator fest miteinander verbunden. Insoweit können Funkendorn und Rezeptor zusammen mit dem Isolator und ggf. weiteren Elementen eine feste Einheit bilden. Sie sind vorzugsweise als Modul ausgebildet, so dass sie, also dieses Modul, von außen aus dem Rotorblatt entnommen oder in das Rotorblatt eingesetzt werden kann. Insbesondere im Falle eines Blitzschlags, und darauf basierend einem Funkenüberschlag zwischen Funkendorn und Rezeptor, kann dieser Einfluss auf die Überschlagsspannung haben. Ggf. muss der Abstand zwischen Rezeptor und Funkendorn eingestellt werden, eine Reinigung vorgenommen werden und/oder etwas an dieser Funkenstrecke repariert werden. Zu diesem Zweck kann ein solches Modul entnehmbar sein, um es zu reparieren, oder ein Ersatzmodul einzusetzen. Erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zum Auslegen einer Heizvorrichtung vorgeschlagen, wobei

- die Heizvorrichtung elektrisch leitfähige Heizstränge aufweist und

-die Heizstränge sinusförmig, wellenförmig und/oder zickzackförmig verlaufen, mit

- einer Amplitude, die eine Sinusamplitude, Wellenhöhe bzw. Zackenhöhe definiert, und - einer Wellenlänge, die eine Periodenlänge, eine Wellenlänge bzw. einen Zackenabstand definiert, wobei

- die Amplitude und/oder die Wellenlänge entlang der Heizstränge variiert, um dadurch abschnittsweise eine spezifische Flächenheizleistung der Heizvorrichtung zu variieren, wobei die Heizvorrichtung in mehrere Heizabschnitt unterteilt ist und abschnittsweise die Amplitude, die Wellenlänge und ein Abstand zwischen den Heizsträngen so ausgewählt wird, dass bei vorgegebenem elektrischem Heizstrom eine für den betreffenden Heizabschnitt vorgesehene spezifische Flächenheizleistung erreicht wird.

Somit erfolgt eine Auslegung einer Heizvorrichtung für ein Rotorblatt so, dass die Ampli- tude und die Wellenlänge sowie die Abstände zwischen benachbarten Heizsträngen gezielt genutzt werden, um die gewünschte bzw. als notwendig festgestellte spezifische Flächenheizleistung einzustellen. Durch diese drei Parameter können somit weitere Einflussgrößen berücksichtigt werden, wie beispielsweise die jeweils vorhandene Baugröße, die bereits durch enger liegende Heizstränge, also einen geringen Abstand, be- rücksichtigt werden kann.

Erfindungsgemäß wird zudem eine Heizvorrichtung vorgeschlagen, die zum Beheizen eines Rotorblatts einer Windenergieanlagen vorgesehen ist und die so ausgebildet ist, wie oben im Zusammenhang mit der Beschreibung wenigstens einer Ausführungsformen des Rotorblattes beschrieben wurde. Erfindungsgemäß wird zudem ein Verfahren zum Beheizen eines Rotorblatts vorgeschlagen. Dieses Verfahren setzt vorzugsweise eine solche Heizvorrichtung ein und wird auf ein Rotorblatt gemäß wenigstens einer der oben beschriebenen Ausführungsformen angewendet. Hierbei wird die Heizvorrichtung mit einem Strom beaufschlagt, so dass die Heizvorrichtung und damit zumindest ein Teil des Rotorblattes, in dessen Bereich die Heizvorrichtung angeordnet ist, zu erwärmen. Diese Strombeaufschlagung erfolgt dann, wenn an dem Rotorblatt ein Eisansatz anzunehmen oder zu erwarten so. Zu erwarten ist er besonders bei entsprechenden Wetterlagen, nämlich Temperaturen um den Gefrierpunkt und einer entsprechenden Luftfeuchtigkeit und auch eines Windgeschwindigkeitsbereichs. Außerdem oder stattdessen kann auch ein vorhandener Eisansatz erkannt werden, bspw. optisch oder aufgrund des Verhaltens der Windenergieanlage, um nur einige Beispiele zu nennen.

Weiterhin erfolgt eine Ableitung einer induzierten Spannung im Falle eines Blitzschlages. Wird im Falle eines Blitzschlages in das Blitzableitungssystem des Rotorblattes eine Spannung in der Heizvorrichtung durch diesen Blitzschlag induziert, wird sie über wenigstens eine Funkenstrecke zum Blitzableitungssystem hin und/oder direkt zu einer geerdeten Leitung hin abgeleitet. Im Übrigen arbeitet das vorgeschlagene Verfahren, wie oben im Zusammenhang mit wenigstens einer Ausführungsform eines Rotorblattes erläutert wurde.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsformen beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren näher erläutert.

Figur 1 zeigt ein Rotorblatt gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Figur 2 zeigt eine Ausführungsform einer Funkenstrecke.

Figur 3a zeigt einen Abschnitt eines Rotorblattes in einer perspektivischen Darstellung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Figur 3b zeigt ein Rotorblatt gemäß einer Ausführungsform in einer schematischen

Schnittdarstellung.

Figur 4a zeigt eine Heizvorrichtung und damit ein Kohlefaserheizsystem gemäß einer

Ausführungsform der Erfindung.

Figur 4b zeigt eine Heizvorrichtung, die in einen ersten und einen zweiten Abschnitt aufgeteilt ist. Figur 4c zeigt schematisch eine Heizvorrichtung gemäß Figur 4b, wobei einzelne Heizgruppen zur Veranschaulichung als getrennte Elemente dargestellt sind.

Figur 5 zeigt schematisch eine Windenergieanlage in einer perspektivischen Darstellung. Figur 1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rotorblattes 1 schematisch, das entlang seiner Längsachse mit Kohlefasersträngen 2 durchsetzt ist. Diese werden in Form einer Sinusfunktion eingebracht, die parallel zur Blattoberfläche schwingt. Die Amplitude der Sinusfunktion nimmt von der Blattwurzel 3 zur Blattspitze 4 ab. Da der Blattumfang zur Blattspitze hin abnimmt, liegen die Stränge hier dichter zusammen als an der Blattwurzel. Damit steigt der Energieeintrag relativ zur Blattoberfläche. Dies ist vorteilhaft, da die Blattspitze sich im Betrieb mit höherer Bahngeschwindigkeit bewegt als die Blattwurzel, und daher anfälliger ist für Vereisung. Der Stromkreis wird geschlossen über eine hier nur schematisch angedeutete Leitung 5.

Es wird hierbei somit die spezifische Flächenheizleistung zwangsläufig durch das engere Anordnen der Heizstränge, nämlich der Kohlefaserstränge 2 erhöht. Durch eine entsprechende Wahl der Wellenlänge kann dennoch die gewünschte spezifische Flächenheizleistung eingestellt werden.

Es ist auch zu erkennen, dass in Bewegungsrichtung des Rotorblattes, also quer zur Längsrichtung des Rotorblattes 1 , die spezifische Flächenheizleistung dadurch beein- flusst werden kann, dass Abstände der Heizstränge 2 verändert werden. Somit lässt sich die spezifische Flächenheizleistung sowohl in Rotorblattlängsrichtung variieren, nämlich durch Wahl der Wellenlänge und der Amplitude, und in Richtung quer zur Rotorblattlängsachse, nämlich in Bewegungsrichtung, durch entsprechende Wahl der Abstände der Heizstränge, insbesondere Kohlefaserstränge. Die Figur 1 zeigt zudem eine Unterteilung der Heizvorrichtung 33 in Heizgruppen 35, nämlich sechs Heizgruppen 35 in dem gezeigten Beispiel. Jede Heizgruppe 35 weist mehrere Heizstränge 2, nämlich Kohlefaserstränge 2 auf, die in jeder Heizgruppe 35 jeweils zueinander parallel geschaltet sind. Die Heizgruppen 35 sind hingegen zueinander in Reihe geschaltet. Die Blattwurzel 3 und Blattspitze 4 weisen jeweils einen elektri- sehen Knoten auf, in dem die Heizstränge 2 jeweils elektrisch verbunden sind. Insoweit bilden diese Blattwurzel 3 und die Blattspitze 4 äußere Enden der Heizvorrichtung 33 bzw. einen Anfang und ein Ende. Da die Kohlefaserstränge 2 stromleitend sind, bilden sie potentielle Blitzeinschlagsstellen. Deshalb ist es sinnvoll, diese an das Blitzableitersystem 6 des Blattes anzuschließen, das hier ebenfalls nur schematisch dargestellt ist. Das Blitzableitersystem 6 wird üblicherweise innerhalb des Blattes von einem metallischen Blattspitzenaufsatz 7 zur Blattwurzel 3 geführt. In regelmäßigen Abständen entlang der Blattlängsachse werden die Kohlefaserstränge über Leitungen 8 mit dem Blitzableitersystem 6 verbunden. Um den Stromkreis im Heizbetrieb nicht kurzzuschließen, wird in den Leitungen 8 eine Funkenstrecke 9 vorgesehen.

Im Falle eines Blitzschlags sollte allerdings vermieden werden, dass der Blitz tatsächlich in die Kohlefaserstränge 2 einschlägt, da dies wohl zu einer Zerstörung der Kohlefaserstränge 2 führen müsste. Gleichwohl kann aber ein Blitzschlag zu einem hohen Strom in dem Blitzableitersystem 6 führen und dadurch eine Spannung in den Kohlefasersträngen 2 und damit jedenfalls in den einzelnen Heizgruppen 35 induzieren. Somit ist jede Heizgruppe 35 über zwei Funkenstrecken 9 an das Blitzableitersystem 6 angeschlossen. Eine solche durch einen Blitzschlag induzierte Spannung wird somit für jede Heizgruppe 35 über die betreffenden Funkenstrecken 9 abgeleitet.

Figur 2 zeigt eine mögliche Ausführungsform der Funkenstrecke. Der Kohlefaserstrang 2, der hier repräsentativ für mehrere parallel geschaltete Kohlefaserstränge 2 steht, wird über Leitung 8.1 galvanisch verbunden mit dem Dornelement 10, das einen Funkendorn 30 aufweist, der in einem vorbestimmten Abstand zu einer Gegenfläche 32 des Blitzrezeptors 12 angeordnet ist bzw. den Abstand im Wesentlichen festlegen kann. Dafür sind ein Einstellgewinde 40 und eine Einstellmutter 42 vorgesehen. Der Funkendorn 30 kann somit für den gewünschten Abstand in der Basis 44 des Dornelements 10 eingeschraubt sein und diese Position kann durch die Einstellmutter 42 fixiert werden. Das Dornelement 10 wird über die elektrischen Isolatoren 1 1 beabstandet gegenüber dem Blitzrezeptor 12. Der metallische Blitzrezeptor 12 durchbricht die Oberfläche des Rotorblatts 1 und dient dem Anziehen und der gezielten Aufnahme von Blitzen. Er ist verbunden mit dem geerdeten Blitzableitersystem 6.

Schlägt ein Blitz in das Blitzableitsystem 6 ein und erzeugt dabei eine Spannung an den Kohlefasersträngen 2 bzw. an wenigstens einer Heizgruppe 35, so steigt die Spannung zwischen Dornelement 10 und Blitzrezeptor 12 soweit, dass es zwischen diesen Elementen zu einem Überschlag kommt. Im normalen Heizbetrieb hingegen kommt es nicht zum Überschlag. Der Strom, mit dem die Heizvorrichtung zum Heizen beaufschlagt wird, wird somit im Heizbetrieb nicht abgeleitet.

Figur 3a zeigt die Blitzrezeptoren 12 an der Blattoberfläche. Diese Blitzrezeptoren können auch ohne die Einbindung in die Funkenstrecke 9 eingesetzt werden, wie Figur 3b für zwei von vier der Blitzrezeptoren 12 zeigt.

Die Figuren 4a, 4b und 4c veranschaulichen Ausführungsformen einer Heizvorrichtung 33, die auch als Kohlefaserheizsystem 13 bezeichnet werden kann. Es ist vorgesehen, diese Heizvorrichtung 33 bzw. das Kohlefaserheizsystem 13 in eine faserstärkte Kunststoffstruktur eines Rotorblattes einzuarbeiten, wobei die Figuren 4a, 4b und 4c die Heiz- Vorrichtung 33 bzw. das Kohlefaserheizsystem 13 von dem Rotorblatt freigestellt zeigen.

Vorzugsweise werden zur Herstellung eines Rotorblattes und damit auch des Kohlefa- serheizsystems 13 bzw. eines Teils davon, zwei Halbschalen gefertigt, die als Halbschalen 14 in Figur 4b angedeutet sind. Auch zu diesen Halbschalen sind nur die Elemente der Heizvorrichtung gezeigt. Diese Halbschalen 14 weisen entsprechende Kohlefaser- stränge 2 auf. Sie werden bei der Blattherstellung in die korrespondierenden Blatthalbschalen bzw. die entsprechende Form zum Herstellen der Blatthalbschalen eingelegt und insbesondere mit demselben Harz getränkt, um in die Halbschale eingearbeitet zu sein. Jede der Halbschalen 14 ist in Längsrichtung wiederum zerlegt in Elemente 15, die jeweils eine Heizgruppe bilden. Hierdurch lässt sich u.a. die Herstellung vereinfachen. Darüber hinaus lässt sich dadurch eine Verschaltung realisieren, wie sie in der Figur 1 durch die Leitungen 8.1 und 8.2 und die Funkenstrecken 9 gezeigt ist.

Die Halbschalen 14 können dann zusammengelegt und gemeinsam verschaltet werden, wie dies Figur 4a andeutet, oder sie können auch elektrisch getrennt bzw. in Reihe geschaltet werden, indem bspw. in dem Bereich, der bei der Blattspitze 4 anzuordnen ist, eine Verbindung geschaffen wird und ein Anschluss an eine Versorgungsspannung in dem Bereich hergestellt wird, der zur Anordnung an der Blattwurzel 3 vorgesehen ist.

Figur 5 zeigt eine Windenergieanlage 100 mit einem Turm 102 und einer Gondel 104. An der Gondel 104 ist ein Rotor 106 mit drei Rotorblättern 108 und einem Spinner 1 10 angeordnet. Der Rotor 106 wird im Betrieb durch den Wind in eine Drehbewegung ver- setzt und treibt dadurch einen Generator in der Gondel 104 an.

Claims

Ansprüche

Rotorblatt (1 ) einer Windenergieanlage (100) umfassend:

eine im Rotorblatt (100) im Bereich seiner Rotorblattoberfläche angeordnete Heizvorrichtung (33) zum Beheizen des Rotorblattes (1 ), wobei

die Heizvorrichtung (33) elektrisch leitfähige Heizstränge (2) aufweist und die Heizstränge (2) sinusförmig, wellenförmig und/oder zickzackförmig verlaufen, mit

einer Amplitude, die eine Sinusamplitude, Wellenhöhe bzw. Zackenhöhe definiert, und

einer Wellenlänge, die eine Periodenlänge, eine Wellenlänge bzw. einen Zackenabstand definiert, wobei

die Amplitude und/oder die Wellenlänge entlang der Heizstränge (2) variiert, um dadurch abschnittsweise eine spezifische Flächenheizleistung der Heizvorrichtung (33) zu variieren.

Rotorblatt (1 ) nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Amplitude und die Wellenlänge jeweils parallel zur Rotorblattoberfläche gerichtet sind.

Rotorblatt (1 ) nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Heizstränge (2) in Längsrichtung des Rotorblattes (1 ) verlaufen.

Rotorblatt (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Heizstränge (2) als Kohlefasern (2), und/oder als Kohlefaserrovings in das Rotorblatt (1 ) eingearbeitet sind.

Rotorblatt (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Heizstränge (2) in Heizgruppen (35) aus mehreren parallel geschalteten

Heizsträngen (2) aufgeteilt sind und

zwei oder mehr Heizgruppen (35) zueinander elektrisch in Reihe geschaltet sind. Rotorblatt (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Heizstränge (2) je Heizgruppe (35) unterschiedliche Amplituden und/oder unterschiedliche Wellenlängen und/oder unterschiedliche Abstände zwischen benachbarten Heizsträngen aufweisen.

Rotorblatt (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

das Rotorblatt (1 ) ein elektrisches Blitzableitungssystem (6) zum Ableiten eines Blitzes aufweist und

die Heizvorrichtung (35) über Überspannungsabieiter, insbesondere Funkenstrecken (9) mit dem Blitzableitungssystem (6) so gekoppelt ist, dass eine galvanische Trennung vorliegt, solange kein Blitz in das Rotorblatt (1 ) einschlägt und

der jeweilige Überspannungsabieiter, bzw. die jeweilige Funkenstrecke (9) von elektrischem Strom passiert bzw. übersprungen wird, wenn durch einen Blitzschlag in das Rotorblatt (1 ) eine elektrische Spannung in der Heizvorrichtung (35) induziert wird.

Rotorblatt (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

am Anfang und am Ende der Heizvorrichtung (35) und zwischen jeder Heizgruppe jeweils ein Überspannungsabieiter bzw. eine Funkenstrecke (9) zur Ankopplung der Heizvorrichtung (35) an das Blitzableitungssystem (6) angeordnet ist.

Rotorblatt (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

das Rotorblatt (1 ) eine Blattwurzel (3) und eine Blattspitze (4) aufweist und die Heizvorrichtung (35)

mit einem ersten Abschnitt von der Blattwurzel (3) zur Blattspitze (4) verläuft und

mit einem zweiten Abschnitt zurück von der Blattspitze (4) zur Blattwurzel (3) verläuft, und

beide Abschnitte elektrisch in Reihe geschaltet und im Bereich der Blattwurzel (3) an eine Stromversorgung zum Bereitstellen eines elektrischen Stroms zum Beheizen der Heizvorrichtung (35) angeschlossen sind. Windenergieanlage (100) umfassend einen Rotor mit wenigstens einem, insbesondere drei Rotorblättern (1 ) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche.

Überspannungsabieiter, insbesondere Funkenstrecke (9) zum Herstellen einer

Kopplung zwischen

einem elektrischen Blitzableitungssystem (6) eines Rotorblattes (1 ) und einer Heizvorrichtung (35) zum Beheizen des Rotorblattes (1 ), wobei der Überspannungsabieiter bzw. die Funkenstrecke (9) dazu vorbereitet sind, die Kopplung so herzustellen, dass

eine galvanische Trennung vorliegt, solange kein Blitz in das Rotorblatt (1 ) einschlägt und

der Überspannungsabieiter bzw. die Funkenstrecke (9) von elektrischem Strom passiert bzw. übersprungen wird, wenn durch einen Blitzschlag in das Rotorblatt (1 ) eine elektrische Spannung in der Heizvorrichtung (35) induziert wird.

Überspannungsabieiter (9) nach Anspruch 1 1 ,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Überspannungsabieiter (9) gekapselt ausgeführt ist, insbesondere als Modul, so dass im Falle eines Blitzschlags und resultierendem Spannungsüberschlag in dem Spannungsabieiter eine Brand- oder Explosionsgefahr für den Überspannungsabieiter umgebende Elemente vermieden wird und der Spannungsabieiter von außen aus dem Rotorblatt (1 ) entnommen und/oder in das Rotorblatt (1 ) eingesetzt werden kann.

Überspannungsabieiter nach Anspruch 1 1 oder 12, ausgebildet als Funkenstrecke (9), umfassend

einen Rezeptor (12) zum galvanischen Verbinden mit dem Blitzableitungssystem (6) und

einen Funkendorn (30) zum galvanischen Verbinden mit der Heizvorrichtung (35), wobei

ein Funkenabstand zwischen dem Rezeptor (12) und dem Funkendorn (30) eine Überschlagspannung festlegt, bei der ein Funke zwischen dem Funkendorn (30) und dem Rezeptor überschlägt, wobei optional

der Funkenabstand einstellbar ist. Verfahren zum Auslegen einer Heizvorrichtung, wobei

die Amplitude und/oder die Wellenlänge entlang der Heizstränge (2) variiert, um dadurch abschnittsweise eine spezifische Flächenheizleistung der Heizvorrichtung (33) zu variieren,

wobei die Heizvorrichtung in mehrere Heizabschnitte unterteilt ist und abschnittsweise die Amplitude, die Wellenlänge und ein Abstandes zwischen den Heizsträngen so ausgewählt wird, dass bei vorgegebenem elektrischem Heizstrom eine für den betreffenden Heizabschnitt vorgesehene spezifische Flächenheizleistung erreicht wird.

Heizvorrichtung (35) zum Beheizen eines Rotorblattes (1 ) einer Windenergieanlage (100), wobei die Heizvorrichtung mit einem Verfahren nach Anspruch 14 ausgelegt wurde und insbesondere Merkmale wie in einem der Ansprüche 1 bis 9 beschrieben aufweist.

Verfahren zum Beheizen eines Rotorblattes (1 ), insbesondere gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem eine Heizvorrichtung (35) des Rotorblattes (35), insbesondere eine Heizvorrichtung (35) gemäß Anspruch 15, mit einem Strom beaufschlagt wird, um sich und damit zumindest einen Teil des Rotorblattes (1 ) zu erwärmen, wenn an dem Rotorblatt (1 ) ein Eisansatz, anzunehmen oder zu erwarten ist, wobei im Falle eines Blitzschlages in das Blitzableitungssystem (6) des Rotorblattes (1 ) eine in der Heizvorrichtung (35) durch diesen Blitzschlag induzierte Spannung über wenigstens einen Spannungsabieiter, insbesondere eine Funkenstrecke (9) zum Blitzableitungssystem (6) hin und/oder zu einer geerdeten Leitung (6) hin abgeleitet wird.