Prädiktion von Blitzeinschlagsbereichen bei Multimegawatt-Windkraftanlagen

Abstract

Zur Gewährleistung einer hohen Verfügbarkeit werden in modernen Windkraftanlagen (WKAs) verstärkt Condition Monitoring Systems (CMS) verbaut. CMS bestehen aus einer Vielzahl an Sensoren, die den Zustand der unterschiedlichen Komponenten und Teilsysteme der WKA überwachen. Da die Rotorblätter eine wesentliche und für den Betrieb der WKA unverzichtbare Komponente darstellen, werden auch diese mit Sensoren versehen. Eine Besonderheit bei der Komponente Rotorblatt besteht darin, dass diese wie auch die in ihr verbaute Sensorik vor direkten Blitzeinschlag geschützt werden muss. Eine Bestimmung von Blitzeinschlagsbereichen mittels des klassischen Blitzkugelverfahrens ist gemäß [2] für die Rotorblätter nicht anwendbar. Deswegen wird in dieser Arbeit zunächst die elektrische Feldstärke als entscheidende Größe für den Blitzeinschlagort motiviert. Anschließend wird die normative Lage für den Blitzschutz von WKAs durchleuchtet und die gängigste Aufnahme- und Ableiteinrichtung definiert, um diese in einem Simulationsmodell zur Vorhersage von Blitzeinschlagstellen auf Rotorblättern mit integrierten Sensornetzen nachzubilden. Dieses Modell wird schließlich in einer elektrostatischen Umgebung mittels numerischer Feldberechnungen untersucht. Aus den gewonnenen Verteilungen der Potentialfelder in der Umgebung einer WKA werden Erhöhungen des elektrischen Feldes auf der Oberfläche einer WKA ermittelt. Diese Feldverteilungen zeigen, dass bei bestimmten Rotorpositionen lokale Erhöhungen der elektrischen Feldstärke entlang der gesamten Blattlänge entstehen und an diesen Stellen Blitzentladungen möglich sind. Diese Information kann bei der Auslegung der Rotorblätter genutzt werden. Die hier vorgestellte Methode stellt ein einfaches Hilfsmittel beim Entwurf des Blitzschutzsystems einer modernen WKA dar.