AT521427A1

AT521427A1 - Rotorblatt für eine Windkraftanlage

Info

Publication number: AT521427A1
Application number: ATA50413/2018A
Authority: AT
Original assignee: Schmidt Michael
Priority date: 2018-05-17
Filing date: 2018-05-17
Publication date: 2020-01-15
Also published as: AT521427B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt (3) für eine Windkraftanlage (1), wobei das Rotorblatt (3) eine Oberfläche aufweist, welche bei einer bestimmungsgemäßen Verwendung des Rotorblattes (3) eine Luftströmung umlenkt, um eine Energie der Luftströmung in eine Bewegungsenergie des Rotorblattes (3) umzuwandeln. Um einen optimierten Betrieb einer Windkraftanlage (1), welche ein solches Rotorblatt (3) aufweist, zu ermöglichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine Größe der Oberfläche des Rotorblattes (3) variierbar ist.

Description

Zusammenfassung

Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt (3) für eine Windkraftanlage (1), wobei das Rotorblatt (3) eine Oberfläche aufweist, welche bei einer bestimmungsgemäßen

Verwendung des Rotorblattes (3) eine Luftströmung umlenkt, um eine Energie der Luftströmung in eine Bewegungsenergie des Rotorblattes (3) umzuwandeln. Um einen optimierten Betrieb einer Windkraftanlage (1), welche ein solches Rotorblatt (3) aufweist, zu ermöglichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine Größe der Oberfläche des Rotorblattes (3) variierbar ist.

Fig. 1

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Rotorblatt für eine Windkraftanlage

Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt für eine Windkraftanlage, wobei das Rotorblatt eine Oberfläche aufweist, welche bei einer bestimmungsgemäßen Verwendung des Rotorblattes eine Luftströmung umlenkt, um eine Energie der Luftströmung in eine Bewegungsenergie des Rotorblattes umzuwandeln.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Ausführungen von Windkraftanlagen bekannt, um Windenergie bzw. eine Energie einer Luftströmung in eine nutzbare Bewegungsenergie zum Antreiben eines elektrischen Generators zu überführen. In der Regel geschieht dies dadurch, dass einem Rotor, welcher zumindest ein Rotorblatt aufweist, Rotationsenergie zugeführt wird, indem das Rotorblatt eine Luftströmung umlenkt, um Energie der Luftströmung in eine Bewegungsenergie des Rotorblattes umzuwandeln.

Bekannt sind Rotoren, die als sogenannte Widerstandsläufer ausgebildet sind. Ein Rotorblatt wird dabei vorwiegend aufgrund eines Strömungswiderstandes des Rotorblattes bewegt. Weiter bekannt sind Rotoren, die als sogenannte Auftriebs lauf er ausgebildet sind. Ein Rotorblatt eines solchen Rotors wird unter Ausnutzung eines aufgrund einer Oberflächenform bzw. eines Profils des Rotorblattes wirkenden dynamischen Auftriebes bewegt. Dabei entsteht im Einsatz üblicherweise auf einer Seite des Rotorblattes, welche als Saugseite bezeichnet wird, ein Unterdrück und auf einer in der Regel der Saugseite gegenüberliegenden Seite des Rotorblattes, welche als Druckseite bezeichnet wird, ein Überdruck.

Ein Rotorblatt weist dabei gemäß fachüblichen Bezeichnungen einen Rotorblattfuß auf, welcher üblicherweise am Rotor befestigt ist, eine Rotorblattspitze, welche dem Rotorblattfuß gegenüber liegt, wobei ein Abstand zwischen Rotorblattfuß und Rotorblattspitze eine Längserstreckung des Rotorblattes definiert, eine Vorderkante des Rotorblattes, welche bei bestimmungsgemäßer Verwendung entgegen einer Windrichtung bzw. Luftströmungsrichtung ausgerichtet ist sowie eine Hinterkante des Rotorblattes, welche der Vorderkante am Rotorblatt gegenüberliegt.

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Eine Form und Größe eines üblichen Rotorblattes hängt in der Regel von zu erwartenden maximalen Windgeschwindigkeiten, einer maximalen Belastbarkeit des Rotorblattes bzw. einer Windkraftanlage durch auf diese über das Rotorblatt bzw. den Rotor übertragene Kräfte, einer durch eine Bewegung des Rotorblattes verursachten Schallimmissionsbelastung, einem gewünschten Anlaufverhalten der Windkraftanlage bei geringen Windgeschwindigkeiten sowie einer zu erreichenden Nennleistung der Windkraftanlage ab. Insbesondere kann bei geringen Windgeschwindigkeiten eine große Oberfläche bzw. Länge des Rotorblattes vorteilhaft sein, um erforderliche Drehmomente zum Betrieb der Windkraftanlage aufzubringen, während bei großen Windgeschwindigkeiten eine kleinere Oberfläche bzw. Länge des Rotorblattes zweckmäßig sein kann, um eine gewünschte Nennleistung zu erreichen und Überbelastungen der Windkraftanlage zu vermeiden. Eine Form und Größe des Rotorblattes stellt damit einen Kompromiss zwischen Abstimmungen auf wechselnde Windgeschwindigkeiten und damit einhergehende Belastungen dar.

Hier setzt die Erfindung an. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Rotorblatt der eingangs genannten Art anzugeben, welches einen Betrieb einer Windkraftanlage, welche ein solches Rotorblatt bzw. eine Rotor mit einem solchen Rotorblatt aufweist, optimiert.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einem Rotorblatt der eingangs genannten Art eine Größe der Oberfläche des Rotorblattes variierbar ist. Dieser Lösung liegt die Idee zugrunde, eine Größe der Oberfläche des Rotorblattes bei einer bestimmungsgemäßen Verwendung an eine jeweilige vorhandene Windgeschwindigkeit bzw. Luftströmungsgeschwindigkeit anzupassen und dadurch einen optimierten Betrieb sowohl hinsichtlich einer Energiegewinnung als auch hinsichtlich einer Belastung des Rotorblattes bzw. des Rotors bzw. der Windkraftanlage zu ermöglichen.

Auf einfache Weise kann dies dadurch umgesetzt sein, dass eine Länge des Rotorblattes veränderbar ist, um eine Größe der Oberfläche des Rotorblattes zu variieren. Dadurch kann eine Länge des Rotorblattes bzw. eine Oberfläche des Rotorblattes je nach Anwendungsbedingungen, beispielsweise an eine Stärke einer Luftströmung, angepasst werden. Eine Länge des Rotorblattes bezeichnet dabei vorteilhaft einen Abstand zwischen einer Rotorblattspitze und einem Rotorblattfuß bzw. eine Längserstreckung des

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Rotorblattes. Dies ermöglichtes, ein auf das Rotorblatt wirkendes Drehmoment besonders einfach zu verändern bzw. anzupassen.

Mit Vorteil kann vorgesehen sein, dass das Rotorblatt zumindest einen Bereich aufweist, dessen Volumen, insbesondere hydraulisch und/oder pneumatisch, veränderbar ist, um eine Größe der Oberfläche des Rotorblattes zu variieren. Damit kann die Größe des Rotorblattes, insbesondere eine Länge des Rotorblattes, unkompliziert und schnell verändert bzw. angepasst werden. Zweckmäßig kann der Bereich dabei beispielsweise durch ein geschlossenes Behältnis mit elastisch verformbaren Wänden gebildet sein, welches zumindest ein Zufuhrrohr und/oder ein Ventil aufweist, um ein flüssiges oder gasförmiges Medium in das Behältnis einzuleiten. Ein Volumen des Behältnisses kann dabei verändert werden, indem das Medium mit einem insbesondere vorgegebenen Druck durch das Zufuhrrohr in das Behältnis geleitet oder aus dem Behältnis ausgeleitet wird. Das Medium kann ein gasförmiges oder flüssiges Medium, beispielsweise Luft, insbesondere Druckluft, oder Wasser, sein.

Zweckmäßig ist es, wenn das Rotorblatt teleskopartig ineinander verschiebbare Abschnitte aufweist, um eine Größe der Oberfläche des Rotorblattes bzw. eine Länge des Rotorblattes zu variieren. Die Größe der Oberfläche, insbesondere eine Länge des Rotorblattes, kann damit schnell und robust verändert werden. Ein aktives Verstellen der Abschnitte kann mit dem Fachmann bekannten üblichen elektrischen, mechanischen, pneumatischen oder hydraulischen Verstell- bzw. Antriebsvorrichtungen erfolgen. Auf einfache Weise kann eine Länge des Rotorblattes beispielsweise dadurch veränderbar sein, dass mehrere Abschnitte des Rotorblattes mit einer Schraubverbindung verbunden sind, wobei durch Schrauben ein Abstand zwischen den Abschnitten variierbar ist. Dies kann etwa mit Kombinationen von Gewinden und/oder Muffen erfolgen.

Günstig kann es sein, wenn der zumindest eine Bereich, dessen Volumen veränderbar ist, und/oder die teleskopartig ineinander verschiebbaren Abschnitte am Rotorblattfuß angeordnet sind. Dadurch kann auf einfache Weise eine Länge des Rotorblattes, insbesondere in einer Längsrichtung bzw. Längserstreckung des Rotorblattes, verändert werden, ohne dabei gleichzeitig in eine grundsätzliche Form einer aerodynamisch wirksame Oberfläche des Rotorblattes einzugreifen, da eine solche üblicherweise im Bereich des Rotorblattfußes, insbesondere bei Rotoren, welche als Horizontalläufer

4/23 ausgebildet sind, von geringerer Relevanz ist. Vorteilhaft ist es hierzu, wenn der zumindest eine Bereich, dessen Volumen veränderbar ist, und/oder die teleskopartig ineinander verschiebbaren Abschnitte in einem durchschnittlichen Abstand von einem Rotorblattfuß des Rotorblattes angeordnet sind, welcher kleiner ist als 40 %, vorzugsweise kleiner ist als 25 %, insbesondere kleiner ist als 15 %, bevorzugt kleiner ist als 10 %, eines Abstandes zwischen einer Rotorblattspitze und dem Rotorblattfuß. Auf diese Weise kann die Länge des Rotorblattes variiert werden, ohne dabei gleichzeitig eine grundsätzliche Form der Oberfläche des Rotorblattes zu sehr zu verändern bzw. deren Einfluss auf eine Luftströmung zu stören.

Mit Vorteil ist vorgesehen, dass ein oder mehrere Rotorblattteilstücke durch zumindest ein Spannelement, insbesondere ein Seil, aneinander gespannt sind. Dadurch wird eine hohe Robustheit gegenüber Zugkräften erreicht, welche bei einer bestimmungsgemäßen Verwendung des Rotorblattes auf das Rotorblattwirken. Dies ermöglicht es, das Rotorblatt zumindest teilweise mit einem Material auszubilden, welches eine hohe Druckfestigkeit aufweist, jedoch insbesondere nur eine geringe Zugfestigkeit. Zweckmäßig kann das Rotorblatt zumindest teilweise mit Holz, insbesondere einem Furnierschichtholz, gebildet sein. Dies ermöglicht eine kostengünstige Herstellung und erleichtert ein Recycling des Rotorblattes.

Eine hohe Robustheit des Rotorblattes wird erreicht, wenn das Rotorblatt zumindest teilweise mit einem Holzverbundelement oder einem Holzhohlprofil gebildet ist, welches zumindest teilweise mit mehreren, vorzugsweise miteinander verklebten Furnierschichten gebildet ist. Eine besonders hohe Belastbarkeit und/oder Tragfähigkeit kann dabei dadurch erreicht werden, dass zwischen Furnierschichten zumindest eine Verstärkungsschicht eingefügt ist, die Klebstoff und Verstärkungsfasern enthält, wobei die Verstärkungsfasern insbesondere eine höhere Zugfestigkeit als Holzfasern der Furnierschichten aufweisen. Die Verstärkungsschicht weist in der Regel einen Verstärkungsfaseranteil von 20 Vol.% bis 80 Vol.-% auf. Die Verstärkungsfasern sind üblicherweise mit oder aus mineralischen Fasern, Kunststofffasern oder metallischen Fasern gebildet. Eine hohe Festigkeit wird insbesondere erreicht, wenn die Verstärkungsfasern mit oder aus Glasfasern, Kohlenstofffasern oder Aramidfasern gebildet sind.

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Es hat sich bewährt, dass die Oberfläche des Rotorblattes derart geformt ist, dass bei einer erfindungsgemäßen Verwendung des Rotorblattes auf einer ersten Seite des Rotorblattes, als Saugseite bezeichnet, ein Unterdrück und auf einer zweiten Seite des Rotorblattes, als Druckseite bezeichnet, ein Überdruck entsteht. Die Saugseite und Druckseite sind dabei üblicherweise an im Wesentlichen gegenüberliegenden Seiten des Rotorblattes angeordnet.

Günstig ist es, wenn die Oberfläche an einer Saugseite und/oder einer Druckseite des Rotorblattes eine Anordnung von Vertiefungen aufweist, insbesondere Vertiefungen mit einer polygonalen Grundfläche, um bei einer bestimmungsgemäßen Verwendung des Rotorblattes eine Luftgrenzschicht an der Saugseite bzw. Druckseite zu beeinflussen. Auf diese Weise kann im Betrieb eine laminare Grenzschicht in eine turbulente Grenzschicht überführt werden, um eine höhere Robustheit gegen einen Strömungsabriss zu erreichen. Bevorzugt ist hierzu vorgesehen, dass die Vertiefungen einen oberen Rand aufweisen, welcher kreisförmig oder elliptisch geformt ist. Bewährt hat es sich, wenn die Vertiefungen mit einer polygonalen Grundfläche ausgebildet sind. Dadurch kann eine Geräuschemission verringert werden. Die polygonale Grundfläche kann beispielsweise die Form eines Dreiecks, Vierecks, Fünfecks oder Sechsecks aufweisen. Eine Vertiefung weist in der Regel einen durchschnittlichen Durchmesser kleiner als 2 cm, insbesondere kleiner als 1 cm, bevorzugt kleiner als 0,5 cm auf. Eine durchschnittliche Tiefe eine Vertiefung ist üblicherweise kleiner als 1 cm, bevorzugt kleiner als 0,6 cm. Die Vertiefungen können dabei grundsätzlich auf der gesamten Saugseite und/oder Druckseite angeordnet sein. Um die vorgenannten Wirkungen besonders effizient zu erreichen, hat es sich bewährt wenn die Vertiefungen einen durchschnittlichen Abstand von einer Hinterkante des Rotorblattes aufweisen, welcher kleiner ist als zwei Drittel, insbesondere kleiner ist als die Hälfte, eines durchschnittlichen Abstandes zwischen einer Vorderkanten und einer Hinterkante des Rotorblattes. Günstig ist es bereits, wenn die Vertiefungen einen durchschnittlichen Abstand von einer Hinterkante des Rotorblattes aufweisen, welcher kleiner ist als etwa 20 % eines durchschnittlichen Abstandes zwischen einer Vorderkante und einer Hinterkante des Rotorblattes. Durch vorgenannte Vertiefungen bzw. eine oder mehrere Anordnungen von Vertiefungen kann insbesondere eine Luftgrenzschicht an der Saugseite besonders vorteilhaft beeinflusst werden. Es hat sich entsprechend bewährt, wenn sowohl die Oberfläche an einer Saugseite als auch die Oberfläche an einer Druckseite des Rotorblattes Vertiefungen bzw. eine Anordnung von

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Vertiefungen aufweisen, wobei die Vertiefungen an der Saugseite einen durchschnittlichen Abstand von einer Hinterkante des Rotorblattes aufweisen, welcher kleiner ist als zwei Drittel, insbesondere kleiner ist als die Hälfte, eines durchschnittlichen Abstandes zwischen einer Vorderkante und einer Hinterkante des Rotorblattes und die Vertiefungen an der Druckseite des Rotorblattes einen durchschnittlichen Abstand von einer Hinterkante des Rotorblattes aufweisen, welcher kleiner ist als etwa 20 % eines durchschnittlichen Abstandes zwischen einer Vorderkante und einer Hinterkante des Rotorblattes.

Mit Vorteil ist vorgesehen, dass das Rotorblatt zumindest einen Luftkanal mit zumindest einer Lufteintrittsöffnung an einer Saugseite des Rotorblattes und zumindest einer Luftaustrittsöffnung an einer Druckseite des Rotorblattes aufweist, wobei die Lufteintrittsöffnung in Bezug auf eine Luftströmungsrichtung bei einer erfindungsgemäßen Verwendung des Rotorblattes näher an einer Vorderkante des Rotorblattes angeordnet ist als die Luftaustrittsöffnung. Dies ermöglicht insbesondere bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten des Rotorblattes eine Verbesserung des aerodynamischen Verhaltens bzw. eine ruhigere, schwingungsärmere Rotationsbewegung des Rotorblattes. Hintergrund scheint zu sein, dass Luft zumindest in einem gewissen Maße aufgrund deren Strömungsgeschwindigkeit in Kombination mit einer Rotationsbewegung des Rotorblattes durch den Luftkanal von der Saugseite auf die Druckseite geführt wird, wodurch einerseits unerwünschte Turbulenzen auf der Saugseite reduziert werden und andererseits ein Druck auf der Druckseite leicht erhöht wird. Auf diese Weise wird ein Schwingungsverhalten des Rotorblattes während der Rotationsbewegung des Rotorblattes verbessert bzw. ein Wirkungsgrad einer Windkraftanlage zumindest leicht erhöht. Zweckmäßigerweise ist hierzu eine Mehrzahl von Luftkanälen mit jeweils zumindest einer Lufteintrittsöffnung und zumindest einer Luftaustrittsöffnung vorgesehen.

Eine besonders geräuscharme Rotationsbewegung wird erreicht, wenn die zumindest eine Lufteintrittsöffnung in einer der Vertiefungen angeordnet ist. Dies scheint außerdem einen positiven Einfluss auf eine Robustheit im Hinblick auf einen Strömungsabriss zu bewirken. Weist die Vertiefung eine polygonale Grundfläche auf, hat es sich hierzu bewährt, wenn die zumindest eine Lufteintrittsöffnung in einer Ecke der polygonalen Grundfläche angeordnet ist. Insbesondere können dabei in sämtliche Ecken der polygonalen Grundfläche Lufteintrittsöffnungen angeordnet sein.

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Vorteilhaft ist es, wenn die Luftaustrittsöffnung des Luftkanales in einer Arbeitsposition näher an einer Rotorblattspitze des Rotorblattes angeordnet ist als die Lufteintrittsöffnung des Luftkanales. Auf diese Weise wird bei einer Rotationsbewegung des Rotorblattes um eine im Wesentlichen vertikal zu einer Längsachse des Rotorblattes ausgerichtete Rotationsachse Luft im Luftkanal besonders effizient von der Saugseite auf die Druckseite geführt, da die Luft aufgrund einer wirkenden Zentrifugalkraft im Luftkanal in Richtung Rotorblattspitze gedrückt wird. Zum Erreichen einer ruhigen bzw. schwingungsarmen Rotationsbewegung ist es also zweckmäßig, wenn die zumindest eine Luftaustrittsöffnung des Luftkanales bei einer bestimmungsgemäßen Verwendung näher an einer Hinterkante des Rotorblattes und näher an einer Rotorblattspitze angeordnet ist als die zumindest eine Lufteintrittsöffnung des Luftkanales. Der Luftkanal verläuft damit schräg von der Saugseite zur Druckseite durch das Rotorblatt, um Luft aufgrund deren Strömungsgeschwindigkeit in Kombination mit einer insbesondere hohen Rotationsgeschwindigkeit des Rotorblattes und einer dadurch wirkenden Zentrifugalkraft von der Saugseite auf die Druckseite zu führen.

Es hat sich bewährt, dass in einem Querschnitt des Rotorblattes die Oberfläche an der Saugseite zumindest eine Einbuchtung aufweist, wobei die zumindest eine Lufteintrittsöffnung des Luftkanales in einer Flanke der Einbuchtung angeordnet ist, sodass in einer Arbeitsposition ein Lufteintritt in die Lufteintrittsöffnung erleichtert ist. Luft, die entlang einer Oberfläche der Einbuchtung strömt, wird dadurch effizient in den Luftkanal geleitet. Es versteht sich, dass es günstig ist, wenn die Lufteintrittsöffnung in einer Flanke der Einbuchtung angeordnet ist, deren Oberfläche in einer Arbeitsposition des Rotorblattes quer zu einer Richtung der Luftströmung ausgerichtet ist. Dadurch wird Luft in der Arbeitsposition effizient in den Luftkanal geleitet.

Als vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn die Oberfläche an einer Druckseite des Rotorblattes mehrere Luftführungsrillen aufweist, welche quer zu einer Längsachse des Rotorblattes verlaufend angeordnet sind, um von einer Vorderkante des Rotorblattes zu einer Hinterkante des Rotorblattes strömende Luft zu führen. Quer verlaufend angeordnet meint in diesem Sinne eine nicht parallele Anordnung bzw. Ausrichtung und umfasst damit sowohl eine vertikale als auch schräge bzw. winkelige Anordnung bzw. Ausrichtung. Es versteht sich, dass eine Längsachse dabei zweckmäßig im Wesentlichen von einem Rotorblattfuß zu einer Rotorblattspitze verlaufend ausgerichtet ist. Eine von einer

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Vorderkante zu einer Hinterkanten des Rotorblattes strömende Luft kann auf diese Weise effizient derart geführt werden, dass eine unerwünschte seitliche Driftströmung entlang der Längsachse vermindert ist. Dies wirkt sich außerdem vorteilhaft auf eine Geräuschemission im Betrieb aus. Günstig ist es hierzu, wenn die Luftführungsrillen im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind.

Ist zumindest ein vorgenannter Luftkanal vorgesehen, hat es sich bewährt, wenn die Austrittsöffnung des Luftkanales in einer Luftführungsrille angeordnet ist. Dadurch kann eine Geräuschemission weiter reduziert werden.

Mit Vorteil ist ein Rotor für eine Windkraftanlage vorgesehen, aufweisend zumindest ein erfindungsgemäßes Rotorblatt, wobei der Rotor an eine Rotorwelle gekoppelt ist, um eine Strömungsenergie eines Windes in eine Rotationsbewegung der Rotorwelle umzusetzen. Entsprechend den vorgenannten Merkmalen und damit verbundenen Wirkungen eines erfindungsgemäßen Rotorblattes ist damit ein optimierter Betrieb des Rotors ermöglicht.

Zweckmäßig ist es, wenn der Rotor als Horizontalläufer oder als Vertikalläufer ausgebildet ist. Ein Horizontalläufer weist eine Rotationsachse auf, welche bei einer bestimmungsgemäßen Verwendung des Rotors im Wesentlichen horizontal, insbesondere im Wesentlichen parallel zu einer Luftströmungsrichtung einer auf den Rotor wirkenden Luftströmung, ausgerichtet ist. Ein Vertikalläufer weist eine Rotationsachse auf, welche bei einer bestimmungsgemäßen Verwendung des Rotors im Wesentlichen vertikal, insbesondere im Wesentlichen vertikal zu einer Luftströmungsrichtung einer auf den Rotor wirkenden Luftströmung, ausgerichtet ist. Horizontalläufer können mit bewährter Technik eine hohe Leistungsausbeute erreichen, weisen jedoch üblicherweise eine hohe Geräuschemission auf. Vertikalläufer ermöglichen einen besonders robusten Aufbau, weisen jedoch im Vergleich zu Horizontalläufern eine geringere Leistungsausbeute auf. Sowohl bei Horizontalläufern als auch bei Vertikalläufern kann ein erfindungsgemäßes Rotorblattvorteilhaft sein, um die entsprechenden Nachteile zu mindern.

Eine Zugbelastung ist insbesondere dadurch vermindert, dass das Rotorblatt bzw. ein Rotorblattteil durch zumindest ein Zugelement, beispielsweise ein Zugseil, an eine Nabe des Rotors gespannt ist. Dadurch können bei einer bestimmungsgemäßen Verwendung

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Mit Vorteil ist eine Windkraftanlage mit einem erfindungsgemäßen Rotor vorgesehen. Entsprechend den vorgenannten Merkmalen und damit verbundenen Wirkungen eines erfindungsgemäßen Rotorblattes bzw. Rotors ist damit ein optimierter Betrieb der Windkraftanlage ermöglicht.

Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen ergeben sich aus den nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen. In den Zeichnungen, auf welche dabei Bezug genommen wird, zeigen:

Fig. 1 eine Windkraftanlage mit einem erfindungsgemäßen Rotorblatt;

Fig. 2 eine weitere Windkraftanlage mit einem erfindungsgemäßen Rotorblatt;

Fig. 3 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Rotorblattes;

Fig. 4 einen Querschnitt durch eine Oberfläche eines erfindungsgemäßen Rotorblattes mit einer erfindungsgemäßen Anordnung von Vertiefungen;

Fig. 5 eine Draufsicht der Anordnung von Vertiefungen der Fig. 4.

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Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Windkraftanlage 1 mit einem Rotor 2, welcher drei erfindungsgemäße Rotorblätter 3 aufweist, welche im Wesentlichen baugleich ausgebildet sind. Der Rotor 2 ist dabei als Horizontalläufer ausgebildet. Ein Rotorblatt 3 weist üblicherweise einen Rotorblattfuß 4 auf, welcher am Rotor 2 befestigt ist, eine Rotorblattspitze 5, welche dem Rotorblattfuß 4 gegenüber liegt, eine Vorderkante 6 des Rotorblattes 3, ersichtlich in Fig. 3, welche bei bestimmungsgemäßer Verwendung entgegen einer Windrichtung bzw. Luftströmungsrichtung ausgerichtet ist sowie eine Hinterkante 7 des Rotorblattes 3, welche der Vorderkante 6 am Rotorblatt 3 gegenüberliegt.

Jedes Rotorblatt 3 ist dabei derart ausgebildet, dass eine Größe der Oberfläche des Rotorblattes 3 variierbar ist. Dies ist dadurch umgesetzt, dass das Rotorblatt 3 teleskopartig ineinander verschiebbare Abschnitte 8 aufweist. Je nach Anwendungsbedingungen, insbesondere einer Windgeschwindigkeit oder Luftströmungsgeschwindigkeit, kann eine passende Größe der Oberfläche eingestellt werden, um einen Wirkungsgrad der Windkraftanlage 1 zu maximieren und/oder Belastungen des Rotorblattes 3 bzw. der Windkraftanlage 1 zu minimieren.

Ersichtlich ist, dass das Rotorblatt 3 durch ein als Zugseil 9 ausgebildetes Zugelement an eine Nabe des Rotors 2 gespannt ist. Dadurch können auf das Rotorblatt 3 wirkende Zugkräfte, wie sie insbesondere bei einer Rotation des Rotors 2 auftreten, effizient an die Nabe weitergeleitet werden, wodurch eine Zugbelastung des Rotorblattes 3 reduziert ist. Das Zugseil 9 ist dabei mit einem Anker 10 an einer Rotorblattspitze 5 des Rotorblattes 3 befestigt, wodurch auf das Rotorblatt 3 wirkende Zugkräfte in besonders hohem Maße kompensiert werden können.

Fig. 2 zeigt eine Windkraftanlage 1 mit einerweiteren Ausprägung eines erfindungsgemäßen Rotorblattes 3. Der grundsätzliche Aufbau entspricht jenem der Fig. 1. Im Unterschied zu einem in Fig. 1 dargestellten Rotorblatt 3, ist hierbei vorgesehen, dass die teleskopartig ineinander verschiebbaren Abschnitte 8 am Rotorblattfuß 4 angeordnet sind. Auf diese Weise ist in erster Linie eine Länge des Rotorblattes 3, insbesondere in einer Längsrichtung des Rotorblattes 3, veränderbar. Eine aerodynamisch wirksame Oberfläche des Rotorblattes 3 wird dabei nur wenig geändert. Dadurch kann eine Anpassung an eine Windgeschwindigkeit oder

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Lustströmungsgeschwindigkeit auf einfache Weise durch ein Verändern der Länge des Rotorblattes 3 erfolgen, ohne dabei in eine grundsätzliche Form einer aerodynamisch wirksamen Oberfläche des Rotorblattes 3 zu sehr einzugreifen. Unerwünschte Luftströmungsturbulenzen können auf diese Weise vermieden werden.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt bzw. ein Profil eines, beispielsweise in Fig. 1 oder Fig. 2 gezeigten, erfindungsgemäßen Rotorblattes 3. Eine Oberfläche des Rotorblattes 3 ist dabei derart geformt, dass bei einer erfindungsgemäßen Verwendung des Rotorblattes 3 auf einer ersten Seite des Rotorblattes 3 ein Unterdrück und auf einer zweiten Seite des Rotorblattes 3, welche der ersten Seite im Wesentlichen gegenüberliegt, ein Überdruck entsteht. Die erste Seite wird dabei als Saugseite 16 des Rotorblattes 3 und die zweite Seite als Druckseite 17 des Rotorblattes 3 bezeichnet. Ersichtlich sind des Weiteren die durch die Oberfläche definierte Vorderkante 6 und Hinterkante 7 des Rotorblattes 3. Bei einer erfindungsgemäßen Verwendung wird das Rotorblatt 3 üblicherweise mit der Vorderkante 6 entgegen einer Windrichtung bzw. Luftströmungsrichtung ausgerichtet.

In der Fig. 3 ersichtlich ist, dass das Rotorblatt 3 mehrere Luftkanäle aufweist. Ein Luftkanal 11 weist dabei zumindest eine Lufteintrittsöffnung 12 an der Saugseite 16 und eine Luftaustrittsöffnung 13 an der Druckseite 17 des Rotorblattes 3 auf, wobei die Lufteintrittsöffnung 12 näher an der Vorderkante 6 des Rotorblattes 3 angeordnet ist als die Luftaustrittsöffnung 13. Darüber hinaus ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Luftaustrittsöffnung 13 näher an der Rotorblattspitze 5 angeordnet ist als die Lufteintrittsöffnung 12. Auf diese Weise wird bei einer bestimmungsgemäße vorgesehenen Rotationsbewegung des Rotorblattes 3 Luft durch den Luftkanal 11 von der Saugseite 16 auf die Druckseite 17 geführt, da in den Luftkanal 11 eindringende Luft aufgrund deren Strömungsgeschwindigkeit bei gleichzeitiger insbesondere hoher Rotationsgeschwindigkeit des Rotorblattes 3 und einer damit einhergehenden auf die Luft wirkenden Zentrifugalkraft von der Saugseite 16 auf die Druckseite 17 gedrückt wird. Dadurch können unerwünschte Luftströmungsturbulenzen auf der Saugseite 16 reduziert und ein Schwingungsverhalten des Rotationsblattes während der Rotationsbewegung des Rotorblattes 3 verbessert werden.

In der Fig. 3 ist weiter dargestellt, dass die Oberfläche des Rotorblattes 3 an der Saugseite 16 zwei Einbuchtungen 14 aufweist, wobei die Lufteintrittsöffnungen 12 der

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Luftkanäle 11 in Flanken der Einbuchtungen 14 angeordnet sind. Auf diese Weise wird bei einer bestimmungsgemäßen Verwendung des Rotorblattes 3 Luft, welche entlang der Oberfläche der Einbuchtungen 14 strömt, effizient in die Luftkanäle 11 geleitet. Zweckmäßig sind die Lufteintrittsöffnungen 12 dabei in Flanken angeordnet, deren Oberflächen quer zu einer Richtung der Luftströmung ausgerichtet sind.

Vorgesehen ist außerdem, dass die Oberfläche des Rotorblattes 3 an der Saugseite 16 zumindest eine Anordnung von Vertiefungen 15 aufweist, um bei einer bestimmungsgemäßen Verwendung des Rotorblattes 3 eine Luftgrenzschicht an der Saugseite 16 zu beeinflussen. Auf diese Weise kann eine laminare Grenzschicht in eine turbulente Grenzschicht überführt werden, und damit eine höhere Robustheit gegen einen Strömungsabriss erreicht werden. Die Vertiefungen 15 sind dabei entlang der gesamten Oberfläche an der Saugseite 16 angeordnet. Zur genaueren Darstellungen der Vertiefungen 15 ist ein Ausschnitt IV der Oberfläche an der Saugseite 16 in Fig. 4 im Querschnitt und Fig. 5 in Draufsicht vergrößert darstellt. Um eine Geräuschemission zu verringern, sind die Vertiefungen 15 mit einem kreisförmigen oberen Rand und einer polygonalen Grundfläche ausgebildet.

Bewährt hat es sich, die Lufteintrittsöffnungen 12 der Luftkanäle 11 in den Vertiefungen 15 anzuordnen, wodurch eine geräuscharme Rotationsbewegung erreichbar ist. Die Lufteintrittsöffnungen 12 sind dabei in Ecken der polygonalen Grundfläche angeordnet, wodurch eine Geräuschemission abhängig von einer konkreten Form der Vertiefung 15 besonders reduzierbar ist.

Fig. 4 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Ausschnitts IV der Fig.3. Die Oberfläche an der Saugseite 16 ist dabei schematisch im Querschnitt darstellt und zeigt mehrere Vertiefungen 15. Eine Vertiefung 15 weist dabei einen oberen kreisförmigen Rand und eine sechseckige Grundfläche auf. Dies ist insbesondere in der Fig. 5, welche eine Draufsicht der Vertiefungen 15 zeigt, ersichtlich dargestellt.

Ein erfindungsgemäßes Rotorblatt 3 ermöglicht einen optimierten Betrieb einer Windkraftanlage 1 sowohl hinsichtlich einer Energiegewinnung als auch hinsichtlich auf das Rotorblatt 3 bzw. die Windkraftanlage 1 wirkender Windlasten bzw. Luftströmungslasten. Indem eine Größe der Oberfläche bzw. Länge des Rotorblattes 3

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Eine auf das Rotorblatt 3 im Betrieb wirkende Zugbelastung kann reduziert werden, indem das Rotorblatt 3 mit einem beispielsweise aus einem Fasermaterial wie Glas- oder Kohlefaser bestehenden Zugseil 9 an die Nabe des Rotors 2 gespannt ist, wodurch das Rotorblatt 3 mit Materialien gefertigt werden kann, welche eine kleine Zugbelastbarkeit aufweisen. Vor allem Holzbauteile, welche mit Holzfurnieren gebildet sind, haben sich hierzu als geeignet erwiesen.

Vertiefungen 15 der Oberfläche des Rotorblattes 3 auf der Saugseite 16 des Rotorblattes ermöglichen bei einer bestimmungsgemäßen Verwendung des Rotorblattes 3 eine höhere Robustheit gegenüber Strömungsabrissen. Indem Luftkanäle 11 vorgesehen sind, welche 15 von der Saugseite 16 des Rotorblattes zur Druckseite 17 des Rotorblattes 3 reichen, können ein Schwingungsverhalten des Rotorblattes 3 verbessert und Luftturbulenzen reduziert werden.

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Claims

Patentansprüche

1. Rotorblatt (3) für eine Windkraftanlage (1), wobei das Rotorblatt (3) eine Oberfläche aufweist, welche bei einer bestimmungsgemäßen Verwendung des Rotorblattes (3) eine Luftströmung umlenkt, um eine Energie der Luftströmung in eine Bewegungsenergie des Rotorblattes (3) umzuwandeln, dadurch gekennzeichnet, dass eine Größe der Oberfläche des Rotorblattes (3) variierbar ist.

2. Rotorblatt (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Länge des Rotorblattes (3) veränderbar ist, um eine Größe der Oberfläche des Rotorblattes (3) zu variieren.

3. Rotorblatt (3) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorblatt (3) zumindest einen Bereich aufweist, dessen Volumen, insbesondere hydraulisch und/oder pneumatisch, veränderbar ist, um eine Größe der Oberfläche des Rotorblattes (3) zu variieren.

4. Rotorblatt (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorblatt (3) teleskopartig ineinander verschiebbare Abschnitte (8) aufweist, um eine Größe der Oberfläche des Rotorblattes (3) zu variieren.

5 15. Windkraftanlage (1) mit einem Rotor (2) nach einem der Ansprüche 12 bis 14.

5. Rotorblatt (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Rotorblattteilstücke durch zumindest ein Spannelement, insbesondere ein Seil, aneinander gespannt sind.

6. Rotorblatt (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche an einer Saugseite (16) und/oder einer Druckseite (17) des Rotorblattes (3) eine Anordnung von Vertiefungen (15) aufweist, insbesondere Vertiefungen (15) mit einer polygonalen Grundfläche, um bei einer bestimmungsgemäßen Verwendung des Rotorblattes (3) eine Luftgrenzschicht an der Saugseite (16) bzw. Druckseite (17) zu beeinflussen.

7. Rotorblatt (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorblatt (3) zumindest einen Luftkanal (11) mit zumindest einer

8. Rotorblatt (3) nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Lufteintrittsöffnung (12) in einer der Vertiefungen (15) angeordnet ist.

9. Rotorblatt (3) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftaustrittsöffnung (13) des Luftkanales (11) in einer Arbeitsposition näher an einer Rotorblattspitze (5) des Rotorblattes (3) angeordnet ist als die Lufteintrittsöffnung (12) des Luftkanales (11).

10. Rotorblatt (3) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Querschnitt des Rotorblattes (3) die Oberfläche an der Saugseite (16) zumindest eine Einbuchtung (14) aufweist, wobei die zumindest eine Lufteintrittsöffnung (12) des Luftkanales (11) in einer Flanke der Einbuchtung (14) angeordnet ist, sodass in einer Arbeitsposition ein Lufteintritt in die Lufteintrittsöffnung (12) erleichtert ist.

11. Rotorblatt (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche an einer Druckseite (17) des Rotorblattes (3) mehrere Luftführungsrillen aufweist, welche quer zu einer Längsachse des Rotorblattes (3) verlaufend angeordnet sind, um von einer Vorderkante (6) des Rotorblattes (3) zu einer Hinterkante (7) des Rotorblattes (3) strömende Luft zu führen.

12. Rotor (2) für eine Windkraftanlage (1), aufweisend zumindest ein Rotorblatt (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Rotor (2) an eine Rotorwelle gekoppelt ist, um eine Strömungsenergie eines Windes in eine Rotationsbewegung der Rotorwelle umzusetzen.

13. Rotor (2) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (2) als Horizontalläufer oder als Vertikalläufer ausgebildet ist.

14. Rotor (2) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorblatt (3) bzw. ein Rotorblattteil durch zumindest ein Zugelement an eine Nabe des Rotors (2) gespannt ist.

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Lufteintrittsöffnung (12) an einer Saugseite (16) des Rotorblattes (3) und zumindest einer Luftaustrittsöffnung (13) an einer Druckseite (17) des Rotorblattes (3) aufweist, wobei die Lufteintrittsöffnung (12) in Bezug auf eine Luftströmungsrichtung bei einer erfindungsgemäßen Verwendung des Rotorblattes (3) näher an einer Vorderkante (6) des Rotorblattes (3) angeordnet ist als die Luftaustrittsöffnung (13).

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