BE1018108A5 - Windturbine, blad voor een windturbine, segment voor een blad voor een windturbine, werkwijze voor het vervaardigen en samenstellen van een windturbine. - Google Patents

Abstract

windturbine met een toren en bladen en een verticale draai as. De windturbine is voorzien is uitstekende armen (8), rondom de verticale as, waaraan flexibele, in stilstand hangende, bladen (9) bevestigd zijn. De bladen bevatten bij voorkuer hun structurele materialen op de lengte as van het blad en de niets-structirele materialen aan een buitenkant.

Description

Windturbine, blad voor een windturbine, segment voor een blad voor een windturbine, werkwijze voor het vervaardigen en samenstellen van een windturbine.

De uitvinding heeft betrekking op een windturbine met een toren en bladen en een verticale draai as, en op een werkwijze voor het vervaardigen en samenstellen van een windturbine met een toren en bladen en een verticale draai as.

Windturbines van het verticale type zijn bekend, waarbij de draai as verticaal georiënteerd is, en van het gebruikelijke horizontale type, waarbij de draai as horizontaal georiënteerd is.

Het gebruikelijke, meest voorkomende, type windturbine is een windturbine met horizontale as.

De bladen (wieken) van dit type windturbine draaien in een verticaal, of bij benadering verticaal vlak, en ondergaan tijdens de omwentelingen grote belastingsvariaties. De bladen worden, ten gevolge van hun omwenteling, cyclisch belast door de zwaartekracht (gravitatieveld).

In deze conventionele horizontale as windturbines dienen de bladen een bepaalde minimale stijfheid te hebben om de grote en steeds wisselende bladbelastingen te kunnen weerstaan.

Bladen met te weinig stijfheid kunnen, op verschillende manieren, bezwijken ten gevolge van structurele instabiliteit (extreme buiging, knik, torsie...).

Naarmate windturbines groter worden, worden de genoemde wisselende bladbelastingen groter, en dienen de bladen overeenkomstig stijver te worden geconstrueerd.

De stijfheid voor conventionele bladen is noodzakelijk in beide hoofdrichtingen, t.t.z. de flap richting en de edge richting. De flap richting is de richting die samenvalt met de windrichting. De edge richting staat loodrecht op de flap richting, en is dus gelegen in het draaivlak van de bladen.

In de flap richting is het gravitatie buigmoment relatief klein, maar het aerodynamisch buigmoment is groot.

In de edge richting is het aerodynamisch buigmoment relatief klein, maar het gravitatie buigmoment is groot, en bovendien cyclisch variërend.

Bij gebrek aan voldoende stijfheid kunnen conventionele bladen bezwijken, in beide genoemde richtingen.

Het wordt, naarmate de windturbines groter worden, steeds moeilijker bladen te vervaardigen met de vereiste stijfheid, omdat het structurele volume, en dus ook de hoeveelheid materiaal, exponentieel toenemen.

Omdat de bladen steeds zwaarder worden, worden ook al de overige windturbine componenten steeds zwaarder belast. Ook wordt het steeds moeilijker om de zwaardere bladen en andere onderdelen te vervoeren en te assembleren tot een turbine.

Windturbines van het verticale type, met een verticale draai as zijn minder gebruikelijk, maar wel bekend. Windturbines van het verticale type bestaan in verschillende uitvoeringsvormen, waarvan de belangrijkste zijn: -Een uitvoering waarbij de bladen een zodanige vorm hebben dat de windturbine op een deegklopper lijkt (zogenaamde Darrieus molens).

-Een uitvoering waarbij de bladen verticaal georiënteerd zijn op enige afstand van de as (zogenaamde H-molens).

Ook voor deze verticale as turbines dienen de bladen een minimale stijfheid te bezitten om ongewenste vervormingen te voorkomen.

Bij het Darrieus type turbine is dit noodzakelijk om, bij stilstand, te vermijden dat de bladen ongewenst gaan uitzakken, en beschadigd worden, ten gevolge van de zwaartekracht, en wat eveneens problemen zou veroorzaken bij het opstarten en het stoppen van de turbine (instabiliteiten tijdens versnelling en vertraging). Ter voorkoming van deze ongewenste vervorming zijn de bladen van dit soort turbine in de praktijk meestal voorgebogen (gekromd) in de vorm zoals ze uiteindelijk op de turbine moeten functioneren. Dit veroorzaakt uiteraard, en zeker bij groter wordende turbines, toenemende transportproblemen.

Bij de H-molen veroorzaakt een gebrek aan stijfheid een mogelijke overdreven uitbuiging (en gevolgschade) van de bladen, ten gevolge van de centrifugaalkrachten, tijdens bedrijf.

Concluderend kan worden gesteld dat, zowel voor horizontale als verticale as turbines van het gekende soort, de vereiste stijfheid van de bladen, om vervorming en zelfs vernieling van de bladen te voorkomen, steeds toeneemt naarmate de bladen groter worden, omdat de belastingen eveneens proportioneel toenemen.

Hierbij dient bedacht te worden dat structurele instabiliteiten van de bladen (ombuiging, instorting, knik,...) een aanzienlijk veiligheidsrisico met zich meebrengt.

Dit alles stelt aanzienlijke grenzen aan de efficiëntie van de gekende windturbine concepten en stelt een structurele limiet aan de praktisch uitvoerbare grootte van deze windturbines.

Het is een doel van de uitvinding een windturbine te verschaffen die één of meerdere van de genoemde problemen vermindert.

Hiertoe is de windturbine, volgens de uitvinding, gekenmerkt doordat de windturbine van uitstekende armen, rondom de verticale as, is voorzien, waaraan flexibele, in stilstand verticaal hangende, bladen bevestigd zijn.

De flexibele bladen draaien, in bedrijf, rond in een constant zwaartekrachtsveld. In tegenstelling tot de conventionele horizontale as turbines, ondervinden de bladen van het beoogde concept geen alternerende gravitatie belasting tijdens hun omwenteling.

Omwille van de grote flexibiliteit van de bladen, en door de inwerking van de constante zwaartekracht, en de centrifugaalkracht ten gevolge van de rotatie, zullen de bladen zich ontvouwen vanuit hun verticale (hangende) ruststand.

De ontvouwingshoek (ook vluchthoek genoemd) van de bladen wordt automatisch bepaald door de verhouding van de zwaartekracht en de centrifugaalkracht die ontstaat ten gevolge van de rotatie.

De automatisch ingestelde ontvouwingshoek (vluchthoek) van de bladen is zodanig dat er geen netto flap buigmoment op de bladen aangrijpt, en de belasting daardoor in principe een zuiver axiale trekbelasting is.

“Bladen” worden hieronder ook wel “wieken"genoemd, beide woorden duiden derhalve hetzelfde aan.

Ten gevolge van mogelijke variaties in het rotortoerental, zal de centrifugaalkracht en dus ook de ontvouwingshoek overeenkomstig wijzigen, maar een netto flap buigmoment blijft afwezig en de wiekbelasting blijft daardoor in principe steeds een zuiver axiale trekbelasting.

Op dezelfde wijze zullen variaties van de aerodynamische wiekbelasting (lift force), tijdens omwenteling, zich vertalen in cyclische veranderingen van de ontvouwingshoek van de bladen, maar de wiekbelasting blijft in alle omstandigheden zuiver axiaal (geen netto buigmoment).

De automatische instelling van de ontvouwingshoek wordt in uitvoeringsvormen vereenvoudigt door een wiekconcept met zeer lage flap stijfheid (flexboard) en bij voorkeur een verbindingsplaat tussen de wiek en het juk (naaf), eveneens met zeer lage flap stijfheid (blade root flexboard).

Vanwege de soepelheid van een of beide flexboards, kunnen de wieken zich ontvouwen naar hun gewenste vluchthoek zonder dat er buigspanningen opgenomen worden.

Naar analogie met het evenwicht dat zich instelt in de flap richting, is het rotor concept ook bij voorkeur zodanig dat zich een gelijkaardig evenwicht kan instellen in de edge richting, eveneens gekenmerkt door afwezigheid van een netto buigmoment op de bladen in deze richting.

Om die reden is de turbine bij voorkeru uitgerust met een “hub drumhead” (trommelnaaf) met centraal flexboard. Het centraal flexboard zorgt ervoor dat de bladen ten opzichte van de naaf kunnen “vooroplopen” met een zodanige fasehoek dat het rotorkoppel van de bladen naar de trommelnaaf wordt overgedragen door middel van zuivere axiale trekbelasting van de wieken (x de hefboom van de trommelnaaf).

Op deze wijze zal, tijdens bedrijf, elk van de wieken automatisch een zodanige fasehoek aannemen, ten opzichte van de stand van de naaf, dat eveneens geen netto buigmomenten optreden op de bladen in de edge richting.

De flexboards aan de wiekvoeten en het centrale flexboard van de trommelnaaf zijn bij voorkeur gekenmerkt door een hoge axiale treksterkte maar geringe buigstijfheid.

Een hoge axiale treksterkte is gunstig voor het opvangen van de centrifugaalkracht van de bladen. Een geringe buigsterkte is gunstig om de bladen automatisch hun evenwichtshoek te laten vinden (vluchthoek in flap richting en fazehoek in edge richting) zonder dat er buigspanningen worden opgenomen.

Om deze structurele karakteristieken te bekomen, zijn deze flexboards uitgevoerd in de vorm van sandwich constructies met alternerend lagen koolstofvezel laminaat en kunststof tussenlagen.

Het koolstofvezel laminaat zorgt voor de nodige treksterkte. De kunststof tussenlagen zijn bij voorkeur uitgevoerd in “low friction” materialen (zoals Teflon of Ertalon) die toelaten dat de structurele koolstoflagen differentieel kunnen vervormen, tijdens buiging van het paneel, met een minimum aan onderlinge wrijvingsweerstand.

Omdat de bladen van het beoogde turbine concept, zowel bij stilstand als tijdens bedrijf, hoofdzakelijk axiaal en op trek worden belast, zijn zij ongevoelig voor de structurele instabiliteiten die mogelijk optreden bij de bladen van de genoemde conventionele horizontale en verticale as turbines.

Omdat het, in eerste instantie, de bedoeling is dat de bladen zo weinig mogelijk buigbelasting en hoofdzakelijk axiale trekbelasting opnemen, is de voorziene structurele opbouw van de wieken totaal tegengesteld aan de opbouw van conventionele wieken.

Bij conventionele wieken is men genoodzaakt, omwille van de geëiste stijfheid en weerstand, om het structurele materiaal aan te brengen, zover mogelijk verwijderd van de hartlijn van het wiekprofiel, t.t.z. het buitenoppervlak van het wiekprofiel. Dit is niet evident omdat er eveneens hoge eisen (precisie) worden gesteld aan de geometrie van dit buitenoppervlak voor wat betreft aerodynamische efficiëntie. Bovendien is de contour van een conventioneel blad complex (gekromd in twee richtingen), wat de nodige problemen kan veroorzaken bij het aanbrengen van het structurele laminaat (vermijden van blaasvorming en delaminatie). Bij conventionele bladen bevindt het niet structurele materiaal (meestal een schuimvulling) zich binnenin het profiel.

In tegenstelling tot de conventionele bladen, is in voorkeursuitvoeringsvormen van het blad en turbine concept volgens de uitvining bewust de structurele materialen aangebracht, niet aan het buitenoppervlak, maar op de centrale hartlijn van het profiel, om de gewenste soepelheid (lage stijfheid) te bekomen, die ervoor moet zorgen dat de wiek een zodanige vlucht en fasehoek kan aannemen dat de netto wiekbelasting quasi zuiver axiaal is (zuivere trekbelasting).

Dit kan bekomen worden door het structurele materiaal, dat deze axiale trekbelasting moet opvangen, aan te brengen op, en in de onmiddelijke nabijheid van, de centrale aslijn. Het structurele deel van de wiek heeft dan de vorm van een plank, met lage buigstijfheid, vandaar de benaming “flexboard”.

Het is evident dat het maken van zulke “flexboards” aanzienlijk eenvoudiger is omwille van hun eenvoudige geometrie (rechte plank). Dat kan in principe uitgevoerd worden zonder mal, maar op een eenvoudige vlakke laminatie tafel.

Het structurele laminaat kan, maar hoeft zich niet noodzakelijk uit te strekken over de volledige breedte van het wiekprofiel.

In het wiekconcept, volgens de uitvinding, is het juist de bedoeling om de wieken enkel zuiver axiaal en op trek te belasten. Het is de bedoeling dat de wiek funktioneert als een slinger, en “a la limite” zou het structurele gedeelte van de wiek een kabel kunnen zijn, die zowel in flap als edge richting een stijfheid van quasi nul kan hebben.

Omwille van een minimaal noodzakelijke torsiestijfheid is zulke kabel echter de beste oplossing (ter voorkoming van het torderen van het wiekprofiel rond zijn lengte as).

Het is echter niet uitgesloten dat de breedte van het flexboard gereduceerd kan worden (minder breed dan de totale breedte van het wiekprofiel).

De ideale breedte van het flexboard dient bepaald te worden door een afweging tussen gewenste edge en torsie stijfheid.

Omdat, in tegenstelling tot conventionele bladen, het structurele materiaal niet aan de buitenkant, maar aan de binnenkant zit, is de wiekopbouw in het beoogde concept “geïnverteerd”.

Een bijkomend voordeel van het wiekconcept volgens de uitvinding is dat de rest van het wiekprofiel, en met name die delen die de contour, en dus het echte aerodynamisch vleugelprofiel bepalen, gemaakt kunnen worden uit niet structureel materiaal. Dit is uiterst belangrijk omdat, voor het bekomen van een goed aerodynamisch rendement, er hoge eisen gesteld dienen te worden aan de geometrische precisie en gladheid van het buitenoppervlak van de wiek.

In het wiekconcept volgens de uitvinding worden bij voorkeur schuimkernen gekleefd aan beide zijden van het “flexboard”.

De contouren van de schuimkernen worden bij voorkeur vooraf gesneden op een computergestuurde precisie snijbank (“hot wire cutting”).

Omdat het juist de bedoeling is dat axiale trekspanningen enkel door het flexboard worden opgenomen is het geen nadeel, en zelfs wenselijk, dat de schuimkernen uit segmenten worden opgebouwd, en dus niet continu langsheen de volledige lengte van de wiek.

Door het aanbrengen van schuimkern segmenten, bij voorkeur voorzien van tussenliggende zettingsvoegen, kan er bewust voor gezorgd worden dat het schuim geen trek of buigbelastingen kan opnemen, wat uiteraard de bedoeling is.

De mogelijke segmentaire opbouw is uiteraard een groot voordeel voor de prefabricatie en het aanbrengen van de schuimkernen op het flexboard.

Omheen de schuimkernen wordt uiteindelijk de buitenlaag (huid) van het wiekprofiel aangebracht.

Ook hier is het de bedoeling dat deze huid geen structurele spanningen opneemt maar enkel fungeert als beschermend omhulsel voor de schuimkernen.

Als zodanig worden aan dit omhulsel een of meer van de volgende functionele eisen gesteld: -Waterdichtheid.

-Gladheid: voor een aerodynamisch lage luchtweerstand.

-Erosie bestendigheid: tegen impact van hagel, sneeuw en regen.

-Geometrische precisie: bepaald door de precisie van de onderliggende schuimkernen.

-Dunwandig: om zo weinig mogelijk spanningen op te nemen, zonodig voorzien van uitzettingsvoegen.

Omwille van de genoemde funktionele eisen, en de aanwezigheid van de onderliggende schuimkernen, is in uitvoeringsvormen van het wiekconcept volgens de uitvinding de omhullende laag aangebracht door middel van wikkeltechniek (“filament winding”), waarvoor eveneens geen mal (“mould less“) noodzakelijk is.

Deze wikkeltechniek is bekend, maar uitermate geschikt voor het wiekconcept volgens de uitvinding, omdat het de bedoeling is om wieken te produceren met constante breedte vanaf de wiekvoet tot aan de wiektip.

Deze constante wiekbreedte is mogelijk omdat de wiek geen buiging hoeft op te vangen.

Bij conventionele wieken is een zekere coniciteit noodzakelijk, t.t.z. veranderlijke breedte van de wiek, om in overeenstemming te zijn met de toenemende buigbelasting in de richting van de wiekvoet.

Een wikkeltechniek voor zulke conventionele wieken is in principe ook mogelijk, maar veel minder evident omwille van de coniciteit en de veel grotere wanddiktes die noodzakelijk zijn.

Voor het wiekconcept volgens de uitvinding is de wikkeltechniek zeer geschikt omwille van de constante wiekbreedte en de dunne vereiste laagdikte.

Bij conventionele wieken is het rendement van een wikkeltechniek bovendien beperkt omdat er behalve het wikkellaminaat een aanzienlijk grotere hoeveelheid longitudinaal laminaat noodzakelijk is voor het opvangen van de buigbelasting.

Dit longitudinaal laminaat kan niet met wikkeltechniek aangebracht worden omwille van de vereiste continuïteit (liefst ononderbroken vézels vanaf de wiekvoet tot aan de wiektip).

Omdat bij het wiekconcept, volgens de uitvinding, deze continuïteit niet noodzakelijk, en zelfs ongewenst is, is de genoemde wikkeltechniek zeer geschikt (enkel wikkellaminaat).

Het wikkellaminaat wordt aangebracht op een wikkelmolen die de wiek laat roteren rond de aslijn.

Het wikkellaminaat (tape) wordt aangebracht door middel van een lopende bobijn, die zich met gecontroleerde snelheid voortbeweegt langsheen de wiek. Gelijktijdig met het wikkelen worden de nodige harsen en verharders aangebracht op het laminaat.

Daarna worden dunne metalen platen (roestvrij staal) en een vacuum zak aangebracht omheen de wiek. Door het vacuum trekken van de zak worden de dunne metalen platen door de atmosferische druk tegen het wiekoppervlak gedrukt, en wordt een glad en precies wiekoppervlak bekomen, zonder dat een mal noodzakelijk is.

Eventueel kan warmte worden toegevoegd om het uithardingsproces te versnellen.

Doordat het wiekconcept volgens de uitvinding zodanig is dat enkel axiale spanningen worden opgenomen (en vrijwel geen buigspanningen), kunnen de bladen veel lichter worden uitgevoerd dan conventionele bladen, en maakt windturbines mogelijk van een grootte die tot nu toe niet haalbaar was.

Omdat bij het wiekconcept volgens de uitvinding in principe enkel het flexboard een structurele funktie heeft (het opvangen van de trekbelasting), hoeven de schuimkernen en het omhulsel (huid) per definitie niet aanwezig te zijn over de volledige bladlengte. Het concept maakt het ondermeer mogelijk om enkel het tipgedeelte (met het meest aerodynamisch rendement) te voorzien van omhulsel terwijl het voetgedeelte van de wiek (met verwaarloosbaar aerodynamisch rendement) zonder omhulsel zou kunnen worden uitgevoerd (dus enkel het “naakte” flexboard).

Op dezelfde manier kunnen lokale “onderbrekingen” van het wiekprofiel worden gerealiseerd,die fungeren als lokale scharnieren met extra flexibiliteit, en die eveneens handig gebruikt kunnen worden voor ondersteuning (rotatielagers) op de wikkelbank. Eveneens op dezelfde manier kan de wiektip speciaal worden gedetailleerd naargelang de behoeften (ondersteuningspunt voor de wikkelbank, taps uitlopende wiekgeometrie, ....)

Het naakte flexboard biedt eveneens de mogelijkheid om, op een relatief eenvoudige wijze, verbindingen (splices) te maken tussen verschillende wieksegmenten met behulp van eenvoudige lapjoints. Bij conventionele bladen is dit alles behalve evident.

Deze mogelijkheid, om op een eenvoudige manier verbindingen te maken, plus omwille van het feit dat de wiek een constante breedte kan hebben over de volledige lengte, maakt het wiekconcept volgens de uitvinding uitermate geschikt voor modulaire fabricage, t.t.z. produktie van bladsegmenten die op de werf aan elkaar worden verbonden. Op deze wijze kunnen, met relatief kleine en dus nog transporteerbare bladelementen, op de bouwplaats zeer grote bladlengtes worden gerealiseerd.

Deze mogelijkheid, die uiteraard niet evident is voor conventionele bladen, maakt het huidige bladconcept uitermate geschikt voor grotere turbines.

Bovendien biedt het modulaire wiekconcept de mogelijkheid om wieken samen te stellen met verschillende lengtes, naargelang de behoeftes. Bij conventionele bladen is dit per definitie onmogelijk omdat de lengte van de wiek volledig bepaald is door de mal die hiervoor specifiek is ontwikkeld.

Het feit dat het flexboard niet noodzakelijk de volledige wiekbreedte hoeft te hebben, maakt het eveneens mogelijk om op relatief eenvoudige wijze uitsparingen te creëren voor het aanbrengen van een aerodynamische tip rem. Een aerodynamische tip rem is een paneel dat bij normale draaisnelheid opgeborgen zit binnenin het wiekprofiel, en bij overtoerental, ten gevolge van de toegenomen centrifugaalkracht naar buiten treedt, en op die manier het overtoerental begrenst, ten gevolge van de toegenomen luchtweerstand.

Het flexboard concept biedt eveneens de mogelijkheid om, op relatief eenvoudige wijze, allerhande conductoren te integreren zoals: bliksem afleiders, controle kabels, fibre optie kabels voor het meten van de vervorming, enz ....) Bij conventionele bladen is dit niet zo evident.

Ten slotte biedt het wiekconcept volgens de uitvinding, omwille van zijn verregaande flexibiliteit, aanzienlijke extra voordelen doordat de wiek zich makkelijk laat plooien. Deze eigenschap kan nuttig worden aangewend bij transport (het maken van scherpe bochten) en montage op de bouwplaats (monteren van de bladen vanuit horizontale naar verticale positie).

Een verder voordeel van het turbine concept volgende de uitvinding is dat het effectieve gedeelte van de bladen (het tipgedeelte) zich bevindt op relatief kleine hoogte (beduidend lager dan de torentop). Daardoor is het turbine concept uitermate geschikt voor grote offshore windturbines. Offshore sites zijn meestal gekenmerkt door “vlakke” windprofielen, t.t.z. relatief kleine toename van de windsnelheid met de hoogte. Om die reden is het meestal niet zinvol om offshore hoge turbines te installeren.

Het windturbine concept, volgens de uitvinding, maakt optimaal gebruik van dit specifiek “low altitude” windprofiel.

Daardoor wordt de toren en de fundering overeenkomstig minder belast, wat een extra voordeel is ten opzichte van conventionele horizontale as turbines waarvoor het aangrijpingspunt van de windbelasting gelegen is ter hoogte van de torentop.

Omwille van de lagere belasting kunnen de toren, en de fundering, van het beoogde turbine concept minder zwaar, en dus goedkoper, worden uitgevoerd.

Bij voorkeur is de toren, van het beoogde turbineconcept, uitgevoerd als een telescopische constructie.

Hierdoor is het mogelijk, bij lage stand van de toren, een segment van een blad aan de arm (juk) te bevestigen, vervolgens de toren uit te schuiven en het volgende segment van het blad te bevestigen, de toren verder uit te schuiven om het volgende bladsegment te bevestigen, enzovoorts totdat de bladen volledig bevestigd zijn.

Op deze wijze is het mogelijk de bladen aan de windturbine te bevestigen en de turbine in zijn totaliteit te monteren, zonder dat het gebruik van hoge kranen noodzakelijk is. Dit is vooral een groot voordeel voor offshore windturbines of bijvoorbeeld windturbines in afgelegen bergstreken.

Deze, en verdere aspecten van de uitvinding worden hier volgend beschreven en geïllustreerd aan de hand van een tekening.

In de tekeningen illustreert:

Figuur IA: Een bekende horizontale as windturbine.

Figuur 1B: Een detail voor een blad voor de windturbine van figuur IA.

Figuur 2: Een bekende constructie voor een windturbine van het zogenaamde

Darrieus type.

Figuur 3: Een verder voorbeeld van een constructie voor een windturbine van het zogenaamde H-type.

Figuur 4: Een windturbine volgens de uitvinding, in rusttoestand.

Figuur 5: Een windturbine volgens de uitvinding, in bedrijf.

Figuur 6: Details van de rotornaaf van de windturbine van figuur 4 en 5.

Figuren 7 tot en met 14: Een werkwijze voor het opbouwen van een windturbine, volgens de uitvinding.

Figuur 1 5 en 16: De opbouw van een blad voor de windturbine, volgens de uitvinding.

Figuur 17 en 18: Fabricage werkwijze voor het vervaardigen van een blad voor een windturbine, volgens de uitvinding.

Figuur 19: Details van een verbinding (splice, lap joint) en wiektip.

Figuur 20: Detail van de rotornaaf van de windturbine, volgens de uitvinding.

Figuur 21 : Schematisch transport van een blad voor een windturbine, volgens de uitvinding.

De figuren zijn niet altijd op schaal getekend. Gelijke onderdelen worden in de regel met gelijke verwijzingscijfers aangeduid. Maten die in de figuren zijn aangegeven, zijn gegeven bij wijze van voorbeeld en dienen als niet beperkend te worden beschouwd, tenzij anders aangegeven.

Figuur IA toont, in voor- en zijaanzicht en in bovenaanzicht, een windturbine met toren 1 van het conventionele horizontale as type. Een aantal afmetingen is, bij wijze van niet beperkend voorbeeld, in de figuur aangegeven. De bladen 2 draaien in een, bij benadering verticaal vlak, waarbij de draai as eveneens bij benadering horizontaal georiënteerd is.

De bladen ondergaan grote belastingsvariaties tijdens hun rotatie. In de flap richting (windrichting) worden de variaties hoofdzakelijk veroorzaakt door de aerodynamische belasting. In de edge richting (in het draaivlak) worden de variaties hoofdzakelijk veroorzaakt door de zwaartekracht (gravitatie).

De windturbine is ook heel hoog en de resulterende windbelasting op de rotor grijpt aan ter hoogte van de pijl F (het rotorcentrum).Het resulterend buigmoment aan de voet van de toren,en eveneens op de fundering, is zeer groot. De toren en fundering dienen gedimensioneerd te worden om aan deze belastingen te weerstaan, zonder gevaar van bezwijken.

Figuur 1B toont, in doorsnede, een blad van een conventionele horizontale as turbine. Het blad heeft een voorkant 2A (leading edge) en een achterkant 2B (trailing edge), een bovengedeelte 2C en een ondergedeelte 2D die op de punten 2E aan elkaar zijn bevestigd.

Om te weerstaan aan de wisselende belastingen, zonder risico van bezwijken, en om ontoelaatbare vervormingen te vermijden,dienen deze bladen met de nodige stijfheid geconstrueerd te worden.

Dit betekent dat het structurele laminaat van deze wieken zover mogelijk naar buiten aangebracht dient te worden (op de buitencontour van het wiekprofiel) en dienen wiekprofielen met voldoende dikte aangewend te worden.

Dikkere wiekprofielen zijn echter af te raden omwille van hogere aerodynamische weerstand (drag).

De structurele en aerodynamische eisen die gelijktijdig gesteld worden aan conventionele bladen zijn dus contradictorisch, en verbetering van één van beide aspecten leidt, per definitie, tot een verslechtering van het andere aspect.

Om het structurele laminaat van deze bladen te fabriceren, rekening houdend met de hoge geometrische precisie eisen die gesteld worden aan het wiekprofiel, kunnen deze wieken enkel gemaakt worden in, op maat gefabriceerde, vormpersen (mallen).

Dit gegeven vereist zeer gecompliceerde, en voor ieder blad en ieder bladformaat weer verschillende, vormpersen van vaak zeer groot formaat.

Bovendien moeten, bij gebruik van deze fabricage techniek, het bovenste en onderste deel van het profiel in afzonderlijke mallen worden gemaakt en achteraf aan elkaar worden gekleefd.

Dit is niet evident omdat deze lijm naad verbindingen structurele spanningen moet kunnen opvangen en omdat de kwaliteit van de lijmverbinding moeilijk controleerbaar is (niet meer bereikbaar voor inspectie na het verlijmen).

Bovendien is het, bij dit wiekconcept, zeer moeilijk om extra benodigdheden, zoals tip rem mechanismen of conductoren (bijvoorbeeld bliksemafleiders) aan te brengen in de wiek.

Figuur 2 toont een bekend ontwerp voor een windturbine met verticale as. Dergelijke windturbines worden ook wel Darrieus type windturbines genoemd. De rotatie as 3 is nu verticaal. In dit type zijn de bladen 4 gebogen. Om hun vorm te behouden dienen de bladen een voldoende mate van stijfheid te bezitten. Naarmate de afmetingen van de bladen 4 groter worden, treedt ook het probleem op dat de gekromde bladen, onder hun eigen gewicht kunnen gaan vervormen, reden waarom er soms dwarsverbanden 4a worden aangebracht. Grote gekromde bladen zijn echter moeilijk te maken en nog moeilijker te vervoeren. De resulterende rotorbelasting grijpt aan ongeveer op halve hoogte van de constructie (aangegeven met pijl F). Omwille van de genoemde nadelen is dit soort windturbines, tot nu toe, nog niet op grote schaal gebouwd.

Figuur 3 toont een ander type windturbine met verticale as, het zogenaamde H-type molen.

In dit type turbine zijn aan de as 3 zijdelingse armen 5 en bladen 6 bevestigd. In deze variant hebben de bladen een vrij uitstekend gedeelte zowel boven als beneden de zijdelingse armen.

Om die reden ondervinden de bladen een aanzienlijk centrifugaalmoment tijdens rotatie (uitbuiging van beide wiekuiteinden). Net zoals voor de andere conventionele turbines is ook voor deze bladen een aanzienlijke stijfheid noodzakelijk, om vernieling of overdreven vervorming te vermijden.

Naargelang de bladen groter worden, dient de stijfheid eveneens, en proportioneel, mee te groeien.

De resulterende rotorbelasting grijpt aan ter hoogte van de locatie aangegeven met pijl F.

Figuur 4 toont een windturbine volgens de uitvinding. De windturbine 7 bevat aan de bovenkant zijdelingse armen 8 (juk) waaraan bladen 9 zijn bevestigd. In stilstand hangen de bladen, onder invloed van hun eigen gewicht, verticaal naar beneden. In dit voorbeeld bevatten de bladen twee segmenten 10 en 10’, verbonden door een verbindingsstuk 11. De bladsegmenten 10 en 10’ kunnen onderverdeeld zijn in subsegmenten die ook weer onderling verbonden zijn. De segmenten kunnen grotendeels identiek zijn, en zijn dat bij voorkeur ook. In dit voorbeeld zijn de onderste twee subsegmenten 12 van segment 10’ voorzien van een remmechanisme. De toren 1 3 bevat een aantal telescopische toren segmenten en een centrale verticale aandrijfas 14, en een eindstuk 1 5 waaraan armen 8, via bij voorkeur een centraal flexboard, zijn bevestigd. De bladen 9 zijn eveneens via flexibele verbindingen 16 (flexboards) met de armen 8 verbonden. Flexboards zijn geprefereerd maar de flexibele verbinding 16 kan bijvoorbeeld ook met glijlagers gemaakt zijn.

Het voetstuk 1 7 is opgebouwd uit fundatieblokken 18 waarop een driepoot 1 7 geplaatst is. Onder de driepoot 17 is een machinekamer 19 voorzien. Omdat de machinekamer laag geplaatst is, is er eenvoudig toegang tot die onderdelen van de windturbine die onderhoud of regelmatige inspectie vereisen. Op het bovenste deel 20 van de driepoot is de telescopische toren geplaatst.

Figuur 5 toont een windturbine, volgens de uitvinding, in bedrijf. De wind doet de bladen 9 ronddraaien waardoor een aandrijvend koppel wordt gegenereerd op de armen 8.

De uitvinding biedt een aantal voordelen :

De flexibele bladen draaien in een horizontaal vlak en ondervinden daardoor geen alternerende gravitatie belasting. Door de centrifugaalkrachten zullen de bladen zich in een hoek ten opzichte van de verticale as gaan ontvouwen (vluchthoek). De bladen kunnen, omdat zij zowel in stilstand als in bedrijf enkel axiaal op trek belast worden, niet onder hun eigen gewicht bezwijken (geen buiging of knik).

Omwille van de flexibiliteit van de bladen, en in voorkeursuitvoeringsvormen de aanwezigheid van de flexboards aan de wiekvoeten en het centrale flexboard aan de rotornaaf, worden de bladen steeds quasi axiaal en op trek belast.

Wijzigingen van de centrifugaalkracht, ten gevolge van de mogelijke variaties in het rotortoerental, en wijzigingen van de aerodynamische lift tijdens omwenteling, vertalen zich in een automatische wijziging van de vluchthoek, maar de wiekbelasting blijft steeds hoofdzakelijk axiaal (trekbelasting).

Omdat de bladen axiaal en op trek belast worden, en niet een specifieke gekromde of rechtopstaande vorm dienen te behouden zoals bij conventionele turbines, is het risico van bezwijken, ombuigen of knikken van de bladen sterk verminderd.

Doordat de bladen een veel lagere stijfheid hebben dan conventionele bladen kunnen ze veel lichter worden uitgevoerd, terwijl de benodigde veiligheid toch behaald wordt.

Een verder voordeel van de uitvinding is dat de krachten op de toren op een lager hoogteniveau komen te staan. In figuur 5 is dat schematisch getoond door de pijl F.

Dat maakt het mogelijk om de toren minder zwaar uit te voeren. Dit is vooral van voordeel bij gebruik van windturbine parken op zee of meer (offshore).

Boven zee of meer neemt de windsnelheid, gemeten vanaf het wateroppervlak, snel toe met de hoogte, maar neemt na enige tientallen meters meestal niet meer toe, en soms zelfs af. Een dergelijk verticaal windprofiel wordt ook wel het “wind shear” profiel genoemd. Zeer hoge conventionele turbines zijn dan niet altijd efficient, maar worden wel aan zeer grote buigmomenten blootgesteld.

De uitvinding maakt het mogelijk, bij gelijk vermogen, lager bij het wateroppervlak te blijven. Een windturbine, volgens de uitvinding, maakt daarom heel goed gebruik, en beter dan conventionele windturbines, van het wind shear profiel boven water.

Dat verhoogt de efficiëntie en verkleint het moment dat door de wind op de constructie wordt uitgeoefend.

Een verder voordeel is dat er een eenvoudige en efficiënte bliksembeveiliging mogelijk is.

De bliksem slaat gewoonlijk in op het hoogste punt van een constructie. Door een bliksemafleider te installeren aan te torentop is, op eenvoudige wijze, inslag van bliksem op de bladen te voorkomen.

In conventionele windturbines, met horizontale as, slaat de bliksem meestal in op het hoogste punt, dat wil zeggen de wiektippen.

Voor toepassing op zee of meer zal de eventuele geluidsoverlast en/of aanblik van de windturbine ook minder storend zijn.

In dit voorbeeld wordt een windturbine met twee bladen getoond, maar de voordelen van het concept blijven onverminderd geldig voor een ander aantal bladen, bijvoorbeeld 3 of 4. Een toename van het aantal bladen zal, omdat de efficiëntie van de bladen afhangt van hun positie ten opzichte van de windrichting, een vermindering in fluctuatie van het afgeleverd vermogen tot gevolg hebben.

Het afgeleverde vermogen van de verticale as turbine is onafhankelijk van de windrichting, en anders dan voor windturbines met een horizontale as dient de verticale as turbine niet naar de wind gericht te worden of zijn.

De werking van de turbine kan als volgt worden beschreven:

In de stand by positie (stilstaande turbine) hangen de bladen verticaal naar beneden.

Dit is ook een mogelijke parkeerstand van de bladen in geval van uitzonderlijke sterke wind. De positie en lengte van de bladen is bij voorkeur zo dat bij hevige wind de bladen niet tegen de basis (torenvoet) aanlopen.

De windturbine wordt opgestart wanneer er voldoende wind aanwezig is. Hiervoor wordt de turbine generator kortstondig als motor gebruikt om voldoende draaimoment te creëren om de rotor langzaam te laten optoeren. Gedurende de opstartfase wordt er kortstondig energie uit het net gehaald om de turbine te doen opstarten. De benodigde energie is echter gering en slechts nodig totdat de bladen snel genoeg draaien om een voldoend aerodynamisch moment te genereren.

Op het moment dat er voldoende aerodynamisch moment wordt opgewekt, zal de elektrische stroom van richting omkeren en wordt er energie opgewekt.

Het remmechanisme, ter beveiliging tegen overtoerental, kan in uitvoeringsvormen op een eenvoudige wijze worden geïntegreerd in het wiekconcept. In ruststand en tijdens normale bedrijfstoerentallen zitten de remflappen opgeborgen binnenin het wiekprofiel en worden op hun plaats gehouden met behulp van veerkracht. De veerkracht is zodanig gedoseerd dat, bij overschrijding van de kritische draaisnelheid, de centrifugaalkracht op de remflappen zodanig groot wordt dat de ingestelde veerkracht overschreden wordt en de remflappen naar buiten treden. Door het uitvouwen van de remflappen vergroot het weerstandbiedend oppervlak aan de wiektippen, en wordt het rotortoerental afgeremd.

Op deze wijze is de maximale snelheid van de bladen eenvoudig en automatisch te regelen.

Er zal zich een evenwicht instellen tussen de stand van de remflappen en de draaisnelheid van de bladen.

Het remmechanisme dient aanwezig te zijn om overtoerental van de rotor te vermijden in het geval van verlies van de generator belasting (netuitval).

In het geval van zulke netuitval zal de rotor blijven draaien met uitgeklapte remflappen totdat de belasting terug aanwezig is of totdat de rotor stopt bij gebrek aan wind. Bij voorkeur bevat het remmechanisme een (fail safe) veermechanisme. Daardoor zullen, bij falen van het veermechanisme, de remflappen automatisch ontplooien ten gevolge van de inwerking van de centrifugaalkracht en de windturbine doen afremmen.

De turbine werkt aan zijn nominaal vermogen bij de nominale windsnelheid (rated wind speed).

Bij deze windsnelheid hoort een optimale draaisnelheid van de rotor. Voor windsnelheden onder deze snelheid zal de rotor draaien aan een lager toerental, corresponderend met het, voor die windsnelheid optimaal, aerodynamisch rotorvermogen.

De gewenste (optimale) draaisnelheid, voor een bepaalde windconditie, wordt bepaald door het instellen van de juiste vermogen/snelheid verhouding op de generator.

Voor lagere draaisnelheden zal de vluchthoek, dat wil zeggen de inclinatiehoek waaronder de bladen draaien, relatief kleiner zijn.

Voor windsnelheden op of hoger dan de “rated wind speed” dient de rotor ook gedwongen te worden, door middel van het regelen van de vermogen/snelheid verhouding op de generator, tot het draaien bij de, voor de betreffende windsnelheid optimale, aerodynamische draaisnelheid.

Bij hogere windsnelheden zal de optimale draaisnelheid groter zijn, en de overeenkomstige vluchthoek van de bladen eveneens.

Voor windsnelheden tussen de rated wind speed (Vrated) en de maximaal toelaatbare windsnelheid (Vout) wordt bij voorkeur de vermogen/snelheid verhouding van de generator zo afgesteld dat het geleverde vermogen van de generator bij benadering constant is en het nominale ontwerp vermogen van de generator niet overschreden wordt. De dosering van de generator weerstand zal resulteren in af- en toename van de rotorsnelheid als gevolg van de fluctuaties van de windsnelheid rond Vrated. Als gevolg van de variabele rotor snelheid, zal de vluchthoek van de bladen ook variëren.

Een teveel aan rotor energie wordt opgeslagen en herwonnen in de vorm van kinetische energie, door middel van benutting van het vliegwiel effect.

Zoals in figuur 4 getoond kunnen de bladen in segmenten worden gemaakt, en door verbindingen 11 met elkaar verbonden worden, waarbij de verbindingen vlak naast de windturbine gemaakt kunnen worden. Dat vereenvoudigt het vervoer van de bladen aanzienlijk. Dit is een belangrijk voordeel naarmate de windturbines groter worden.

Voor conventionele ontwerpen worden de bladen steeds groter en zwaarder, naarmate de grootte van de windturbines toeneemt, en de kosten van vervoer en montage stijgen daardoor exponentieel.

Voor een windturbine, volgens de uitvinding, is dit niet het geval.

Figuur 6 toont een detail van de rotornaaf, volgens de uitvinding, respectievelijk in ruststand en in bedrijf. De wind doet de bladen draaien. Ten gevolge van de hoge flexibiliteit van de bladen, en omwille van de aanwezigheid van de flexboards aan de wiekvoeten en aan de rotornaaf worden de bladen hoofdzakelijk axiaal op trek belast.

De bladen ondervinden, anders dan in bekende constructies, weinig of vrijwel geen buigbelasting. De pijlen aan de uiteinden van de bladen geven schematisch aan dat er zich een evenwicht, in flap en edge richting instelt op de bladen. Omdat de bladen flexibel zijn en veel minder stijf, omdat hun structurele elementen in uitvoeringsvormen bij benadering op de lengte as van de bladen zijn gesitueerd, is de flap wise momentopname zeer gering en de kans op breken van de bladen, vanwege een te hoge flap wise belasting klein en veel kleiner dan bij bestaande ontwerpen.

Een flexibele verbinding 16, bijvoorbeeld een gelamineerd flexboard, verbindt de bladen op flexibele wijze met de arm 8. De rotatie van de bladen doet de arm roteren. Beide armen 8 zijn in dit voorbeeld eveneens door middel van een centraal flexboard 21 verbonden aan de centrale trommelnaaf. Dit flexibele deel zorgt ervoor dat het draaimoment, uitgeoefend door de draaiende bladen, op de armen kan worden overgebracht, via de kop 22 op een aandrijfas 14 binnenin de toren. Deze as drijft in de machinekamer een generator aan.

Het centraal flexboard 21 zorgt ervoor dat de bladen ten opzichte van de naaf kunnen “vooroplopen” met een zodanige fasehoek dat het rotorkoppel van de bladen naar de trommelnaaf wordt overgedragen door middel van zuivere axiale trekbelasting van de wieken (x de hefboom van de trommelnaaf).

De doorsnede (detailzicht) geeft aan dat de flexibele verbindingen 16 en 21 in dit voorbeeld van een gelamineerd kunststof materiaal, bijvoorbeeld een sandwich paneel met alternerend koolstoflagen en Teflon (Ertalon) lagen, zijn vervaardigd. Flexboards opgebouwd volgens deze samenstelling zorgen ervoor dat, op flexibele wijze, de wiekbelastingen op de rotornaaf kunnen worden overgedragen.

De figuren 7 tot en met 14 illustreren een werkwijze voor het opbouwen van een windturbine. Figuur 7 toont een driepoot 17 met onderdeel 20 waarop een telescopische toren 1B is bevestigd. Op de toren zijn armen 8 met flexibele onderdelen 16 voorzien.

In dit voorbeeld worden in eerste instantie de telescopische onderdelen 23 van driepoot 1 7 uitgeschoven, zoals getoond in figuur 8.

In figuur 9 wordt getoond hoe, aan twee kanten van de windturbine in opbouw, stellages zijn geplaatst. In dit voorbeeld zijn stellages getoond, maar het kunnen ook andere werkplatformen zijn, bijvoorbeeld schepen.

Op de stellages worden elementen of subelementen van de flexibele bladen 10 aaneengevoegd tot een blad of een deel van een blad. Stap voor stap wordt de telescopische toren vervolgens uitgeschoven zoals getoond in de figuren 10 tot en met 14. Wanneer alle elementen van de flexibele bladen aaneengevoegd zijn, kan het hele blad langzaam opgehesen worden. In uitvoeringsvormen kunnen ook de elementen of subelementen van de bladen 10 aaneengevoegd worden tijdens het hijsen. In dergelijke uitvoeringsvormen kan de lengte van stellages verkort zijn.

Figuur 14 toont het eindresultaat.

De, in deze geprefereerde uitvoeringsvorm getoonde, telescopische constructie van de toren heeft, naast de genoemde voordelen, ook een aantal andere voordelen:

In ineengeschoven toestand is de hoogte van de toren op de basis relatief gering. De basis plus toren kan bijgevolg eenvoudiger vervoerd worden. De driepoot met toren kan op land vervaardigd worden en vervolgens, bij offshore toepassingen, in zee worden gerold of door middel van schepen ter bestemming worden gebracht. Het is ook mogelijk de basis op vlotters te monteren (drijvende constructie), naar de bestemming te vervoeren door middel van sleepboten, en daar te laten afzinken.

De hoogte is relatief gering, dus vaak voorkomende problemen, als instabiliteit tijdens vervoer, als gevolg van harde wind, of een te grote hoogte om onder aanwezige obstakels (bijvoorbeeld bruggen) door te varen, zijn daardoor sterk verminderd.

De figuren 7 tot en met 14 illustreren een groot voordeel van de werkwijze. Voor het opbouwen van de windturbine is geen grote kraan noodzakelijk. Vooral voor offshore toepassingen of voor toepassingen van windturbines in afgelegen gebieden, bijvoorbeeld bergstreken, is het vaak moeilijk, zoniet onmogelijk om een kraan van voldoende hijscapaciteit op de bestemming te brengen.

Hetzelfde voordeel is beschikbaar indien bladen vervangen of hersteld zouden moeten worden.

Het zal ook duidelijk zijn dat, bij het opbouwen van de windturbine, de constructie steeds zelf in evenwicht is. Bij gebruik van kranen waaraan een zwaar gewicht hangt, is dat soms een probleem.

Een groot tegengewicht dient gebruikt te worden om de kraan plus last in evenwicht te houden.

Figuur 1 5 toont een uitvoeringsvorm van een blad. Het blad bevat over zijn volledige lengte een deel dat het blad zijn structurele sterkte verschaft, in dit voorbeeld een zogenaamd “flexboard" 24 gemaakt uit koolstofvezel laminaat.

Dit flexboard kenmerkt zich door een hoge trekcapaciteit maar geringe buigstijfheid in de flap richting. In het voorbeeld strekt het flexboard zich uit over de volledige breedte van het wiekprofiel, maar dat is geen must.

Het flexboard kan eventueel ook een partiele breedte hebben. In dat geval zal eveneens de buigstijfheid in de edge richting afnemen, wat een gunstige invloed heeft op de bedoelde werking van het concept.

Het flexboard bevat al het structurele materiaal en heeft een eenvoudige vorm (plank) van relatief geringe afmeting en kan gemaakt worden in een relatief eenvoudige mal. In zijn meest eenvoudige vorm kan het flexboard vervaardigd worden op een eenvoudige vlakke laminatietafel.

In vergelijking met de zeer gecompliceerde en vaak gigantisch grote vormpersen, noodzakelijk voor de bekende conventionele bladen, verschaft dit een groot voordeel, en maakt het concept uitermate geschikt voor turbines van groot vermogen.

Op het flexboard 24 worden schuimkernen, zogeheten “hot wire eut foam cores“ 25 aangebracht (gelijmd). Deze schuimkernen kunnen voorafgaandelijk, met hoge precisie, gesneden worden op een CNC-gestuurde hot wire snijbank.

Omdat krachtoverdracht via de schuimkernen niet noodzakelijk, en zelfs ongewenst is, is het geen nadeel dat de schuimkernen uit verschillende elementen (blokken) worden samengevoegd. Bij voorkeur worden zettingsvoegen 27 voorzien tussen de blokken onderling. Hierdoor worden zowel structurele als thermische uitzettingen mogelijk gemaakt.

Hieroverheen wordt bji voorkeur een buitenlaag 26 (een huid) aangebracht, in dit geval met behulp van een filament wikkeltechniek. De wikkeltechniek is uitermate geschikt om toegepast te worden bij dit bladconcept omdat deze huid enkel een afdichtende en beschermende functie heeft, en bij voorkeur geen structurele stijfheid. Het wikkellaminaat is ideaal in deze toepassing omdat de vezels haaks op de axiale hoofdbelastingsrichting van de wiek worden aangebracht en daardoor geen parasitaire stijfheid kunnen veroorzaken.

Bij conventionele bladen, waarbij de huid wel een dragende functie heeft, is het overgrote deel van de vezels georiënteerd parallel met de aslijn van het blad.

Bovendien moeten bij deze bladen de structurele vezels continu doorlopen van de bladvoet tot aan de tip, om structurele discontinuïteiten te vermijden.

Daardoor is een wikkeltechniek voor conventionele bladen veel minder evident en per definitie minder efficiënt omdat enkel het secundaire laminaat (in de dwarsrichting) gewikkeld kan worden.

Het hoofdlaminaat dient nog steeds met behulp van conventionele (handmatige) technieken te worden aangebracht.

Bij het bladconcept, volgens de uitvinding, is het eveneens zo dat het niet noodzakelijk is dat het niet structurele materiaal (schuimkernen en huid) over de volledige bladlengte zijn aangebracht.

Het blad kan, zonder verlies van structurele belastingscapaciteit, naakte delen 28 bevatten, d.w.z. enkel het structurele flexboard, zonder bekleding eromheen.

Zulke niet bedekte delen verschaffen een extra mate van flexibiliteit aan het blad. Zulke naakte secties verschaffen als het ware een extra vrijheidsgraad, waardoor het blad op deze locaties extra buigingsvrijheid heeft, zonder dat het blad beschadigd kan worden.

In conventionele bladen zijn zulke onderbrekingen zonder meer onmogelijk.

De naakte flexboard delen maken het eveneens mogelijk om, tijdens het wikkelproces, de bladen op regelmatige afstand te ondersteunen door middel van lagerblokken. Deze ondersteuningspunten zorgen ervoor dat het blad, tijdens het wikkelen recht blijft, en niet scheefgetrokken wordt ten gevolge van de laterale trekkracht die ontwikkeld wordt door de wikkelbobijn.

Bij conventionele bladen, die gefabriceerd zouden worden met wikkeltechniek, zijn zulke tussengelegen steunpunten zeer moeilijk zoniet onmogelijk te realiseren.

De naakte flexboard delen maken het eveneens mogelijk om de uiteinden (wiektippen) een speciale, bijvoorbeeld aerodynamisch afgeronde vorm, te geven, met minimale luchtweerstand, en verschaffen eveneens een elegante mogelijkheid om verschillende opeenvolgende bladsegmenten op eenvoudige manier met elkaar te verbinden (splices, lap joints).

In, of op, het structurele flexboard kunnen eveneens op eenvoudige wijze conductoren, fibre optie kabels, stroomkabels of andere controle kabels worden bevestigd. Bij conventionele bladen, die opgebouwd worden uit twee aan elkaar gelijmde schalen, is dat niet altijd evident.

Het zal eveneens duidelijk zijn dat het blad, volgens de uitvinding, beduidend slanker kan zijn dan profielen van rotorbladen van conventionele turbines van vergelijkbare grootte.

Bij conventionele bladen dient er steeds gestreefd te worden naar een zo groot mogelijke profieldikte omwille van de noodzakelijke stijfheid.

Grote profieldiktes hebben echter een nadelig aerodynamisch rendement. Bij het bladconcept, volgens de uitvinding, is de profielhoogte echter niet kritisch, en begrensd door de noodzakelijke structurele dikte van het flexboard.

Deze beperkte profielhoogte vermindert uiteraard de luchtweerstand en verbetert de aerodynamische eigenschappen van het blad.

Een vergelijking met figuur 1B maakt het essentiële verschil duidelijk tussen een conventioneel blad en het bladconcept volgens de uitvinding. Bij de conventionele bladen zit het structurele materiaal aan de buitenkant van het wiekprofiel, en het niet structurele materiaal binnenin.

Bij het bladconcept, volgens de uitvinding, is deze opbouw bewust omgekeerd (geïnverteerd). Het structurele gedeelte zit centraal, in het midden, en het niet structurele gedeelte (opvulmateriaal) eromheen aan de buitenkant.

Figuur 16 toont nogmaals, schematisch en als niet beperkend voorbeeld, een blad voor een windturbine volgens de uitvinding. De bladsegmenten 10 en 10’ vormen samen een blad 9. In deze tekening zijn ook de veren en hefbomen 12a voor het doen uitklappen van de remflappen 12 getekend.

De uitvinding maakt het mogelijk om het remmechanisme op eenvoudige wijze in het blad te integreren zonder dat dit het aerodynamisch profiel van het blad tijdens normaal gebruik nadelig beïnvloedt. Omdat het structurele materiaal zich in het flexboard bevindt kunnen er op eenvoudige wijze simpele voorzieningen, zoals gaten in het flexboard aangebracht worden, voor het huisvesten en bevestiging van delen van het remmechanisme.

In conventionele bladontwerpen is dat veel moeilijker omdat de structurele delen ook het aerodynamisch profiel bepalen en iedere wijziging of verandering in deze delen aerodynamisch en structureel nadelige gevolgen heeft.

Figuur 17 toont een stap in een werkwijze voor het vervaardigen van een blad voor een windturbine volgens de uitvinding. Het blad wordt, op de onbedekte delen 28, ondersteund door een draai inrichting, die het blad laat roteren tijdens het wikkelproces.

Figuur 18 toont een verdere stap in een geprefereerde werkwijze voor het vervaardigen van een blad voor een windturbine volgens de uitvinding. De bladen voor bekende conventionele turbines dienen voorgevormd te worden. Dit vereist het gebruik van grote en complexe mallen.

In het hierboven omschreven bladconcept voor een windturbine volgens de uitvinding, bevinden de structurele materialen zich niet aan de buitenkant van het blad, maar op de centrale aslijn.

Door het omkeren van de posities van de structurele en niet structurele materialen is de beoogde constructie zogezegd “geïnverteerd” ten opzichte van de uitvoering in gekende conventionele bladen.

Dit maakt het mogelijk om de bladen te vervaardigen zonder gebruik van vormpersen.

Figuur 18 toont een mogelijke werkwijze. Het blad bevat een centraal flexboard 24, schuimkernen 25 en een buitenhuid 26. Om het blad heen wordt een vacuüm zak 29 aangebracht, waarbinnen zich twee dunne roestvrij stalen platen 30 bevinden.

Door het vacuüm trekken 31,32 worden de twee platen 30 doormiddel van de atmosferische druk tegen het blad aangedrukt waardoor een mooi glad oppervlak bekomen wordt. Indien nodig kan warmte toegevoerd worden om het uitharden te versnellen.

In een geprefereerde uitvoeringsvorm hebben de opeenvolgende wieksegmenten van een blad een gelijke structurele en geometrische opbouw. Het concept biedt echter ook de vrijheid om de opbouw van de wiek te laten variëren langsheen het blad, naargelang de behoeften. Zo is het bijvoorbeeld mogelijk om de sectie van het flexboard trapsgewijs te laten toenemen in de richting van de wiekvoet, omwille van de toenemende trekkracht die veroorzaakt wordt door de centrifugaalkracht. Op dezelfde wijze kan de profieldikte, indien wenselijk, trapsgewijs aangepast worden.

Figuur 19 toont een voorbeeld van de mogelijke eenvoudige verbindingsvorm (lap joint) 34 tussen verschillende bladsegmenten onderling, en een mogelijke geometrische vormgeving van de wiektip 35.

Figuur 20 toont in detail een arm 8 van een geprefereerde uitvoeringsvorm van een windturbine volgens de uitvinding. De arm 8 bevat flexibele verbindingen (flexboards) 16, waaraan de bladen 10 bevestigd zijn. Deze flexboards 16 zijn in dit voorbeeld vervaardigd van afwisselend carbon vezel platen en kunststof (bijvoorbeeld Teflon) platen, waardoor een sandwich paneel wordt bekomen dat aan hoge axiale spanningen kan weerstaan, maar een relatief lage buigstijfheid heeft.

De carbon vezel platen geven structurele sterkte in axiale richting, terwijl de kunststof platen een glijbeweging mogelijk maken om verschillen in spanning over de sandwich op te vangen.

Het flexboard 16 maakt een automatische instelling van evenwicht tussen zwaartekracht en centrifugaalkracht mogelijk, met als resultaat een spanning langs het flexboard die vrijwel geheel axiaal gericht is.

Het flexboard stelt de bladen in staat, om tijdens het roteren, zich automatisch te ontvouwen naar hun natuurlijke vluchthoek. In stilstand zullen de bladen verticaal naar beneden hangen, onder invloed van hun eigengewicht. Tijdens bedrijf zullen de bladen gaan uitzwaaien, waarbij de uiteindelijke vluchthoek bepaald wordt door het evenwicht tussen alle aangrijpende krachten (zwaartekracht, centrifugaalkracht, aerodynamische krachten, krachten veroorzaakt door de tiprem).

De arm bevat verder een juk 35, en een rotornaaf 22 voorzien van een bovenplaat 33 en een centraal flexboard 34. De constructie van dit centraal flexboard is gelijkaardig aan die van de flexboards 16.

Het centraal flexboard 34 zorgt ervoor dat de bladen ten opzichte van de naaf kunnen “vooroplopen” met een zodanige fazehoek dat het rotorkoppel van de bladen naar de trommelnaaf wordt overgedragen door middel van zuivere axiale trekbelasting van de wieken (x de hefboom van de trommelnaaf).

Een voordeel van de bladen, voor een windturbine volgens de uitvinding, is dat zij extreem flexibel zijn en daardoor makkelijk buigbaar. Dit maakt het onder andere mogelijk om scherpe bochten te maken, die met conventionele bladen niet mogelijk zijn. In figuur 21 wordt een dergelijk transport geïllustreerd.

Van hetzelfde voordeel wordt gebruik gemaakt om de bladen vanuit initiële horizontale positie in verticale richting te brengen voor montage aan de turbine.

In een geprefereerde uitvoeringsvorm zijn de flexboards aan de wiekvoet 16 en het centraal flexboard 34 aan de rotornaaf uitgevoerd als sandwichpanelen omdat zulke panelen grote vervormingen kunnen ondergaan zonder bewegende delen. In een minder geprefereerde uitvoering zouden de noodzakelijke rotatie bewegingen echter eveneens bekomen kunnen worden door toepassing van conventionele glijlagers.

Het grote voordeel van het wiekconcept, voor de windturbine volgens de uitvinding, is dat de bladen steeds op trek belast worden, en niet op druk. Om die reden kan en is bij voorkeur de stijfheid klein.

Bij conventionele bladen, die staande posities moeten kunnen weerstaan, treden er behalve trekbelastingen ook drukbelastingen op, waardoor minimale eisen gesteld worden aan de stijfheid van zulke bladen.

In de tekeningen van het bladconcept, voor de windturbine volgens de uitvinding, zijn bladen in bedrijf voorgesteld als rechte elementen. In de realiteit kunnen de bladen echter een zekere kromming aannemen die een gevolg is van mogelijke variaties van gewicht en stijfheid langsheen de bladlengte.

De verschillende delen van een wiek kunnen eender uitgevoerd zijn, maar er kan over een wiek een verloop zijn in de opbouw van de delen. De delen die zich het dichtst bij de arm bevinden zullen de grootste trekkracht te verduren krijgen. Een modulaire opbouw maakt het mogelijk de sterkte van de flexboard (en daarmee het gewicht van de flexboard eenvoudig te regelen zodat de bovenste modules, d.w.z. de modules dicht bij de armen een steviger en dikker flex board hebben dan modules dicht bij de tip., Evenzo biedt de uitvinding de mogelijkheid om op eenvoudige wijze het profiel en daarmee de aerodynamische eigenschappen van een deel van de wiek te variëren door de vorm van de niet structurele delen te variëren. Een zeer groot voordeel is hierbij dat dergelijke variaties snel en eenvoudig kunnen worden uitgevoerd zodat men snel kan testen. Met conventionele wiekconcepten dient men steeds een nieuwe mal te maken. Het wiekconcept volgens de uitvinding beidt derhalve ook in de testfase een groot voordeel door de uitzonderlijke flexibiliteit.

Het zal duidelijk zijn dat binnen het kader van de uitvinding vele variaties mogelijk zijn.

Claims (11)

1. Windturbine met een toren en bladen en een verticale draai as, met het kenmerk dat de windturbine aan een torentop voorzien is van uitstekende armen (8), rondom de verticale as, waaraan flexibele, in stilstand verticaal hangende, bladen (9) bevestigd zijn, waarbij in bedrijf de bladen zich ontvouwen en een ontvouwingshoek aannemen afhankelijk van de draaisnelheid en toenemende met toenemende draaisnelheid.

2. Windturbine, volgens conclusie 1, met het kenmerk dat de delen (24) van het blad (9), die het blad structurele sterkte verlenen zich bij benadering op de hartlijn van het bladprofiel bevinden.

3. Windturbine, volgens conclusie 1 en 2, met het kenmerk dat het blad (9) ten minste twee segmenten (10 en 10’) bevat die door middel van een verbinding (11 ) aan elkaar zijn verbonden.

4. Windturbine volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat de toren 0 3) een telescopische constructie bevat.

5. Windturbine volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat een blad aan een arm is bevestigd door middel van een flexibele verbinding (16).

6. Windturbine volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat de arm een centraal flexibel deel (34) bevat.

7. Windturbine volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat het blad voorzien is van niet structurele materialen (25,26) omheen de delen die het blad zijn structurele sterkte verlenen (24).

8. Windturbine volgens conclusie 7, met het kenmerk dat het blad voorzien is van naakte structurele delen (28), dus met afwezigheid van niet structureel materiaal.

9. Windturbine volgens een der voorgaande conclusies, waarbij de bladen in bladdelen zijn opgebouwd, waarbij er over een blad een verloop is in de opbouw van de delen en delen die zich het dichtst bij de arm bevinden zullen de grootste waarstand tegen trekkrachten vertonen.

10. Windturbine volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat de bladen voorzien zijn van remflappen (12).

11. Werkwijze voor het samenstellen van een windturbine waarbij bladen aan een toren van een windturbine, voorzien van armen, bevestigd worden waarbij een eerste deel van de bladen wordt bevestigd, waarna de toren telescopisch wordt uitgeschoven, waarbij het eerste deel van het blad opgehesen wordt, waarna een tweede deel wordt vastgemaakt aan het eerste deel.