DE10021430A1

DE10021430A1 - Adaptive Blattverstellung für Windenergierotoren

Info

Publication number: DE10021430A1
Application number: DE10021430A
Authority: DE
Inventors: Olaf Frommann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-05-03
Filing date: 2000-05-03
Publication date: 2002-01-17

Abstract

In der Technik erfolgt die Anpassung der lokalen Anströmverhältnisse am Rotorblatt bei Änderung der Windgeschwindigkeit oder Drehzahl, gebildet aus der Umfangs- und Axialgeschwindigkeit, durch eine Verdrehung des gesamten Rotorblattes um seine Längsachse (sog. Pitchsteuerung). Aufgrund der nichtlinearen Änderung der Anstellwinkel an den radialen aerodynamischen Profilen bei Änderung der Umfangs- und Axialgeschwindigkeit kann ein solcher konstanter Zusatzwinkel aufgrund von Verdrehung des ganzen Blattes nicht zu einer vollständigen Kompensation der geänderten Strömungsverhältnisse führen. Mittels einer radial variablen Zusatzverdrehung, z. B. durch Torsion des Rotorblattes, wird dieser Nachteil weitgehend beseitigt. Das Ergebnis ist eine deutlich größere Energieausbeute im Jahresmittel.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In der Technik sind die Blätter von Windenergierotoren insbesondere bei Horizontalachskonver tern entlang der Blattlängsachse (radiale Richtung) verwunden ("verdreht"), um eine möglichst effektive Anströmung der lokalen aerodynamischen Profile zu erreichen und damit die gewünsch te und erforderliche Auftriebsverteilung einzustellen, vgl. Abb. 1. Diese Verwindung ist notwen dig aufgrund der mit dem Radius veränderlichen Anströmrichtung sowie dem Betrag der An strömgeschwindigkeit, vgl. Abb. 2. Daher hängen die lokalen Anströmverhältnisse ebenso von der Windgeschwindigkeit V_w (bzw. V_ax als der in der Rotorebene vorliegendene Anteil) ab, wodurch sich bei unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten die Kräfte und Momente am Rotor ändern. Aufgrund dieser Tatsache verringert sich die nutzbare Leistung bei einer Änderung der Windgeschwindigkeit. Zur teilweisen Anpassung, d. h. Änderung des lokalen Anstellwinkels wird das Rotorblatt als ganzes um seine Längsachse gedreht.

Diese als "Pitchsteuerung" bezeichnete Einrichtung ermöglicht nur eine teilweise Kompensa tion der Winkeländerung in radialer Richtung, da die lokalen Winkeländerungen nichtlinear sind proportional arctan (1/r), wohingegen die Verdrehung ("Pitch") des Rotors eine konstante und damit für alle radialen Stellen gleiche Winkeländerung bewirkt. Der lokale Winkel aus den Geschwindigkeiten ergibt sich mit der axialen Windgeschwindigkeit in der Rotorebene V_ax, dem Radius r und der Drehzahl ω zu

Der lokale Anstellwinkel am Rotorblatt gebildet aus den Anströmgeschwindigkeiten und der Verwindung (Θ) ergibt sich zu:

α = Φ - Θ.

Durch die Addition eines sog. Pitchwinkels ist somit keine Möglichkeit gegeben, lokal eine An passung an die veränderlichen Strömungsverhältnisse zu erzielen. Damit einhergehend ändern sich die Lastverhältnisse am Rotorblatt, da der Auftrieb vom Anstellwinkel α abhängig ist. Aus gehend vom Auslegungspunkt bzw. der Auslegungswindgeschwindigkeit trägt bei sich ändernder Windgeschwindigkeit das innere Blatt oder das äußere Blatt hauptsächlich zur Leistung des Ro tors bei. Damit einhergehend ist eine abnehmende Gesamtleistung des Rotors bei Änderung der Windgeschwindigkeit vom Auslegungspunkt sowie vor allem bei Berücksichtigung einer Jahres windgeschwindigkeitsverteilung eine Verringerung des möglichen Jahresenergieertrages. Aufgabe der Erfindung ist es, den lokalen Anstellwinkel am Rotorblatt bestmöglichst an die Erfordernisse bzw. lokalen Strömungsverhältnisse anzupassen.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Der Vorteil der Erfindung liegt in einer radialen bzw. lokalen Änderungsmöglichkeit der Verwin dung bzw. Blatteinstellung. Diese gegenüber herkömmlichen Methoden der konstanten Blattverdrehung gegebene Einflußmöglichkeit führt dazu, daß möglichst viele Blattelemente zur Lei stungserzeugung beitragen und dadurch der erzielbare Jahresenergieertrag deutlich vergrössert wird. Weiterhin kann so auch für verschiedene Jahreswindgeschwindigkeitsverteilungen eine möglichst große Energieausbeute erzielt werden, d. h. eine Anpassung der adaptiven Blattver windung für entsprechend vorgegebene Windgeschwindigkeiten führt zu vergrößerter Energie ausbeute. Desweiteren kann mittels einer adaptiven Blattverstellung bzw. eines adaptiven Rotors eine Geräuschminderung erzielt werden. Da bei nicht angepassten lokalen Anströmverhältnissen die lokalen Anstellwinkel so groß oder klein werden können, daß eine sog. Strömungsablösung auftritt mit der einhergehenden Wirbelbildung und den davon erzeugten Geräuschen, ist so mit eine Geräuschminderung gegeben sowie damit einhergehend eine Akzeptanzerhöhung als sekundärer Vorteil zu betrachten.

Ein Ausführungsbeispiel ist in der Abb. 3 dargestellt und wird im folgenden näher beschrie ben. Es zeigen

Abb. 1 Perspektivische Darstellung eines Rotorblattes,

Abb. 2 Lokale Anströmverhältnisse gebildet aus den Geschwindigkeiten in der Rotorebene,

Abb. 3 Darstellung der adaptiven Blattverstellung mittels Torsion des Rotorblattes,

Abb. 4 Leistungsbeiwert in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit für einen üblichen Rotor,

Abb. 5 Anstellwinkel in radialer Blattrichtung für zwei Windgeschwindigkeiten und Pitchein fluß,

Abb. 6 Leistungsbeiwert in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit für einen Rotor mit adaptiver Blattverstellung,

Abb. 7 Darstellung der adaptiven Blattverstellung mittels eines segmentierten Rotorblat tes,

In der Abb. 1 ist ein üblicher Rotor für Windenergieanlagen schematisch dargestellt. Die Verwin dung bzw. Verdrehung in Längsrichtung als wesentliches Merkmal ist zu erkennen. Ein entspre chender Rotor würde eine Leistungskurve wie in Abb. 4 dargestellt aufweisen. Dieses Ergebnis sowie alle folgenden basieren beispielhaft auf den verfügbaren Daten für den GROWIAN-Rotor. Es ist deutlich zu erkennen, daß bei Entfernung von der Auslegungswindgeschwindigkeit von 12 m/s die Leistung abnimmt. Hierbei wurde der sog. Pitchwinkel, also die konstante Blatt verstellung so lange variiert, bis die maximale Leistung bei der jeweiligen Windgeschwindigkeit erzielt wurde. Betrachtet man die lokalen Anströmwinkel α am Rotorblatt gebildet aus den Anströmgeschwindigkeiten und der Verwindung (Θ) für zwei Windgeschwindigkeiten in Abb. 5, also einmal im Auslegungspunkt bei 12 m/s und einmal bei 6 m/s, so ist zu erkennen, daß mittels einer konstanten Verdrehung des Blattes bis zur Erreichung einer maximalen Leistungsausbeute, wie sie mit der Pitchsteuerung erreicht wird, nur eine Parallelverschiebung der Kurve erfolgt. Die verbleibenden Differenzen zur besten Anstellwinkelverteilung, wie sie bei 12 m/s vorliegt, sind so nicht auszugleichen. Wird das Rotorblatt jedoch, wie das Ausführungsbeispiel in Abb. 3 zeigt, in sich verdreht bzw. einer Torsion unterworfen durch z. B. Ausnutzung der elastischen Verformbarkeit, so kann auf diese Weise eine lineare Zusatzverwindung in Abhängigkeit vom Radius erzielt wird. Die Torsion kann auf unterschiedliche Arten erreicht werden. In diesem Bei spiel befindet sich im Rotor ein zentrales Rohr, in welchem ein weiteres Rohr drehbar gelagert ist. Am Ende des inneren, drehbaren Rohres ist die Rotorspitze fest verbunden. Wird das innere Rohr gedreht, entsteht an der Rotorspitze ein Drehmoment, welches zu einer Torsion des Blattes und damit zu einer mit dem Radius veränderlichen Zusatzverwindung δ führt. Mit dieser kann nun der lokale Anstellwinkel beschrieben werden zu

α = ϕ - Θ + δ(r,V_w),

wobei die Abhängigkeit von V_weine Anpassung der Torsion an die Windgeschwindigkeit be deutet, also unterschiedliche Torsion bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Dadurch ergeben sich deutlich bessere Leistungsbeiwerte für Windgeschwindigkeiten, die von der Auslegungsge schwindigkeit abweichen, s. Abb. 6.

Eine alternative Ausführung ist in der Abb. 7 dargestellt. Hier ist das Rotorblatt aus radialen Segmenten aufgebaut, welche drehbar auf einer Achse angeordnet sind. über einen Hebelme chanismus werden diese Segmente gegeneinander verdreht, so daß eine variable Verwindung in radialer Richtung erreicht wird. Weitere Ausführungsvarianten sind möglich, u. a. die Kopplung mit der Verdrehung des gesamten Rotorblattes zur Erreichung einer automatischen Zusatzver windung.

Claims

1. Adaptive Blattverstellung bzw. adaptiver Rotor für Windenergierotoren, dadurch gekenn zeichnet, daß die Verwindung der entlang einer Blattlängsachse angeordneten aerodyna mischen Profile variabel in Abhängigkeit vom Blattradius ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die radiusabhängige Verwin dung durch Torsion des Rotorblattes erreicht wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die radiusabhängi ge Verwindung durch andere Mechanismen erreicht wird, wodurch die aerodynamischen Profile entlang der Blattachse aufgrund z. B. eines segmentartigen Aufbaues nach Abb. 7 gegeneinander verdreht werden.

4. Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die radiu sabhängige Verwindung mit der Gesamtverdrehung des Rotorblattes oder anderen Stell mechanismen der Windenergieanlage (auch elektrischen) gekoppelt ist.

5. Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die radiu sabhängige Verwindung auch nichtlinear ist.

6. Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die radiu sabhängige Verwindung unabhängig von anderen Stellmechanismen erfolgt.

7. Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein solcher adaptiver Rotor aus beliebigen Materialien aufgebaut ist.

8. Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die variable Verwindung nicht auf Rotoren für Horizontalachs-Windenergiekonverter beschränkt ist, insbesondere der Einsatz bei Vertikalachs-Konvertern.

9. Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anwen dung auf Rotoren für Windenergieanlagen beschränkt ist, z. B. für Vortriebsmaschinen (Rotorantriebe).

10. Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor von einem beliebigen Fluid umströmt wird.