DE10021850A1

DE10021850A1 - Adaptive Profilierung für Windenergierotoren

Info

Publication number: DE10021850A1
Application number: DE10021850A
Authority: DE
Inventors: Olaf Frommann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-05-05
Filing date: 2000-05-05
Publication date: 2001-11-08

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 Profilwölbung, z. B. durch Ausschlag einer flexiblen Hinterkante, 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_aχ als der in der Rotorebene vorliegende 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_aχ, dem Radius r und der Drehzahl w 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 (Auftriebsverteilung in radialer Richtung) am Rotorblatt, da der Auf trieb vom Anstellwinkel α abhängig ist. Allgemein gilt für ein aerodynamisches Profile folgender Zusammenhang für den lokalen Auftriebsbeiwert, wobei ca₀ den sog. Nullauftriebsbeiwert be zeichnet (Auftriebsbeiwert für α = 0):

Hierin bezeichnet δca/δα den sog. Auftriebsanstieg. Der Wert für ca₀ ist konstant und ebenso im Normalbetrieb der Auftriebsanstieg. Ausgehend vom Auslegungspunkt bzw. der Auslegungs windgeschwindigkeit trägt bei sich ändernder Windgeschwindigkeit das innere Blatt oder das äußere Blatt hauptsächlich zur Leistung des Rotors bei. Damit einhergehend ist eine abnehmen de Gesamtleistung des Rotors bei Änderung der Windgeschwindigkeit vom Auslegungspunkt sowie vor allem bei Berücksichtigung einer Jahreswindgeschwindigkeitsverteilung eine Verringe rung des möglichen Jahresenergieertrages.

Aufgabe der Erfindung ist es, den lokalen Auftrieb am Rotorblatt bestmöglichst an die Er fordernisse bzw. 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 des Auf triebes. Diese gegenüber herkömmlichen Methoden der Profilierung gegebene Einflußmöglichkeit führt dazu, daß möglichst viele Blattelemente zur Leistungserzeugung beitragen und dadurch der erzielbare Jahresenergieertrag deutlich vergrössert wird.

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 Prinzipskizze einer adaptiven Profilierung mittels elastischer Hinterkante zur Er reichung radial variabler Wölbung,

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

Abb. 5 Auftriebbeiwert in radialer Blattrichtung für zwei Windgeschwindigkeiten,

Abb. 6 Prinzipskizze einer adaptiven Profilierung mittels Klappen zur Erreichung radial variabler Wölbung.

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 Auftriebsbeiwerte ca am Rotorblatt für zwei Windge schwindigkeiten 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 ma ximalen Leistungsausbeute, wie sie mit der Pitchsteuerung erreicht wird, die Auftriebsverteilung nicht an diejenige bei 12 m/s heranreicht. Wird das Rotorblatt jedoch, wie das Ausführungsbei spiel in Abb. 3 zeigt, mit einer adaptiven Profilierung versehen, so kann auf diese Weise ein Zusatzauftrieb in Abhängigkeit vom Radius erzielt wird. Dieser Zusatzauftrieb kann auf unter schiedliche Arten erreicht werden. In diesem Beispiel sind die Profilhinterkanten flexibel und können mittels eines Hebelmechanismus' nach oben und unten ausgeschlagen werden. Dadurch ändert sich die Wölbung des Profiles und damit einhergehend der Nullauftrieb ca₀, wodurch eine bessere Kompensation der nichtlinearen Anstellwinkeländerungen möglich wird gegenüber einer konstanten Verdrehung des Rotors, vgl. (1) u. (2). Der Auftriebsbeiwert kann nun beschrieben werden zu

wobei die Abhängigkeit von V_W eine Anpassung an die Windgeschwindigkeit bedeutet, also un terschiedliche Wölbung bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Dadurch ergeben sich deutlich bessere Leistungsbeiwerte für Windgeschwindigkeiten, die von der Auslegungsgeschwindigkeit abweichen.

Eine alternative Ausführung ist in der Abb. 6 dargestellt. Hier sind die Profile mit einem Klap penmechanismus an der Hinterkante versehen ähnlich den Landeklappen bei Flugzeugen. Ein Klappenausschlag ändert auch hier die Wölbung und somit den Nullauftriebsbeiwert. Weiter hin können diese Klappen bei einem Ausschlag auch in Blatttiefenrichtung ausgefahren werden vergleichbar zu den sog. Fowlerklappen, wodurch sich zusätzlich eine Vergrößerung der Blat tiefe ergibt und dadurch eine weitere Anpassung an die Windgeschwindigkeit möglich ist. Die Klappen können in radialer Richtung segmentiert sein, so daß sich die Ausschläge in radialen Blattbereichen unterschiedlich einstellen lassen. Eine weitere alternative Ausführung wäre eine elastische Verformung derart, daß beispielsweise eine Beule o. ä. auf dem Profil erzeugt wird.

Claims

1. Adaptive Profilierung für Windenergierotoren, dadurch gekennzeichnet, daß die Wölbung der entlang einer Blattlängsachse angeordneten aerodynamischen Profile variabel in Abhängig keit vom Blattradius ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die radiusabhängige Wölbungsände rung durch elastische Verformung der Hinterkante erreicht wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die radiusabhängi ge Wölbungsänderung durch andere Mechanismen erreicht wird, insbesondere mittels Hin terkantenklappen oder elastischer Deformation beliebiger Profilbereiche.

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

5. Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die radiu sabhängige Wölbungsänderung linear oder nichtlinear in Abhängigkeit des Radius' ist.

6. Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die radiu sabhängige Wölbungsänderung 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 nicht auf Rotoren für Windenergieanlagen beschränkt ist, z. B. für Vortriebsmaschi nen (Rotorantriebe).

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