DE102004045401A1

DE102004045401A1 - Windenergieanlage mit elastisch biegsamen Rotorblättern

Info

Publication number: DE102004045401A1
Application number: DE102004045401A
Authority: DE
Inventors: Sönke Siegfriedsen
Original assignee: Aerodyn Engineering GmbH
Current assignee: AERODYN ENERGIESYSTEME GMBH, 24768 RENDSBURG, DE
Priority date: 2004-09-18
Filing date: 2004-09-18
Publication date: 2006-03-30
Also published as: EP1789677A1; CN1997822A; US20070098555A1; WO2006029593A1

Abstract

Windenergieanlage mit Turm (10), einer auf dem Turm (10) um dessen Achse drehbar angeordneten Gondel (14) und einem von der Gondel (14) getragenen, leeseitig laufenden Rotor (16) mit wenigstens einem Rotorblatt (18), gekennzeichnet durch eine Biegesteifigkeit des wenigstens einen Rotorblattes (18), die dessen elastische Durchbiegung um mehr als die Hälfte seiner gestreckten Länge erlaubt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage mit einem Turm, einer auf dem Turm um dessen Achse drehbar angeordneten Gondel und einem in der Gondel drehbar gelagerten, leeseitig zum Turm drehenden Rotor mit wenigstens einem Rotorblatt.

Die Windenergietechnolgie hat sich in den letzten Jahrzehnten sehr dynamisch entwickelt, wobei sich dieses nur auf mittlere bis sehr große Anlagen für den Netzparalellbetrieb bezieht. Die Entwicklung von kleinen Anlagensystemen im Kilowattbereich ist hingegen in den letzten zwanzig Jahren nicht weiter voran gekommen. Dadurch sind diese Anlagen weiterhin sehr teuer und finden daher nicht den Marktzugang. Dabei könnte die Windenergienutzung zur Versorgung der 2 Milliarden Menschen ohne Zugang zu Elektrizität ein wichtige Rolle spielen. Für diese Anwendung besteht ein großer Bedarf an Anlagen in der Leistungsklasse 1 kW bis 10 kW, der aber nur erschlossen werden kann, wenn die Anlagen extrem robust, kostengünstig sowie einfach aufzustellen sind und weitestgehend wartungsfrei arbeiten.

Bestehende Kleinanlagen können diese Anforderungen allerdings nicht erfüllen, da sie zu teuer und/oder zu störanfällig sind. Ein besonderes Problem besteht darin, dass die Anlagen so konstruiert sein müssen, dass sie auch bei extrem starken Winden (Taifun, Hurrikan) dem Winddruck standhalten. Die Auslegungswindgeschwindigkeiten betragen dabei bis zu 70 m/s. Bei diesen Windgeschwindigkeiten ist die Anlage abgebremst und befindet sich im Stillstand.

Um dieses zu erreichen sind Lösungen bekannt bei denen die Rotorblätter um ihre Längsachse verdrehen werden, um dadurch den Schub zu vermindern. Bei anderen Anlagentypen wird die ganze Gondel mit Hilfe einer Windfahne aus dem Wind gedreht oder durch eine Schwenkeinrichtung der gesamte Rotor in den Helikoptermode gebracht. All diesen Lösungen ist gemeinsam, dass sie teuer sowie auch störanfällig sind und sich daher nicht für eine größere Verbreitung eignen. Gleiches gilt für Anlagen, die mit sehr steifen Blättern die hohen Extremlasten übernehmen müssen und auf die gesamte Anlage bis in das Fundament übertragen.

Aus der DE 298 80 145 U1 ist eine Windenergieanlage mit einem elastisch biegsamen Rotorblatt bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Windenergieanlage der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die Belastungen auf die gesamte Struktur der Windenergieanlage durch den Winddruck bei Extremwindbedingungen begrenzt ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Ausbildung des wenigstens einen Rotorblattes mit einer Biegesteifigkeit des Blattprofils in Schlagrichtung, die die elastische Durchbiegung des Rotorblattes um mehr als die Hälfte seiner gestreckten Länge erlaubt. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung erlaubt die Biegesteifigkeit des Rotorblattes, dessen Durchbiegung um mehr als zwei Drittel seiner Länge.

Besonders vorteilhaft ist dabei eine feste Anbindung des Rotorblattes an die Nabe ohne Verstellbarkeit über Lager oder Gelenke, so dass die Störanfälligkeit minimiert ist.

Durch diese starke Durchbiegung vermindert sich zum einen die projizierte Windangriffsfläche erheblich und zum zweiten wird der Widerstandsbeiwert aufgrund der mit der Durchbiegung einhergehenden starken Krümmung der Blätter nach außen deutlich verkleinert. Diese beiden Effekte können bei Extremwindbedingungen den Windschub auf die gesamte Anlage, im Vergleich mit Anlagen die steife Blätter verwenden, auf die Hälfte reduzieren. Dieses spart Materialeinsatz für die lastübertragenden Komponenten wie Rotorwelle, Maschinengehäuse, Vertikallagerung, Turm, Abspannung sowie Fundament und vermindert damit die Herstellungskosten der Anlage erheblich.

Ermöglicht wird die große Durchbiegung durch die Verwendung von dünnen aerodynamischen Profilen in Verbindung mit dem Einsatz von hochfesten Materialien bei gleichzeitig geringem Elastizitätsmodul. Dieses führt dazu, dass auch bei den großen Durchbiegungen die zulässigen Materialdehnungen und -spannungen nicht überschritten werden. Die vorzugsweise verwendete relative Profildicke, also das Verhältnis von absoluter Profildicke zu absoluter Profiltiefe, ist dabei zwischen 0,05 und 0,15.

Ferner zeichnet sich eine bevorzugte Ausgestaltung dadurch aus, dass die Profildicke und die Profiltiefe über die gesamte Blattlänge gleichbleibend sind. Diese Ausgestaltung erlaubt es, dass das wenigstens eine Rotorblatt ein stranggezogenes Faserverbund-Profil ist. Wenn als Faserverbundwerkstoff ein GFK (Glasfaserverbundkunststoff) zum Einsatz kommt, wird die Forderung nach hoher Festigkeit bei gleichzeitig relativ geringem Elastizitätsmodul erfüllt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von 4 Zeichnungen erläutert. Dabei zeigt:
1 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Windenergieanlage mit nichtdurchgebogenen Rotorblättern, und
2 eine 1 entsprechende Darstellung mit gebremster Anlage bei von Extremwind durchgebogenen Rotorblättern, und
3 die Profilkontur eines stranggezogenen Rotorblattes, und
4 die Durchbiegung eines Rotorblattes dargestellt bei verschiedenen Windgeschwindigkeiten.
1 zeigt die Windenergieanlage mit Turm 10 und der Turmabspannung 12. Auf dem Turm 10 ist um dessen Achse drehbar die Gondel 14 angeordnet. In der Gondel 14 ist der Rotor 16 gelagert, der leeseitig, also auf der dem Wind abgewandten Seite des Turmes 10 dreht. Während des Stillstands des Rotors bei wenig Wind, aber auch im Betrieb der Anlage, sind die Blätter gar nicht oder nur wenig durchgebogen. Die Blätter sind mit einem Konuswinkel, also einer gekippten Anordnung in Windrichtung an der Nabe angebracht, so dass sich im Betrieb der Anlage die Zentrifugalkräfte und die Windschubkräfte derart einstellen, dass näherungsweise an der Blattwurzel keine Biegemomente entstehen. Bei Windgeschwindigkeiten oberhalb der Abschaltwindgeschwindigkeit wird die Anlage abgebremst und in den Stillstand gebracht.
2 zeigt die Anlage im gebremsten Zustand bei Extremwindgeschwindigkeit. Durch den Windschub werden die Blätter um mehr als zwei Drittel ihrer gestreckten Länge durchgebogen. Durch diese starke Durchbiegung wird die Windlast deutlich reduziert, da die Windangriffsfläche verkleinert wird. Ferner wird der Widerstandbeiwert des Profils aufgrund der starken Neigung des Blattes gegenüber der Strömungsrichtung vermindert.
3 zeigt ein dünnes aerodynamisches Profil mit einer relativen Profildicke von ca. 8 %. Das heißt, dass Maß der größten Profildicke 20 im Verhältnis zur Profiltiefe 22 beträgt 0,08. Dies führt dazu, dass der Profilquerschnitt eine geringe Steifigkeit in Schlagrichtung aufweist und die Windbelastung das Blatt in Schlagrichtung stark durchbiegen kann.
4 zeigt die Durchbiegung des flexiblen Rotorblattes in Abhängigkeit von der herrschenden Windgeschwindigkeit. Dabei ist die Biegesteifigkeit derart gewählt, dass sie bei einer Windgeschwindigkeit von 70 m/s eine elastische Durchbiegung der Blätter von 70 % der gestreckten Blattlänge erlaubt.

Claims

Windenergieanlage mit Turm (10), eine auf dem Turm (10) um dessen Achse drehbar angeordneten Gondel (14) und einem von der Gondel (14) getragenen, leeseitig laufenden Rotor (16) mit wenigstens einem Rotorblatt (18), gekennzeichnet durch eine Biegesteifigkeit des wenigstens eines Rotorblattes (18), die dessen elastische Durchbiegung um mehr als die Hälfte seiner gestreckten Länge erlaubt.
Windenergieanlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Biegesteifigkeit des Rotorblatts, die dessen Durchbiegung um mehr als Zweidrittel seiner gestreckten Länge erlaubt.
Windenergieanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorblatt nicht verstellbar mit der Nabe verbunden ist.
Windenergieanlage nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass Profildicke (20) und Profiltiefe (22) über die Blattlänge gleichbleibend sind.
Windenergieanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Profildicke 5 bis 15 % beträgt.
Windenergieanlage nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Rotorblatt ein stranggezogenes Faserverbundprofil ist.
Windenergieanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Rotorblatt aus einem stranggezogenen Profil in glasfaserverstärktem Kunststoff besteht.