DE102005059298B4 - System und Verfahren zur passiven Lastminderung bei einer Windturbine - Google Patents

System und Verfahren zur passiven Lastminderung bei einer Windturbine Download PDF

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    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Abstract

Windturbinenflügel (14, 26, 52, 76, 102) mit:
einer Außenhaut (28, 56, 80, 106) mit einem geschlossenen Flügelprofil (29, 57), einer Außenseite, einer Innenseite und gegenüberliegenden Seiten entlang einer Länge des Flügels (14, 26, 52, 76, 102) und
einer inneren Stützstruktur (30, 54, 78, 104) die innerhalb des geschlossenen Flügelprofils (29, 57) angeordnet ist:
mit wenigstens einem Scherlast tragenden Element (32, 58, 82, 84, 108), das zwischen den einander gegenüberliegenden Seiten angeordnet und entlang der Länge des Flügels (14, 26, 52, 76, 102) angeordnet ist und
mit einer Anzahl von Biegelast tragenden Elementen (34, 36, 60, 62, 86, 88, 90, 92, 110, 112), die entlang der Innenfläche in Längsrichtung entlang der Länge des Flügels (14, 26, 52, 76, 102) angeordnet sind, wobei die innere Stützstruktur (30, 54, 78, 104) dazu eingerichtet ist, ein Scherungszentrum und ein Zentrum der aerodynamischen Druckbelastung in Bezug aufeinander an unterschiedlichen Orten zu...

Description

  • Gegenstand der Erfindung sind allgemein Windturbinen und insbesondere die drehenden Flügel von Windturbinen. Insbesondere schaffen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein System und Verfahren zur passiven Minderung von Windlasten auf die rotierenden Flügel von Windturbinen.
  • Windturbinen werden als umweltfreundliche und relativ billige alternative Engergiequelle angesehen, die Windenergie nutzt, um Elektroenergie zu erzeugen. Eine Windturbine weist allgemein einen Rotor mit mehreren Flügeln auf, der Windenergie in eine Drehbewegung einer Antriebswelle umsetzt. Die Antriebswelle ist mit einem Rotor eines Generators verbunden, der die Drehenergie in elektrische Leistung verwandelt.
  • Windturbinenflügel sind häufig atmosphärischen Turbulenzen ausgesetzt, die sich aus Störungen der Windgeschwindigkeit ergeben. Solche Störungen unterwerfen die Turbinenflügel aerodynamischen Biege- und Scherlasten, was eine Ermüdung der drehenden Flügel ergibt. Zuweilen können diese Lasten relativ hoch und für die Windturbinenflügel schädlich sein. Ein wesentliches Auslegungsmerkmal ist bei Windturbinenflügeln deshalb die Fähigkeit, maximalen Windlasten zu widerstehen. Es ist zu wünschen, dass die Flügel so gestaltet sind, dass sie die maximalen Biege- und Scherlasten tolerieren. Die DE 199 62 454 A1 zeigt beispielhaft den Aufbau eines Windturbinenflügels.
  • Bei manchen Systemen werden diese hohen Lasten durch aktive Regelung des Windturbinensystems reduziert. Diese aktive Regelung führt zu einem niedrigeren Gewicht von Bauelementen und Flügeln, was umgekehrt zu niedrigeren Kosten für die Flügel führt. Die Lastverminderung der Flügel der Windturbine wird meist durch aktive Regelung des Anstellwinkels der Flügel erzielt, wodurch die Flügel gedreht werden und damit der Angriffswinkel des Winds an den Flügeln beeinflusst wird. Eine Änderung des Angriffswinkels verändert die Biegelast, die auf den Flügel wirkt. Wenn Anstellwinkeländerungen ausreichend schnell erfolgen, können sie nicht nur die durchschnittliche Windlast an den Flügeln vermindern, sondern Vibrationsbeanspruchungen erzeugen, die die Ermüdung des Systems beeinflussen. Allgemein reduziert die Verdrehung zu flacherer Anstellung hin (d. h. enger an die Windrichtung angelehnt) in Reaktion auf anschwellende Winde die aerodynamischen Lasten an den Flügeln und somit auf das übrige Windturbinensystem. Beispielsweise kann das System die Windgeschwindigkeit erfassen und in Abhängigkeit davon die Orientierung der Windturbinenflügel aktiv justieren. Die DE 917 540 B zeigt einen Windturbinenflügel mit aktivem System.
  • Alternativ können diese hohen Lasten durch passive Regelung des Windturbinensystems reduziert werden, indem ein Faserverbundwerkstoff verwendet wird, der außerhalb der Längsachse des Flügels vorgespannt ist. Ein Windturbinenflügel weist eine Außenhaut auf, die um Strukturelemente herum, wie beispielsweise einen Querträger, angeordnet ist. Beispielsweise können die Querträger als Scherstege ausgebildet sein, die einander gegenüberliegende Seitenstrukturen oder Holmgurte aufweisen. Unter Windlast tragen die Scherstege die Scherlasten, während die Holmgurte die Biegelasten trägen. Zur passiven Dämpfung der Windlasten kann eine ansehnliche Mehrheit der Fasern in der Flügelhaut und/oder den Holmgurten in einem Winkel (allgemein zwischen 15 und 30 Grad) zu der Flügelachse geneigt sein, so dass die Flügel verstellt werden, um die Last unter extremen Windbedingungen zu mindern. Unglücklicherweise verbraucht die vorgerichtete Faserlage zusätzliches Material für die gleiche Lasttragfähigkeit des Flügels. Dieser zusätzliche Materialverbrauch stellt sich in Folge der Faserorientierung ein, die nicht länger mit der Lastrichtung übereinstimmt. Entsprechend sind die Flügel schwerer und teurer herzustellen. Die DE 42 41 631 A1 zeigt ein Windturbine mit aktiven und passivem System.
  • Entsprechend wird nach einer verbesserten Technik zur passiven Minderung von Windlasten auf Windturbinenflügel, gesucht, die sich mit geringeren Kosten und weniger Materialeinsatz umsetzten lässt, als es bei herkömmlichen Techniken der Fall ist.
  • Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Technik liefert einen neuen Ansatz zur Lösung der vorgenannten Probleme. Nach einem Aspekt richtet sich die Erfindung auf einen Windturbinenflügel. Der Windturbinenflügel enthält eine Außenhaut und eine innere Stützstruktur. Die Außenhaut weist ein geschlossenes Flügelprofil mit einer Außenseite, einer Innenseite und entlang der Länge des Blatts verlaufenden, einander gegenüberliegenden Seiten auf. Die innere Stützstruktur ist innerhalb des geschlossenen Flügelprofils angeordnet. Die innere Stützstruktur enthält wenigstens ein Scherlast tragendes Element, das über die einander gegenüberliegenden Seiten angeordnet und in Bezug auf die Flügellänge in Längsrichtung orientiert ist. Die innere Stützstruktur weist außerdem eine Anzahl von Biegelast tragenden Elementen auf, die entlang der Innenseite in Längsrichtung entlang der Flügellänge orientierter Richtung angeordnet sind. Die innere Stützstruktur ist dazu eingerichtet, ein Scherungszentrum und ein aerodynamisches Lastzentrum des Flügels in Bezug aufeinander an unterschiedlichen Stellen anzuordnen. Nach einem anderen Aspekt, liefert die vorliegende Erfindung eine Windturbine mit einem Rotor, der eine Anzahl der oben diskutierten Flügel aufweist. Nach einem weiteren Aspekt liefert die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Windturbinenflügeln, wie oben beschrieben.
  • Nach einem noch weiteren Aspekt liefert die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Windturbine. Das Verfahren beinhaltet eine Anstellwinkelverstellung des Windturbinenflügels und eine Minderung der Windlast an dem Windturbinenflügel durch passives Verwinden des Windturbinenflügels zur Blattverstellung in Abhängigkeit von der Verbiegung des Windturbinenflügels infolge der Windlast. Ein passives Verwinden der Windturbinenflügel in Abhängigkeit von der Verbiegung wird durch eine Exzentrizität zwischen dem Scherungszentrum und dem Zentrum des aerodynamischen Lastangriffs erreicht.
  • ZEICHNUNGEN
  • Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorzüge der Erfindung werden deutlicher aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich, die in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen zu verstehen ist, in denen gleiche Bezugszeichen durchweg gleiche Teile bezeichnen, wobei:
  • 1 eine Perspektivansicht einer Windturbine mit der erfindungsgemäßen passiven Regelung gemäß Ausführungsformen der Erfindung ist,
  • 2 eine Perspektivansicht eines Windturbinenflügels mit passiver Regelung gemäß Ausführungsformen der Erfindung ist,
  • 3 eine Endansicht eines Turbinenflügels mit erfindungsgemäßer passiver Regelung gemäß Ausführungsformen der Erfindung ist,
  • 4 eine Querschnittsansicht eines Windturbinenflügels mit einer inneren Stützstruktur mit einem gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ausgebildeten C-förmigen Anordnung ist,
  • 5 eine Querschnittsansicht eines Windturbinenflügels mit einer inneren Stützstruktur ist, die eine einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entsprechende Z-förmige Struktur aufweist,
  • 6 eine Querschnittsansicht eines Windturbinenflügels mit innerer Stützstruktur ist, die gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine unsymmetrische Kastenprofilstruktur aufweist,
  • 7 eine Querschnittsansicht eines Windturbinenflügels mit einer inneren Stützstruktur ist, die gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Z-förmige Struktur mit einem im Winkel angeordneten Mehrschichtmaterial aufweist und
  • 8 ein Flussbild ist, das ein exemplarisches Verfahren zum Betrieb einer Windturbine gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
  • Die unten beschriebene Technik schafft ein System und ein Verfahren zur Verbesserung der Windturbinenleistung durch Minderung der Biege- und Scherlasten (Torsionslasten) an den Windturbinenflügeln. Die vorliegende Technik nutzt die passive adaptive Flügelverstellung, die die aerodynamische Konfiguration auf Basis der Größe der Windlast an dem Blatt verstellt, so dass eine zyklische Belastung des Flügels infolge von Turbulenzen der Windgeschwindigkeit gemindert wird. Wie weiter unten detailliert diskutiert, nutzen verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine Anzahl von inneren Stützstrukturen, wie beispielsweise C-förmige, Z-förmige und unsymmetrische Strukturen, die eine Verwindungsbewegung der Flügel in Abhängigkeit von der Verbiegung bewirken, die von starken, turbulenten oder zyklischen Winden hervorgerufen wird. Diese Verwindungsbewegung veranlasst die Turbinenflügel, sich in ihrer Ausrichtung näher an die Windrichtung anzunähern, so dass die Windlasten auf die Turbinenflügel reduziert werden. Diese reduzierte zyklische Belastung verlängert umgekehrt die Ermüdungszeit des Flügels, sowie anderer lasttragender Strukturen in der Windturbinenanlage.
  • Es wird auf die Zeichnungen verwiesen, in denen 1 eine Perspektivansicht einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entsprechenden Windkraftanlage 10 veranschaulicht. Die Windkraftanlage 10 weist einen Rotor 12 mit mehreren Flügeln 14 auf, der auf einem Turm 16 angeordnet ist. Der Turm 16 setzt die Flügel 14 dem Wind 17 aus, der die Flügel 14 um eine Achse 18 rotieren lässt. Die Flügel 14 wandeln die mechanische Energie des Winds in eine Drehung des Rotors 12, dessen Drehmoment genutzt wird, um einen elektrischen Generator 19 zur Erzeugung von Elektroenergie anzutreiben.
  • In den 2 und 3 ist ein Rotorflügel 14 veranschaulicht, der passive Windlastregelmerkmale aufweist, die Aspekten der vorliegenden Erfindung entsprechen. 2 veranschaulicht eine Perspektivansicht, während 3 eine Endansicht des Flügels 14 veranschaulicht. In Abwesenheit von Windkräften oder aerodynamischen Lasten weist der Flügel 14 einen unbelasteten Zustand 20 auf, der durch durchgezogene Linien veranschaulicht ist. Unter der Wirkung einer aerodynamischen Last (FA) kann der Flügel 14 aerodynamischen Scherkräften (Torsionsmomenten) und Biegemomenten unterliegen, die den Flügel 14 veranlassen, sich aus dem unbelasteten Zustand 20 (durchgezogene Linien) in einen aerodynamisch belasteten Zustand 22 (gestrichelte Linien) zu biegen oder zu bewegen. Weiter können atmosphärische Turbulenzen zufällige Fluktuationen dieser Lasten und Biegungen bewirken. Wie in 3 veranschaulicht, kann die aerodynamische Last (FA) in eine Widerstandskraft (FD) in Richtung des Winds 17 und einer Auftriebskraft (FL) rechtwinklig zu der Richtung des Winds 17 zerlegt werden. Die Widerstandskraft (FD) ist für Scherbelastungen verantwortlich, während die Auftriebskraft (FL) für Biegelasten an dem Flügel 14 verantwortlich ist.
  • Wie früher erwähnt, hängen solche aerodynamischen Lasten an dem Windturbinenflügel 14 von dem Angriffswinkel des Winds an solchen Flügeln 14 ab. Deshalb kann der Flügel 14, gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung, so gestaltet werden, dass er wie durch den Pfeil 24 angedeutet, sich in Abhängigkeit von einer Verbiegung entlang der Längsachse 23 des Flügels 14, die von Windkräften oder aerodynamischen Lasten hervorgerufen wird, um eine Längsachse 23 verwindet. Auf diese Weise modifiziert die biegeinduzierte Verwindung 24 eine Veränderung des Angriffswinkels des Winds an dem Blatt 14 in Abhängigkeit von der aerodynamischen Last, die auf das Blatt 14 wirkt. In speziellen Ausführungsformen kann das Blatt 14 dazu eingerichtet sein, sich in den Wind (d. h. auf eine Position zuzudrehen, in der der Angriffswinkel des Winds in Bezug auf die Fläche 25 des Flügels 14 0 Grad beträgt) zu drehen, in Abhängigkeit von der durch den Wind verursachten Biegung, so dass die aerodynamische Belastung des Windturbinenflügels 14 vermindert wird.
  • Aspekte der vorliegenden Erfindung liefern in neue Anordnungen der inneren Last tragenden Komponenten des zusammengesetzten Windturbinenflügels, um eine Kopplung zwischen der Verbiegung und der Verwindung der Flügel zu erleichtern und dadurch die Lastminderungseigenschaften eines Flügels zu verbessern, der sich, wenn er sich biegt, in den Wind verwindet. Die veranschaulichten Ausführungsformen sind dazu eingerichtet, die biegeinduzierte Verwindung oder die Biege-Verwindungs-Kopplung zu erleichtern, indem eine Exzentrizität (e) zwischen einem Scherungszentrum 27 und einem aerodynamischen Lastzentrum 31 des Blatts (nachfolgend als Druckzentrum bezeichnet) geschaffen wird. Das Druckzentrum 31 meint einen Punkt in einem Abschnitt des Flügels 14, der so angesehen werden kann, als würde durch ihn die gesamte aerodynamische Last (FA) laufen, die auf den Flügel 14 wirkt. Das Scherungszentrum 27 bezieht sich auf einen Punkt in einem Abschnitt des Flügels 14, in dem eine auf dem Abschnitt wirkende, durch das Scherungszentrum 27 gerichtete Kraft, an dem Flügel 14 kein Verwindungsmoment erzeugt. Die Exzentrizität (e) zwischen dem Scherungszentrum 27 und dem Druckzentrum 31 erzeugt ein Moment, das gleich dem Produkt aus der Biegelast (FL) und dem Abstand (e) zwischen dem Scherungszentrum 27 und dem Druckzentrum 31 ist, wobei das Moment die Anströmkante des Flügels in den Wind dreht, wenn sich der Flügel unter der Wirkung der Biegelast (FL) biegt.
  • Es sollte angemerkt werden, dass das Scherungszentrum 27 des Flügels 14 ein strukturelles Merkmal des Flügels 14 ist, während das Druckzentrum 31 eine Funktion der aerodynamischen Definition des Flügelabschnitts ist. Der Ort des Scherungszentrums indem Querschnitt des Flügels 14, hängt von der Konfiguration der inneren Stützstruktur ab (d. h. der Anzahl, der Form und der Position der Last tragenden Elemente) und außerdem von den speziellen Materialien, die dazu verwendet worden sind, die innere Stützstruktur und andere Teile des Flügels 14 zu bilden. Somit können verschiedene, mit der vorliegenden Erfindung in Einklang stehende Ausführungsformen in Betracht gezogen werden, um das bestimmte Ausmaß der Exzentrizität zwischen dem Scherungszentrum und dem Druckzentrum des Flügels 14 zu erhalten. Einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind nachstehend mit Bezug auf die 4 bis 7 veranschaulicht.
  • Es wird nun auf diese Veranschaulichungen Bezug genommen, in denen 4 eine Querschnittsansicht eines Aspekten der vorliegenden Erfindung entsprechenden Windturbinenflügels 26 darstellt. Der Flügel 26 enthält eine Außenhaut 28 mit geschlossenem Flügelprofil 29. In manchen Ausführungsformen ist die Außenhaut 28 aus einem Material gebildet, das Glasfasern, Holz, Kunstharz oder Kombinationen dieser Materialien enthält. Innerhalb der Außenhaut 28 ist eine innere Stützstruktur 30 angeordnet, die dazu eingerichtet ist, aerodynamische, auf dem Flügel 26 wirkende Lasten (FL und FD) zu tragen. In der veranschaulichten Ausführungsform enthält die innere Stützstruktur 30 einen Querträger 32, der zwischen einander gegenüberliegenden Seitenstrukturen 34 und 36 angeordnet und mit diesen verbunden ist. Bei manchen Ausführungsformen können die Seitenstrukturen 34 und 36 aus Kohlenstofffaser, Kohlenstoff (Kohlenstofffaser) oder Glas (Glasfaser) oder Holz oder Kombinationen dieser Materialien bestehen. Der Querträger 30 ist dazu eingerichtet, auf den Flügel 26 wirkende aerodynamische Scherlasten (FD) zu tragen und wird auch als Schersteg bezeichnet. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Querträger 32 aus Schaum, Holz, Glasfaser, Kohlenstoff oder Kombinationen dieser Stoffe bestehen. Die Seitenstrukturen 34 und 36, die auch als Holmgurte bezeichnet werden, können dazu eingerichtet sein, die auf den Flügel 26 wirkenden aerodynamischen Biegelasten (FL) zu tragen und sind aneinander bezüglich einer Zentralsehne 42 des Flügelprofils gegenüberliegenden Seiten 38 und 40 angeordnet.
  • Gemäß der veranschaulichten Ausführungsform ist der Querträger 32 zwischen den Seitenstrukturen 34 und 36 in einer bezüglich den einander gegenüberliegenden Enden 41 und 43 des Querträgers 32 außermittigen Position angeordnet, so dass die innere Stützstruktur 30 eine C-förmige Gestalt aufweist. Der C-förmige Aufbau liefert vorteilhafterweise eine Exzentrizität (e) zwischen einem Scherungszentrum 44 und einem Druckzentrum 46 des Flügels 26. In der veranschaulichten Ausführungsform ist der Querträger 32 gegen das Druckzentrum 44 zu der Anströmkante 48 des Flügels hin verlagert oder versetzt angeordnet. Bei einer abweichenden Ausführungsform kann der Querträger 32 gegen das Druckzentrum 44 zu einer Abströmkante 50 des Flügels 26 hin verlagert oder versetzt angeordnet sein. Gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt die Exzentrizität (e) ein (Dreh-)-moment, das gleich dem Produkt aus der Biegelast (FL) und dem Abstand (e) zwischen dem Scherungszentrum 44 und dem Druckzentrum 46 ist, was die Anströmkante 48 des Flügels 26 veranlasst, sich in Abhängigkeit von der Verbiegung des Flügels 26 in Folge der Biegelast (FL) nach unten zu verwinden. Bei gewissen Ausführungsformen kann die Exzentrizität (e) optimal bestimmt werden, um eine gewünschte biegeinduzierte Verwindung oder Biege-Verwindungs-Kopplung zu erhalten, während eine gewünschte strukturelle Steifigkeit des Flügels 26 beibehalten wird. Für Flügel, deren Länge in dem Bereich von 37 bis 40 Metern liegt, wird durch Verwendung einer C-förmigen Innenstruktur eine Verwindung von der Nabe zur Wurzel in der Größenordnung von 5 Grad erreicht. Dieses Maß induzierter Verwindung bewirkt eine Reduktion der Ermüdungslasten in der Größenordnung von 10 Prozent.
  • Alternativ kann eine Exzentrizität zwischen dem Scherungszentrum und dem Druckzentrum durch eine Z-förmige Konfiguration der inneren Stützstruktur des Flügels erreicht werden. 5 veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines Flügels 52 mit einer Z-förmigen inneren Stützstruktur 54 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die innere Stützstruktur 54 ist von einer Außenhaut 56 umschlossen, die ein geschlossenes Flügelprofil 57 aufweist, wobei die innere Stützstruktur 54 einen Last tragenden Querträger 58 (d. h. der die Scherkraft FD trägt) aufweist, der quer durch den Raum zwischen Biegelast tragenden Seitenstrukturen 60 und 62 angeordnet ist (d. h. solche, die die Biegelast FL tragen). Die Seitenstrukturen 60 und 62 der inneren Stützstruktur 54 sind an einander gegenüberliegenden Seiten 64 und 66 der Außenhaut 56 angeordnet, so dass die Seitenstrukturen 60 und 62 in Bezug auf die gegenüberliegenden Enden 68 und 70 des Querträgers 58 in einander entgegengesetzten Richtungen außermittig angeordnet sind. In dieser unsymmetrischen Konfiguration bilden die Seitenstrukturen 60 und 62 des Querträgers 58 eine Z-Form. Die unsymmetrische Z-förmige Konfiguration, ist dazu geeignet, die gewünschte Exzentrizität (e) zwischen einem Scherungszentrum 72 und einem Druckzentrum 74 des Flügels 52 zu erbringen.
  • In weiteren Ausführungsformen kann die Exzentrizität (e) außerdem beeinflusst werden, indem die Seitenstrukturen aus unterschiedlichen Materialien ausgebildet werden. Solche Ausführungsformen verursachen eine Exzentrizität in Richtung zunehmender Materialdicke. Das Produkt dieser Exzentrizität und der in Richtung der Sehnenlinie liegenden Komponente FD des aerodynamischen Drucks, erzeugt ein Verwindungsmoment, das von der Verbiegung des Flügels abhängt, die von dem aerodynamischen Druck verursacht worden ist.
  • 6 veranschaulicht einen Flügel 76 mit einer Biegungs-Verwindungskopplung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie veranschaulicht, enthält der Flügel 76 eine innere Stützstruktur 78, die in einer Außenhaut 80 angeordnet ist und eine unsymmetrische Kastenprofilform aufweist. Die kastenprofilförmige innere Stützstruktur 78 enthält ein Paar Querträger 82 und 84, die dazu eingerichtet sind, aerodynamische, auf den Flügel 76 wirkende Scherlasten (FD) zu tragen. In der veranschaulichten Ausführungsform enthält die innere Stützstruktur 78 zwei Paar Biegelasten tragender Seitenstrukturen 86, 88 und 90, 92 (d. h. solche, die Biegelasten FL tragen) die an einander gegenüberliegenden Seiten 94 und 96 der Außenhaut 80 angeordnet sind. Die Seitenstrukturen 86, 88, 90 und 92 können aus Materialien ausgebildet sein, die eine unterschiedliche Steifigkeit aufweisen. Der Ort des Scherungs zentrums 98 des Flügels 76 ist eine Funktion der Materialsteifigkeit der Komponenten und der Positionen der inneren Stützstruktur 78. Somit erzeugt die Verwendung einer inneren Stützstruktur 78 mit einer unsymmetrischen Verteilung der Steifigkeit gemäß der veranschaulichten Ausführungsform eine Exzentrizität (e) zwischen einem Scherungszentrum 98 und einem Druckzentrum 100 des Flügels 76. In einer Ausführungsform können die Seitenstrukturen 86 und 92 aus ähnlichen Materialien ausgebildet sein, wie beispielsweise Materialien, zu denen Kohlenstoff gehört, während die Seitenstrukturen 88 und 90 aus anderen Materialien ausgebildet sein können, wie beispielsweise Glas. Andere Paarungen unterschiedlicher Materialien für die Seitenstrukturen 86 und 92 und die Seitenstrukturen 88 und 92 sind eingeschlossen. Die Exzentrizität (e) gestattet dem Flügel 76, wie vorstehend beschrieben, sich in Abhängigkeit der Verbiegung zu verwinden, die entlang der Längsrichtung des Flügels 76 auftritt, wodurch die aerodynamischen Lasten bei relativ starken und/oder turbulenten Winden reduziert werden.
  • Die oben beschriebenen Techniken können in Verbindung mit einer Maßschneiderung der Außenhaut und/oder der Seitenstrukturen durch Nutzung außer-axial ausgerichteter Fasern zur Bewirkung der gewünschten Biege-Verwindungs-Kopplung bei Windturbinenflügeln verwendet werden. In einer exemplarischen Ausführungsform veranschaulicht 7 einen Flügel 102 mit im Winkel angeordneten Materialsträngen und einer asymmetrischen inneren Stützstruktur, zum Beispiel einer Z-förmigen inneren Stützstruktur 104. Es wird angemerkt, dass eine solche Strukturierungstechnik bei jedem der vorgenannten Ausführungsformen und anderen, mit der Erfindung in Einklang stehenden Ausführungsformen genutzt werden kann. Wie in 7 veranschaulicht, ist die innere Stützstruktur 104 innerhalb einer geschlossenen flügelprofilförmigen Außenhaut 106 angeordnet. Die innere Stützstruktur 104 weist einen Scherkrafttragenden Querträger 108 (der die Scherkraft FD trägt) auf, der in dem Raum zwischen Biegelast tragenden Seitenstrukturen 110 und 112 angeordnet ist (die die Biegelast FL tragen). Die Seitenstrukturen 110 und 112 der inneren Stützstruktur 104 sind an einander gegenüberliegenden Seiten 114 und 116 der Außenhaut 106 angeordnet, so dass die Seitenstrukturen 110 und 112 in Bezug auf die einander gegenüberliegenden Enden 118 und 120 des Querträgers 108 außermittig versetzt angeordnet sind, so dass eine Z-förmige Konfiguration gebildet ist. Wie für frühere Ausführungsformen beschrieben, ist diese unsymmetrische Z-förmige Konfiguration geeignet, die gewünschte Exzentrizität (e) zwischen einem Scherungszentrum 122 und einem Druckzentrum 124 des Flügels 102 zu schaffen. Zusätzlich kann die Außenhaut 106 bei der veranschaulichten Ausführungsform aus im Winkel angeordneten Fasermaterial (repräsentiert durch das Bezugszeichen 126) ausgebildet sein, bei der eine Mehrzahl von Fasern in einem Winkel (allgemein zwischen 15 und 30 Grad) zu einer Achse 128 des Flügels 102 orientiert sind (die auf der Zeichenebene der 7 rechtwinklig steht). Außerdem kann eine Mehrzahl von Fasern 130 und 132 der Seitenstrukturen 110 und 112 ebenfalls in einem ähnlichen Winkel zu der Flügelachse 128 orientiert sein. Die außer-axialen oder im Winkel angeordneten Fasern 126, 130 und 132 sind geeignet, in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung eine zusätzliche Biegungs-Verwindungs-Kopplung (biegungsinduzierte Verwindung) zu erzeugen. Bei bestimmten Ausführungsformen können die schräg oder im Winkel angeordneten Fasern 126 der Außenhaut 106 und oder die schräg oder im Winkel angeordneten Fasern 130 und 132 der Seitenstrukturen 110 und 112 vorgespannt sein um, wenn der Flügel 102 nicht belastet ist, eine Zusatzverwindung zu erzeugen, so dass der Flügel, wenn der Flügel 102 bei Windstärken nahe der gewünschten Spitzenleistung oder Spitzeneffizienz arbeitet, unter der Last eine Entwindung zu einer gewöhnlichen optimalen Verwindungsverteilung erfährt.
  • In 8, auf die nunmehr Bezug genommen wird, ist ein Flussbild veranschaulicht, das ein exemplarisches Verfahren 134 des Betriebs einer Windkraftanlage gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
  • Das Verfahren 134 beginnt in Block 136, in dem die Windkraftanlage so betrieben wird, dass sich die Windturbinenflügel drehen. Nachfolgend setzt das Verfahren in Block 138 mit dem Abschwächen einer auf den Windturbinenflügel wirkenden Windlast fort, indem der Windturbinenflügel passiv verwunden wird, um ihn in Reaktion auf eine Verbiegung des Windturbinenflügels in Folge der Windlast in den Wind zu drehen. Bei manchen, im Detail oben diskutierten Ausführungsformen, wird diese biegungsinduzierte Verwindung erreicht, indem eine Exzentrizität zwischen dem Scherungszentrum und dem Druckzentrum des Flügels geschaffen wird.
  • Es wird ersichtlich, dass die oben beschriebenen Techniken eine effiziente Verminderung aerodynamischer Lasten auf Windturbinenflügel durch passive Reaktion der Flügel auf Modifikation ihrer aerodynamischen Konfiguration auf Basis der Größe der auf sie wirkenden aerodynamischen Lasten erbringen. Diese Techniken sind insbesondere wegen der Einfachheit der Herstellung, wie auch der reduzierten, mit dem Verfahren zusammenhängenden Materialkosten vorteilhaft.
  • Während hier lediglich gewisse Eigenschaften der Er findung veranschaulicht und beschrieben worden sind, ist es dem Fachmann klar, dass Modifikationen und Abwandlungen vorgenommen werden können. Es versteht sich deshalb, dass die nachfolgenden Patentansprüche alle solche Modifikationen und Abwandlungen umfassen sollen, die den wahren Geist der Erfindung wiedergeben.
  • In Übereinstimmung mit bestimmten Ausführungsformen weist ein Windturbinenflügel 14, 26, 52, 76, 102 eine Außenhaut 28, 56, 80, 106 und eine innere Stützstruktur 30, 54, 78, 104 auf. Die Außenhaut 28, 56, 80, 106 weist eine geschlossene Flügelprofilform 29, 57 auf und enthält eine Außenfläche, eine Innenfläche und einander gegenüberliegende Seiten, die sich entlang der Länge des Flügels 14, 26, 52, 76, 102 erstrecken. Die innere Stützstruktur 30, 54, 78, 104 ist innerhalb der geschlossenen Flügelprofilform 29, 57 angeordnet. Die innere Stützstruktur 30, 54, 78, 104 enthält wenigstens ein Scherlasttragendes Element 32, 58, 82, 84, 108, das zwischen einander gegenüberliegenden Seiten angeordnet und entlang der Längsrichtung des Flügels 14, 26, 52, 76, 102 in Längsrichtung angeordnet ist. Die innere Stützstruktur 30, 54, 78, 104 enthält eine Anzahl von Biegelast tragenden Elementen 34, 36, 60, 62, 86, 88, 90, 92, 110, 112, die entlang der Innenseite in Längsrichtung des Flügels 14, 26, 52, 76, 102 angeordnet sind. Die innere Stützstruktur 30, 54, 78, 104 ist dazu eingerichtet, das Scherungszentrum und das Zentrum aerodynamischer Druckbelastung des Flügels 14, 26, 52, 76, 102 in Bezug aufeinander an unterschiedlichen Stellen anzuordnen.
    • 10
    Windkraftanlage
    12
    Rotor
    14
    Flügel
    16
    Turm
    17
    Wind
    18
    Drehachse
    19
    Generator
    20
    Flügel in unbelastetem Zustand
    22
    Flügel in belastetem Zustand
    24
    Flügelfläche
    26
    Flügel
    27
    Scherungszentrum
    28
    Außenhaut
    29
    Flügelform
    30
    innere Stützstruktur
    31
    Druckzentrum
    32
    Querträger
    34, 36
    Seitenstrukturen
    38, 40
    gegenüberliegende Seiten der Außenhaut
    42
    Zentralsehne
    41, 43
    gegenüberliegende Enden des Querträgers
    44
    Scherungszentrum
    46
    Druckzentrum
    48
    Anströmkante
    50
    Abströmkante
    52
    Flügel
    54
    innere Stützstruktur
    56
    Außenhaut
    57
    Flügelprofil
    58
    Querträger
    60, 62
    Seitenstrukturen
    64, 66
    gegenüberliegende Seiten der Außenhaut
    68, 70
    gegenüberliegende Enden des Querträgers
    72
    Scherungszentrum
    74
    Druckzentrum
    76
    Flügel
    78
    innere Stützstruktur
    80
    Außenhaut
    82, 84
    Querträger
    86, 88
    Paare von Seitenstrukturen
    90, 92
    Paare von Seitenstrukturen
    94, 96
    gegenüberliegende Seiten der Außenhaut
    98
    Scherungszentrum
    100
    Druckzentrum
    102
    Flügel
    104
    innere Stützstruktur
    106
    Außenhaut
    108
    Querträger
    110, 112
    Seitenstrukturen
    114, 116
    gegenüberliegende Seiten der Außenhaut
    118, 120
    gegenüberliegende Enden des Querträgers
    122
    Scherungszentrum
    124
    Druckzentrum
    126
    Faser in der Außenhaut
    128
    Flügelachse
    130, 132
    Fasern in den Seitenstrukturen
    134
    Flügelbetriebsverfahren
    136
    erster Schritt des Verfahrens
    138
    zweiter Schritt des Verfahrens

Claims (10)

  1. Windturbinenflügel (14, 26, 52, 76, 102) mit: einer Außenhaut (28, 56, 80, 106) mit einem geschlossenen Flügelprofil (29, 57), einer Außenseite, einer Innenseite und gegenüberliegenden Seiten entlang einer Länge des Flügels (14, 26, 52, 76, 102) und einer inneren Stützstruktur (30, 54, 78, 104) die innerhalb des geschlossenen Flügelprofils (29, 57) angeordnet ist: mit wenigstens einem Scherlast tragenden Element (32, 58, 82, 84, 108), das zwischen den einander gegenüberliegenden Seiten angeordnet und entlang der Länge des Flügels (14, 26, 52, 76, 102) angeordnet ist und mit einer Anzahl von Biegelast tragenden Elementen (34, 36, 60, 62, 86, 88, 90, 92, 110, 112), die entlang der Innenfläche in Längsrichtung entlang der Länge des Flügels (14, 26, 52, 76, 102) angeordnet sind, wobei die innere Stützstruktur (30, 54, 78, 104) dazu eingerichtet ist, ein Scherungszentrum und ein Zentrum der aerodynamischen Druckbelastung in Bezug aufeinander an unterschiedlichen Orten zu lokalisieren.
  2. Windturbinenflügel (14, 26, 52, 76, 102) nach Anspruch 1, bei dem das wenigstens eine Scherungslast tragende Element (32, 58, 82, 84, 108) einen Träger und bei dem die Anzahl von Biegelast tragenden Elementen (34, 36, 60, 62, 86, 88, 90, 92, 110, 112) ein Paar Seitenstrukturen aufweist, die an einander gegenüberliegenden Seiten (41, 43 und 68, 70, 118, 120) des Balkens angeordnet sind, wobei die Seitenstrukturen im Bezug auf die gegenüberliegenden Seiten des Trägers außermittig angeordnet sind.
  3. Windturbinenflügel (14, 26, 52, 76, 102) nach Anspruch 1, bei dem das Paar Seitenstrukturen voneinander abweichende Materialien aufweist.
  4. Windturbinenflügel (26) nach Anspruch 1, bei dem die innere Stützstruktur (30) einen C-förmigen Querschnitt aufweist, der durch wenigstens ein Scherungslast tragendes Element (32) und ein Paar Biegelast tragender Elemente (34, 36) definiert ist.
  5. Windturbinenflügel (52, 102) nach Anspruch 1, bei dem die innere Stützstruktur (54, 104) einen Z-förmigen Querschnitt aufweist, der durch das wenigstens eine Scherungslast tragende Element (58, 108) und ein Paar Biegelast tragender Elemente (60, 62 und 110, 112) definiert ist.
  6. Windturbinenflügel (14, 26, 52, 76, 102) nach Anspruch 1, bei dem das wenigstens eine Scherungslast tragende Element (32, 58, 82, 84, 108) ein Paar Träger und die Anzahl Biegelast tragender Elemente (34, 36, 60, 62, 86, 88, 90, 92, 110, 112) ein Paar Seitenstrukturen aufweist, die an gegenüberliegenden Seiten jedes Trägers angeordnet sind, wobei die Seitenstrukturen voneinander abweichende Materialien aufweisen.
  7. Windturbinenflügel (76) nach Anspruch 1, bei dem das wenigstens eine Scherungslast tragende Element (82, 84), ein Paar Träger und die Anzahl biegelast tragender Elemente (86, 88, 90, 92), ein Paar Seitenstrukturen aufweist, die an einander gegenüberliegenden Seiten jedes Trägers angeordnet sind, wobei die Träger und Seitenstrukturen in kastenprofilförmiger Konfiguration angeordnet sind.
  8. Windturbinenflügel (14, 26, 52, 76, 102) nach Anspruch 1, bei dem die Anzahl Biegelast tragender Elemente (34, 36, 60, 62, 86, 88, 90, 92, 110, 112) unterschiedliche Materialien enthalten, die dazu eingerichtet sind, eine strukturelle Exzentrizität der inneren Stützstruktur (30, 54, 78, 104) in einer Richtung zunehmender Materialdicke zu erzeugen.
  9. Windturbinenflügel (14, 26, 52, 76, 102) nach Anspruch 1, bei dem die innere Stützstruktur (30, 54, 78, 104) ein Material aufweist, das Kohlenstoff oder Glas oder jede Kombination davon enthält.
  10. Windturbinenflügel (14, 26, 52, 76, 102) nach Anspruch 1, bei dem die innere Stützstruktur (30, 54, 78, 104) dazu eingerichtet ist, die auf den Windturbinenflügel (14, 26, 52, 76, 102) einwirkende Windlast passiv zu mindern, indem der Anstellwinkel der geschlossenen Flügelprofilform (29, 57) vermindert wird.
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