DE102006034830A1 - Mehrteilige passive lastvermindernde Rotorblätter und Windkraftanlagen, die selbige verwenden - Google Patents

Mehrteilige passive lastvermindernde Rotorblätter und Windkraftanlagen, die selbige verwenden Download PDF

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Abstract

Eine Windkraftanlage (100) beinhaltet einen Turm (104) und einen Generator (102) auf dem Turm. Der Generator beinhaltet einen Rotor (106) mit zumindest einem zusammengebauten Blatt (108). Das zusammengebaute Blatt beinhaltet zumindest ein inneres Teil (202), ein äußeres Teil (204) und einen Verbinder (206), der ausgelegt ist zur Montage und Demontage des inneren Teils und des äußeren Teils. Das äußere Teil ist ausgelegt, um eine passive Lastverminderung bereitzustellen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Windkraftanlagen und genauer Windkraftanlagen mit Rotorblättern, die aus mehr als einem Stück gebaut sind und lastvermindernde Charakteristika aufweisen.
  • In letzter Zeit erfahren Windkraftanlagen gesteigerte Aufmerksamkeit als umweltfreundliche und relativ kostengünstige Mittel, um Energie aus dem Wind zu gewinnen. Mit diesem wachsenden Interesse wurden beträchtliche Aufwendungen getätigt, um Windturbinen zu entwickeln, die zuverlässig und effizient sind.
  • Im Allgemeinen beinhalten Windkraftanlagen einen Rotor mit mehreren Blättern. Der Rotor ist an einem Antriebsstrang angebracht, der innerhalb eines Gehäuses oder einer Gondel angeordnet ist, die an der Spitze eines Gitterturms oder eines Röhrenturms angeordnet ist. Windkraftanlagen der Versorgungsklasse, das heißt Windkraftanlagen, die zum Einspeisen elektrischer Leistung in ein Versorgungsnetz ausgelegt sind, können große Rotoren aufweisen, die z.B. einen Durchmesser von 30 oder mehr Metern haben. Die Blätter dieser Rotoren wandeln Windenergie in ein Drehmoment oder eine Drehkraft um, die einen oder mehrere Generatoren, die mit dem Rotor über ein Getriebe gekoppelt sind, antreiben. Das Getriebe kann dazu verwendet werden, die inhärent niedrige Drehzahl des Turbinenrotors für den Generator heraufzusetzen, um die mechanische Energie effizient in elektrische Energie umzuwandeln, die dann in ein Versorgungsnetz eingespeist wird. Einige Turbinen verwenden Generatoren, die ohne Verwendung eines Getriebes direkt mit dem Rotor gekoppelt sind.
  • Mit dem Anstieg der Stromerzeugungs-Kapazität von Windkraftanlagen steigen ebenso die Abmessungen der Rotorblätter und anderer Komponenten an. Weiterhin ist es zur Maximierung der Energieausbeute im Großteil des Windbereichs günstig, für eine bestimmte Generator-Nennkapazität einen größtmöglichen Rotordurchmesser zu verwenden. An einem bestimmten Punkt werden jedoch praktische Grenzen des Transports und der Logistik überschritten. Darüber hinaus steigen mit anwachsender physikalischer Größe die Trägheitslasten und die aerodynamischen Lasten an, die die Struktur aufnehmen muss. Diese Begrenzungen führen zu Einschränkungen sowohl für die Bemessung der Energieerzeugung als auch für den Rotordurchmesser für eine bestimmte Bemessungskapazität.
    •
  • Daher stellt die vorliegende Erfindung gemäß einem Aspekt einen Blattsatz für einen Rotor bereit. Der Blattsatz beinhaltet zumindest ein inneres Teil, ein äußeres Teil und einen Verbinder, der zum Verbinden des inneren Teils und des äußeren Teils miteinander ausgelegt ist, wobei der Blattsatz dafür ausgelegt ist, eine passive Lastverminderung bereitzustellen, wenn er zusammengebaut ist.
  • Gemäß einem anderen Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Windkraftanlage bereit, die einen Turm und einen auf dem Turm angeordneten Generator beinhaltet. Der Generator beinhaltet einen Rotor mit zumindest einem zusammengebauten Blatt. Das zusammengebaute Blatt beinhaltet zumindest ein inneres Teil, ein äußeres Teil und einen Verbinder, der für die Montage und Demontage des inneren Teils und des äußeren Teils ausgelegt ist. Das äußere Teil ist ausgelegt, eine passive Lastverminderung bereitzustellen.
  • Gemäß noch einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Montage eines Rotorblattes an einem Rotor einer Windkraftanlage bereit. Das Verfahren beinhaltet den Transport zumindest zweier nicht zusammengebauter Teile eines Blattes. Die nicht zusammengebauten Teile beinhalten einen äußeren Blattteil mit einer rückwärtigen Krümmung und einen inneren Blattteil. Das Verfahren beinhaltet weiterhin den Zusammenbau zumindest des äußeren Blattteils und des inneren Blattteils zu einem Blatt und die Montage an dem Rotor der Windkraftanlage.
  • Es ist aus der Beschreibung ersichtlich, dass verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung lastvermindernde Charakteristika bereitstellen, die für Windkraftanlagen größere als die normalen Rotordurchmesser sowie logistische Vorteile beim Transport ermöglichen, die die zusätzlichen Kosten und Komplexität eines Blattes mit einem Verbinder aufwiegen.
    •
  • 1 ist eine Darstellung einer Ausführungsform einer Windkraftanlage gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 2 ist eine grafische Darstellung einer stetig gekrümmten mehrteiligen Blattkonfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung, die für die Verwendung in der Ausführungsform der Windkraftanlage gemäß 1 geeignet ist. In 2 entspricht die Papierebene der Ebene des Rotors. Die Linie am linken Ende des Graphs kann als ein Rand eines Blattanschlusses oder eines Blattwurzellagers interpretiert werden. Die X-Achse korrespondiert zur Blatteinstellwinkelachse P, wohingegen eine mit E bezeichnete Linie durch das Blatt die elastische oder strukturelle Achse des Blattes repräsentiert. Die Profil-Hinterkante eines jeweiligen Blattes ist oben in der Figur und die Profil-Vorderkante ist unten in der Figur gezeigt. Demgemäß zeigen die Blätter nach unten.
  • 3 ist eine Darstellung einer Ausführungsform einer zusammengebauten Blattkonfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Im Folgenden bezieht sich der Begriff "Krümmung" auf einen Winkel einer elastischen Achse relativ zur Blatteinstellwinkelachse eines Blattes, wobei die "elastische Achse" sich auf einen Ort von Punkten bezieht, die ein Verwindungszentrum bei einem jeweiligen Schnitt des Blattes in Spannrichtung definieren.
  • Gemäß einiger Ausführungsformen und mit Bezug auf 1 umfasst eine Windturbine 100 eine Gondel 102, die einen Generator (in 1 nicht gezeigt) aufnimmt. Die Gondel 102 ist oben auf einem hohen Turm 104 angebracht, von dem lediglich ein Teil in 1 gezeigt ist. Die Windkraftanlage 100 umfasst weiterhin einen Rotor 106, der einen oder mehrere Rotorblätter 108 beinhaltet, die an einer drehenden Nabe 110 angebracht sind. Obwohl die in 1 gezeigte Windkraftanlage 100 drei Rotorblätter 108 beinhaltet, erfordert die vorliegende Erfindung keine spezifische Begrenzung der Anzahl von Rotorblättern 108. Die Blätter 108 umfassen mehrere Teile, beinhaltend ein inneres Teil 202 und ein äußeres Teil 204, die es erlauben, dass ein großes Blatt wie etwa Blatt 108, bequemer in Einzelteilen transportiert werden kann und am Einsatzort zusammengebaut wird.
  • Einige Komponenten der Windkraftanlage 100 gemäß der gezeigten Ausführungsformen sind in der Gondel 102 an der Spitze des Turms 104 der Windkraftanlage 100 aufgenommen. Die Höhe des Turms 104 wird anhand von Faktoren und Bedingungen, die im Stand der Technik bekannt sind, gewählt. Gemäß einiger Ausführungsformen werden einer oder mehrere Mikrocontroller in einem Steuerungssystem für die übergreifende Systemüberwachung und -steuerung verwendet, was Blatteinstellwinkel- und Drehzahlregelung, Bremsanwendungen für eine Hochgeschwindigkeitswelle und eine Windnachführung, Anwendung eines Windnachführungsmotors und eines Pumpenmotors sowie Fehlerüberwachung beinhaltet. Alternative verteilte oder zentralisierte Steuerungsarchitekturen werden in manchen Ausführungsformen verwendet. Die Blatteinstellwinkel der Blätter 108 können gemäß einiger Ausführungsbeispiele einzeln gesteuert werden. Die Nabe 110 und die Blätter 108 umfassen zusammen den Windkraftanlagen-Rotor 106. Die Drehung des Rotors 106 bewirkt, dass ein Generator (in den Figuren nicht gezeigt) elektrische Leistung erzeugt.
  • Gemäß einiger Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und mit Bezug auf die 1 und 2 sind die mehrteiligen Rotorblätter 108 einer Windkraftanlage 100 relativ zu einer elastischen Achse E (in einer Rotationsebene des Rotors) in einem Innenbereich 112 des inneren Teils 202 vorwärts gekrümmt. Durch eine um einen geeigneten Betrag nach vorne ausgeführte Krümmung wird ein Blatteinstellwinkel-Moment des Blattes 108 an seiner Wurzel 114 aufgrund der Krümmung vermindert oder aufgehoben. Die Vorwärtskrümmung des Innenbereichs 112 des Rotorblattes 108 erzeugt keine nachteilige Verwindung messbarer Größenordnung des Bereichs 112, da die Blattwurzeln 114 extrem verwindungssteif sind. Da die Krümmung des Außenabschnitts 116 des äußeren Teils 204 relativ zu weiter innen liegenden Abschnitten unverändert bleibt, bleibt die durch die äußere Krümmung induzierte Verwindung ebenfalls unverändert.
  • Auf diese Weise weisen das Blatt oder die Blätter 108 gemäß einiger Ausführungsformen passive lastvermindernde Charakteristika auf. Das Blatt kann in mindestens zwei Teilen 202 und 204 hergestellt und transportiert werden, wenn dies aus logistischen oder herstellungstechnischen Gründen gewünscht ist, und vorteilhafterweise mit einem Verbinder 206 zusammengebaut werden. Der Verbinder 206 kann jede geeignete Art von Verbinder sein, die ausgelegt ist, um die Blattteile 202 und 204 miteinander zu montieren, er mag jedoch ebenso spezifisch ausgelegt und hergestellt sein, um günstige Biegeeigenschaften aufzuweisen. Beispielsweise kann ein Überlappungs-Verbinder mit bündigen Bolzen verwendet werden. Gemäß einiger Ausführungsformen ist der Verbinder 206 bei ungefähr 70% des Radius, d.h. bei ungefähr 70% der Blattlänge, angeordnet. Ein äußerer Teil 204 des Blattes 108 weist eine rückwärtige Krümmung auf, um eine passive Lasterleichterung bereitzustellen. Als optionale Design-Möglichkeit kann der Innenteil 202 des Blattes 108 leicht vorwärts gekrümmt sein, um ein Torsionsmoment bereitzustellen, das in einer entgegengesetzten Richtung zu dem an der Blattspitze 208 wirkenden Torsionsmoment wirkt. Wird diese optionale Design-Möglichkeit bereitgestellt, so hilft sie, die Verwindungslasten, die auf das Blatteinstellwinkelsystem der Windkraftanlage wirken, auszugleichen.
  • Genauer gesagt wiegen einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Kosten der Bereitstellung eines Verbinders 206 im Blatt 108 durch das Einführen lastvermindernder Merkmale auf, die Systemvorteile bieten. Beispielsweise bietet die passive Lastverminderung sowohl eine Lastverminderung im Betrieb als auch während Stillstandszeiten, was weiter bei der Optimierung der Kosten einer Windkraftanlage 100 helfen kann.
  • Ebenfalls stellen einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Blatt 108 mit einem Abschnitt 202, der vom Verbinder 206 aus innenliegend, d.h. zur Nabe hin gelegen, ist, aus herkömmlichen GFK (glasfaserverstärkter Kunststoff) bereit. Ein anderes Material und/oder eine andere Bauart wird für den Abschnitt 204, der bezüglich des Verbinders 206 außen, d.h. zur Spitze 208 hin, liegt, verwendet. Beispielsweise umfasst der außen liegende Teil 204 gemäß einigen Ausführungsbeispielen eine hybride Kohlenstoff-Glas-Konstruktion oder sogar eine 100%ige Kohlenstoff-Konstruktion zur Gewichtsverminderung. Die hybride Kohlenstoff-Glas-Konstruktion enthält Kohle- und Glasfasern wohingegen die 100%ige Kohlenstoff-Konstruktion praktisch ausschließlich Kohlefasern enthält. Gemäß einiger Ausführungsformen vermindert der äußere Teil 204 statische Momente durch die Verwendung eines leichteren Materials als im Bereich 202 und/oder stellt eine Rückwärtskrümmung bereit, um eine zusätzliche passive Lastverminderung bereitzustellen. Die Krümmung kann eine stetige Krümmung beinhalten, die einen linearen Krümmungswinkel von beispielsweise 25 Grad approximiert, um wie in 2 gezeigt, eine ästhetische Erscheinung bereitzustellen. Gemäß anderer Ausführungsformen (nicht gezeigt) wird eine lineare Krümmung bereitgestellt.
  • Gemäß einiger Ausführungsformen und mit Bezug auf 3 wird am Verbinder 206 zwischen dem innen liegenden oder inneren Teil 202 und dem außen liegenden oder äußeren Teil 204 eine Kohlenstoff-Verdrehröhre 300, z.B. aus einem Kohlefaserverbundwerkstoff oder eine Röhre aus einem anderen geeigneten Material verwendet. Die Verdrehröhre 300 (in 3 mit gestrichelten Linien dargestellt, da sie ein separates Teil bildet, das sowohl ins Innere des inneren Teils 202 als auch des äußeren Teils 204 eingeführt ist) weist eine Verwindungssteifigkeit auf, die geringer ist als sie ein herkömmlicher Abschnitt an dieser radialen Stelle bereitstellen könnte. Die tatsächliche Torsions-Steifigkeit wird gemäß einiger Ausführungsbeispiele optimiert, um einen Ziel-Blatteinstellwinkelwert zu erreichen oder zumindest anzunähern, um unter einigen extremen Lastbedingungen in Fahnenstellung zu gehen. Eine übergreifende Blatt-Verwindungsverteilung würde einen Grad des passiven Blatteinstellwinkels berücksichtigen, um von normalen Betriebslasten in Fahnenstellung zu gehen, um so die Energieausbeute zu maximieren oder zumindest zu erhöhen.
  • Einige Ausführungsformen stellen weiterhin einen innen liegenden Teil des Blattes bereit, der leicht vorwärts gekrümmt ist, um ein Torsionsmoment bereitzustellen, das entgegen der Richtung des an der Blattspitze wirkenden Torsionsmoments gerichtet ist, um den Einfluss der Verwindungslast auf das Blatteinstellwinkel-System auszugleichen. Gemäß einiger Ausführungsformen ist eine flexible Verkleidung 302 bereitgestellt, um den Verbinderbereich zu überspannen, so dass der Geräuscheinfluss minimiert wird und vermieden wird, dass Wasser und Eis auf das Blatt 108 oder den Verbinder 206 störend einwirken.
  • Die Blätter 108 gemäß einiger Ausführungsformen beinhalten eine moderate Einwärtskrümmung in der Größenordnung von 1 bis 2 Grad relativ zur Blatteinstellwinkelachse P, während die außen liegenden Abschnitte 116 um 20 Grad relativ zur Blatteinstellwinkelachse P rückwärts gekrümmt sind. Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind auf Blätter 108 beliebiger Länge anwendbar. Die Teile des Blattes 108 umfassen einen Blattsatz, der nicht zusammengebaut in Einzelteilen transportiert werden kann, wodurch die Länge eines zum Transport benötigten Fahrzeugs verringert wird, und die Teile werden am Einsatzort an einem Rotor einer Windkraftanlage in einem Windpark montiert. Insbesondere werden zumindest zwei nicht montierte Teile 202, 204 eines Blattes 108 transportiert, wobei die Teile einen äußeren Blattteil 204 mit einer rückwärtigen Krümmung und einen inneren Blattteil 202 beinhalten. Der äußere Blattteil 204 und der innere Blattteil 202 und alle anderen Teile des Blattes 108 werden auf dem Rotor 110 der Windkraftanlage 100 montiert. Auf diese Weise beinhaltet gemäß einiger Ausführungsformen die Montage des äußeren Blattteils 204 und des inneren Blattteils 202 weiterhin das Verbinden des äußeren Blattteils 204 und des inneren Blattteils 202 unter Verwendung einer Verdrehröhre 300, die eine ausgewählte Verwindungssteifigkeit aufweist.
  • Auch stellen einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Montage eines Rotorblatts 108 auf einem Rotor 110 einer Windkraftanlage bereit. Das Verfahren beinhaltet das Transportieren zumindest zweiter unmontierter Teile 202, 204 des Blattes 108. Die nicht montierten Teile beinhalten einen äußeren Blattteil 204 und einen inneren Blattteil 202. Der äußere Blattteil 204 weist bezüglich des inneren Blattteils 202 ein unähnliches Material und/oder eine unähnliche Struktur auf. Das Verfahren beinhaltet weiterhin die Montage zumindest eines äußeren Blattteils 204 und eines inneren Blattteils 202 zu einem Blatt 108 und an einem Rotor 110 einer Windkraftanlage 100.
  • Es geht daher aus der Beschreibung hervor, dass die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung logistische Vorteile beim Transport von Blättern zu Windparks bereitstellen. Obwohl einige Kosten mit der Verwendung eines Verbinders zum Verbinden von Blattteilen verbunden sind, stellen die lastvermindernden Merkmale einen Vorteil bereit, der die Kosten des Verbinders aufwiegt. Der Kostenvorteil kann alleine durch logistische Vorteile erreicht werden oder durch eine Kombination logistischer Vorteile und eines erhöhten Rotordurchmessers, der durch die lastvermindernden Charakteristika hervorgeht. Die Verwendung eines passiven lastvermindernden Merkmals stellt sowohl im Betrieb als auch beim Stillstand lastvermindernde Vorteile bereit, die weiterhin bei der Kostenoptimierung eines Windkraftanlagen-Systems helfen können.
  • Obwohl die Erfindung anhand verschiedener spezifischer Ausführungsformen beschrieben wurde, erkennt der Fachmann, dass die Erfindung auch mit Veränderungen innerhalb des Kerns und des Schutzbereichs der Ansprüche ausgeführt werden kann.

Claims (12)

  1. Blattsatz für einen Rotor, umfassend zumindest ein inneres Teil (202), ein äußeres Teil (204) und einen Verbinder (206), der für den Zusammenbau des inneren Teils und des äußeren Teils ausgelegt ist, wobei der Blattsatz im zusammengebauten Zustand (108) eine passive Lastverminderung des Blattes bereitstellt.
  2. Blattsatz gemäß Anspruch 1, wobei das äußere Teil rückwärts gekrümmt ist.
  3. Blattsatz gemäß Anspruch 2, wobei das äußere Teil annähernd einen linearen Krümmungswinkel von 25° aufweist.
  4. Blattsatz gemäß Anspruch 2, wobei das äußere Teil eine lineare Krümmung aufweist.
  5. Blattsatz gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Blattsatz, wenn er zusammengebaut ist, eine Spitze (208) umfasst, und ein innen liegender Teil (202) des zusammengebauten Blattes ein Torsionsmoment bereitstellt, das in einer entgegengesetzten Richtung zu einem Torsionsmoment an der Blattspitze wirkt, wenn das zusammengebaute Blatt an einen Rotor (106) angebracht ist.
  6. Blattsatz gemäß Anspruch 5, wobei der innen liegende Teil (202) des zusammengebauten Blattes nach vorne gekrümmt ist, um das in einer entgegengesetzten Richtung zu dem Torsionsmoment an der Blattspitze wirkende Torsionsmoment bereitzustellen.
  7. Blattsatz gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei, wenn der Blattsatz zu einem Blatt zusammengebaut ist, das innere Teil den innen liegenden Teil umfasst und das äußere Teil die Blattspitze (208) umfasst.
  8. Blattsatz gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verbinder (206) bei ungefähr 70% der Blattlänge angeordnet ist.
  9. Blattsatz gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend eine Verdrehröhre (300) mit einer Verwindungssteifigkeit, die gewählt ist, einen Ziel-Blatteinstellwinkelwert zu erreichen oder anzunähern.
  10. Blattsatz gemäß Anspruch 9, wobei die Verdrehröhre (300) aus Kohlefaserverbundwerkstoff hergestellt ist.
  11. Windkraftanlage (100) umfassend: einen Turm (104); einen Generator (102) auf dem Turm, wobei der Generator einen Rotor (106) mit zumindest einem Blatt (108) aufweist, das aus einem Blattsatz gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 zusammengebaut ist.
  12. Verfahren zum Montieren eines Rotorblatts (108) an einem Rotor (106) einer Windkraftanlage (100), wobei das Verfahren umfasst: Transportieren von zumindest zwei nicht zusammengebauten Teilen (202, 204) eines Blattes, wobei die Teile einen äußeren Blattteil (204) mit einer rückwärtigen Krümmung und einen inneren Blattteil (202) beinhalten; und Montieren zumindest des äußeren Blattteils und des inneren Blattteils zu einem Blatt und an dem Rotor der Windturbine.
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