DE102006034830B4 - Mehrteilige passive lastvermindernde Rotorblätter und Windkraftanlagen, die selbige verwenden - Google Patents
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Abstract
Blattsatz für einen Rotor, umfassend zumindest ein inneres Teil (202), ein äußeres Teil (204) und einen Verbinder (206), die jeweils als Einzelteil vorliegen, wobei der Verbinder (206) 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.
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 Meter 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.
- Die Die
EP 1 184 566 A1 beschreibt ein Rotorblatt für eine Windkraftanlage, das durch den Zusammenbau von einer, zwei oder mehreren länglichen Abschnitten gebildet wird. Jeder Abschnitt weist einen Kern aus länglichen Karbonfaser-Röhren auf, auf denen eine Reihe von Karbonfaser- oder Fiberglas-Querrippen angebracht sind. - Die
DE 103 00 284 A1 beschreibt ein mit einem eine Rotorblattvorderkante und eine Rotorblatthinterkante aufweisenden aerodynamischen Profil, wobei das Rotorblatt in seinem Endbereich in Richtung der Hinterkante des Rotorblattes in der Rotorblattebene abgebogen oder abgewinkelt ist. - Die
DE 917 540 B beschreibt ein schnellläufiges Windrad, bei dem die Flügelblätter in Richtung ihrer Längsachse aus zwei aufeinanderfolgenden Teilen bestehen, deren innerer Teil feststehend und deren äußerer Teil um seine Längsachse verstellbar ausgebildet ist. - Die
WO 2003/078 832 A1 - Die
WO 2003/100 249 A1 WO 2005/031 158 A2 - Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Blattsatz für einen Rotor, eine Windkraftanlage und ein Verfahren zum Montieren eines Rotorblatts an einem Rotor einer Windkraftanlage zur Verfügung zu stellen, die lastvermindernde Charakteristika bereitstellen und logistische Vorteile beim Transport ermöglichen.
- Diese Aufgabe wird durch den Blattsatz für einen Rotor, die Windkraftanlage und das Verfahren zum Montieren eines Rotorblatts an einem Rotor einer Windkraftanlage gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
- 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, die jeweils als Einzelteil vorliegen, wobei der Verbinder 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, die jeweils als Einzelteil vorliegen, wobei der Verbinder 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 mittels eines Verbinders 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 gemäß1 geeignet ist. In2 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 Windturbine100 eine Gondel102 , die einen Generator (in1 nicht gezeigt) aufnimmt. Die Gondel102 ist oben auf einem hohen Turm104 angebracht, von dem lediglich ein Teil in1 gezeigt ist. Die Windkraftanlage100 umfasst weiterhin einen Rotor106 , der einen oder mehrere Rotorblätter108 beinhaltet, die an einer drehenden Nabe110 angebracht sind. Obwohl die in1 gezeigte Windkraftanlage100 drei Rotorblätter108 beinhaltet, erfordert die vorliegende Erfindung keine spezifische Begrenzung der Anzahl von Rotorblättern108 . Die Blätter108 umfassen mehrere Teile, beinhaltend ein inneres Teil202 und ein äußeres Teil204 , die es erlauben, dass ein großes Blatt wie etwa Blatt108 , bequemer in Einzelteilen transportiert werden kann und am Einsatzort zusammengebaut wird. - Einige Komponenten der Windkraftanlage
100 gemäß der gezeigten Ausführungsformen sind in der Gondel102 an der Spitze des Turms104 der Windkraftanlage100 aufgenommen. Die Höhe des Turms104 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 Blätter108 können gemäß einiger Ausführungsbeispiele einzeln gesteuert werden. Die Nabe110 und die Blätter108 umfassen zusammen den Windkraftanlagen-Rotor106 . Die Drehung des Rotors106 bewirkt, dass ein Generator (in den Figuren nicht gezeigt) elektrische Leistung erzeugt. - Gemäß einiger Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und mit Bezug auf die
1 und2 sind die mehrteiligen Rotorblätter108 einer Windkraftanlage100 relativ zu einer elastischen Achse E (in einer Rotationsebene des Rotors) in einem Innenbereich112 des inneren Teils202 vorwärts gekrümmt. Durch eine um einen geeigneten Betrag nach vorne ausgeführte Krümmung wird ein Blatteinstellwinkel-Moment des Blattes108 an seiner Wurzel114 aufgrund der Krümmung vermindert oder aufgehoben. Die Vorwärtskrümmung des Innenbereichs112 des Rotorblattes108 erzeugt keine nachteilige Verwindung messbarer Größenordnung des Bereichs112 , da die Blattwurzeln114 extrem verwindungssteif sind. Da die Krümmung des Außenabschnitts116 des äußeren Teils204 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 Teilen202 und204 hergestellt und transportiert werden, wenn dies aus logistischen oder herstellungstechnischen Gründen gewünscht ist, und vorteilhafterweise mit einem Verbinder206 zusammengebaut werden. Der Verbinder206 kann jede geeignete Art von Verbinder sein, die ausgelegt ist, um die Blattteile202 und204 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 Verbinder206 bei ungefähr 70% des Radius, d. h. bei ungefähr 70% der Blattlänge, angeordnet. Ein äußerer Teil204 des Blattes108 weist eine rückwärtige Krümmung auf, um eine passive Lasterleichterung bereitzustellen. Als optionale Design-Möglichkeit kann der Innenteil202 des Blattes108 leicht vorwärts gekrümmt sein, um ein Torsionsmoment bereitzustellen, das in einer entgegengesetzten Richtung zu dem an der Blattspitze208 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 Blatt108 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 Windkraftanlage100 helfen kann. - Ebenfalls stellen einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Blatt
108 mit einem Abschnitt202 , der vom Verbinder206 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 Abschnitt204 , der bezüglich des Verbinders206 außen, d. h. zur Spitze208 hin, liegt, verwendet. Beispielsweise umfasst der außen liegende Teil204 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 Teil204 statische Momente durch die Verwendung eines leichteren Materials als im Bereich202 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 in2 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 Verbinder206 zwischen dem innen liegenden oder inneren Teil202 und dem außen liegenden oder äußeren Teil204 eine Kohlenstoff-Verdrehröhre300 , z. B. aus einem Kohlefaserverbundwerkstoff, oder eine Röhre aus einem anderen geeigneten Material verwendet. Die Verdrehröhre300 (in3 mit gestrichelten Linien dargestellt, da sie ein separates Teil bildet, das sowohl ins Innere des inneren Teils202 als auch des äußeren Teils204 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 Obergreifende 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 Blatt108 oder den Verbinder206 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 Abschnitte116 um 20 Grad relativ zur Blatteinstellwinkelachse P rückwärts gekrümmt sind. Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind auf Blätter108 beliebiger Länge anwendbar. Die Teile des Blattes108 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 Teile202 ,204 eines Blattes108 transportiert, wobei die Teile einen äußeren Blattteil204 mit einer rückwärtigen Krümmung und einen inneren Blattteil202 beinhalten. Der äußere Blattteil204 und der innere Blattteil202 und alle anderen Teile des Blattes108 werden auf dem Rotor110 der Windkraftanlage100 montiert. Auf diese Weise beinhaltet gemäß einiger Ausführungsformen die Montage des äußeren Blattteils204 und des inneren Blattteils202 weiterhin das Verbinden des äußeren Blattteils204 und des inneren Blattteils202 unter Verwendung einer Verdrehröhre300 , die eine ausgewählte Verwindungssteifigkeit aufweist. - Auch stellen einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Montage eines Rotorblatts
108 auf einem Rotor110 einer Windkraftanlage bereit. Das Verfahren beinhaltet das Transportieren zumindest zweiter unmontierter Teile202 ,204 des Blattes108 . Die nicht montierten Teile beinhalten einen äußeren Blattteil204 und einen inneren Blattteil202 . Der äußere Blattteil204 weist bezüglich des inneren Blattteils202 ein unähnliches Material und/oder eine unähnliche Struktur auf. Das Verfahren beinhaltet weiterhin die Montage zumindest eines äußeren Blattteils204 und eines inneren Blattteils202 zu einem Blatt108 und an einem Rotor110 einer Windkraftanlage100 . - 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.
Claims (12)
- Blattsatz für einen Rotor, umfassend zumindest ein inneres Teil (
202 ), ein äußeres Teil (204 ) und einen Verbinder (206 ), die jeweils als Einzelteil vorliegen, wobei der Verbinder (206 ) 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. - Blattsatz gemäß Anspruch 1, wobei das äußere Teil rückwärts gekrümmt ist.
- Blattsatz gemäß Anspruch 2, wobei das äußere Teil annähernd einen linearen Krümmungswinkel von 25° aufweist.
- Blattsatz gemäß Anspruch 2, wobei das äußere Teil eine lineare Krümmung aufweist.
- 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. - 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. - 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. - Blattsatz gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verbinder (
206 ) bei ungefähr 70% der Blattlänge angeordnet ist. - Blattsatz gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend eine Verdrehröhre (
300 ) mit einer Verwindungssteifigkeit, die gewählt ist, einen Ziel-Blatteinstellwinkelwert zu erreichen oder anzunähern. - Blattsatz gemäß Anspruch 9, wobei die Verdrehröhre (
300 ) aus Kohlefaserverbundwerkstoff hergestellt ist. - 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. - 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 (204 ) und des inneren Blattteils (202 ) mittels eines Verbinders (206 ) zu einem Blatt und an dem Rotor der Windturbine.
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