-
Die
Erfindung betrifft ein Rotorblatt für Windenergieanlagen
mit einem tragflächenartigen Profil, das von einer Profilnase
zu einer Profilhinterkante umströmt wird.
-
Derartige
Rotorblätter sind bei Windenergieanlagen seit langem bekannt.
Sie werden wie die Tragflächen eines Flugzeugs von der
umgebenden Luft umströmt und erzeugen dabei einen Auftrieb,
der den Rotor der Windenergieanlage in Drehung versetzt. Die Leistungsfähigkeit
der für die Rotorblätter verwendeten Profile ist
für die von der Windenergieanlage erreichbare Leistung
sehr wichtig. Von Bedeutung ist unter anderem der erzielbare Maximalauftrieb,
der sowohl im Teillast- als auch im Nennlastbereich die von der
Anlage erzeugbare Leistung begrenzen kann. Der Maximalauftrieb hängt
von dem gewählten Profil ab und stellt sich bei bestimmten
Betriebsbedingungen ein. Maßgeblich sind vor allem die Strömungs-
bzw. Windgeschwindigkeit und der Blattanstellwinkel. Erhöht
sich die Strömungs- bzw. Windgeschwindigkeit oder der Blattanstellwinkel
ausgehend von Werten, bei denen der Maximalauftrieb erreicht wird,
kommt es zu Strömungsablösungen. Der erzielte
Auftrieb bricht dabei schlagartig ein. Dies führt zu Leistungseinbußen
der Windenergieanlage und unter Umständen zu hohen mechanischen
Belastungen. Bisherige Bemühungen zur Erhöhung
des Maximalauftriebs galten in erster Linie einer Optimierung der
verwendeten Profile.
-
Als
Alternative zu Rotorblättern mit tragflächenartigem
Profil sind sogenannte Flettner-Rotoren bekannt, bei denen als Rotorblätter
Rotationskörper eingesetzt werden, die um ihre senkrecht
zur Windrichtung stehende Symmetrieachse in eine Rotationsbewegung
versetzt werden. Dabei entsteht durch den Magnus-Effekt ein Auftrieb
quer zur Windrichtung und zur Rotationsachse der Rotationskörper, der
die Rotoren antreibt.
-
-
Die
Druckschrift
DE 40
16 622 A1 zeigt einen speziellen Savonius-Rotor, der ohne
eine über den Rotationsmittelpunkt geführte Innenverspannung
der Rotorblätter auskommt. In einer Ausgestaltung ist im Bereich
der Hinterkante eines Rotorblatts mit tragflächenartigem
Profil ein von dem Profil beabstandeter Flettner-Rotor angeordnet,
der die Strömungsverhältnisse verbessern soll.
-
Davon
ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Rotorblatt mit einem
tragflächenartigen Profil bzw. einen Rotor oder eine Windenergieanlage mit
einem derartigen Rotorblatt bzw. Rotor zur Verfügung zu
stellen, bei dem/der der von dem Rotorblatt gelieferte Auftrieb
beeinflußt und insbesondere der Maximalauftrieb erhöht
werden kann.
-
Diese
Aufgabe wird gelöst durch das Rotorblatt für Windenergieanlagen
mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen
sind in den sich anschließenden Unteransprüchen
angegeben.
-
Das
erfindungsgemäße Rotorblatt für Windenergieanlagen
hat ein tragflächenartiges Profil, das von einer Profilnase
zu einer Profilhinterkante umströmt wird, wobei mindestens
in einem Längsabschnitt des Rotorblatts die Profilnase
von einem Rotationskörper gebildet ist, der um seine Symmetrieachse
drehbar gelagert ist.
-
Tragflächenartig
heißt, daß das Profil wie die Tragfläche
eines Flugzeugs eine Profiloberseite und eine Profilunterseite aufweist,
die (in der Regel unterschiedlich) gewölbt sind. Profilober-
und Profilunterseite verlaufen jeweils von der Profilnase zur Profilhinterkante.
Die Profilnase ist die vordere, der anströmenden Luft zugewandte
Kante des Rotorblatts und wird auf englisch als „leading
edge" bezeichnet. Die Profilhinterkante, englisch „trailing
edge", bezeichnet die hintere Kante des Rotorblatts. Ein Rotationskörper
ist ein Körper mit einer Symmetrieachse, um die seine Oberfläche
rotationssymmetrisch ist. Der innere Aufbau des Rotationskörpers
kann von der Symmetrie abweichen. Die Profilnase ist in dem mindestens
einen Längsabschnitt von dem Rotationskörper gebildet,
d. h. ein Teil der Oberfläche des Rotationskörpers
verläuft entlang der Profilnase und ist der anströmenden
Luft ausgesetzt. Dieser Oberflächenteil des Rotationskörpers
bildet einen Teil des tragflächenartigen Profils und der
Rotorblattaußenseite. Die Symmetrieachse des Rotationskörpers
befindet sich innerhalb des Rotorblatts. Sie verläuft im
wesentlichen, d. h. soweit von einem variablen Durchmesser des Rotationskörpers
abgesehen wird, parallel zur Profilnase. Der Rotationskörper
ist um seine Symmetrieachse drehbar gelagert, d. h. beim Betrieb
des Rotorblatts ist eine Drehung des Rotationskörpers um
seine Symmetrieachse möglich.
-
Durch
diese Drehung können die aerodynamischen Eigenschaften
des Rotorblatts wesentlich und gezielt beeinflußt werden.
Die im Bereich der Profilnase der anströmenden Luft unmittelbar
ausgesetzte Oberfläche des Rotationskörpers ist
durch die Drehung gegenüber den übrigen Außenflächen
des Rotorblatts in Bewegung. Anschaulich gesprochen, wird dadurch
die anströmende Luft in Richtung der Drehbewegung abgelenkt.
Es kommt daher ergänzend zu den Wirkungen der Form des
Profils selbst zu einer zusätzlichen Beschleunigung der
anströmenden Luft. Die Drehrichtung des Rotationskörpers kann
so gewählt werden, daß die freiliegende Oberfläche
des Rotationskörpers sich zu der Profiloberseite hin bewegt.
Dadurch wird einer Strömungsablösung an der Profiloberseite
entgegengewirkt. Auch unter kritischen Betriebsbedingungen kann
eine Strömungsablösung verhindert werden, so daß der
Maximalauftrieb gegenüber einem entsprechenden herkömmlichen
Profil erhöht wird.
-
In
einer Ausgestaltung sind die dem Rotationskörper benachbarten
Flächenabschnitte der Profiloberseite und/oder der Profilunterseite
bezüglich der Oberfläche des Rotationskörpers
tangential angeordnet und erstrecken sich bis auf einen Spalt an diese
Oberfläche heran. Dadurch wird im Übergangsbereich
zwischen dem Rotationskörper und den angrenzenden Flächenabschnitten
der Profilober- und -unterseite ein aerodynamisch günstiger, harmonischer
Profilver lauf erreicht. Der Spalt kann beispielsweise eine Breite
von wenigen Millimetern bis wenigen Zentimetern aufweisen. Die benachbarten
Flächenabschnitte sind zwischen dem Rotationskörper
und der Profilhinterkante angeordnet. Sie können beispielsweise
die sich in dem betreffenden Längsabschnitt am weitesten
nach vorn erstreckenden Abschnitte einer Ober- und/oder einer Unterschale
sein. Ober- und/oder Unterschale können beispielsweise
in faserverstärkter Kunststoffbauweise ausgeführt
sein, wie es von herkömmlichen Rotorblättern bekannt
ist.
-
Gemäß einer
Ausgestaltung ist die Profiloberseite und/oder die Profilunterseite
mit Ausnahme der von der Oberfläche des Rotationskörpers
gebildeten Teile von einer Oberschale bzw. einer Unterschale gebildet,
deren Dicke in einem an den Spalt grenzenden Bereich vergrößert
ist. Bei hohen Drehzahlen des Rotationskörpers und/oder
eines mit dem erfindungsgemäßen Rotorblatt ausgestatteten
Rotors und/oder hohen Windgeschwindigkeiten kann es im Bereich des
Spalts zu hohen Strömungsgeschwindigkeiten kommen. Durch
die Verstärkung der Schalen wird dort auf einfache Weise
eine ausreichend stabile und schwingungsunterdrückende Struktur
erzielt.
-
In
einer Ausgestaltung beträgt der Durchmesser des Rotationskörpers
an jeder Längsposition in dem Längsabschnitt einen
einheitlichen Bruchteil der Profilhöhe des Rotorblatts
an dieser Längsposition. Dadurch ist der Durchmesser des
Rotationskörpers über seine gesamte Länge
gleich an die Profilhöhe angepaßt, so daß der
Rotationskörper überall die gleiche aerodynamische
Wirkung entfaltet. Je nach Verlauf der Profilhöhe über
die Länge des Rotorblatts kann sich beispielsweise eine
im wesentlichen zylindrische, konische oder geschwungene Form des
Rotationskörpers ergeben.
-
In
einer Ausgestaltung beträgt der Winkelbereich des Rotationskörpers,
in dem dessen Oberfläche frei liegt, zwischen 30 Grad und
180 Grad. Der gegenüber dem Vollkreis verbleibende Winkelbereich
befindet sich innerhalb des Rotorblatts. In dem genannten Winkelbereich
wird eine hohe Wirksamkeit der sich bewegenden Oberfläche
des Rotationskörpers erreicht. Gleichzeitig ist eine harmonische Einfügung
des Rotationskörpers in den Profilverlauf möglich.
-
Gemäß einer
Ausgestaltung steht der freiliegende Winkelbereich, der zur Profiloberseite
zählt, an jeder Längsposition des Rotationskörpers
in einem bestimmten Verhältnis zu dem freiliegenden Winkelbereich,
der zur Profilunterseite zählt. Die Unterteilung des insgesamt
freiliegenden Winkelbereichs des Rotationskörpers in zur
Profiloberseite und zur Profilunterseite zählende Anteile
richtet sich dabei nach der Position der Profilnase. Durch die Einhaltung
eines bestimmten Verhältnisses kann die aerodynamische
Wirkung des Rotationskörpers optimiert und über
den gesamten Längsabschnitt erreicht werden.
-
In
einer Ausgestaltung ist eine Steuereinrichtung für die
Drehbewegung des Rotationskörpers vorhanden. Diese kann
die Rotationsgeschwindigkeit und die Drehrichtung steuern. Dadurch
kann der von dem Rotorblatt erzeugte Auftrieb beeinflußt
werden. Es ist dann nicht nur möglich, die Erfindung zur
Steigerung des Maximalauftriebs einzusetzen, sondern auch zu einer
gezielten Absenkung und/oder Steigerung des zu einem bestimmten
Zeitpunkt unter bestimmten Betriebsbedingungen erzielten Auftriebs. Es
ergeben sich daraus neue Möglichkeiten für die Betriebsführung
einer mit einem erfindungsgemäßen Rotorblatt ausgestatteten
Windenergieanlage.
-
Gemäß einer
Ausgestaltung ist ein Antrieb vorhanden, mit dem der Rotationskörper
in eine Drehbewegung versetzt werden kann. Denkbar ist eine mechanische
Kopplung der Drehbewegung des Rotationskörpers mit derjenigen
des Rotors der Windenergieanlage, gegebenenfalls über ein
zur Erzielung der gewünschten Drehzahl geeignetes Getriebe.
Alternativ kann ein elektromotorischer Antrieb vorge sehen sein.
Durch einen Antrieb kann die Drehzahl des Rotationskörpers
unabhängig von den jeweiligen Anströmverhältnissen
auf ein gewünschtes Niveau gebracht werden. Insbesondere
sind ohne weiteres relativ hohe Drehzahlen möglich, die
für den gewünschten aerodynamischen Effekt benötigt
werden können.
-
In
einer Ausgestaltung ist die Drehzahl des Rotationskörpers
regelbar. Dadurch kann der von dem Rotorblatt gelieferte Auftrieb
durch Vorgabe einer Solldrehzahl auf ein bestimmtes Niveau eingestellt
werden. Die Vorgabe einer Drehzahl für den Rotationskörper
ist damit der Vorgabe eines bestimmten Blattanstellwinkels vergleichbar
und kann unter Umständen eine Einstellung des Blattanstellwinkels
ersetzen.
-
Gemäß einer
Ausgestaltung sind mehrere Rotationskörper an unterschiedlichen
Längspositionen in einem und/oder mehreren Längsabschnitten des
Rotorblatts angeordnet. Dies ermöglicht einerseits eine
kompakte Ausführung der einzelnen Rotationskörper,
insbesondere wenn ein großer Längsabschnitt des
Rotorblatts erfaßt werden soll, andererseits können
die einzelnen Rotationskörper in ihrer Form und Betriebsweise
an die in dem jeweiligen Bereich des Rotorblatts vorliegenden Bedingungen
angepaßt werden. Außerdem können die
Rotationskörper nach konstruktiven und aerodynamischen
Gesichtspunkten gezielt in ausgewählten Längsabschnitten
des Rotorblatts eingesetzt werden.
-
In
einer Ausgestaltung ist das Rotorblatt für einen Rotor
mit horizontaler Achse bestimmt und der mindestens eine Längsabschnitt
ist in der der Achse zugewandten Hälfte des Rotorblatts
angeordnet. Rotorblätter für derartige Rotoren
weisen an ihrem der Achse zugewandten Ende eine Blattwurzel auf
und sind dort über eine Nabe mit der Achse des Rotors verbunden.
Im Außenbereich des Rotorblatts liegt die relative Profilhöhe üblicherweise
im Bereich von 12% bis 24%. Im Bereich der Blattwurzel weisen derartige Rotorblätter
in der Regel hingegen eine sehr viel größere relative
Profilhöhe auf, wobei das Profil an der Blattwurzel selbst
in einen zylindrischen Querschnitt übergeht. Bei typischen
Einsatzbedingungen wird der Maximalauftrieb herkömmlicher
Profile insbesondere im Bereich der großen relativen Profilhöhen häufig überschritten.
Daher können der oder die Rotationskörper besonders
vorteilhaft in diesen Bereichen des Rotorblatts eingesetzt werden.
-
In
einer Ausgestaltung erstreckt sich der Längsabschnitt in
Richtung zu der Blattspitze hin ungefähr bis zu dem Bereich
des Rotorblatts, der die größte Profiltiefe aufweist.
Bis zu diesem Bereich des Rotorblatts kommt es wegen des vorstehend
geschilderten Zusammenhangs besonders häufig zu den unerwünschten
Strömungsablösungen.
-
Die
obige Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch den Rotor mit
den Merkmalen des Anspruchs 13. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind
in den sich anschließenden Unteransprüchen angegeben.
-
Der
Rotor ist für Windenergieanlagen mit horizontaler Achse
bestimmt und weist mindestens ein Rotorblatt nach einem der Ansprüche
1 bis 12 auf. Mit dem erfindungsgemäßen Rotor
werden daher die bereits in Verbindung mit dem Rotorblatt erläuterten Vorteile
erreicht.
-
In
einer Ausgestaltung des Rotors weist das mindestens eine Rotorblatt
in dem Längsabschnitt einen festen Blattanstellwinkel auf.
In diesem Längsabschnitt kann auf eine Einstellbarkeit
des Blattanstellwinkels verzichtet werden, weil die dadurch erzielte Beeinflussung
des Auftriebs wie bereits vorstehend erläutert durch den
Rotationskörper erreicht werden kann. Der hohe konstruktive
Aufwand für eine Blattanstellwinkelverstellung des gesamten
Rotorblatts kann daher entfallen. Denkbar ist, nur in dem mit dem oder
den Rotationskörpern ausgestatteten Längsabschnitt
auf eine Blattanstellwinkelverstellung zu verzichten. Es ist aber
auch möglich, nur einen kleinen Teilbereich des Rotorblatts
noch mit einer zusätzlichen Blattanstellwinkelverstellung
auszurüsten, beispielsweise die Blattspitzen. Dies ist
mit verhältnismäßig geringem Aufwand
möglich.
-
In
einer Ausgestaltung weist das gesamte Rotorblatt einen festen Blattanstellwinkel
auf. In diesem Fall kann der bzw. können die Rotationskörper die
konstruktiv aufwendige Blattanstellwinkelverstellung vollständig
ersetzen.
-
Die
obige Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch die Windenergieanlage
mit den Merkmalen des Anspruchs 16. Eine vorteilhafte Ausgestaltung
ist in dem sich anschließenden Unteranspruch angegeben.
Die Windenergieanlage hat mindestens ein Rotorblatt nach einem der
Ansprüche 1 bis 12 oder einen Rotor nach einem der Ansprüche
13 bis 15. Mit der erfindungsgemäßen Windenergieanlage
werden die bereits in Verbindung mit dem Rotorblatt bzw. dem Rotor
erläuterten Vorteile erreicht.
-
In
einer Ausgestaltung der Windenergieanlage erfolgt eine Regelung
der Drehzahl des Rotationskörpers in Abhängigkeit
von der Rotordrehzahl und/oder der Rotorleistung und/oder des Rotordrehmoments
und/oder der Windgeschwindigkeit. In diesem Fall erhält
die Drehzahl des Rotationskörpers einen Sollwert, der einem
Sollwert für den Blattanstellwinkel bei pitchgeregelten
Windenergieanlagen entspricht. Dadurch kann die Drehzahl des Rotationskörpers
in einer dem Blattanstellwinkel entsprechenden Weise für
die Betriebsführung der Windenergieanlage eingesetzt werden,
insbesondere für eine Drehzahlregelung des Rotors.
-
Nachfolgend
wird die Erfindung anhand eines in Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher
erläutert.
-
Es
zeigen:
-
1 ein
Rotorblatt nach der Erfindung im Querschnitt in einer schematischen,
vereinfachten Darstellung;
-
2 das
Rotorblatt aus 1 in einer vereinfachten Draufsicht.
-
Das
Rotorblatt aus 1 hat ein tragflächenartiges
Profil mit einer Profilnase 10 und einer Profilhinterkante 12.
Das Profil hat eine gewölbte Profiloberseite 14,
die sich von der Profilnase 10 bis zur Profilhinterkante 12 erstreckt.
Die Profilunterseite 16 ist ebenfalls gewölbt
und erstreckt sich ebenfalls von der Profilnase 10 bis
zur Profilhinterkante 12. Die umgebende Luft umströmt
das Rotorblatt im Betrieb von der Profilnase 10 zur Profilhinterkante 12.
Die Profilhöhe des Profils ist mit h, die Profiltiefe des
Profils mit t bezeichnet.
-
Im
vorderen Bereich des Profils ist ein Rotationskörper 18,
der in der Querschnittsdarstellung der 1 als Kreis
erscheint, angeordnet. Der Rotationskörper 18 ist
im wesentlichen zylindrisch und hat eine rotationssymmetrische Oberfläche 20.
Um seine Symmetrieachse 22, um die die Oberfläche 20 rotationssymmetrisch
ist, ist der Rotationskörper 18 drehbar gelagert.
Die Symmetrieachse 22 befindet sich innerhalb des Rotorblatts.
In der 1 ist erkennbar, daß die Profilnase 10 von
dem Rotationskörper 18 gebildet ist. Der die Profilnase 10 bildende
Teil der Oberfläche 20 des Rotationskörpers 18 liegt
frei und ist unmittelbar der anströmenden Luft ausgesetzt. Gleiches
gilt auch für die über die Profilnase 10 hinausgehenden
Teile 44, 46 der Oberfläche 20 des
Rotationskörpers 18, die in den mit dem Pfeil
gekennzeichneten Winkelbereich 24 fallen. Von diesen Teilen
der Oberfläche 20 zählt der mit 44 bezeichnete Abschnitt
zur Profiloberseite 14, der mit 46 bezeichnete
Abschnitt zählt zur Profilunterseite 16. Auch
die Teile 44, 46 der Oberfläche 20 des
Rotationskörpers 18 bilden einen Teil der Außenfläche
des Rotorblatts.
-
Angrenzend
an die von der Oberfläche 20 des Rotationskörpers
gebildeten Außenflächen des Profils werden die
Profiloberseite 14 und die Profilunterseite 16 von
zwei in faserverstärkter Kunststoffbauweise hergestellten
Schalen, nämlich einer Ober- und einer Unterschale, gebildet.
Ober- und Unterschale sind im Bereich der Rotorblatthinterkante 12 miteinander
verbunden. Die Ober- und Unterschale weisen jeweils einen Flächenabschnitt 26, 28 auf,
der bezüglich der Oberfläche 20 des Rotationskörpers 18 tangential
angeordnet ist und sich bis auf einen Spalt 30, 32 bis
an diese Oberfläche 20 heran erstreckt. In dem
an den Spalt 30 grenzenden Bereich 34 ist die Oberschale
verstärkt. Sie weist dort eine größere
Dicke auf als in ihren übrigen Bereichen. Der verstärkte Bereich
läuft in Richtung zu dem Spalt 30 hin spitz aus.
In Richtung zu der Hinterkante 12 nimmt die Dicke des verstärkten
Bereichs 34 bis zu der im übrigen Bereich gegebenen
Dicke der Oberschale langsam ab. Gleiches gilt für die
Unterschale, die einen entsprechend verstärkten Bereich 36 aufweist.
-
In
der 2 ist das Rotorblatt der 1 in einer
Draufsicht dargestellt, in der die Blattwurzel 38, die
Blattspitze 40 sowie die Profilnase 10, die Profilhinterkante 12 und
die Profiloberseite 14 sichtbar sind. Der Rotationskörper 18 erstreckt
sich über einen Längsabschnitt 42 des
Rotorblatts, der nahe der Blattwurzel 38 beginnt und ungefähr
im Bereich des Rotorblatts mit der größten Profiltiefe
endet. Damit beeinflußt der Rotationskörper 18 die
aerodynamischen Eigenschaften des Rotorblatts insbesondere in dem
Längsabschnitt 42, in dem das Rotorblatt seine
größte relative Profilhöhe aufweist.
Die Symmetrieachse 22 des Rotationskörpers ist
gestrichelt eingezeichnet. Der im Inneren des Rotorblatts liegende und
von der Oberschale verdeckte Teil des Rotationskörpers 18 ist
gepunktet angedeutet.
-
Im
Betrieb des Rotorblatts kann der Rotationskörper 18 um
seine Symmetrieachse 22 rotieren, bevorzugt in der durch
den Pfeil 24 angedeuteten Richtung. Dadurch kann der Maximalauftrieb
des Rotorblatts erhöht werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 3246694
A1 [0004]
- - DE 3800070 A1 [0004]
- - EP 0886728 B1 [0004]
- - DE 29620665 U1 [0004]
- - WO 02/42640 A1 [0004]
- - EP 1715181 A1 [0004]
- - DE 102005001235 A1 [0004]
- - DE 4016622 A1 [0005]