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HINTERGRUND
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Diese
Erfindung betrifft im Wesentlichen das Gebiet von Windkraftanlagen
und insbesondere lokalisierte Erfassungs- und Betätigungssysteme, um die Auswirkung
einer Anblaswinkelabweichung (von dem Soll-Wert) auf Leistung und
Belastungen in turbulenten Winden zu reduzieren.
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Windkraftanlagen
gewinnen zunehmend an Bedeutung auf dem Gebiet erneuerbarer Quellen
zur Energieerzeugung. In letzter Zeit wurde die Windkraftanlagentechnologie
für Großenergieerzeugungsanwendungen
eingesetzt. Die Maximierung der Windradleistung unter gleichzeitiger
Minimierung von Systembelastungen bei gegebenen Windbedingungen
ist eine von den vielen Herausforderungen, die bei der Nutzbarmachung
von Windenergie bestehen. Nicht-einschränkende Beispiele von verbesserten
Windradleistungsparametern, welche zu minimierten Energiekosten
führen,
umfassen maximierten aerodynamischen Wirkungsgrad, maximierte Energieabgabe,
minimierte Belastungen des Windkraftanlagensystems, minimiertes
Geräusch
und Kombinationen davon. Beispiele von Belastungen des Windkraftanlagensystems
beinhalten extreme Belastungen, (Betriebs- und Stillstands/Leerlauf)
und Ermüdungsbelastungen.
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Eine
Verringerung der Differenz zwischen Anspruch und tatsächlichem
Leistungsgewinn ist eine der Hauptaufgaben des Steuerproblems von Windkraftanlagen
mit variabler Drehzahl. Stark mit diesem Problem ist die Reduzierung
von strukturellen Belastungen der Rotorkomponenten gekoppelt. Moderne
Rotoren enthalten sehr lange Flügel;
und diese große
Rotorfläche
erfährt
große
Windschwankungen, sowohl in der Turbulenzintensität als auch Scherung.
Rotorflügel
sind im Wesentlichen für
konstante Spitzengeschwindigkeiten ohne Berücksichtigung nicht-linearer
Schwankungen des Windes aufgrund von Turbulenzen und Scherung ausgelegt.
Die Verwendung lokaler Betätigungselemente,
welche die Flügelaerodynamik über eine
Strömungssteuerung
verändern
können,
um den Einfluss der Windvariation entlang des Flügels zu reduzieren, reduziert auch
den Leistungsverlust und die Belastung auf den Flügel. Eine
Wind induzierte Belastung des Rotors wird ebenfalls gleichzeitig
reduziert.
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Angesichts
des Vorstehenden wäre
es nützlich
und vorteilhaft, eine Technik zum Detektieren lokaler plötzlicher
Flügelbelastung
zu schaffen, die dazu genutzt werden kann, Information über den Ist-Anblaswinkel
so zu liefern, dass eine lokalisierte Betätigung angewendet werden kann,
um die Aerodynamik des Flügels
bzw. der Flügel
zum Kompensieren der vorliegende Anblaswinkelfehlanpassung zu ändern, um
deren Auswirkung auf die Energiegewinnung und das von den Anlagenkomponenten
(Rotor, Antriebsstrang, Turm) gesehene Belastungsungleichgewicht
zu verringern.
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Kurzbeschreibung
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind auf lokalisierte Erfassungs- und
Betätigungssysteme
gerichtet, um die Auswirkung einer Anblaswinkelabweichung (von dem
Soll-Wert) auf die Leistung und Belastungen in turbulenten Winden
zu reduzieren. Eine Ausführungsform
ist auf eine Windkraftanlage gerichtet, die aufweist: einen an der Windkraftanlage
angebrachten Rotorflügel,
wobei der Flügel
dafür konfiguriert
ist, sich um eine Achse bei Auftreffen einer Windströmung auf
den Flügel
zu drehen; wenigstens einen Belastungssensor, der auf dem oder in
dem Flügel
angeordnet ist, wobei der wenigstens eine Belastungssensor dafür konfiguriert ist,
eine lokale Belastung auf dem Flügel
aufgrund lokaler Windanströmung
zu messen, die bei dem wenigstens einen Belastungssensor erfasst
wird; und wenigstens eine aktive Strömungsmodifizierungsvorrichtung,
die auf dem Flügel
angeordnet ist, wobei die wenigstens eine aktive Strömungsmodifizierungsvorrichtung
dafür konfiguriert
ist, die Windströmung
unmittelbar an dem Flügel
zu modifizieren, und wobei die wenigstens eine Strömungsmodifizierungsvorrichtung
dafür konfiguriert
ist, Befehle für
eine aktive Strömungsmodifizierung
auf der Basis der lokalen Belastungsmessungen des wenigstens einen
Sensors zu empfangen.
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Eine
weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist auf ein Verfahren zum Betreiben einer
Windkraftanlage gerichtet, die einen Flügel aufweist, der sich bei
Auftreffen einer Windströmung
auf den Flügel
um eine Achse drehen kann, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
Messen einer lokalen Belastung auf den Flügel über den wenigstens einen auf
dem oder in dem Flügel
angeordneten Belastungssensor aufgrund einer bei dem wenigstens
einen Belastungssensor erfassten lokalen Windanströmung; Gewinnen
eines Ist-Anblaswinkels auf den Flügel auf der Basis der lokalen
Belastung; Ermitteln eines optimalen Anblaswinkels; und aktives
Modifizieren der Windströmung
unmittelbar an dem Flügel, um
die Aerodynamik des Flügels
zu ändern
und die Dif ferenz zwischen dem Ist-Anblaswinkel und dem optimalen
Anblaswinkel des Flügels
zu kompensieren.
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Noch
eine weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist auf eine Rotorflügelbaugruppe gerichtet, welche
wenigstens einen auf der oder in einer Oberfläche des Rotorflügels angeordneten
Belastungssensor und wenigstens eine aktive Strömungsmodifizierungsvorrichtung
aufweist, die auf einer oder in einer Oberfläche des Rotorflügels angeordnet
und dafür
konfiguriert ist, die Aerodynamik des Rotorflügels in Reaktion auf Messungen
des lokalen Belastungssensors so zu ändern, dass eine Differenz zwischen
einem Ist-Anblaswinkel und einem optimalen Anblaswinkel im Wesentlichen
minimiert wird.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Diese
und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden besser verständlich,
wenn die nachstehende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme
auf die beigefügten Zeichnungen
gelesen wird, in welchen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile durchgängig durch
die Zeichnungen bezeichnen, wobei:
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1 eine
exemplarische Konfiguration einer Windkraftanlage gemäß einer
Ausführungsform ist;
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2 eine
Rotorflügelbaugruppe
mit einem Rotorflügel,
mehreren faseroptischen Sensoren und mehreren aktiven Strömungsmodifizierungsvorrichtungen
darstellt, die in verschiedenen Orientierungen auf dem in 1 dargestellten
Flügel
angeordnet sind;
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3 eine
Teilschnittansicht des in 2 dargestellten
Rotorflügels
ist, die die aktiven Strömungsmodifizierungsvorrichtungen
darstellt, die zur Steuerung der Strömungsablösung eingerichtet sind, um
den Auftrieb durch Modifizieren der Windströmung unmittelbar an dem Flügel zu erhöhen;
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4 eine
Teilschnittansicht des in 2 dargestellten
Rotorflügels
ist, die die aktiven Strömungsmodifizierungsvorrichtungen
darstellt, die zur Steuerung der Strömungsablösung konfiguriert sind, um
den Auftrieb durch Modifizieren der Windströmung unmittelbar an dem Flügel zu erhöhen;
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5 eine
Teilschnittansicht des in 2 dargestellten
Rotorflügels
ist, die eine aktive Strömungsmodifizierungsvorrichtung
darstellt, die auf der Spitze des Flügels angeordnet ist, in der
die aktive Strömungsmodifizierungsvorrichtung
für eine
Modifizierung eines Spitzenwirbels konfiguriert ist, indem die Windströmung unmittelbar
an dem Flügel
modifiziert wird; und
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6 ein
Verfahren zum Reduzieren eines Leistungsverlustes in turbulentem
Wind für
eine in 1 dargestellte Windkraftanlage
unter Anwendung einer lokalisierten Erfassung mittels mehrerer auf
den Rotorflügeln
angeordneter faseroptischer Sensoren und einer Steuerung mittels
mehrerer ebenfalls auf den Rotorflügeln angeordneter aktiver Strömungsmodifizierungsvorrichtungen
darstellt.
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Obwohl
die vorstehend genannten Zeichnungsfiguren alternative Ausführungsformen
darstellen, werden weitere Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung wie in der Dis kussion angegeben, ebenfalls
in Betracht gezogen. In allen Fällen
präsentiert
diese Offenbarung dargestellte Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung nur im Rahmen einer Darstellung und nicht einer Einschränkung. Zahlreiche
weitere Modifikationen und Ausführungsformen
können
von dem Fachmann auf diesem Gebiet erdacht werden, welche in den
Schutzumfang und Erfindungsgedanken der Prinzipien dieser Erfindung fallen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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1 stellt
eine Windkraftanlage 100 gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar. Die Windkraftanlage 100 enthält einen
Rotorflügel 10,
der dafür
konfiguriert ist, sich aufgrund des Auftreffens einer ankommenden
Windströmung,
wie z. B. einer Windströmung 8 gemäß Darstellung,
um eine Achse 90 zu drehen. Man erkennt, dass, so wie hierin
verwendet, die Begriffe "ein" und "der/die/das" sich auf "wenigstens eine" und mehrere Varianten davon
beziehen, sofern es nicht anderweitig speziell erwähnt oder
durch den Kontext angezeigt wird. Die Rotationsachse 90 liegt
längs zu
der z-Achse in dem Achsensystem von 1, und die
Rotationsachse der Flügel 10 ist
die x-y Ebene und die x-Achse
erstreckt aus der Ebene des Papiers heraus. Eine aktive Strömungsmodifizierungsvorrichtung 20 und
ein Belastungssensor, wie z. B. ein faseroptischer Sensor 28 sind
ferner auf dem Flügel 10 angeordnet;
und der Flügel,
die aktive Strömungsmodifizierungsvorrichtung 20 und
der faseroptische Sensor 28 bilden zusammen eine (in 2 dargestellte)
Rotorflügelbaugruppe 17.
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Weitere
Arten von Belastungssensoren können
ebenfalls verwendet werden, wie z. B., jedoch nicht darauf beschränkt, Druckschwankungssensoren,
Anblaswinkelsensoren, Beschleunigungsmesser, Dehnungsmessstreifen,
Faser-Bragg-Gitter und dergleichen, solange die Belastungssensoren
dafür konfiguriert
sind, eine lokale Belastung an gewünschten Punkten auf den Rotorflügeln 10 zu
messen. Diese Belastungssensoren können auf der Oberfläche der
Flügel 10 positioniert
sein, in der Oberfläche
der Flügel 10 eingebaut
sein oder können
sowohl auf als auch in der Oberfläche der Flügel 10 angeordnet
und eingebaut sein.
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Die
aktive Strömungsmodifizierungsvorrichtung 20 ist
dafür konfiguriert,
die Windströmung 8 unmittelbar
an dem Flügel
als Reaktion auf gemessene Daten zu modifizieren, die von den lokalen
Belastungssensoren 28 geliefert werden, um dadurch die Aerodynamik
des Flügels
zu ändern,
um die Anblaswinkelfehlanpassung zu kompensieren, und dadurch ihre
Auswirkung auf die Leistungsgewinnung und das von den Komponenten
(Rotor, Antriebsstrang, Turm, usw.) gesehene Belastungleichgewicht
der Windkraftanlage 100 zu reduzieren. Der Begriff "Windströmung unmittelbar
am Flügel" versteht sich als
Bezeichnung des Anteils der Windströmung, der sich unmittelbar
an den Flügeln
(einschließlich
der Flügeloberfläche und
der Spitze) befindet, und nicht auf die gesamte Windströmung 8.
Die Windströmung
unmittelbar an dem Flügel 10 beinhaltet,
ohne Einschränkung,
Windströmungszonen über der
Flügeloberfläche und
Spitzenwirbel in der Nähe
eines Spitzenendes des Flügels 10.
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2 veranschaulicht
die Rotorflügelbaugruppe 17 mit
dem Rotorflügel 10,
einer Anzahl lokaler Belastungssensoren wie z. B. faseroptischer
Sensoren 28 und einer Anzahl der aktiven Strömungsmodifizierungsvorrichtungen 20,
die in verschiedenen Orientierungen auf dem oder in dem Flügel 10 angeordnet
sind. Der Flügel 10 enthält eine
Seite 12 und eine Spitze 15 und die aktiven Strömungsmodifizierungsvorrichtungen 20,
die auf dem oder in dem Flügel
angeordnet werden können,
sind optional in unterschiedlichen Winkeln auf der Seite 12 (in
der Bedeutung wenigstens einer Seite) und der Spitze 15 angeordnet;
während
die lokalen Belastungssensoren 28 (z. B. faseroptische)
die auf dem oder in dem Flügel
angeordnet werden können,
optional an anderen Stellen auf der Seite 12 und der Spitze 15 angeordnet
sind. Die Seite 12 besitzt eine Länge 13 und eine Breite 14,
die entlang des Längsverlaufs
variieren kann, und die Spitze 15 enthält den Endabschnitt des Flügels 10.
Die lokalen faseroptischen Belastungssensoren 28 und die
aktiven Strömungsmodifizierungsvorrichtungen 20 können auch
auf einer (in der Figur nicht dargestellten) der Seite 12 gegenüberliegenden
zweiten Seite angeordnet sein.
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Die
aktiven Strömungsmodifizierungsvorrichtungen 20 sind
typischerweise so konfiguriert, dass sie in einer zeitabhängigen Weise
Luftstrahlen gewünschter
Stärke
und mit gewünschten
Frequenzen freisetzen. Nicht einschränkende Beispiele derartiger
Vorrichtungen 20 beinhalten piezoelektrische "Synthetic Jet"- oder masselose
Betätigungselemente,
sowie andere Arten "Synthetic
Jet"-Vorrichtungen. "Synthetic Jet"-Vorrichtungen sind
insbesondere nützlich,
da derartige Vorrichtungen geringere Leistungsanforderungen, geringere
Gewichtsnachteile, große
Steuerbarkeiten (Luftstrahlstärke),
gute Frequenz und Amplitudenbereiche und Kompaktheit besitzen, und
dadurch eine leichte Integration in das Rotorflügelsystem ermöglichen.
In weiteren Ausführungsformen
kann die aktive Strömungsmodifizierungsvorrichtung 20 dafür konfiguriert
sein, die Windströmung
mittels anderer Verfahren als den "Synthetic Jets" zu beein flussen. Beispielsweise können andere
nicht-masselose Strömungsbetätigungsvorrichtungen
wie z. B. Flipflop-Jets und fluidische Oszillatoren, die Strahlen
mit pulsierender Geschwindigkeit erzeugen, alternativ oder zusätzlich verwendet
werden. Ferner können "Synthetic Jets" in bestimmten Ausführungsformen
dafür konfiguriert
sein, ausschließlich
einen stetiges Blasvorgang oder zusätzlich zu einer gepulsten Betätigung zu
erzeugen, um die Aerodynamik von Rotorflügeln zu ändern.
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Des
Weiteren enthält
die Windkraftanlage 100 gemäß 1 auch einen
Windkraftanlagengenerator 30, der mechanische Energie in
elektrische Energie umwandelt, einen Getriebemechanismus 40, welcher
die aus den Rotorflügeln 30 gewonnene
mechanische Energie an den Generator 30 überträgt. Eine
Steuerung 50 ist funktionell mit den lokalen Belastungssensoren
(z. B. faseroptischen Sensoren) 28, um einen Ist-Zustand einer Betriebsbedingung der
Windkraftanlage zu gewinnen und mit den aktiven Strömungsmodifizierungsvorrichtungen 20 für die Erzeugung
einer aktiven Strömungssteuerung
an der Windkraftanlage während
deren Betrieb gekoppelt. Die Steuerung 50 kann ferner mit
dem Generator 30, dem Getriebemechanismus 40,
einem Giermechanismus 60 und einem Flügelanstellmechanismus 80 zur
Steuerung von Aspekten des Windkraftanlagenbetriebs oder für den Empfang
von Eingangssignalen verbunden sein. Es ist anzumerken, dass die
Kopplung zwischen der Steuerung 50, den lokalen (faseroptischen)
Belastungssensoren 28 und den aktiven Strömungsmodifizierungsvorrichtungen 20 in 1 mittels
Verbindungslinien nur für
Darstellungszwecke dargestellt ist, und nicht notwendigerweise Drähte anzeigt,
sondern stattdessen geeignete Einrichtungen beinhalten kann, um
die Vorrichtungen funktionell zu koppeln.
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In
einer Ausführungsform
erzeugen die aktiven Strömungsmodifizierungsvorrichtungen 20 eine aktive
Strömungsmodifizierung
in der Windströmung um
den Flügel,
indem sie die Strömungsablösung unmittelbar
an dem Flügel
steuern, und dadurch die Belastung der Rotorflügel modifizieren. Gemäß einer Technik
ist die aktive Strömungsmodifizierung
dafür konfiguriert,
eine Strömungsablösung in
der Windströmung
unmittelbar an dem Flügel
zu begünstigen, um
dadurch den für
die Windkraftanlage zur Verfügung
stehenden Auftrieb zu verschlechtern. Diese Technik wird in Reaktion
auf böige
Winde angewendet und reduziert Systembelastungen. Gemäß einer weiteren
Technik verhindert die aktive Strömungsmodifizierung die Strömungsablösung in
der Windströmung
unmittelbar an dem Flügel,
indem ein unstetiges(r) aerodynamisches(r) Moment oder Impuls und eine
Verwirbelung der Windströmung
unmittelbar an dem Flügel
hinzugefügt
wird. Dieses führt
zu einer Verstärkung
des für
die Windkraftanlage verfügbaren Auftriebs
und daher zur Erzeugung von mehr Leistung für eine vorgegebene Flügelgröße oder
für dieselbe
Leistung bei verringerter Flügelgröße (d. h.,
mit kürzeren
Sehnenlängen,
reduzierter Dicke oder Kombinationen davon).
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Insbesondere
ist gemäß Darstellung
in den 3–4 in
verschiedenen Ausführungsformen die
aktive Strömungsmodifizierungsvorrichtung 20 auf
der Seite 12 des Flügels 10 angeordnet.
Die aktiven Luftstrommodifizierungsvorrichtungen sind für die Steuerung
der Strömungsablösung konfiguriert, indem
sie die Windströmung
unmittelbar an dem Flügel 10 in
Reaktion auf eine lokalisierte von den lokalen Sensoren 28 gelieferte
Flügelbelastungsinformation
modifizieren.
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Beispielsweise
wird in der Ausführungsform von 3 die
Strömungsablösung durch
die aktiven Strömungsmodifizierungsvorrichtungen
(in der Bedeutung einer Verringerung, Verzögerung oder Kombinationen davon)
behindert. Beispielsweise ist in 3 der Strömungsablösungspunkt
als an einer Position 18 im Gegensatz zu einer stromaufwärts liegenden
Position 16 befindlich dargestellt, wo er sich natürlicherweise
ohne aktive Strömungsmodifizierung
ergeben würde.
In einer Ausführungsform
wird die Strömungsablösung durch
Einführen
einer stetigen und/oder unstetigen (zeitabhängigen) Luftstrahlströmung 22 mit
einer großen
Impulskomponente und Verwirbelung im Wesentlichen entlang der Windströmung unmittelbar
an dem Flügel
behindert, wie es auch durch die Ausführungsform von 3 veranschaulicht
wird. Der Luftstrahlstrom 22 in 3 fügt einen
Impuls und Verwirbelung in der Windströmung unmittelbar an dem Flügel hinzu.
Wenn Verwirbelung und Impuls durch die aktive Strömungsmodifizierung hinzugefügt werden,
wird das Impulsdefizit von Grenzschichten wenigstens teilweise ergänzt, und die
Strömungsablösung verhindert
und der verfügbare
Auftrieb verbessert. Die Strömung,
in welcher eine Ablösung
verhindert wurde, wie es in 3 dargestellt
ist, trägt
zur Hinzufügung
von Auftrieb bei, um dadurch die Leistung der Windkraftanlage für eine vorgegebene
Flügelgröße zu erhöhen oder
um die Flügelsehnenlängen für einen
gegebenen Leistungswert zu reduzieren. Die aktiven Strömungsmodifizierungsvorrichtungen
können
Impuls und Verwirbelung bei spezifischen Winkeln zu einer einfallenden
Windströmung
hinzufügen,
und solche Winkel können
abhängig
von den gewünschten
Leistungsbedingungen variiert werden.
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In
einem weiteren von 4 dargestellten Beispiel wird
die Strömungsablösung durch
die aktiven Strömungsmodi fizierungsvorrichtungen
in Reaktion auf die von den lokalen Belastungssensoren 28 gelieferte
lokale Lastinformation begünstigt.
Beispielsweise ist in 4 der Strömungsablösungspunkt als an einer Position 18 im
Gegensatz zu einer stromabwärts
liegenden Position 16 befindlich dargestellt, wo er sich
natürlicherweise
ohne aktive Strömungsmodifizierung
ergeben würde.
In der Ausführungsform
von 4 wird die Strömungsablösung durch
Einführen
einer stetigen und/oder unstetigen Luftstrahlströmung 22 mit einer
großen
die Windströmung
unmittelbar an dem Flügel
unterbrechenden Impulskomponente begünstigt.
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Die
Luftstrahlströmung 22 von 4 initiiert eine
Strömungsablösung in
der Windströmung
unmittelbar an dem Flügel.
Die unterbrechende Luftstrahlströmung 22 kann
eine schräg
gerichtete Luftstrahlströmung
sein, welche die natürliche
Windströmung
unmittelbar an dem Flügel
verhindert. Die begünstigte
Strömungsablösung, wie
sie sich in 4 zeigt, führt zu einem verringerten Auftrieb
und kann vorteilhaft dafür
eingesetzt werden, um unerwünschte
Belastungsbedingungen zu vermeiden. Derartige unerwünschte Bedingungen
umfassen Fälle
einer Zunahme in der Windströmungsgeschwindigkeit,
die zu einer unerwünschten
Belastung der Flügel
(erhöhten
Auftrieb) und der Windkraftanlage führen. Die Ausführungsformen
erzeugen wie diskutiert in vorteilhafter Weise in bestimmten Fällen nahezu
sofort eine künstliche
Verringerung des Auftriebs, indem die Windströmung unmittelbar an dem Flügel gemäß Darstellung
in 4 aktiv modifiziert wird. Wie diskutiert, können die
aktiven Strömungsmodifizierungsvorrichtungen
einen Unterbrechungsimpuls bei spezifischen Winkeln zu einer einfallenden
Windströmung
hinzuaddieren, und solche Winkel können gemäß den gewünschten Verhaltensbedingungen
verändert
werden.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird eine aktive Strömungsmodifizierung
vorteilhaft, um die Effekte einer Anblaswinkelabweichung (von dem
Soll-Wert) auf die Leistung und die Belastungen in turbulenten Winden
zu reduzieren (und somit den aerodynamischen Wirkungsgrad zu steigern),
um das an der Spitze 15 des Flügels erzeugte aerodynamische
Geräusch
zu reduzieren, und/oder für
Kombinationen von Verlust- und Geräuschreduzierung angewendet.
In einer in 5 dargestellten Ausführungsform
ist eine aktive Strömungsmodifizierungsvorrichtung 20 an
der Spitze 15 des Flügels 10 angeordnet.
Gemäß einem
Aspekt der Technik ist die aktive Strömungsmodifizierungsvorrichtung 20 für die Modifizierung
eines Spitzenwirbels 64 konfiguriert, indem die Windströmung unmittelbar
an dem Flügel 10 modifiziert
wird. In der in 5 dargestellten Ausführungsform
wird der Spitzenwirbel 24 modifiziert, indem eine stetige
und/oder eine unstetige Luftstrahlströmung 23, die den Spitzenwirbel 24 (unterbrochene
Linie) verursacht, an eine andere Stelle gemäß Darstellung durch den Spitzenwirbel 26 verschoben
wird. In anderen Fällen kann
die hinzugefügte
Luftstrahlströmung
dazu genutzt werden, um die Entstehung und Entwicklung der Spitzenwirbel
zu beeinflussen oder die Entwicklung und die Bahn des Spitzenwirbels 24 zu
modifizieren. Im Wesentlichen modifizieren die Luftstrahlen 23 die
Strömungsstruktur
in der Nähe
der Spitze, und führen
zu einer schnellen Verteilung des Wirbels oder einer Verschiebung
des Spitzenwirbels 24 weg von der Spitze, oder zu einer
Reduzierung der Stärke
des ausgebildeten Spitzenwirbels.
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Ein
weiterer wichtiger Aspekt der Erfindung besteht darin, dass diese
lokalen Belastungssensoren 28 und/oder Strömungsmodifizierungsvorrichtungen 20 entweder
in der Nachrüstung
von vorhandenen Flügelausführungsformen
angeordnet werden können
oder verwendet werden können,
um neue Flügelausführungsformen
anzubieten. Für
neue Flügelausführungsformen
impliziert die Fähigkeit,
die Ablösung
und somit die Belastungspegel des Flügels zu steuern, dass neuere
und radikalere, oder wenigstens eine größere Vielfalt von Profil- und
Flügelformen über die
hinaus, die den Stand der Technik in der Profil/Flügel-Auslegung
von Windkraftanlagen bilden, nun in Rotorflügeln angewendet werden können. Derartige
neue Konstruktionen können
optimiert werden, um beispielsweise eine höhere aerodynamische Leistung
(Auftrieb und Gleitzahl-Verhältnisse) und
Wirkungsgrad als die derzeit verwendeten, bereitzustellen.
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Die
diskutierten Strategien gehören
zu denen, die die Steuerung 50 nutzen kann, um aktiv die Windströmung 8 und
dementsprechend die Aerodynamik des Flügels in Reaktion auf eine durch
die lokalen Belastungssensoren 28 gelieferte gemessene Lastinformation
zu modifizieren. Die Steuerung 50 ist dafür konfiguriert,
die lokalisierte momentane Flügelbelastung
zu empfangen, welche, korreliert mit den aerodynamischen Kennlinien
und der Rotordurchschnittsgeschwindigkeit und/oder weiterer gewünschter
Information, Information über
den Ist-Anblaswinkel liefert, und in Reaktion auf den Ist-Zustand der
Betriebsbedingungen aktiv die Windströmung 8 unmittelbar
an dem Flügel
zu modifizieren. Die Windbedingungen umfassen, ohne Einschränkung, Windumgebungszustände wie
z. B. Windströmungsgeschwindigkeit
und Windströmungsrichtung.
In bestimmten Ausführungsformen
umfassen Betriebsbedingungen ferner die Rotordrehzahl, den Flügelanstellwinkel
und den Gierwinkel der Windkraftanlage.
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In
einer Ausführungsform
ist die Steuerung 50 dafür konfiguriert, aktive Strömungsbefehle
an wenigstens eine aktive Strömungsmodifizierungsvorrichtung 20 in
Reaktion auf den Ist-Zustand von wenigstens einer Betriebsbedingung
zu liefern. In einem Aspekt aktiviert bei dem Auftreten einer plötzlichen Zunahme
der einfallenden Windgeschwindigkeit oder einer Änderung in der Windrichtung,
die signifikant den Auftrieb auf unerwünschte Pegel anhebt, die Steuerung 50 die
aktiven Strömungsmodifizierungsvorrichtungen 20,
die dafür
konfiguriert sind, unterbrechende stetige und/oder unstetige Luftstrahlströmungen gemäß Darstellung
in 4 freizugeben. In einem weiteren Aspekt hält die Steuerung
die aktiven Strömungsmodifizierungsvorrichtungen
in einem aktivierten Zustand und schaltet diese bei Detektion einer Änderung
in der auftreffenden Windgeschwindigkeit oder der Richtung, welche
die Systembelastung auf unerwünschte
Pegel anheben könnten,
aus.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt, aktiviert unter Bedingungen, in welchem der verfügbare Auftrieb aufgrund
niedriger Windströmungsgeschwindigkeiten
oder ungünstiger
Windströmungsrichtung
niedrig sein kann, und demzufolge die erzeugte Leistung niedrig
ist, die Steuerung 50 die aktiven Strömungsmodifizierungsvorrichtungen,
eine stetige und/oder unstetige Luftstrahlströmung freizusetzen, die den Auftrieb
verbessert, indem die Strömungsablösung gemäß Darstellung
in 3 verhindert wird. Gemäß einem weiteren Aspekt aktiviert
die Steuerung 50 die aktiven Strömungsmodifizierungsvorrichtungen
unmittelbar an der Spitze des Flügels,
was den Spitzenwirbel auflöst
oder den Spitzenwirbel von der Spitze gemäß Darstellung in 5 weg
verschiebt.
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Geeignete
Reaktionsstrategien unter Verwendung aktiver Strömungsbefehle in Reaktion auf gemessene
lokale Flügelbelastungsbedingungen sind
für den
Fachmann auf diesem Gebiet offensichtlich, und derartig offensichtliche
Strategien sind in dem Schutzumfang und Erfindungsgedanken der vorliegenden
Erfindung verkörpert.
Beispielsweise beinhalten in der Ausführungsform, in welcher die
aktiven Strömungsmodifizierungsvorrichtungen
aus synthetischen Luftstrahlen bestehen, verschiedene Reaktionsstrategien
ohne Einschränkung
eine Modifizierung einer Geschwindigkeit der synthetischen Luftstrahlen 22 oder 23,
eine Modifizierung der Häufigkeit
der Einführung
der synthetischen Luftstrahlen 22 oder 23, eine
Lokalisierung des synthetischen Luftstrahls 22 auf der
Seite 12, eine Lokalisierung des synthetischen Luftstrahls 23 auf
der Spitze 15, einem Winkel der synthetischen Luftstrahlen 22 oder 23 (in
der Bedeutung entweder des gesamten Luftstahls, der Löcher des
Strahls oder Kombinationen davon) eine Größe der Austritte (Löcher oder
Schlitze) der synthetischen Luftstrahlen, eine Form der synthetischen
Luftstrahlaustritte (Löcher
oder Schlitze) und Kombinationen davon. Die verschiedenen Reaktionsstrategien
können
beispielsweise realisiert werden, indem mehrere aktive Strömungsmodifizierungsvorrichtungen 20 mit
unterschiedlichen Austrittsgrößen und
Formen in unterschiedlichen Orientierungen oder Positionen angeordnet
werden und selektiv die aktiven Strömungsmodifizierungsvorrichtungen
als Reaktion auf Information aktiviert werden, welche mittels der
lokalen Belastungssensoren 38 erzeugt wird.
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In
einer Ausführungsform
ist die Steuerung 50 ferner dafür konfiguriert, einen Ist-Zustand
der Getriebe- und Generatorfunktionen zu empfangen und ist auch
dafür konfigu riert,
aktive Strömungsbefehle in
Reaktion auf diese Bedingungen zu erzeugen.
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In 6 ist
ein Verfahren 200 zum Verringern des Leistungsverlustes
in turbulentem Wind für eine
Windkraftanlage 100 dargestellt, welches eine lokalisierte
Erfassung über
mehrere lokale Belastungssensoren, wie z. B., jedoch nicht darauf
beschränkt,
faseroptische Sensoren 28, die auf und/oder in der Oberfläche der
Rotorflügel 10 angeordnet
sind und eine Steuerung über
mehrere aktive Strömungsmodifizierungsvorrichtungen 20 nutzt,
die ebenfalls auf und/oder in den Rotorflügeln 10 angeordnet
sind.
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Die
lokalen (faseroptischen) Sensoren 28 detektieren, die lokale
momentane Flügelbelastung, welche,
wenn sie mit den aerodynamischen Kennlinien und der Rotordurchschnittsgeschwindigkeit und/oder
weiterer gewünschter
Information korreliert wird, wie hierin festgestellt, Information über den Ist-Anblaswinkel
liefert. Eine lokalisierte Betätigung der
Strömungsmodifizierungsvorrichtungen
zum Ändern
der Aerodynamik des Flügels 10 dient
dazu, die Anblaswinkelfehlanpassung gegenüber einem nominalen Wert aufgrund
von turbulenten Windschwankungen oder Windscherungen oder stromaufwärts liegender
Luftlöcher
und Böen
entlang des Flügels 10 zu
kompensieren, um dadurch deren Auswirkung auf die Leistungsgewinnung
und die von den Komponenten der Windkraftanlage 100 gesehenen
Belastungsungleichgewichte zu reduzieren. Diese Fehlanpassung und
somit die unerwartete Belastung wird dann durch die Anwendung einer
lokalisierten Betätigung, welche
die Flügelbelastung
unter Verwendung von Strömungssteuerungstechniken ändert, wie
sie hierin vorstehend unter Bezugnahme auf die 1–5 beschrieben
wurden, gemindert. Diese Steuerungsinstanz kann zusätzlich o der
in Kombination mit herkömmlichen
Anstellsteuersystemen genutzt werden, die jeden Flügel individuell
als Funktion der Windlast anstellen.
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Ein
Merkmal der hierin vorstehend beschriebenen Ausführungsformen für die Reduzierung
des Leistungsverlustes in turbulentem Wind ist auf die Verwendung
einer optischen Faser und von Belastungssensoren gerichtet, die
entlang der Faser installiert sind, welche in oder auf dem Flügel 10 installiert ist.
Die Verwendung derartiger faseroptischer Sensoren 28 erzeugt
unter anderem 1) eine Erfassung mit großräumiger Verteilung, 2) Immunität gegenüber EMI,
3) passives Multiparametererfassen, 4) Beständigkeit gegen Korrosion, 5)
Beständigkeit
gegen Strahlung, 6) verbesserte Betriebstemperaturfähigkeiten,
7) verbesserte Hochdruckbetriebseigenschaften, und 8) eine hohe
Bandbreite. Faseroptische Sensoren stellen daher Vorteile bereit,
die mit elektrisch-basierenden Sensoren erzielbar sind, die im Wesentlichen
schwierig zu verteilen, schwierig in ungünstigen Umgebungen zu betreiben
sind, nicht leicht in Strukturen einzubetten sind und EMI-empfindlich
sind. Die von den faseroptischen Sensoren erzeugten vorgenannten
Vorteile tragen zu reduzierten Wartungskosten, verbesserter Produktivität, verbesserter
Zuverlässigkeit
und erhöhter
Leistung bei.
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Ein
weiteres Merkmal der hierin vorstehend beschriebenen Ausführungsformen
für die
Reduzierung des Leistungsverlustes in turbulentem Wind ist auf die
Anwendung verteilter Betätigungsverfahren gerichtet,
wie z. B. eine aktive Strömungssteuerung, um
die aerodynamischen Eigenschaften des Flügels 10 als eine Funktion
von momentanen Betriebsbedingungen zu ändern, welche über mehrer
faseroptische Sensoren 28 geliefert werden, die auf dem
oder in dem Flügel 10 angeordnet
sind.
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Noch
ein weiteres Merkmal der hierin vorstehend beschriebenen Ausführungsformen
für die
Reduzierung des Leistungsverlustes in turbulentem Wind ist auf die
Anwendung einer dynamischen Steuerung gerichtet, die auf lokale
Windlastinformation reagiert, die von mehreren faseroptischen Sensoren geliefert
wird, um den Vorteil der lokalen Betätigungsfähigkeiten zu nutzen, um 1)
bestimmte Verhaltensaufgaben zu erfüllen, in welchen diese Aufgaben
lokal entlang des Flügels 10 variieren
und sich zwischen einer Zirkulationssteuerung oder Ablösungssteuerung ändern können, oder
2) jede Anblaswinkeländerung
zu kompensieren, oder 3) lokale Ungleichgewichte der Flügelbelastungen
zu reduzieren.
-
Gemäß weiterer
Bezugnahme auf 6 zieht das Verfahren 200 vorteilhaft
in Betracht, dass die Windströmung über den
Windkraftanlagenrotor niemals konstant ist, was Veränderungen
in dem lokalen Anblaswinkel bewirkt, welche die Flügelauslegung
nicht über
die Drehungsverteilung oder über
die Flügelanstellung
berücksichtigen
kann. Das Verfahren 200 berücksichtigt in einer Ausführungsform
die Leistungsgewinnung und die Belastung auf dem Flügel 10 aufgrund
dieser Anblaswinkelschwankungen.
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Das
Verfahren 200 zum Verringern des Leistungsverlustes in
turbulentem Wind für
eine Windkraftanlage 100, welches eine lokalisierte Erfassung über mehrere
faseroptische Sensoren 28, die auf und/oder in der Oberfläche der(s)
Rotorflügel(s) 10 angeordnet
sind und eine Steuerung über
mehrere aktive Strömungsmodifizierungsvorrichtungen 20 nutzt,
die ebenfalls auf und/oder in den Rotorflügeln 10 angeord net
sind, beginnt mit der Messung einer lokalen Belastungen auf dem
bzw. den Rotorflügel(n) 10 aufgrund
lokaler Windanströmung,
die bei jedem (faseroptischen) Belastungssensor 28 erfasst
werden, wie es im Schritt 202 dargestellt ist. Die mittlere Windgeschwindigkeit
bei jedem Belastungssensor 28 wird dann auf der Basis der
lokalen Belastung bei jedem (faseroptischen) Belastungssensor 28 gemäß Darstellung
im Schritt 204 ermittelt. Die Flügelanstellung wird ebenfalls
aus den Flügeleinstellungen
gemäß Darstellung
in 6 ermittelt. Der lokale Verdrehungswinkel bei
jedem (faseroptischen) Belastungssensor 28 wird dann auf
der Basis der lokalen Belastung bei jedem Belastungssensor 28,
wie es im Schritt 208 dargestellt ist, ermittelt. Nach
der Ermittlung der Anstellwinkeleinstellungen, sowie der mittleren
Windgeschwindigkeit und des lokalen Verdrehungswinkels an jedem
Belastungssensor 28 wird dann der aktuelle Anblaswinkel
auf der Basis dieser Daten gemäß Darstellung
im Schritt 210 ermittelt. Anschließend wird der optimale Anblaswinkel
auf der Basis eines entsprechenden Spitzengeschwindigkeitsverhältnisses
und der mittleren Windgeschwindigkeit ermittelt, wie es im Schritt 212 dargestellt
ist. Wenn der Ist-Anblaswinkel und der optimale Anblaswinkel ermittelt
sind, wird die Differenz zwischen dem Ist-Anblaswinkel und dem optimalen
Anblaswinkel kompensiert, indem eine oder mehrere von den lokalen
Strömungsmodifizierungsvorrichtungen 20 aktiviert
werden, um diese Differenz zu kompensieren, wie es im Schritt 214 dargestellt
ist.
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Wenn
die Differenz zwischen dem Ist- und optimalen Anblaswinkel kompensiert
ist, ist dann die Aerodynamik des bzw. der Flügel 10 geändert, um die
Auswirkung des Anblaswinkels auf die Leistungsgewinnung und Belastungsungleich gewichte,
die von den Windkraftanlagenkomponenten (Rotor, Antriebsstrang,
Turm, usw.) gesehen werden, verringern.
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In
zusammengefasster Erläuterung
wird eine lokalisierte Erfassung, Betätigung und Steuerung genutzt,
um die Energiegewinnung durch lokales Kompensieren der Anblaswinkelfehlanpassung
zwischen einem lokalen Ist-Anblaswinkel und einem lokalen optimalen
Anblaswinkel zu kompensieren. Die hierin beschriebenen Ausführungsformen
berücksichtigen eine
nicht-konstante Windströmung über dem
Windkraftanlagenrotor und somit Schwankungen in dem lokalen Anblaswinkel,
welche die Flügelkonstruktion über die
Drehungsverteilung oder die Flügelanstellung
nicht berücksichtigen
kann, um somit den Leistungsgewinn und die Belastung auf die Flügel 10 zu verbessern.
Der Ist-Anblaswinkel wird unter Verwendung von Messungen lokaler
Belastung auf den Flügeln 10 aufgrund
lokaler Windanströmung
unter Verwendung mehrerer lokaler Windbelastungssensoren, wie z.
B. faseroptischer Sensoren, ermittelt, und indem die mittlere Windgeschwindigkeit,
die Flügelanstellung
und der lokale Verdrehungswinkel berücksichtigt werden.
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Obwohl
nur bestimmte Merkmale der Erfindung hierin dargestellt und beschrieben
wurden, werden für
den Fachmann auf diesem Gebiet viele Modifikationen und Änderungen
möglich
erscheinen. Es dürfte
sich daher verstehen, dass die beigefügten Ansprüche alle derartigen Modifikationen
und Änderungen,
soweit sie in den tatsächlichen
Erfindungsgedanken der Erfindung fallen, mit abdecken sollen.
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Eine
Rotorflügelbaugruppe 17 enthält wenigstens
einen lokalen Belastungssensor 28, der auf und/oder in
einer Oberfläche
eines Rotorflügels 10 angeordnet
ist, und wenigs tens eine aktive Strömungsmodifizierungsvorrichtung 20,
die auf und/oder in einer Oberfläche
des Rotorflügels 10 angeordnet
und dafür
konfiguriert ist, die Aerodynamik des Rotorflügels 10 in Reaktion
auf Messungen des lokalen Belastungssensors 28 so zu ändern, dass eine
Differenz zwischen einem Ist-Anblaswinkel und einem optimalen Anblaswinkel
erheblich reduziert wird.
-
- 8
- Windströmung
- 10
- Rotorflügel
- 12
- Rotorflügelseite
- 13
- Rotorflügellänge
- 14
- Rotorflügelbreite
- 15
- Rotorflügelspitze
- 16
- Stromaufwärts liegende
Position der Strömungsablösung
- 17
- Rotorflügelbaugruppe
- 18
- Stromabwärts liegende
Position der Strömungsablösung
- 20
- Aktive
Strömungsmodifizierungsvorrichtung
- 22
- Luftstrahlströmung
- 23
- Unstetige
Luftstrahlströmung
- 24
- Flügelspitzenwirbel
- 26
- Flügelspitzenwirbel
- 28
- Faseroptischer
Sensor
- 30
- Windkraftanlagengenerator
- 40
- Getriebemechanismus
- 50
- Steuerung
- 60
- Giermechanismus
- 80
- Flügelanstellmechanismus
- 90
- Achse
der Rotorflügelrotation
- 100
- Windkraftanlage
- 200
- Verfahren
zum Reduzieren des Leistungsverlustes