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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft Windkraftanlagen oder -maschinen und insbesondere
Windkraftanlagen mit aus mehr als einem einzelnen Abschnitt aufgebauten
Rotorflügeln.
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In
letzter Zeit haben Windkraftanlagen als umweltsichere und relativ
kostengünstige
alternative Energiequellen zunehmend Beachtung gefunden. Mit diesem
steigenden Interesse sind beträchtliche Anstrengungen
unternommen worden, Windkraftanlagen zu entwickeln, die zuverlässig und
effizient arbeiten.
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Allgemein
enthält
eine Windkraftanlage einen Rotor mit mehreren Flügeln bzw. Blättern. Der Rotor
ist in einem Gehäuse
oder einer Gondel montiert, das bzw. die oben auf einem Träger oder
rohrförmigen
Turm positioniert ist. Windkraftanlagen zur Energieversorgung (d.
h. Windkraftanlagen, die dazu bestimmt sind, elektrische Leistung
in ein Versorgungsnetz einzuspeisen) können große Rotoren (mit einem Durchmesser
von z. B. 30 Meter oder mehr) aufweisen. Flügel an diesen Rotoren wandeln
Windenergie in Drehmoment oder eine Kraft um, das bzw. die einen
oder mehrere Generatoren antreibt, der/die mit dem Rotor über eine
langsam drehende Welle und/oder ein Getriebe drehfest gekoppelt
ist/sind. Das optionale Getriebe kann verwendet werden, um die von
Natur aus geringe Drehzahl des Turbinenrotors für den Generator zu erhöhen, damit
dieser in effizienter Weise mechanische Energie in elektrische Energie
umwandeln kann, die in ein Energieversorgungsnetz eingespeist wird.
Einige Anlagen (d. h. mit direktem Antrieb) verwenden Generato ren,
die mit dem Rotor unmittelbar gekoppelt sind, ohne dass ein Getriebe
eingesetzt wird.
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Mit
steigender Leistungserzeugungskapazität von Windkraftanlagen steigen
auch die Abmessungen ihrer Rotorflügel und weiterer Komponenten. An
irgendeinem Punkt werden praktische Transport- und Logistikgrenzen überschritten.
Diese nichttechnischen Grenzbedingungen führen zu Beschränkungen
hinsichtlich der Nennleistungen bei der Energieerzeugung von an
Land betriebenen Windkraftanlagen (Onshore-Windkraftanlagen).
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Flügel mit mehreren (wenigstens
zwei) Abschnitten für
eine Windkraftanlage geschaffen, der wenigstens einen hinsichtlich
des Anstellwinkels nicht neigungsverstellbaren Abschnitt und wenigstens
einen hinsichtlich des Anstellwinkels neigungsverstellbaren Abschnitt
aufweist. Der nicht neigungsverstellbare Abschnitt ist konfiguriert,
um an einer Nabe der Windkraftanlage fixiert zu werden. Der neigungsverstellbare
Abschnitt ist konfiguriert, um rings um eine Verstell- bzw. Neigungsachse
gedreht zu werden, die im Wesentlichen parallel zu der Spannweitenrichtung
des mehrere Abschnitte aufweisenden Flügels verläuft. Im Inneren des Flügels und
in der Nähe
der Verbindungs- bzw. Trennstelle zwischen dem nicht neigungsverstellbaren
Abschnitt und dem neigungsverstellbaren Abschnitt sind ein Verstelllager
und ein Verstellmotor angeordnet.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Windkraftanlage
geschaffen, die mehrere Flügel
mit einer Anzahl von (wenigstens zwei) Abschnitten aufweist. Die
Windkraftanlage enthält
eine gemeinsam mit einer langsam drehenden Welle integral, in einem
Stück ausgebildete
Nabe. Die Flügel enthalten
wenigstens einen hinsichtlich ihres Anstellwinkels neigungsverstellbaren
Flügelabschnitt,
der konfiguriert ist, um an der Nabe befestigt zu werden, und wenigstens
einen hinsichtlich des Anstellwinkels neigungsverstellbaren Flügelabschnitt.
Der verstellbare Flügelabschnitt
ist konfiguriert, um rings um eine Verstellachse gedreht zu werden,
wobei die Verstellachse im Wesentlichen parallel zu der Spannweitenerstreckung
eines zusammengebauten Flügels
orientiert ist. Der Flügel
weist ferner Verstellmittel zum Verdrehen des verstellbaren Abschnitts
rings um die Verstellachse auf, wobei die Verstellmittel im Inneren
des eine Anzahl von Abschnitten aufweisenden Flügels und in der Nähe einer
Trenn- bzw. Grenzstelle zwischen dem nicht verstellbaren Flügelabschnitt
und dem verstellbaren Flügelabschnitt
angeordnet sind.
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Gemäß einem
noch weiteren Aspekt ergibt die vorliegende Erfindung einen Flügel mit
einer Anzahl von (wenigstens zwei) Abschnitten für eine Windkraftanlage, wobei
der Flügel
wenigstens einen aerodynamisch geformten, hinsichtlich seines Anstellwinkels
nicht verstellbaren Abschnitt aufweist, der eingerichtet ist, um
an einer Nabe der Windkraftanlage fixiert zu werden. Wenigstens
ein hinsichtlich seines Anstellwinkels verstellbarer Abschnitt ist
konfiguriert, um rings um eine Verstellachse verdreht zu werden,
wobei die Verstellachse im Wesentlichen parallel zu der Spannweitenrichtung
des eine Anzahl von Abschnitten aufweisenden Flügels ausgerichtet ist. Eine
Verstelleinrichtung zur Verdrehung des verstellbaren Abschnitts
um die Verstellachse herum ist in dem eine Anzahl von Abschnitten
aufweisenden Flügel
und in der Nähe
einer Verbindungs- bzw. Trennstelle zwischen dem nicht verstellbaren
Abschnitt und dem verstellbaren Abschnitt angeordnet.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
eine Darstellung einer beispielhaften Konfiguration einer Windkraftanlagengestaltung
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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2 zeigt
eine Darstellung einer Seitenansicht eines mehrere Abschnitte aufweisenden
Flügels,
der mit der Windkraftanlage nach 1 eingesetzt
werden könnte.
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3 zeigt
eine Darstellung einer Seitenansicht eines mehrere Abschnitte aufweisenden
Flügels
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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In
einigen Konfigurationen und bezugnehmend auf 1 weist
eine Windkraftanlage 100 eine Gondel 102 auf,
in der ein (in 1 nicht veranschaulichter) Generator
untergebracht ist. Die Gondel 102 ist am oberen Ende eines
hohen Turms 104 montiert, von dem in 1 lediglich
ein Teil veranschaulicht ist. Die Windkraftanlage 100 weist
ferner einen Rotor 106 auf, der mehrere Rotorblätter bzw. -flügel 108 enthält, die
an einer umlaufenden Nabe 110 befestigt sind. Obwohl die
in 1 veranschaulichte Windkraftanlage 100 drei
Rotorflügel 108 enthält, gibt
es hinsichtlich der Anzahl von Rotorflügeln 108, die die
vorliegende Erfindung erfordert, keine besonderen Beschränkungen.
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In
der veranschaulichten Konfiguration sind verschiedene Komponenten
der Windkraftanlage 100 in der Gondel 102 oben
auf dem Turm 104 der Windkraftanlage 100 aufgenommen.
Die Höhe
des Turms 104 ist auf der Basis von in der Technik bekannten
Faktoren und Bedingungen ausgewählt.
In einigen Konfigurationen werden ein oder mehrere Mikrocontroller,
die ein Steuer- bzw. Regelsystem aufweisen, zur Überwachung und Steuerung/Regelung des
Gesamtsystems, einschließlich
einer Anstellwinkel- und Drehzahlregulierung, einer hochtourigen Wellen-
und Gierbremsenanwendung, einer Gier- und Pumpenmotoranwendung und
Fehlerüberwachung,
verwendet. In einigen Konfigurationen können alternativ verteilte oder
zentralisierte Steuer/Regelarchitekturen verwendet werden. Die Anstellwinkel
bzw. Neigungen der Flügel 108 können in
einigen Konfigurationen einzeln einstellbar sein, so dass Abschnitte
jedes Flügels 108 konfiguriert
sind, um sich rings um eine jeweilige Verstellachse 112 drehen
zu lassen. Die Verstellachse bzw. Neigungsachse 112 verläuft im Wesentlichen
parallel zu der Spannweitenerstreckung des Flügels 108. Die Nabe 110 und
die Flügel 108 weisen
gemeinsam den Windkraftanlagenrotor 106 auf. Eine Rotation
des Rotors 106 veranlasst einen (in den Figuren nicht veranschaulichten)
Generator, elektrische Leistung zu erzeugen.
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In
einigen Konfigurationen der vorliegenden Erfindung und bezugnehmend
auf 1, 2 und 3 können die
Flügel 108 mehrere
Abschnitte aufweisen, die gesondert voneinander transportiert werden
können,
eine Anzahl von Abschnitten haben, die in einem einzelnen Behälter versandt
oder zur Erleichterung des Transports vor Ort hergestellt werden können, und/oder
aus Unterschieden hinsichtlich der Art und Weise, in der innere
Abschnitte und äußere Abschnitte
hergestellt werden können,
Vorteile ziehen.
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Beispielsweise
weisen einige Konfigurationen von Flügeln 108 zwei Abschnitte,
nämlich
einen ersten hinsichtlich des Anstellwinkels nicht verstellbaren
bzw. nicht neigbaren Abschnitt 202 und einen zweiten verstellbaren
bzw. neigbaren Abschnitt 204, auf. Der erste Abschnitt 202 bleibt
unverstellbar fixiert, im Gegensatz zu dem zweiten Abschnitt 204, der
um die Verstellachse 112 gedreht werden kann. In einigen
Ausführungsformen
weisen der nicht verstellbare Abschnitt 202 und/oder der
verstellbare Abschnitt 204 mehrere Abschnitte oder Flügelplatten bzw.
-elemente auf. Beispielsweise könnte
der verstellbare Abschnitt 204 und/oder der nicht verstellbare
Abschnitt 202 sechs einzelne Abschnitte aufweisen, die
miteinander verbunden werden können,
um einen insgesamt verstellbaren Flügelabschnitt zu bilden. Es
kann eine beliebige Anzahl von Unterabschnitten kombiniert werden,
um einen vollständigen Flügel oder
einen Flügelteilabschnitt
(z. B. den Abschnitt 202 oder den Abschnitt 204)
zu bilden. In einigen Anwendungen kann es von Vorteil sein, die
einzelnen Flügelteilabschnitte
derart zu bemessen, dass der Transport der Flügel 108 erleichtert wird.
Beispielsweise könnte
ein vollständig
zusammengebauter Flügel
eine Länge
von 40 bis 60 Metern aufweisen, wobei dies einen großen und
sperrigen Gegenstand ergibt, der sich schwer transportieren lassen kann.
Wenn der Flügel
in vier Abschnitte aufgeteilt würde,
würde jeder
Abschnitt eine Länge
von etwa 10 bis etwa 15 Metern haben, und diese reduzierte Länge würde die
Verfrachtung und den Transport des Flügels 108 deutlich
erleichtern.
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In
einigen Konfigurationen ist der Flügel 108 in einer ausgewählten Entfernung
(von z. B. etwa 5% bis etwa 40%) von einem Flügelfuß 210 geteilt. In
diesen Konfigurationen weist der nicht neigungsverstellbare Abschnitt 202 eine
Länge von
etwa 5% bis etwa 40% der Länge
eines zusammengebauten Flügels 108 von
dem Flügelfuß 210 aus
auf, während
der neigungsverstellbare Abschnitt 204 die restliche Länge aufweist.
Ein mehr bevorzugter Bereich, in dem der Flügel 108 in einer ausgewählten Entfernung
aufgeteilt werden könnte,
beträgt
etwa 5% bis etwa 30%. In anderen Ausführungsformen könnte der
Flügel 108 bei
etwa der maximalen Sehne geteilt sein. Die maximale Sehne ist an
dem Punkt an dem Flügel
definiert, an dem dieser am weitesten ist, und bezugnehmend auf 2 würde dies
der weiteste Teil in der nordsüdlichen
Richtung der Darstellung sein. Der nichtverstellbare Flügelabschnitt 202 kann
in einigen Konfigurationen an der Nabe 110 in einer fest
verankerten Weise befestigt sein (um sich in Bezug auf diese nicht zu
verdrehen oder zu bewegen), oder er ist mit der Nabe 110 (z.
B. durch Ankleben, Verbolzen, Befestigen an einen Rahmen oder Anbringen
an diese in sonstiger Weise) mechanisch gekoppelt. In anderen Ausführungsformen
könnte
der nicht verstellbare Abschnitt 202 als ein Teil des Bugkonus
oder der Nabe 110 hergestellt oder daran befestigt sein.
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Der
nicht verstellbare Flügelabschnitt 202 kann
an der Nabe 110 befestigt sein und kann an jedem Ende ein
Verstelllager aufweisen. Der Flügel 108 könnte aus
einem beliebigen geeigneten Material, einschließlich, jedoch nicht ausschließlich, Aluminium,
Metalllegierungen, Glasverbundstoffen, Holzschichtstoffen, Kohleverbundstoffen
oder Kohlenstofffaser, gefertigt sein. In einer Ausführungsform könnte ein
Verstelllager an der Grenzstelle zwischen dem nicht verstellbaren
Flügelabschnitt 202 und
dem verstellbaren Flügelabschnitt 204 angeordnet
sein. Diese Stelle des Verstelllagers ist in 2 mit einem Pfeil 215 angezeigt.
Es gibt Vorteile, wenn das Verstelllager von der Nabe 110 entfernt
angeordnet ist. Wenn das Verstelllager radial nach außen entlang des
Flügels 108 bewegt
wird, werden die durch das Verstelllager aufgenommenen Lasten verringert.
Beispielsweise könnte
das Verstelllager in einem Abstand von etwa 30% der Flügelspannweite
radial außen
an dem Flügel 108 angeordnet
sein. Diese Stelle reduziert das durch das Verstelllager abgestützte Gewicht
des Flügelabschnitts,
und die Biegemomente an dem Verstelllager sind ebenfalls reduziert.
An dieser Stelle kann ein kleineres Verstelllager eingesetzt werden,
das geringere Kosten und ein reduziertes Gewicht zur Folge hat.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass aufgrund der Tatsache,
dass eine kleinere Masse angetrieben werden muss, in dem Anstellwinkelverstellsystem
ein kleinerer Verstellmotor verwendet werden könnte. Die kleinere Masse ermöglicht ferner
eine schnellere Reaktionszeit des gesamten Verstellsystems. Eine
schnellere Reaktion ermöglicht den
Flügeln,
schneller verstellt zu werden, um auf sich verändernde Windbedingungen zu
reagieren. Ein weiteres Ergebnis dieser kürzeren Reaktionszeit ist ein
verbesserter Energieeinfang.
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3 veranschaulicht
einen Flügel 108 einer
Windkraftanlage gemäß einer
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung. Ein Anstellwinkelverstelllager 310 verbindet
den nicht nei gungsverstellbaren Flügelabschnitt 202 mit
dem neigungsverstellbaren Flügelabschnitt 204.
Ein Anstellwinkelverstellmotor 320 kann im Wesentlichen
innerhalb des nicht verstellbaren Abschnitts 202 (wie veranschaulicht) oder
im Wesentlichen innerhalb des verstellbaren Abschnitts 204 angeordnet
sein. Der Verstellmotor 320 ist mit dem Verstelllager verbunden
und dient dazu, den Abschnitt 204 um die Neigungs- bzw.
Verstellachse 112 herum zu drehen. Der Flügelabschnitt 202 verändert seine
Neigung nicht und bleibt im Vergleich zu dem drehbaren und neigungsverstellbaren
Flügelabschnitt 204 ortsfest
bzw. unverstellbar. Gewöhnlich können Flügel von
Windkraftanlagen in Schritten (z. B. mit einer Schrittweite von
1 Grad von 0 bis 90 Grad) verstellt oder verdreht werden. Eine Neigung bzw.
Einstellung von 90 Grad könnte
verwendet werden, um den Rotor leerdrehen zu lassen oder anzuhalten.
Wenn die Flügelabschnitte 204 zu
90 Grad verstellt werden, wird der durch den Wind erzielte Auftrieb
auf ein Maß reduziert,
das nicht ausreicht, um den Rotor zu drehen. Dieser Zustand „in Segelstellung" kann, wenn die Windkraftanlage
eine Wartung erfordert, oder während äußerst starker
Windbedingungen verwendet werden.
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3 veranschaulicht
das Verstelllager 310, wie es bei etwa 20% der Flügelspannweite
platziert ist, wobei jedoch das Verstelllager an einer Stelle zwischen
etwa 5% bis etwa 40% der Flügelspannweite angeordnet
sein könnte.
Ein mehr bevorzugter Bereich zur Anordnung des Verstelllagers und
der Grenzstelle zwischen dem nicht verstellbaren Abschnitt 202 und
dem verstellbaren Abschnitt 204 würde bei etwa 5% bis etwa 30%
der Flügelspannweite liegen.
In anderen Ausführungsformen
könnte
das Verstelllager 310 bei der maximalen Sehne (d. h. an der
Stelle, an der die Sehnenabmessung des Flügels 108 ihren größten Wert
aufweist) angeordnet sein.
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In
Zeiträumen
mit sehr hohen Windgeschwindigkeiten (z. B. während Stürmen) werden die Flügel gewöhnlich in
Segelstellung gestellt. Bei früheren
Flügelkonstruktionen
wurde der gesamte Flügel
verstellt, und dies führte
manchmal zu sehr hohen Belastungen, denen der Flügel und die Verstelllager ausgesetzt
worden sind. In der durch die Ausführungsformen gemäß der vorliegenden
Erfindung vorgeschlagenen Weise wird ein reduzierter Flügelbereich
verstellt, während
der verbleibende Flügelteil, der
den nicht verstellbaren Abschnitt 202 aufweist, feststehend
oder unverstellt bleibt. Der unverstellte Flügelabschnitt 202 erfährt geringere
Sturmbelastungen und hilft, Teile des starken Winds um die Gondel 102 herum
zu leiten. Wie durch Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung ermöglicht,
erfährt
der Rotor 106 reduzierte Sturmbelastungen, während die verstellbaren
Flügelabschnitte 204 (die
in Segelstellung geneigt bzw. verstellt sind) aerodynamisch wirkungslos
sind und verhindern, dass sich der Rotor dreht.
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Die
Flügelabschnitte 202 und 204 können unter
Verwendung von Metalllegierungen, Glasverbundstoffen, Holzschichtstoffen,
Kohleverbundstoffen, Kohlenstofffaser und/oder anderen Baumaterialien
hergestellt sein. In einigen Konfigurationen, in denen sie verwendet
werden, wird eine zusätzliche Wirtschaftlichkeit
durch Beschränkung
des Einsatzes von Kohlenstofffaser auf äußere Teile (d. h. diejenigen
Abschnitte, die den Elementen ausgesetzt sind) von Rotorflügeln 108 erreicht,
wo die Kohlenstofffasern eine maximale Reduktion des statischen
Moments pro Pfund ergeben. Diese Begrenzung vermeidet auch komplexe Übergänge zwischen
Kohlenstoff und Glas in Rotorflügeln
und ermöglicht
es, dass einzelne Holmgurtlängen
kürzer
sind, als sie ansonsten erforderlich sein würden. Die Herstellungsqualität kann durch
diese Beschränkung
ebenfalls verbessert werden. Ein weiterer Vorteil von mehrere (hier
wenigstens zwei) Abschnitte aufweisenden Flügeln 108 besteht darin,
dass während
der Entwicklung oder der Lebensdauer eines Rotors 106 unterschiedliche Optionen
verwendet werden können
oder mit diesen experimentiert werden kann.
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Wie
durch Ausführungsformen
gemäß der vorliegenden
Erfindung ermöglicht,
kann die gesamte Nabenkonstruktion vereinfacht werden. Der feststehende
(nicht verstellbare) Flügelabschnitt 202 benötigt kein
Verstelllager, um in der Nabe 110 angeordnet zu sein, so
dass er folglich keine kreisförmige Querschnittsfläche erfordert,
um mit der Nabe 110 verbunden zu sein. Die Fläche des
Flügelabschnitts 202,
die mit der Nabe 110 verbunden ist, kann eine beliebige
gewünschte
Gestalt oder Konfiguration aufweisen. Der Flügelabschnitt 202 könnte auch
als ein integraler oder verschiedener Teil der Nabe 110 ausgebildet
sein. In einer Ausführungsform
können
die Nabe 110 und die langsam laufende Welle (oder Hauptwelle)
der Windkraftanlage 100 als ein einzelnes Teil hergestellt
sein. Dies würde
es ermöglichen, die
typische Schraubverbindung zwischen der langsam laufenden Welle
und der Nabe zu beseitigen. Das Profil des Flügelabschnitts 202 kann
vollständig bis
zu dem Verbindungsflansch der Nabe/Welle verlängert werden. Ein weiterer
Vorteil liegt darin, dass für
den Flügelabschnitt 202 aufgrund
der Tatsache, dass dieser Abschnitt feststehend bleibt und nicht verstellt
wird, ein weiteres bzw. breiteres Flügelprofil berücksichtigt
werden kann. Dieser nicht verstellbare Abschnitt kann eine größere Sehnenabmessung
haben, ohne dass die Gefahr einer störenden Wechselbeeinflussung
oder Berührung
mit anderen Komponenten der Windkraftanlage (z. B. der Gondel 102 oder
dem Turm 104) besteht.
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Während die
Erfindung anhand verschiedener spezieller Ausführungsformen beschrieben worden
ist, wird der Fachmann erkennen, dass die Erfindung innerhalb des
Rahmens und Schutzumfangs der Ansprüche mit Modifikationen ausgeführt werden kann.
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Es
ist ein eine Anzahl von Abschnitten aufweisender Flügel 108 für eine Windkraftanlage
geschaffen, der wenigstens einen nicht neigungsverstellbaren Abschnitt 202 und
wenigstens einen neigungsverstellbaren Abschnitt 204 aufweist.
Der nicht neigungsverstellbare Abschnitt 202 ist konfiguriert, um
an einer Nabe 110 der Windkraftanlage fixiert zu sein.
Der Neigungsverstellbare Abschnitt 204 ist konfiguriert,
um rings um eine Verstellachse 112 verdreht zu werden,
die im Wesentlichen parallel zu der Spannweitenerstreckung des eine
Anzahl von Abschnitten aufweisenden Flügels verläuft. Innerhalb des Flügels und
in der Nähe
der Grenzstelle zwischen dem nicht neigungsverstellbaren Abschnitt 202 und
dem neigungsverstellbaren Abschnitt 204 sind ein Verstelllager 310 und
ein Verstellmotor 320 angeordnet.
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- 100
- Windkraftanlage
- 102
- Gondel
- 104
- Turm
- 106
- Rotor
- 108
- Flügel, Blatt
- 110
- Nabe
- 112
- Verstellachse
- 202
- Nicht
verstellbarer Flügelabschnitt
- 204
- Verstellbarer
Flügelabschnitt
- 210
- Flügelfuß
- 215
- Verstelllagerstelle
- 310
- Verstelllager
- 320
- Verstellmotor