DE102009013665A1

DE102009013665A1 - Rotorblatt für Windkraftanlagen mit vertikaler Achse und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102009013665A1
Application number: DE102009013665A
Authority: DE
Inventors: Frank Dipl.-Ing. Hoferichter; Frank Dipl.-Ing. Stark; Simon Franz
Original assignee: MEBRA GmbH
Current assignee: MEBRA GmbH
Priority date: 2009-03-25
Filing date: 2009-03-25
Publication date: 2010-12-02

Abstract

Rotorblatt für Windkraftanlagen mit vertikaler Achse und Verfahren zu seiner Herstellung, dessen Einzelteile 4, 5, 6 und 7 aus standardisierten Halbfabrikaten 1, 2 und 3, deren Materialqualität den Einzelanforderungen entspricht, maschinell gefertigt und mit Hilfe von Vorrichtungen 10 industriell montiert werden, wobei chemische Prozesse, bei denen toxische Gase entstehen, ausgeschlossen sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Ausbildung von Rotorblättern für Windkraftanlagen und ihr Herstellungsverfahren. Die bekannten Herstellungsverfahren hängen von den gewählten Materialien für die Rotorblätter und von deren konstruktiver Gestaltung ab. Bekannte Herstellungsverfahren sind:

1. Bekannt sind Rotorblätter aus Blech (Aluminium, Titan, Stahl). Bei diesen wird wie bei den Flugzeugtragflügeln aus Spanten, die den Querschnitt des Flügels bzw. Rotorblattes bestimmen und aus Diagonal- und Längsstreben ein Skelett hergestellt, dessen Oberfläche mit Blech, durch Nieten, Schweißen oder Verkleben, verkleidet ist.
2. Weiterhin sind Rotorblätter aus Verbundwerkstoffen bekannt. Bei denen eine Form, die ein Negativ des Rotorblattes darstellt, ein Stützskelett aus Metall aufnimmt, das die Befestigungspunkte des Rotorblattes enthält, mit Kunststoffschaum ausgefüllt ist. Nach Entnehmen des Schaumkernes mit Skelett ist dessen Oberfläche durch Aufkleben von Metallfolie, Formblechen oder Geweben verkleidet.
3. Indem erst die Herstellung der Metallhaut mit dem Skelett erfolgt, dessen Hohlräume ausgeschäumt sind, ist das vorher beschriebene Verbundrotorblatt in einer anderen Reihenfolge hergestellt.
4. Außerdem sind Rotorblätter aus faser- oder gewebeverstärkten Kunststoffen bekannt, bei denen die Außenhaut der Rotorblätter zweiteilig in zwei Formschalen durch Aufbringen des flüssigen erhärtenden Kunststoffes und durch Hineinarbeiten von Fasern, Geweben oder Fäden hergestellt ist. Das ist mehrlagig ausgeführt. Die Schalen sind mit einem Skelett gleichen Materials, das aus Quer- und Längsrippen bzw. Trägern besteht, in denen metallische Befestigungselemente eingearbeitet sind, durch Verkleben verbunden. Die Außenhaut ist geschliffen und mit Harzen geglättet.

Den beschriebenen vier Verfahren haftet der Mangel an, daß sie arbeitsintensiv und handwerklich sehr anspruchsvoll sind und somit hohe Fertigungskosten verursachen.
Das unter 1. beschriebene Verfahren hat außerdem den Nachteil, daß die Bauteile sehr schwer sind, wenn die Stabilität zufriedenstellend ist oder die Stabilität wird unbefriedigend, wenn die Masse wegen der Fliehkräfte minimal gehalten ist.
Die unter 2., 3. und 4. beschriebenen Verfahren bestehen aus Verbundwerkstoffen und Kunststoffen, deren chemische Substanzen durch Sonnenlicht und das Klima die Qualität der Werkstoffe mindern, wodurch auf Grund der notwendigen Überprüfungen der Werkstoffqualität die Betriebskosten sowie das Ausfallrisiko steigen. Die Verfahren zu 2. und 4. sind überdies wegen des erforderlichen Formbaues kostenaufwendig, während beim Verfahren nach 3. die Außenhaut beim Ausschäumen durch eine Form gestützt werden muß und die Qualität des Verschäumens schwierig beherrschbar ist. Außerdem entstehen bei den Verfahren nach 2. bis 4. bei der Rotorblattherstellung Chemikaliendämpfe, die mit Aufwand fachgerecht entsorgt werden müssen. Die nach 4. beschriebene Herstellung von Rotorblättern aus faser- oder gewebeverstärkten Kunststoffen verleiht den Rotorblättern hohe Zugfestigkeit in Längsrichtung, deshalb eignet sich das Verfahren besonders für Windkraftanlagen mit horizontaler Achse. Da Rotorblätter mit vertikaler Achse nicht Zugkräften in Längsachse, sondern Biegebelastungen ausgesetzt sind, ist für diese Bauteile das aufwendige Laminierverfahren nach 4., auch aus Belastungsgründen nicht optimal.
Der Erfindung liegt das Problem zu Grunde, Rotorblätter für vertikale Windkraftanlagen so auszubilden und herzustellen, daß der Arbeitsaufwand und die handwerklichen Fertigkeiten bei der Herstellung gesenkt werden, und daß sie somit in einem automatisierbaren Fertigungsverfahren industriell hergestellt werden. Die Rotorblätter sind so auszubilden, daß sie industriell aus Einzelteilen zu montieren sind, und bei deren Herstellung keine chemischen Prozesse ablaufen, bei denen toxische Gase entstehen, die den Arbeitsschutz belasten. Außerdem sollen die Forderungen nach Wiederaufbereitung bei Ablauf der Lebensdauer und nach Beibehaltung der Qualität während der Lebensdauer der Bauteile erfüllt werden, d. h. die Werkstoffe sollen unempfindlich gegen die Einflüsse der Natur sein (Klima, Licht, Strahlung u. a.). Der Widerstand der Rotorblätter gegen die spezifischen Belastungen, die aus der Bauart der Windkraftanlagen mit vertikaler Achse resultieren, ist auch ein zu lösendes Problem.
Erfindungsgemäß wird das gelöst, indem zu Einem aus standardisierten Verbundplatten, die aus einem Leichtwerkstoff bestehen, der beidseitig mit dichterem Tafelmaterial, vorzugsweise Leichtmetall oder Kunststoff, beschichtet ist und zum Anderen aus standardisierten Platten, die nur aus Leichtwerkstoff bestehen, Profile geschnitten werden, die dem Querschnitt des Rotorblattes entsprechen und mindestens zwei Löcher haben, die das Aufschieben und Aneinanderreihen der Profile auf den der Rotorblattlänge entsprechenden Stangen ermöglicht. Die Stangen aus zugfestem Metall stellen die Seele des Rotorblattes in Längsrichtung dar, an denen das Rotorblatt an den Enden oder dazwischen mit den Streben, die Rotorblatt und Nabe verbinden des Windrades befestigt wird. Die Reihenfolge und Anzahl der aneinandergereihten Profile aus Verbundplatten bzw. aus Leichtwerkstoff wird aus der Belastung festgelegt. Über die Stangen werden die Profile zum Kern des Rotorblattes verspannt. Abschließend wird dieser Kern mit einer Verkleidung aus Leichtmetallblech, aus Kunststoffolie oder aus Geweben (Metall-Kunststoff oder Textilgewebe) versehen. Aus Leichtmetall wird die Verkleidung zweischalig entsprechend der Profilform vorgefertigt und um den Kern gelegt. Die Schalen werden vernietet oder verschweißt oder mit dem Kern verklebt. Kunststoffolien oder Gewebefolien werden in Vorrichtungen, die diese Elemente an die Oberfläche des Kernes pressen, mit diesen verklebt.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel anhand der Figuren näher erläutert. Aus den Verbundplatten 1, dem Leichtwerkstoff 2 und den Blechtafeln 3 mit den Abmessungen Länge L × Breite B × Höhe H werden maschinell die Profile 4 und 5, sowie die Befestigungselemente 6 und Endprofile 7 geschnitten.
Die Profile 4, Befestigungselemente 6 und Endprofile 7 sind in vorgegebener Reihenfolge auf Stange 8 geschoben.
Mittels dem Endprofil 7 und der Spannelemente 9 sind die Profile 4 über die Stangen 8 in Längsrichtung zum Kern des Rotorblattes verspannt. Abschließend ist dieser Kern auf geeigneten Vorrichtungen 10 mit der Außenhaut 11, die aus Blechschalen 12 oder aus Folien oder Gewebe 13 besteht, zu überziehen.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Rotorblattes für Windkraftanlagen mit vertikaler Achse und seines Herstellungsverfahrens liegen darin, daß das Rotorblatt so konzipiert ist, daß alle Einzelteile maschinell in großen Stückzahlen aus standardisierten Halbfabrikaten zugeschnitten sind. Aus den Einzelteilen ist das Rotorblatt, durch Vorrichtungen unterstützt, zusammengesetzt, in Längsrichtung verspannt und mit einer Außenhaut überzogen. Das industrielle Herstellungsverfahren ist weder arbeitszeitintensiv, noch erfordert es spezielle handwerkliche Fertigkeiten zum Erreichen der Qualität. Die Qualität der ausgewählten Materialarten entspricht den jeweils vorhandene Anforderungen (z. B. UV-Strahlungsfestigkeit oder Seewetterbeständigkeit).
Langsam laufende chemische Prozesse wie, Aushärtung von Mehrkomponentenstoffen, bei denen toxische Gase entstehen, treten, beim erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren des erfindungsgemäßen Rotorblattes für Windkraftanlagen mit vertikaler Achse, nicht auf.
Durch die beanspruchungsgerechte Gestaltung, des durch die Fliehkräfte auf Biegung belasteten Rotorblattes, ist seine Masse vergleichsweise, mit nach bekannten Verfahren hergestellten Rotorblättern, sehr gering. Durch die Bauart ist nach Ablauf der Lebenszeit die Trennung aller Materialien möglich.

Claims

Rotorblatt für Windkraftanlagen mit vertikaler Achse und Verfahren zu seiner Herstellung, dadurch gekennzeichnet, daß alle Einzelteile aus standardisierten Halbfabrikaten, deren Materialqualität den Einsatzanforderungen entspricht, maschinell in großen Stückzahlen zugeschnitten, bearbeitet und mit Hilfe von Vorrichtungen industriell montiert sind, wobei langsam ablaufende chemische Prozesse, bei denen toxische Gase entstehen, ausgeschlossen sind.
Rotorblatt für Windkraftanlagen mit vertikaler Achse und Verfahren zu seiner Herstellung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Profile 4 aus Verbundwerkstoff, die Profile 5 aus Leichtwerkstoff, die Befestigungselemente 6 und die Endprofile 7 aus Blech, so auf mindesten zwei Stangen 8 angeordnet sind, daß sie in Längsrichtung mittels Spannelement 9 verspannt sind zu einem Block, der den Kern des Rotorblattes bildet.
Rotorblatt für Windkraftanlage mit vertikaler Drehachse und Verfahren zu seiner Herstellung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern des Rotorblattes in der Vorrichtung 10 mit einer Außenhaut 11 überzogen wird, die aus Blechschalen 12 oder aus Folie bzw. Geweben 13 besteht.