DE102010032676A1

DE102010032676A1 - Optimierung von Windkraftanlagen mittels Luftausblasung / -absaugung an den Flügeln

Info

Publication number: DE102010032676A1
Application number: DE102010032676A
Authority: DE
Inventors: Raimund Vedder; Karl Georg Stapf; Philipp Adomeit
Original assignee: FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2010-07-28
Filing date: 2010-07-28
Publication date: 2012-02-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage (43, 48, 57, 66) aufweisend mindestens ein Rotorblatt (6, 12, 26, 34, 46, 52, 67), eine das Rotorblatt tragende Rotornabe, wobei die Rotornabe (45, 51) über eine Antriebswelle mittelbar oder unmittelbar mit einem Generator verbunden ist und wobei am Rotorblatt (6, 12, 26, 34, 46, 52, 67) zumindest eine Öffnung (8, 11, 25, 31, 33) vorhanden ist und die Öffnung (8, 11, 25, 31, 33) mit einem Unterdruck und/oder Überdruck beaufschlagbar ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Beeinflussung einer Strömung in einer Grenzschicht eines Rotorblatts (6, 12, 26, 34, 46, 52, 67) einer Windkraftanlage (43, 48, 57, 66) sowie eine Windkraftanlage (43, 48, 57, 66).

Description

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage aufweisend mindestens ein Rotorblatt, eine das Rotorblatt tragende Rotornabe, wobei die Rotornabe über eine Antriebswelle mittelbar oder unmittelbar mit einem Generator verbunden ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Beeinflussung einer Strömung in einer Grenzschicht eines Rotorblatts einer Windkraftanlage sowie eine Windkraftanlage.
Windkraftanlagen wandeln die kinetische Energie des Windes in elektrische Energie um, die dann in das Stromnetz eingespeist wird. Dabei wird die Bewegungsenergie der Windströmung mittels der Rotorblätter in eine Rotornabe eingeleitet, durch deren Drehbewegung mittelbar oder unmittelbar ein Generator betrieben wird. Der Wirkungsgrad von Windkraftanlagen und ihr akustisches Verhalten werden dabei maßgeblich von der Umströmung der Flügel beeinflusst. Um den Wirkungsgrad der Windkraftanlage zu optimieren, sind verschiedene Mechanismen in die Windkraftanlage integriert. So sind moderne Windkraftanlagen mit einer Windrichtungsnachführung ausgestattet, die die Rotorblätter tragende Rotornabe steht optimal zur Windrichtung ausrichtet. Darüber hinaus ist es bekannt, die Rotorblätter in ihrer Ausrichtung, d. h. in ihrem Anstellwinkel zur anströmenden Luft auszurichten. Die Ausrichtung erfolgt hierbei über zumeist in der Rotornabe angeordnete Blattverstellmechanismen. Als Anstellwinkel wird hierbei der Winkel zwischen der Richtung der anströmenden Luft und einer Profilsehne des Rotorblatts bezeichnet. Zur Optimierung des Wirkungsgrads der Windkraftanlage werden die Rotorblätter im Idealfall abhängig von einer Windgeschwindigkeit und/oder einer Rotationsgeschwindigkeit der Rotorblätter so angestellt, dass eine Grenzschichtströmung auf einer Unterseite des Rotorblatts gerade nicht abreißt. Im Idealfall liegt eine laminare Grenzschichtströmung am Rotorblatt der Windkraftanlage vor. Ein Windprofil über einem Boden der Windkraftanlage und/oder Luftwirbel und/oder physikalische Zustände der Luft sorgen dafür, dass die Anströmbedingungen des Rotorblatts nicht nur lokal, sondern auch zeitlich stark variieren. Insbesondere das Windprofil und/oder die Luftwirbel können entlang des Windraddurchmessers bzw. entlang der von den Rotorblättern überdeckten Fläche variieren.
Nachteilig ist hierbei, dass der Anstellwinkel der Rotorwinkel der Rotorblätter nicht so schnell geändert werden kann, wie sich die Anströmbedingungen auf das Rotorblatt ändern. Entweder geht Potential bei der Energieausbeute verloren oder zeitlich und lokal begrenzte Strömungsablösungen führen zu Effizienzverlusten.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Windkraftanlage bereit zu stellen, die zusätzlich zu dem zur Zeit üblichen trägen Nachführen des Anstellwinkel eines Rotorblatts wesentlich schneller auf Änderungen in der Anströmung reagieren kann. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Windkraftanlage bereitzustellen, mit der Einfluss auf das Strömungsverhalten in einer Grenzschicht eines Rotorblatts einer Windkraftanlage genommen werden kann.
Diese Aufgabe wird in Bezug auf die Windkraftanlage durch den Patentanspruch 1 und in Bezug auf das Verfahren gemäß dem Patentanspruch 20 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen. Die einzelnen Merkmale in den Ansprüchen sind jedoch nicht auf diese beschränkt, sondern können mit anderen Merkmalen aus der nachfolgenden Beschreibung wie auch aus den Unteransprüchen zu weiteren Ausgestaltungen verbunden werden.
Eine Windkraftanlage, die die gestellte Aufgabe löst, ist eine Windkraftanlage aufweisend mindestens ein Rotorblatt, eine das Rotorblatt tragende Rotornabe, wobei die Rotornabe über eine Antriebswelle mittelbar oder unmittelbar mit einem Generator verbunden ist, wobei am Rotorblatt zumindest eine Öffnung vorhanden ist und die Öffnung mit einem Unterdruck und/oder Überdruck beaufschlagbar ist. Durch die Ausbildung zumindest einer Öffnung in einem Rotorblatt einer Windkraftanlage ist die Möglichkeit geschaffen, Einfluss auf das Strömungsprofil bzw. das Strömungsverhalten in einer Grenzschicht des Rotorblatts zu nehmen. Kommt es zum Beispiel durch Luftwirbel zu Änderungen in der Anströmung der auf das Rotorblatt anströmenden Luft, so können Turbulenzen in der Grenzschicht des Rotorblatts auftreten, die zu einer Minimierung der Leistung der durch das Rotorblatt erzeugten Energie führen. In Abhängigkeit der sich verändernden Anströmung der Luft auf das Rotorblatt ist nun die Möglichkeit geschaffen, Einfluss auf das Strömungsverhalten der Luft am Rotorblatt oder vielmehr auf eine Grenzschicht an der Rotorblattoberfläche zu nehmen. Je nachdem ob eine Turbulenz in der Grenzschicht am Rotorblatt durch eine Steigerung der Geschwindigkeit oder durch eine Reduzierung der Geschwindigkeit der das Rotorblatt umströmenden Luft erzeugt wird, ist es möglich mittels einer Zuführung oder eines Einsaugens von Fluid, vorzugsweise Luft, Einfluss auf die Strömung am Rotorblatt zu nehmen.
Aber nicht nur physikalische Änderungen der auf das Rotorblatt zuströmenden Luft können zum Abriss der laminaren Strömung am Rotorblatt führen, sondern auch unterschiedliche Winkelgeschwindigkeiten am Rotorblatt können eine optimale Strömung, vorzugsweise eine laminare Strömung am Rotorblatt beeinflussen. Üblicherweise weisen Rotorblätter an Windkraftanlagen ein aerodynamisches Profil auf, das einen Druckunterschied, der aus einem Geschwindigkeitsunterschied zwischen Saug- und Druckseite des Rotorblatts herrührt, einen Auftrieb erzeugt. Dieser Auftrieb wird in ein Drehmoment und in eine Drehzahl zum Antrieb des Generators umgesetzt. Die Bahngeschwindigkeit des Rotorblatts nimmt ausgehend von einer Rotornabe bis zu einem radial äußeren Ende des Rotorblatts kontinuierlich zu. Hieraus resultiert auch ein unterschiedliches Strömungsverhalten der Luft am Rotorblatt. Durch eine Windrichtungsnachführung und einen Blattverstellmechanismus kann das Rotorblatt zwar zum Wind hin optimal ausgerichtet werden, eine Beeinflussung einer Grenzschichtströmung am Rotorblatt durch die anströmende Luft bzw. den Wind ist aber nur bedingt, zum Beispiel durch eine Profilierung des Rotorblatts möglich. Durch die Einbringung zumindest einer Öffnung in das Rotorblatt und einer gezielten Beeinflussung durch austretende oder eingesaugte Luft kann der Einfluss der unterschiedlichen Bahngeschwindigkeiten des Rotorblatts eliminiert und/oder zumindest reduziert und/oder beeinflusst werden, so dass bevorzugt eine laminare Strömung am Rotorblatt einstellbar ist und ein Optimum an kinetischer Energie des Windes in Rotationsenergie umwandelbar ist.
Bevorzugt ist das Rotorblatt ein Rotorblatt eines Dreiblatt-Rotors, es kann aber auch ein Ein-, Zwei- oder Vierblatt-Rotor sein. Grundsätzlich ist die Erfindung nicht auf eine Anzahl von Rotorblättern beschränkt, sondern eignet sich für alle umströmten Profile, die bevorzugt nach dem Auftriebsprinzip arbeiten. Insbesondere wenn ein Rotorblatt in einer Windkraftanlage integriert ist, die mit einem Turm versehen ist, durchläuft das Rotorblatt einen sich vor dem Turm aufbauenden Luftstau, so dass das Rotorblatt für einen Moment deutlich weniger Energie aufnimmt. Der sich vor dem Turm aufbauende Luftstau beeinflusst die Strömung am Rotor. Durch ein gezieltes Austreten lassen oder Einsaugen eines Fluidstroms ist es möglich, auch diese Beeinträchtigung der Anströmung des Rotorblatts und deren Einfluss auf die Energiegewinnung durch das Rotorblatt zu optimieren. Dabei ist Begriff Rotorblatt nicht beschränkend auszulegen, vielmehr sind darunter Rotorblätter mit horizontaler wie auch vertikaler Rotationsachse zu verstehen. Der Darrieus-Rotor ist eine Windkraftanlage mit vertikaler Rotationsachse. Dabei sind die Rotorblätter am oberen und unteren Ende einer Achse befestigt und ragen bogenförmig nach außen.
Vorteilhaft kann es dabei sein, dass jede Öffnung mit einem Unterdruck und/oder Überdruck beaufschlagbar ist. Durch ein gezieltes Anlegen eines Unterdrucks und einem Wechsel von Unterdruck zu Überdruck an einer Öffnung kann den unterschiedlichen Anforderungen an die anströmende Luft gerecht werden. So ist es beispielsweise möglich, dass ein Rotorblatt in einem ersten Rotationswinkel einer Anströmung durch die Luft bzw. den Wind einer Strömung ausgesetzt ist, die es erforderlich macht, dass die Öffnung mit einem Überdruck beaufschlagt wird, um eine laminare Strömung zu erzielen und in einem zweiten Rotationswinkel diese Öffnung einer Anströmung durch den Wind ausgesetzt ist, die zur Erzielung einer laminaren Strömung ein Absaugen in der Grenzschicht des Rotorblatts erfordert. So kann eine Öffnung wahlweise und abwechselnd je nach Erfordernis mit einem Unterdruck oder Überdruck beaufschlagt werden, um das Turbulenzverhalten zu beeinflussen und/oder zu minimieren und/oder zu eliminieren.
In einer Ausgestaltungsvariante der Erfindung sind eine Vielzahl von Öffnungen, insbesondere Bohrungen, an jedem Rotorblatt vorhanden. Eine Vielzahl von Öffnungen in jedem Rotorblatt ermöglicht es, das Rotorblatt je nach Länge und/oder Form und/oder Standort und/oder Aufbau der Windkraftanlage mit einer Vielzahl von Öffnungen in unterschiedlichen Bereichen des Rotorblatts auszustatten, um eine individuelle Anpassung an die Umgebungsbedingungen und/oder den Aufbau der Windkraftanlage zu ermöglichen. So sind Rotorblätter, die in Offshore-Windkraftanlagen eingesetzt werden, anderen Strömungsverhältnissen ausgesetzt als Windkraftanlagen, die im Inland zum Einsatz kommen. Je nach Wind- und/oder Witterungseinflüssen kann es dabei vorteilhaft sein, mehr oder weniger Öffnungen in das Rotorblatt einzubringen. Dabei spielt auch die geometrische Ausgestaltung, insbesondere das aerodynamische Profil des Rotorblatts eine Rolle, das je nach Profilierung eine mehr oder weniger große Anzahl von Öffnungen im Rotorblatt erforderlich macht, um eine laminare Strömung am Rotorblatt zu erzielen.
Vorteilhaft kann es in einer Ausgestaltungsvariante der Erfindung sein, wenn die Öffnungen einen unterschiedlichen Öffnungsquerschnitt, zum Beispiel einen unterschiedlichen Bohrungsdurchmesser aufweisen. Eine Beeinflussung der Grenzschicht des Rotorblatts, das heißt der Bereich der Oberfläche des Rotorblatts, in dem die Wandreibung nicht vernachlässigbar ist, kann einerseits durch eine mehr oder weniger hohe Anzahl von Öffnungen im Profil des Rotorblatts erzielt werden, es kann aber auch die Öffnung selbst in ihrer Querschnittsfläche variiert werden. Erfordert beispielsweise eine Geometrie des Profils des Rotorblatts einen hohen Volumenstrom eines Fluids, der zu- oder abgeführt wird, so kann ein großer Öffnungsquerschnitt der Öffnung vorteilhaft sein. Auch kann es notwendig sein, einen großen Unterdruck an der Oberfläche des Rotorblatts zu erzeugen, so dass durch eine ausreichende Zahl geeigneter großer Öffnungen ein notwendiger Unterdruck in der Grenzfläche realisierbar ist. Eine Bohrung bietet hierbei eine kostengünstige Möglichkeit zur Einbringung einer Öffnung in das Rotorblatt.
Einerseits bietet die Auswahl der Anzahl der Öffnungen eine Möglichkeit, Einfluss auf das Strömungsverhalten am Rotorblatt zu nehmen und andererseits kann durch eine Variierung des Öffnungsquerschnitts der Öffnungen ein Zu- oder Abführen eines Fluids variiert werden. Darüber hinaus kann es in einer alternativen Ausführungsform der Erfindung vorteilhaft sein, wenn die Öffnungen schlitzförmig und/oder oval und/oder rund und/oder quadratisch und/oder rechteckig ausgebildet sind. Eine derart ausgebildete, geometrische Form bietet den Vorteil, dass diese leicht herzustellen und reproduzierbar in das Rotorblatt einzubringen sind. Diese bietet eine weitere Möglichkeit, Einfluss auf den Fluidstrom zu nehmen, der dem Rotorblatt zugeführt oder vom Rotorblatt abgesaugt wird. Vorteilhaft ist es hierbei, wenn das Rotorblatt hohl ausgeführt ist. Eine hohle Ausführung des Rotorblatts bietet zum Beispiel die Möglichkeit, dass die Öffnungen leicht mit einer Unterdruckquelle oder einer Überdruckquelle verbindbar sind. Insbesondere kann auch das hohle Rotorblatt selbst eine Unterdruckquelle oder eine Überdruckquelle darstellen.
Eine weitere Ausgestaltungsform ergibt sich dann, wenn an jedem Rotorblatt und/oder einer Rotornabe mindestens ein Sensor zur Erfassung einer physikalischen Zustandsgröße der Strömung in einer Grenzschicht an der Oberfläche des Rotorblatts angeordnet ist. Eine unmittelbare Erfassung der physikalischen Zustandsgröße der Strömung am Rotorblatt und/oder an der Rotornabe ermöglicht es, die Strömungsverhältnisse unmittelbar am Ort des Geschehens zu erfassen, so dass auf eine umfangreiche und/oder experimentelle Bestimmung reduziert oder eine numerische und/oder mathematische Bestimmung gestützt und/oder verbessert werden kann. Rotorblatt und Rotornabe bilden in üblichen Windkraftanlagen eine Antriebseinheit für einen mittelbar und/oder unmittelbar angetriebenen Generator. So kann das Rotorblatt verstellbar an der Rotornabe befestigt sein, wobei die Rotornabe an einer Gondel drehbar aufgenommen ist. Die Gondel zur Aufnahme der Rotornabe kann wiederum drehbeweglich auf einem Turm befestigt sein. Wird nun ein Sensor unmittelbar zum Beispiel am Rotorblatt derart befestigt, dass eine physikalische Zustandsgröße, die beispielsweise ein Druck sein kann, erfassbar ist, so kann unmittelbar auf eine Zustandsänderung in der Grenzschicht der Strömung des Rotorblatts geschlossen und geeignete Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Vorteilhaft ist es dabei, dass eine Vielzahl von Sensoren auf dem Rotorblatt verteilt angeordnet sind, so dass je nach bereichsweiser Umströmung des Rotorblatts auch bereichsweise Messwerte zur Verfügung stehen, um eine Strömungsverteilung, das heißt ein Vorliegen eines Strömungsprofils entlang einer radialen Erstreckung des Rotorblatts, mit anderen Worten entlang der Längsachse des Rotorblatts ein Strömungsprofil ermittelbar ist.
In einer weiteren Ausgestaltungsvariante können die Öffnungen und/oder Sensoren regelmäßig und/oder unregelmäßig über das Rotorblatt verteilt angeordnet sein. Durch eine regelmäßige Anordnung von Öffnungen und/oder Sensoren entlang einer Längsachse eines Rotorblatts einer Windkraftanlage besteht die Möglichkeit, eine lineare Messwerterfassung über das Rotorprofil in Längsachse zu erfassen. Je nach Länge des Rotorblatts, d. h. je nach radialer Erstreckung des an der Rotornabe befestigten Rotorblatts ist es dabei möglich, eine bereichsweise Erfassung von unterschiedlichen Strömungszuständen in den Grenzschichten des Rotorblatts zu erfassen. So kann es einerseits aufgrund von Positionen und/oder unterschiedlichen Anströmverhältnissen auf das Rotorblatt zu einer Ausbildung unterschiedlicher Strömungen am Rotorblatt kommen. Insbesondere bei sehr großen Windkraftanlagen kann es dabei vorkommen, dass in einem oder einigen Bereichen des Rotorblatts eine laminare Grenzschichtströmung vorliegt, wohingegen in einem oder einigen anderen Bereichen des Rotorblatts bereits Turbulenzen in der Grenzschichtströmung auf der Rotorblattoberfläche vorliegen. Durch eine regelmäßige und/oder unregelmäßige Anordnung von Öffnungen und/oder Sensoren ist es möglich, diese unterschiedlichen Strömungsverhältnisse am Rotorblatt zu erfassen.
Einerseits unterschiedliche Anströmverhältnisse und andererseits geometrische Abmessung bzw. Profilierungen des Rotorblatts können es dabei erforderlich machen, dass Bereiche mit unregelmäßiger Anordnung von Öffnungen und/oder Sensoren und Bereiche mit regelmäßigen Anordnungen von Öffnungen und/oder Sensoren an dem Rotorblatt vorliegen. Eine Anordnung der Öffnungen und/oder Sensoren kann abhängig von einem Standort, einem Einsatzfall und/oder den klimatischen Bedingungen variieren. Auch kann der Einsatz der verwendeten Sensoren variieren, wobei bevorzugt Drucksensoren eingesetzt werden. So kann es aber ebenfalls sinnvoll sein, unterschiedliche Sensoren zur Erfassung unterschiedlicher physikalischer Zustandsgrößen der das Rotorblatt anströmenden Luft zu erfassen. Als physikalische Zustandsgrößen werden hierbei vorzugsweise solche Zustandsgrößen bezeichnet, die einen Einfluss auf das Strömungsverhalten der Luft entlang des Rotorblattes haben. So können beispielsweise Temperatur- und/oder Dichteunterschiede das Strömungsverhalten der Luft, wie auch die Luftfeuchtigkeit das Strömungsverhalten der Luft beeinflussen. Je nach Standort, Einsatzgebiet und/oder Aufbau der Windkraftanlage und insbesondere des Rotorblatts können dabei unterschiedliche Anzahlen von Sensoren wie auch unterschiedliche Sensoren verwendet werden.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Öffnungen entlang der Rotationsrichtung des Rotorblatts vorderen und die Sensoren an der in Rotationsrichtung hinteren Rotorblattfläche angeordnet, so dass mittels der Sensoren eine Zustandsgröße für eine Strömung am Rotorblatt erfassbar ist. Die Strömungsgeschwindigkeit entlang der Rotorblattoberfläche ergibt sich aus der Windgeschwindigkeit und der Rotationsgeschwindigkeit des Rotorblatts um die Rotornabe. Je nach Regelungskonzept der Windkraftanlage sind die Rotorblätter unterschiedlich in der Windrichtung und Windgeschwindigkeit zum anströmenden Wind ausgerichtet. Unterschieden wird hierbei zum Beispiel nach einer Stall-Regelung und einer Pitch-Regelung. Bei der Pitch-Regelung werden die Rotorblätter an die Windgeschwindigkeit durch Verstellen des Anstellwinkels angepasst. Durch die Drehung des Rotorblatts wird hierbei die Auftriebskraft verändert, so dass Einfluss auf die Rotationsgeschwindigkeit genommen werden kann.
Bildet das Rotorblatt in seiner Querschnittsform, wobei die Querschnittsform einen Schnitt durch das Rotorblatt in Rotationsrichtung beschreibt, eine Tropfenform, d. h. einen verdickten vorderen Bereich, der sich verjüngend spitz zuläuft, so wird bei einer Pitch-Regelung der breitere vordere Bereich des Rotorblatts dem anströmenden Wind zugewandt. Mit anderen Worten trifft der Wind auf die breitere Seite der Rotorfläche und strömt entlang des sich verjüngenden spitz auslaufenden Profils des Rotorblatts. Bei der Pitch-Regelung erfolgt eine Regelung der Drehzahl des Rotors der Windkraftanlage in Abhängigkeit des Anstellwinkels des Rotorblatts zum anströmenden Wind. Zu beachten ist hierbei, dass bei der Pitch-Regelung der dickere oder breitere Bereich der Querschnittsfläche des Rotorblatts den Wind entgegengerichtet ist und die sich verjüngende spitz zulaufende Seite des Rotorblatts der Wind abgewandten Seite hin ausgerichtet ist. Auch wenn die Erfindung anhand der Pitch-Regelung näher erläutert wird, so ist diese doch nicht auf die Pitch-Regelung beschränkt, sondern auch für zum Beispiel eine Stall-Regelung einsetzbar. Bei der Stall-Regelung ist beispielsweise der sich verjüngende Bereich des Rotorblatts dem anströmenden Wind zugerichtet. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann bei einer Pitch-Regelung eine Öffnung im vorderen, verdickten Bereich des Rotorblatts angeordnet sein und die Sensoren zur Erfassung einer laminaren oder turbulenten Strömung am hinteren, sich verjüngenden Bereich des Rotorblatts angeordnet sein. Ist das Rotorblatt mittels der Windrichtungsnachführung und des Blattverstellmechanismusses derart zum Wind ausgerichtet, dass eine laminare Strömung entlang der Grenzfläche bzw. Oberfläche des Rotorblatts vorliegt, so strömt die Luft bei einer Pitch-Regelung von der verdickten bzw. breiteren Querschnittsfläche des Rotorblatts entlang des Rotorblatts zum schmaleren, sich verjüngenden und spitz auslaufenden Endbereich des Rotorblatts.
Durch das auch als Flügelprofil bezeichenbare Profil der Querschnittsfläche des Rotorblatts wird hierbei einseitig ein Unterdruck und auf der anderen Seite ein Überdruck erzielt. Diese Druckdifferenz erzeugt einen Auftrieb, so dass die derart beschriebenen Rotorblätter auch als Auftriebsläufer bezeichenbar sind. Zur Erzielung eines kontinuierlichen und effektiven Auftriebs ist eine laminare Strömung entlang des Rotorblattprofils notwendig. Wird nun an der der Windseite zugewandten vorderen Oberfläche, die bei einem Auftriebsläufer gleichzeitig die Unterdruckseite definiert, eine Öffnung eingebracht, so ist eine Strömung entlang der Unterdruckseite des Rotorblatts beeinflussbar. Werden gleichzeitig Sensoren zur Erfassung einer Laminarität der Strömung bzw. zur Erfassung von Turbulenzen in der Strömung im hinteren Bereich des Rotorblatts angeordnet, so kann eine unmittelbare Beeinflussung der Strömung entlang des Rotorblatts erzielt werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann es vorteilhaft sein, wenn die Öffnungen auf der Unterdruckseite der Rotorblätter angeordnet sind und mittels einer steuerbaren Verbindungsleitung mit einer Überdruckseite und/oder einer Unterdruckseite verbunden sind. Wird beispielsweise wiederum die Windkraftanlage mit Pitch-Regelung betrieben, so dass das verdickte Profil dem anströmenden Wind entgegen gerichtet ist, und sind im vorderen, dem Wind zugerichteten Bereich des Rotorblatts Öffnungen vorgesehen, so liegen die Öffnungen bei einem Auftriebsläufer auf der Unterdruckseite. Auf der der Unterdruckseite entgegen gesetzten Oberfläche des Rotorblatts liegt ein Überdruck vor. Dabei kann es vorteilhaft sein und eine spezielle Ausführungsform der Erfindung darstellen, wenn mittels einer Verbindungsleitung die Öffnung auf der Unterdruckseite des Rotorblatts mit einer Öffnung in der Überdruckseite des Rotorblatts verbunden ist. Wird in die Verbindungsleitung ein Ventil und/oder eine steuerbare Drossel eingebaut, so kann aufgrund der Druckdifferenz ein Ausströmen von Fluid insbesondere Luft durch Betätigen eines Ventils bzw. des eingesetzten Steuerelements in Richtung der Unterdruckseite geleitet werden. Die Verbindungsleitung kann beispielsweise ein Luftschlauch sein.
Vorstellbar ist es auch, eine Druckdifferenz alleine auf der Unterdruckseite zur Erzeugung einer Zuführung bzw. eines Absaugens eines Fluidstroms zu verwenden. Wird beispielsweise in die Unterdruckseite eines Auftriebsläufers in einem vorderen Bereich, d. h. die dem anströmenden Wind zugeordneten Seite eine Öffnung in das Rotorblatt eingebracht und die Öffnung mittels einer Verbindungsleitung mit einem hinteren, d. h. dem anströmenden Wind abgewandten Seite verbunden, so ist über die Druckdifferenz auf der Oberfläche des Rotorblattprofils eine Zuführung bzw. ein Absaugen der das Oberflächenprofil des Rotorblatts umströmenden Luft im vorderen Bereich des Rotorblatts möglich. Liegt beispielsweise eine Druckdifferenz zwischen dem vorderen Bereich des Rotorblatts und dem hinteren Bereich des Rotorblatts vor, und ist der Druck im hinteren Bereich des Rotorblatts niedriger als im vorderen Bereich des Rotorblatts, so ist mittels einer Verbindungsleitung zwischen der vorderen Öffnung und der hinteren Öffnung ein Absaugen der Luft von der Vorderkante des Rotorblatts möglich. Beispielhaft kann die Verbindungsleitung ein Luftschlauch mit einem steuerbaren bzw. regelbaren Ventil sein. Selbstverständlich kann eine Kombination aus Verbindungsleitung zur Überdruckseite und zur Unterdruckseite mit einer Öffnung in einem vorderen Bereich eines Rotorblatts eine Ausführungsform sein. Auch ist es möglich, Verbindungsleitungen zwischen Unterdruckseite und Überdruckseite bzw. Unterdruckseite und Unterdruckseite Rotorblätter zu integrieren, die mit einer Stall-Regelung ausgestattet sind.
Eine weitere Ausführungsform ergibt sich dann, wenn jede Öffnung separat ansteuerbar ist und/oder Gruppen von Öffnungen oder alle Öffnungen gemeinsam mittels zumindest eines Steuerelementes, insbesondere eines Ventils und/oder einer steuerbaren Drossel ansteuerbar sind. Durch die Möglichkeit, jede Öffnung separat anzusteuern, ist es möglich, auf die unterschiedlichen Anströmbedingungen auf das Rotorblatt Einfluss zu nehmen. So unterscheiden sich die Strömungsverhältnisse am rotierenden Rotorblatt allein schon aufgrund der unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten am Rotorblatt zwischen Rotornabe und radial äußerem Ende des Rotorblatts. Unabhängig von der Winkelgeschwindigkeit des Rotorblatts können auch unterschiedliche Strömungsverhältnisse im Rotationsbereich der Rotorblätter vorliegen. So kommt es insbesondere in einem Bereich vor dem Turm zu einem Luftstau, der wiederum Einfluss auf die Anströmung und folglich ebenfalls auf die Umströmung des Rotorblattes hat. Durch eine individuelle Steuerung und/oder Regelung eines Fluidstroms durch die Öffnungen im Rotorblatt kann unmittelbar und sehr schnell auf unterschiedliche Anströmbedingungen auf das Rotorblatt reagiert werden. Dabei können auch Gruppen von Öffnungen, die sich beispielsweise über einen radialen Bereich des Rotorblatts erstrecken, gemeinsam angesteuert werden. Eine Steuerung und/oder Regelung kann auch in der Weise vorgenommen werden, dass sämtliche Öffnungen mittels eines Steuerelements ansteuerbar sind, so dass einerseits eine kostengünstige Realisierung der Beaufschlagung der Öffnungen mit einem Fluidstrom realisierbar ist und andererseits ebenfalls eine bereichsweise Ansteuerung, beispielsweise über einen bestimmbaren Rotationswinkel, der Öffnungen ermöglicht wird.
Vorteilhaft kann es ebenfalls sein, wenn der Unterdruck und/oder Überdruck mittels einer Pumpe und/oder einer Unterdruck- und/oder einer Überdruckquelle und/oder mittels eines Druckgefälles am Rotorblatt erzeugbar ist. Durch die Integration einer Unterdruck- bzw. Überdruckquelle und/oder einer Pumpe ist die Möglichkeit geschaffen, stets einen ausreichenden Druck für einen Fluidstrom am Rotorblatt bereitstellen zu können. Wird beispielsweise eine Pumpe in die Gondel einer Windkraftanlage installiert, so ist es vorstellbar, einen Druck und/oder Unterdruck über Drehdurchführungen, zum Beispiel in der Rotornabe, einen Fluidstrom am Rotorblatt zu erzeugen. In einer Ausgestaltungsvariante kann lediglich eine einzige Unterdruck- bzw. Überdruckquelle benötigt werden. Eine zentrale Anordnung einer Pumpe und/oder einer Unterdruck- bzw. Überdruckquelle stellt somit eine kostengünstige Lösung zur Erzeugung eines Fluidstroms am Rotorblatt dar. Darüber hinaus ist es ebenfalls vorstellbar, die Pumpe und/oder die Unterdruck- und/oder Überdruckquelle dezentral, zum Beispiel in jedem Rotorblatt anzuordnen. Bei einer Ausbildung des Rotorblatts als Hohlkörper, besteht dabei die Möglichkeit, die benötigten Druckunterschiede zur Beeinflussung der Strömung am Rotorblatt individuell und direkt im Rotorblatt zu erzeugen. Eine Drehdurchführung durch die Rotorlage könnte somit entfallen und die Verbindungsleitungen zu den Öffnungen könnten geringst möglich ausfallen. Dabei kann es vorteilhaft sein, die Pumpe und/oder die Unterdruck- und/oder Überdruckquelle elektrisch zu betreiben, was wiederum vorteilhaft ist, da einerseits elektrische Energie in der Windkraftanlage erzeugt wird und zur Verfügung steht. Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn die Pumpe und/oder Unterdruck- bzw. Überdruckquelle unmittelbar oder mittelbar mittels der Rotorblätter betrieben ist. Ein unmittelbares oder mittelbares Antreiben bietet den Vorteil, dass vorhandene mechanische Einrichtungen zum Betrieb einsetzbar sind.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Unterdruck- und/oder Überdruckquelle in der Rotornabe und/oder in einer Rotornabe zugeordneten Gondel und/oder in einem die Gondel aufnehmenden Turm angeordnet sein. Ein Druckreservoir in Form einer Unterdruck- und/oder einer Überdruckquelle in vorhandene Anlagenkomponenten zu integrieren, bietet den Vorteil, dass keine zusätzlichen Komponenten montiert oder an der Windkraftanlage befestigt werden müssen, die dann wiederum Kosten verursachen und möglicherweise das Strömungsverhalten der Windkraftanlage negativ beeinflussen können. Insbesondere die Gondel oder der Turm bieten ausreichend Platz um entsprechende Druckreservoirs zu installieren.
In einer weiteren Ausführungsform kann sich dann ein Vorteil ergeben, wenn die Überdruckquelle der Staudruckseite und/oder die Unterdruckquelle an der der Staudruckseite abgewandten Seite angeordnet ist, wobei insbesondere die Überdruckquelle in der Rotornabe und/oder im Turm und die Unterdruckquelle in der Gondel und/oder dem Turm angeordnet ist. Als ein Staudruck kann eine Erhöhung des Drucks an einem umströmten Körper gegenüber dem statischen Druck des Fluids bezeichnet werden. So ergibt sich bei einer Windkraftanlage ein Staudruck beispielsweise im Bereich des Turms. Als Staudruckseite kann hierbei die Seite des Turms angesehen werden, die vom Wind angeströmt wird. Der Staudruck erzeugt eine Erhöhung des Drucks gegenüber dem statischen Druck des Fluids, im Beispiel der Windkraftanlage der Luft. Diese Druckerhöhung kann beispielsweise im Bereich der Rotornabe und/oder des Turms genutzt werden, um ein Überdruckreservoir, das auch als Überdruckquelle bezeichenbar ist, zu füllen. Dies bietet den Vorteil, dass der vorhandene Druckunterschied in der anströmenden Luft nutzbar gemacht wird, wodurch wiederum beispielsweise auf zusätzliche Pumpen verzichtet oder diese geringer dimensioniert werden müssen.
Auf der der Staudruckseite abgewandten Seite der Windkraftanlage, insbesondere des Turms, liegt ein Unterdruck vor, der beispielsweise zur Erzeugung eines Unterdruckreservoirs für die Beaufschlagung des Rotorblatts benutzt werden kann. Vorteilhaft kann es hierbei sein, ein entsprechendes Unterdruckreservoir im Bereich der Gondel und/oder dem Turm anzuordnen. Bei stark wechselnden Windrichtungen kann es vorteilhaft sein, das Unterdruckreservoir in der Gondel anzuordnen, da die Gondel üblicherweise mit einem Richtungsverstellmechanismus ausgestattet ist. Bei im Wesentlichen gleich bleibenden Anströmrichtungen des Windes kann es entsprechend vorteilhaft sein, wenn die der Staudruckseite entgegen gesetzte Seite des Turms zur Erzeugung eines Unterdruckreservoirs genutzt wird.
An jedem Rotorblatt kann zumindest ein Sensor angebracht sein, so dass eine unmittelbare Erfassung von zum Beispiel dem das Rotorblatt umströmenden Wind erfassbar ist. In einer alternativen Ausführungsform kann am Rotorblatt und/oder an der Rotornabe zumindest ein Aktor angeordnet sein, so dass zumindest eine physikalische Zustandsgröße eines die Rotorblätter anströmenden Windes erfassbar ist. Neben den Sensoren kann es somit zusätzliche Aktoren geben, die weitere physikalische Zustandsgrößen des Windes erfassen. So kann beispielsweise ein Aktor eine Dichte, eine Temperatur und/oder eine Geschwindigkeit erfassen, so dass weitere physikalische Zustandsgrößen zur Optimierung des Strömungsverhaltens entlang des Rotorblatts der Windkraftanlage zur Verfügung stehen. Als Aktuatoren werden dabei technische Einrichtungen verstanden, die eine Eingangsgröße in eine andersartige Ausgangsgröße umwandeln, um eine gewünschte Aktion oder einen Effekt hervorzurufen. Aktoren können beispielsweise Sensoren sein, die auch nicht auf die oben genannten physikalischen Zustandsgrößen beschränkt sind, sondern jedwede physikalische Zustandsgröße erfassen können, die zur Bestimmung einer Strömung entlang des Rotorblatts und/oder für weitere Berechnungen einsetzbar sind. Beispielsweise kann ebenfalls eine Luftfeuchtigkeit mittels der Aktoren erfassbar sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Aktor an einem radial äußeren Ende des Rotorblatts angeordnet. Das radial äußere Ende des Rotorblatts ist der Bereich des Rotorblatts, an dem die größten Winkelgeschwindigkeiten des rotierenden Rotors vorliegen. Insbesondere die Erfassung von Extremwerten können zur Bestimmung von Strömungsverhältnissen am Rotorblatt nützlich sein. Der Einsatz der Aktoren ist dabei nicht auf eine Anzahl begrenzt, sondern orientiert sich am Anlagenaufbau und der Größe der Windkraftanlage, so dass es zweckmäßig sein kann, eine Vielzahl von Aktoren zur Erfassung physikalischer Zustandsgrößen, zum Beispiel am Turm, der Gondel, der Rotornabe und/oder dem Rotorblatt anzuordnen.
In einer weiteren Ausführungsvariante ist der mindestens eine Sensor und/oder mindestens einem Aktor und/oder das mindestens eine Steuermittel mittels einer Steuer- und/oder Regeleinheit verbunden, so dass eine Beaufschlagung der Öffnung im Rotorblatt mit einem Unterdruck und/oder Überdruck steuer- oder regelbar ist. Durch ein Zusammenführen der Messwerte bzw. physikalischen Zustandsgrößen der Sensoren, Aktoren und/oder Steuermittel in einer Steuer- und/oder Regeleinheit ist eine sehr genaue Erfassung der Strömungsverhältnisse am Rotorblatt ermittelbar, so dass ebenfalls eine sehr genaue Beaufschlagung der Öffnungen mit einem Fluidstrom zur Erzielung einer laminaren Strömung ermöglicht wird. Durch die Vielzahl von erfassten Messwerten kann eine individuelle und/oder bereichsweise und/oder vollständige Regelung oder Steuerung der Öffnungen erfolgen, die auch kurzzeitige Veränderungen im Anströmverhalten des Windes ermöglicht. Gelangt beispielsweise das Rotorblatt in den Windschatten bzw. in den Staudruckbereich des Turms, so kann auch eine kurzzeitige Beaufschlagung der Öffnungen mit einem Fluidstrom ein Abreißen der laminaren Strömung am Rotorblatt verhindern oder zumindest einschränken. Auch auf unterschiedliche Windverhältnisse bzw. Verwirbelungen in unterschiedlichen Rotationswinkelbereichen des Rotorblatts kann eingegangen werden. Wird beispielsweise mittels der Sensoren, Aktoren und/oder zusätzlichen Meßeinrichtungen ein unterschiedliches Windprofil in unterschiedlichen Bereichen des Rotationsbereichs des Rotorblatts erfasst, so ist eine kurzfristige Steuerung und/oder Regelung in Bezug auf die unterschiedlichen Anströmbedingungen möglich. Eine Beaufschlagung der Öffnung in dem Rotorblatt mit einem Unterdruck und/oder Überdruck in Abhängigkeit des Rotationswinkels des Rotorblatts ist somit steuer- und/oder regelbar, so dass stets eine laminare Strömung in der Grenzschicht der Oberfläche des Rotorblatts einstellbar ist. Je nach Anströmverhalten des Windes und der erfassten zusätzlichen physikalischen Zustandsgrößen kann eine individuelle, in Gruppen oder über den gesamten Flügel bzw. das Rotorblatt Steuerung oder Regelung des Fluidstroms erfolgen.
In verfahrenstechnischer Hinsicht wird die Aufgabe dahingehend gelöst, dass ein Verfahren zur Beeinflussung einer Strömung in einer Grenzschicht des Rotorblatts einer Windkraftanlage zur Verfügung gestellt wird, bei dem mittels mindestens eines Sensors zumindest eine physikalische Zustandsgröße der Strömung erfasst und mittels einer Zuführung oder Absaugung eines Fluidstroms durch mindestens eine Öffnung in einer Oberfläche des Rotors eine laminare Strömung eingestellt wird. Mittels des Verfahrens ist es möglich, eine Strömung in einer Grenzschicht des Rotorblatts unmittelbar zu erfassen und ebenfalls unmittelbar auf Strömungsänderungen zu reagieren. Entgegen den bekannten Verfahren, bei denen zum Beispiel das Rotorblatt in Abhängigkeit der Windenergie eingestellt wird, zeigt das Verfahren eine Möglichkeit auf, um unmittelbar auf Unterschiede im Anströmverhalten des Windes auf das Rotorblatt zu reagieren. Somit kann auch auf kurzfristige Änderungen im Anströmverhalten auf das Rotorblatt reagiert werden. Auf das eher träge Einstellen des Anstellwinkels des Rotorblatts auf zum Beispiel eine Änderung in der Windgeschwindigkeit kann mittels des Verfahrens unmittelbar eine Ablösung der Strömung vom Rotorblatt verhindert werden. Wird beispielsweise bei einer Windgeschwindigkeitsänderung ein turbulentes Verhalten an der Oberfläche des Rotorblatts mittels der Sensoren detektiert, so ist es möglich, eine beginnende Turbulenz an der Oberfläche mittels geeigneter Fluidstromführung durch die Öffnungen entgegenzuwirken. Es ist somit ein Verfahren bereitgestellt, das unmittelbar auf geänderte Zustandsgrößen im Wind reagieren kann. Als Sensor kann beispielsweise ein Sensor zur Erfassung des Drucks in der das Rotorblatt umströmenden Luft eingesetzt werden.
Wird mittels der Öffnung ein Fluidstrom der Unterdruckseite des Rotorblatts zugeführt oder abgesaugt, so kann eine laminare Strömung erzielt werden. Insbesondere aber nicht ausschließlich bei Windkraftanlagen mit Rotorblättern, die als Auftriebsläufer ausgebildet sind, ist eine laminare Strömung an der Unterdruckseite vorteilhaft. Turbulenzen minimieren den Wirkungsgrad und somit die Energieausbeute, die das Rotorblatt leisten kann. Je nach Windgeschwindigkeit, Anströmwinkel, Luftwirbeln, Luftdichte, etc. kann es zur Erzielung laminarer Strömung vorteilhaft sein, auf die Unterdruckseite des Rotorblatts Luft zuzuführen oder durch die Öffnungen Luft abzusaugen. Ziel ist es bei dem Verfahren stets eine optimale, das heißt laminare Strömung entlang des Rotorblatts einzustellen oder zu erhalten.
Alternativ ist es möglich, dass der Fluidstrom kontinuierlich und/oder pulsierend zugeführt oder abgesaugt wird. Ein kontinuierlicher Fluidstrom ermöglicht es hierbei, über längere Zeiträume Turbulenzen entgegen zu wirken. Darüber hinaus kann es zweckmäßig sein, wenn der Fluidstrom pulsierend zugeführt oder abgesaugt wird. Eine Regelung bzw.
Steuerung in Bezug auf einen pulsierenden und/oder kontinuierlichen Fluidstrom ermöglicht dabei eine individuelle Anpassung an das Anströmverhalten der Luft, wie auch das Einflussnehmen auf die Grenzschicht am Rotorblatt. Vorteilhaft kann es darüber hinaus sein, wenn die Frequenz oder Pulsation des Fluidstroms mittels einer Steuerungs- und/oder Regelungseinheit geregelt oder gesteuert wird. Es ist somit eine gezielte Steuerung und/oder Regelung der Grenzschichtbeeinflussung durch steuerbare und/oder regelbare Öffnungen im Rotorblatt der Windkraftanlage möglich.
Eine Verbesserung des Verfahrens kann sich dadurch ergeben, dass der Fluidstrom durch eine Vielzahl von Öffnungen im Rotorblatt eingebracht wird, wobei die Öffnungen individuell und/oder in Gruppen oder insgesamt mit dem Fluidstrom beaufschlagt werden durch eine individuelle Beaufschlagung der Öffnungen mit einem Fluidstrom ist eine sehr genaue Regelung und insbesondere eine Anpassung auf unterschiedliche Anströmbedingungen am Rotorblatt einstellbar. Beispielsweise kann es vorteilhaft sein, bei sehr großen Windanlagen, bei denen allein aufgrund der radialen Erstreckung des Rotorblatts unterschiedliche Anströmbedingungen vorliegen können, die Umströmung des Rotorblatts individuell anzupassen. Vorstellbar ist es dabei auch, eine Vielzahl von Öffnungen zu einer Gruppe zusammenzufassen und diese Gruppen gemeinsam mit einem Fluidstrom zu beaufschlagen. Dies kann beispielsweise dann vorteilhaft sein, wenn geometrisch gleiche Bereiche oder zumindest geometrisch ähnliche Bereiche am Rotorblatt vorliegen und/oder die Abmessungen des Rotorblatts unterschiedliche Anströmbedingungen nicht erwarten lassen.
In einer weiteren Ausführungsform wird mittels zumindest eines am Rotorblatt und/oder an einer Rotornabe angeordneten Aktors zumindest eine physikalische Zustandsgröße eines die Rotorblätter anströmenden Windes erfasst. Die Erfassung einer physikalischen Zustandsgröße wie beispielsweise Temperatur, Windgeschwindigkeit, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck, Dichte der Luft, etc., bildet einen weiteren Vorteil des Verfahrens, da durch die Erfassung einer oder mehrerer physikalischer Zustandsgrößen eine Steuerung und/oder Regelung und/oder mathematische Erfassung notwendiger Größen zur Steuerung und/oder Regelung durch die Öffnung ermöglicht wird. Wird der Aktor am Rotorblatt und/oder an der Rotornabe angebracht, so dass ein möglichst objektiver Wert mittels des Aktors in Bezug auf den anströmenden Wind erfassbar ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ergibt sich dann ein Vorteil für das Verfahren, wenn zur Steuerung oder Regelung des Fluidstroms durch die Öffnung eine Zustandsgröße des Sensors und/oder des Aktors und/oder eines Rotationswinkels und/oder eines Anstellwinkels und/oder weiterer erfasster Zustandsgrößen, insbesondere mittels eines Anemometers erfasster Zustandsgrößen, des Rotorblatts verwendet wird. Die Möglichkeit, eine Vielzahl von Messwerten und Zustandsgrößen zu erfassen und verfahrensgemäß zur Steuerung und/oder Regelung des Fluidstroms zu verwenden, bietet den Vorteil, dass eine sehr genaue Steuerung und/oder Regelung der Strömung entlang des Rotorblatts vorgenommen werden kann. Vorzugsweise wird für die auf dem Rotorblatt eingesetzten Sensoren ein Sensor verwendet, der ein Drucksignal ermittelt. Wird mittels des Sensors ein Druckabfall in der Grenzschicht des Rotorblatts erfasst, so kann durch die Öffnung ein Fluidstrom zugeführt werden, so dass bereits zu Beginn einer Turbulenz am Rotorblatt Gegenmaßnahmen einleitbar sind und eine laminare Strömung am Rotorblatt beibehalten werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Fluidstrom mittels Steuerung oder Regelung einer Verbindungsleitung zwischen der Öffnung in der Unterdruckseite und einer Öffnung in einer Überdruckseite des Rotorblatts erzeugt.
Wird eine Druckdifferenz, die am Rotorblatt vorliegt, zur Fluidstromerzeugung verwendet, so ist es möglich, dass beispielsweise lediglich mittels eines Ventils eine kostengünstige und leicht zu realisierende Fluidstromgenerierung erzielbar ist. Insbesondere bei Windkraftanlagen, die mit Rotorblättern in Form von Auftriebsläufern ausgestattet sind, kann die an den unterschiedlichen Rotorblattseiten vorliegende Druckdifferenz zur Fluidstromgenerierung verwendet werden. Wird hierbei der Druckunterschied zwischen Unterdruckseite und Überdruckseite am Auftriebsläufer zur Flutstromgenerierung verwendet, so ist es ebenfalls möglich und kann eine Ausführungsform der Erfindung darstellen, wenn der Fluidstrom mittels Steuerung oder Regelung einer Verbindungsleitung zwischen der Öffnung der Unterdruckseite und einer weiteren Öffnung in der Unterdruckseite des Rotorblatts erzeugt wird. Je nach Anstellwinkel und geometrischem Profil des Rotorblatts und vorliegenden aerodynamischen Zuständen liegen an der Unterdruckseite des Rotorblatts unterschiedliche Drücke vor. Ist beispielsweise eine erste Öffnung an der Anströmseite des Rotorblatts vorgesehen und eine weitere zweite Öffnung in einem der Anströmseite entgegen liegenden Ende des Rotorblatts eingebracht, so kann die Druckdifferenz zwischen erster Öffnung und zweiter Öffnung zur Fluidstromgenerierung verwendet werden.
Eine Windkraftanlage, die die gestellte Aufgabe löst, ist eine Windkraftanlage aufweisend zumindest zwei Rotorblätter nach einem der Ansprüche 1 bis 20 und betrieben nach dem, Verfahren gemäß einem der Ansprüche 21 bis 31. Eine mit einer Steuerung und/oder Regelung versehene Windkraftanlage, in der Rotorblätteröffnungen vorhanden sind, die mit einem Fluidstrom beaufschlagt werden können, kann in stets optimaler Weise eine laminare Strömung am Rotorblatt erzielen und somit eine kontinuierliche und hohe Energiegewinnung über die Rotorblätter generieren.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen werden anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Aus den Figuren gehen jeweils einzelne Merkmale und Ausgestaltungen hervor, die jedoch nicht auf die jeweilige Figur beschränkt sind. Vielmehr können ein oder mehrere Merkmale aus ein oder mehreren verschiedenen Figuren wie auch aus der obigen Beschreibung und/oder der zugehörigen Figurenbeschreibung zu weiteren, nicht weiter ausgeführten Ausgestaltungen verknüpft werden. Es zeigen:
1 ein Rotorblattprofil in einer Schnittdarstellung mit turbulenter Strömung, ein Rotorblattprofil im Querschnitt mit Öffnungen und mit einer laminaren Umströmung des Rotorblatts und eine Detailansicht des Rotorblatts mit Öffnung,
2 drei unterschiedliche Ausführungsformen von Rotorblättern mit Verbindungsleitungen zur Erzielung eines Fluidstroms in einer Öffnung des Rotorblatts,
3 Beispiele von Anordnungen und Sensoren auf einem Rotorblatt einer Windkraftanlage,
4 weitere Beispiele von Anordnungen von Öffnungen und Sensoren und Aktoren auf einem Rotorblatt einer Windkraftanlage,
5 alternative Möglichkeiten der Beaufschlagung der Öffnungen in einem Rotorblatt einer Windkraftanlage mit einem Fluidstrom,
6 eine Vorderansicht auf zwei Windkraftanlagen mit Darstellungen von Anordnungen einer Pumpe und/oder eines Druckreservoirs,
7 zwei unterschiedliche Ausführungsformen von Windkraftanlagen mit prinzipiellen Darstellungen von Überdruckquellen,
8 Seitenansichten auf zwei Windkraftanlagen mit beispielhafter Darstellung von Lagen einer Unterdruckquelle,
9 eine Vorderansicht auf eine Windkraftanlage mit prinzipieller Darstellung einer Regelung zur Erzeugung eines Fluidstroms am Rotorblatt und
10 eine prinzipielle Darstellung eines Regelkreises zur Regelung eines Fluidstroms an einem Rotorblatt einer Windkraftanlage.
In der oberen Abbildung der 1 ist ein Rotorblatt 1 einer Windkraftanlage im Schnitt dargestellt. Der Schnitt zeigt das Rotorblatt mit einem verdickten vorderen Profil, das sich nach hinten verjüngt und spitz zuläuft. Das Rotorblattprofil ist auch als Flügelprofil bezeichenbar. Linien 2 verdeutlichen eine Anströmung des Rotorblatts 1, zum Beispiel mittels eines Windes. Die Strömungsgeschwindigkeit wird hierbei unter anderem durch eine Rotationsgeschwindigkeit des Rotorblatts 1 in Richtung des Pfeils P1 sowie der Windgeschwindigkeit aus Richtung des Pfeils P2 beeinflusst. Aus der Rotationsgeschwindigkeit und der Windgeschwindigkeit ergibt sich eine resultierende Anströmgeschwindigkeit P3 auf das Rotorblatt 1. Wie deutlich zu erkennen, verläuft die Strömung 2 entlang des Rotorblatts lediglich im vorderen Bereich 3 des Rotorblatts 1 laminar. Im hinteren Bereich 4 des Rotorblatts 1 reist die Strömung 2 ab und wird turbulent. Die turbulente Strömung 5 ist durch den willkürlichen Verlauf der Linien 2 im Endbereich 4 des Rotorblatts 1 angedeutet.
Die mittlere Abbildung in der 1 zeigt ebenfalls einen Querschnitt durch ein Rotorblatt 6, das ebenfalls ein Flügelprofil aufweist. Im vorderen Bereich 7 des Rotorblatts 6 sind in regelmäßigen Abständen eine Vielzahl von Öffnungen 8 in das Rotorblatt 6 eingebracht. Die Linien 9 verdeutlichen eine laminare Strömung in einer Grenzschicht entlang des Rotorblatts 6. Turbulenzen sind hierbei nicht zu erkennen. Eine mit einem gestrichelten Kreis angedeutete Detailansicht des Rotorblatts 6 zeigt eine Öffnung 8, eine Strömungslinie 9 im vorderen Bereich 7 des Rotorblatts 6. Zur Erzeugung einer laminaren Strömung wird ein Fluidstrom 10 durch die Öffnung 8 dem Rotorblatt 6 zugeführt.
Die 2 zeigt drei alternative Ausführungsformen einer Zuleitung eines Fluidstroms zu einer Öffnung 11 in einem als Hohlprofil ausgebildeten Rotorblatt 12. In der 2a ist eine Zuleitung 13 dargestellt, die beispielsweise mit einer Pumpe und/oder einer Unterdruckquelle und/oder Überdruckquelle verbunden ist. Der Fluidstrom wird mittels des Ventils 14 gesteuert und/oder geregelt. In der 2b ist eine Verbindungsleitung 15 in einem Inneren des Hohlprofils 12 dargestellt, die die Öffnung 11 mit einer Öffnung 16 auf einem rückseitigen Ende des Rotorblatts 12 verbindet. Mittels eines Ventils 17 kann die Verbindungsleitung 15 einen Fluidstrom zur oder von der Öffnung 11 weg erzeugen. Die in der 2b dargestellte Oberseite 18 des Rotorblatts 12 kann beispielsweise mit einem Unterdruck beaufschlagt sein, und die der Oberseite entgegen gerichtete Unterseite 19 kann mit einem Überdruck beaufschlagt sein. Wird nun das Ventil 17 geöffnet, so wird ein Fluidstrom generiert, der Luft der Oberseite 18 des Rotorblatts 12 zuführt. Ebenso kann eine Druckdifferenz zwischen einem vorderen Bereich 20 und einem hinteren Bereich 21 des Rotorblatts 12 zur Erzielung eines Fluidstroms an der Öffnung 11 verwendet werden, wie in der 2c dargestellt. Liegt wiederum an der Oberseite 18 des Rotorblatts 12 ein Unterdruck vor, so ergibt sich je nach Anströmung des Windes auf das Rotorblatt 12 eine Druckdifferenz zwischen der Öffnung 11 und der Öffnung 22, so dass die Druckdifferenz zur Erzeugung eines Fluidstroms an der Öffnung 11 verwendet werden kann. Gesteuert wird die Verbindungsleitung 23 mit einem Ventil 24. Das Ventil 24 stellt dabei lediglich eine Ausführungsform eines Stellelementes dar, das lediglich dazu geeignet sein muss, die Verbindungsleitung zu öffnen und zu schließen.
In der 3 und der 4 sind unterschiedliche Anordnungen und Ausbildungen von Öffnungen 25 in einem Rotorblatt 26 dargestellt. Neben den Öffnungen 25 sind die Anordnung der Sensoren 27 auf dem Rotorblatt 26 beispielhaft als Dreiecke dargestellt. Ein weiterer Sensor und/oder Aktor 28 kann an einem radial äußeren Ende des Rotorblatts 26 angeordnet sein. Die gestrichelt dargestellte Linie 30 zeigt einen möglichen Verlauf eines Strömungsabrisses entlang einer Längsachse des Rotorblatts 26. Die Ausführungsformen gemäß der 3 und 4 zeigen eine regelmäßige Anordnung von Öffnungen 25, 31 und Sensoren 27. Hierbei sind die Öffnungen zum Teil linear hintereinander, das heißt in Reihe angeordnet oder versetzt zueinander angeordnet. Die Öffnungen 25, 31 sind als Bohrungen 25 und als schlitzförmige Öffnungen 31 ausgebildet. Hierbei können die schlitzförmigen Öffnungen 31, wie dargestellt in der 3, versetzt angeordnet sein oder, wie in der 4 dargestellt, schräg oder in Dreiecksform in dem Rotorblatt 26 angeordnet sein. Wird das Rotorblatt aus Richtung des Pfeils P4 angeströmt, und erfolgt ein Strömungsabriss entlang der Linie 30, so erfassen die Sensoren 27 eine beginnende oder vorliegende Turbulenz und es können geeignete Gegenmaßnahmen wie beispielsweise ein Zuführen oder Absaugen von Luft durch die Öffnungen 25, 31 vorgenommen werden, um eine laminare Strömung am Rotorblatt 26 zu erzielen. Wie mit den gestrichelten Linien 32 angedeutet, können die Öffnungen 25 in Gruppen zusammengefasst werden, um eine bereichsweise Ansteuerung der Öffnungen 25 im Rotorblatt 26 zu erzielen. Beispielhaft umfasst die mit den Linien 32 begrenzte Gruppe sechs Öffnungen 25 und sechs Sensoren 27.
Eine bereichsweise oder individuelle Ansteuerung oder Beaufschlagung von Öffnungen 33 ist in der 5 beispielhaft dargestellt. Das Rotorblatt 34 weist eine Vielzahl von in regelmäßigen Abständen in das Rotorblatt 34 eingebrachte Öffnungen 33 auf. Über eine Zuleitung 35 ist in dem unteren Bild der 5 eine Pumpe und/oder ein Druckreservoir 36 mit den Öffnungen 33 verbunden. Über ein Ventil 37 ist ein Zuführen oder Absaugen eines Fluidstroms durch die Öffnungen 33 steuer- oder regelbar. Die Öffnungen 33 sind in der unteren Abbildung der 5 in einer Gruppe zusammengefasst und gemeinsam mit einem Fluidstrom beaufschlagbar. Die mittlere Abbildung zeigt eine Aufführungsform, bei der jede Öffnung 33 mit einem Ventil 38 ansteuerbar ist. Die Zuleitungen 39 sind wiederum mit einer Pumpe und/oder einem Druckreservoir verbunden. Auf dem Rotorblatt 34 befindet sich ein Sensor 40 zur Erfassung der Turbulenz am Rotorblatt 34. Die obere Abbildung in der 5 zeigt hingegen eine der Anzahl der Öffnungen 33 entsprechende Anzahl von Sensoren 41, die unmittelbar in Strömungsrichtung P5 hinter den Öffnungen 33 angeordnet sind. Es ist somit möglich, lokal und individuell entstehende Turbulenzen zu erfassen und diese auch individuell mittels eines Fluidstroms zu beeinflussen.
Die Lage einer Pumpe und/oder Unterdruck- bzw. Überdruckquelle ist in der 6 prinzipiell dargestellt. Gezeigt wird eine Windkraftanlage 43 in einer Vorderansicht mit einem Turm 24, einer Rotornabe 45 und den an der Rotornabe 45 befestigten Rotorblättern 46. Eine Pumpe und/oder ein Druckreservoir können beispielsweise in der Rotornabe 45 und/oder in den Rotorblättern 46 angeordnet sein. Beispielhaft sind Bereiche 47 in den Rotorblätter 46 gekennzeichnet, die zur Aufnahme der Pumpe und/oder des Druckreservoirs geeignet sind. Wird beispielsweise eine Pumpe unmittelbar in der Rotornabe 45 angeordnet, so ist es möglich, die Pumpe mittelbar oder unmittelbar durch die Rotationsbewegung der Rotornabe 45 anzutreiben.
In der 7 ist eine Windkraftanlage 48 in einer Seitenansicht dargestellt. Auf dem Turm 49 ist eine Gondel 50 mit einer Windrichtungsnachführung drehbar befestigt. An der Gondel 50 ist die Rotornabe 51 montiert, die wiederum die Rotorblätter 52 trägt. Mit den Pfeilen P6 wird die Anströmrichtung des Windes auf die Windkraftanlage 48 symbolisiert. Auf der dem Wind 53 zugewandten Seite der Windkraftanlage 48 wird ein Staudruck erzeugt, der beispielsweise zur Füllung eines Überdruckreservoirs 54, 55 nutzbar ist. Beispielhaft sind die Lagen der Überdruckreservoirs 54, 55 im Bereich der Rotornabe 51 und im Turm 49 dargestellt. Die Staudruckseite 56 befindet sich auf der dem Wind 53 zugewandten Seite der Windkraftanlage 48.
In der 8 ist ebenfalls eine Windkraftanlage 57 in einer Seitenansicht dargestellt. Der Wind 58 wird wiederum mittels Pfeilen 58 symbolisiert. Aus der Anströmung des Windes auf die Windkraftanlagen 57 ergibt sich die Staudruckseite 59, an der ein durch den Staudruck erzeugter Überdruck vorliegt. Auf der der Staudruckseite 59 entgegen gelegenen Seite 60 der Windkraftanlage 57 liegt ein Unterdruck vor. Durch ein gezieltes Anlegen eines Unterdruckreservoirs 61, 62 oder zumindest einer Zuleitung zum Unterdruckreservoir 61, 62 kann der sich an der der Staudruckseite entgegen gesetzten Seite 60 bildende Unterdruck zur Erzielung eines Unterdruckreservoirs 61, 62 bzw. einer Unterdruckquelle genutzt werden. Beispielhaft ist eine Unterdruckquelle 61 in die Gondel 63 und eine Unterdruckquelle 62 in den Turm 64 eingezeichnet.
Die 9 zeigt beispielhaft einen Regler 65 und das Zusammenwirken mit einer Windkraftanlage 66. Auf dem Rotorblatt 67 ist ein Aktor 68 angeordnet, der den Massenstrom an einer in Rotationsrichtung R gesehenen vorderen Kante des Rotationsblatts 67 erfasst. Zusätzlich wird mittels eines Sensors 69 ein Strömungsprofil am hinteren Ende des Rotorblatts 67 erfasst. Mit dem Sensor 69 ist ein Strömungsabriss, das heißt ein Übergang zwischen laminarer und turbulenter Strömung erfassbar. Eine Linie 70 eines Strömungsabrisses ist beispielhaft in das Rotorblatt 67 eingezeichnet. Zusätzlich kann mittels eines Sensors 71 die Lage zwischen Turm 72 und Rotorblatt 67 erfasst werden. Sämtliche Messwerte werden in der Regeleinheit 65 zusammengefasst und dienen zur Regelung eines Fluidstroms in einer Öffnung an der Vorderkante des Rotorblatts 67.
Die 10 zeigt den Regler 65 als Regeleinheit für eine Energiegewinnung der Windkraftanlage. Die Windgeschwindigkeit U₀ in der Nähe der Rotornabe und die Turbulenz Tl bzw. die Schwankungen des Windes fließen beide als Funktion der Zeit t und der Position bzw. des Rotorwinkels α um die Rotornabe in den Regelkreis ein. Der Rotorwinkel α um die Rotornabe beschreibt somit einen Winkel von 0° bis 360°. Der Druck P_Sensor beschreibt den Druck, der auf der Rotorblattoberfläche gemessen wird, der Winkel α_Flügel meint den Winkel, der den Anstellwinkel, das heißt die Ausrichtung zur anströmenden Luft und mpkt_Aktor die Messgröße des am Rotorblatt montierten Aktors.

Claims

Windkraftanlage (43, 48, 57, 66) aufweisend mindestens ein Rotorblatt (6, 12, 26, 34, 46, 52, 67), eine das Rotorblatt tragende Rotornabe, wobei die Rotornabe (45, 51) über eine Antriebswelle mittelbar oder unmittelbar mit einem Generator verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass am Rotorblatt (6, 12, 26, 34, 46, 52, 67) zumindest eine Öffnung (8, 11, 25, 31, 33) vorhanden ist und die Öffnung (8, 11, 25, 31, 33) mit einem Unterdruck und/oder Überdruck beaufschlagbar ist.
Windkraftanlage (43, 48, 57, 66) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (8, 11, 25, 31, 33), insbesondere die Bohrung, einen unterschiedlichen Öffnungsquerschnitt aufweist.
Windkraftanlage (43, 48, 57, 66) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Rotorblatt (6, 12, 26, 34, 46, 52, 67) mindestens ein Sensor (27, 40, 41) zur Erfassung einer physikalischen Zustandsgröße, vorzugsweise eines Drucks, einer Strömung in einer Grenzschicht an der Oberfläche des Rotorblatts (6, 12, 26, 34, 46, 52, 67) angeordnet ist.
Windkraftanlage (43, 48, 57, 66) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (8, 11, 25, 31, 33) entlang einer in Rotationsrichtung (R) des Rotationsblatts vorderen und der Sensor (27, 40, 41) an einer in Rotationsrichtung (R) hinteren Rotorblattfläche (21) angeordnet ist, so dass mittels des Sensors (27, 40, 41) eine die Strömung in einer Grenzschicht des Rotorblatts beschreibende Zustandsgröße erfassbar ist.
Windkraftanlage (43, 48, 57, 66) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (8, 11, 25, 31, 33) und/oder der Sensor (27, 40, 41) auf einer Unterdruckseite des Rotorblattes (6, 12, 26, 34, 46, 52, 67) angeordnet ist.
Windkraftanlage (43, 48, 57, 66) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (8, 11, 25, 31, 33) auf einer Unterdruckseite (18) des Rotorblattes (6, 12, 26, 34, 46, 52, 67) angeordnet ist und mittels einer steuerbaren Verbindungsleitung (15) mit einer Überdruckseite (19) und/oder der Unterdruckseite (18) verbunden ist.
Windkraftanlage (43, 48, 57, 66) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Öffnungen (8, 11, 25, 31, 33), insbesondere Bohrungen, und/oder Sensoren an dem Rotorblatt (6, 12, 26, 34, 46, 52, 67) vorhanden sind.
Windkraftanlage (43, 48, 57, 66) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Öffnung (8, 11, 25, 31, 33) separat ansteuerbar ist und/oder Gruppen (32) von Öffnungen (8, 11, 25, 31, 33) gemeinsam mittels zumindest eines Steuerelementes (14, 17, 24, 37, 38), insbesondere eines Ventils und/oder einer steuerbaren Drossel, ansteuerbar sind.
Windkraftanlage (43, 48, 57, 66) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterdruck mittels einer Pumpe (36) und/oder einer Unterdruck- (61, 62) und/oder Überdruckquelle (54, 55) und/oder mittels eines Druckgefälles am Rotorblatt (6, 12, 26, 34, 46, 52, 67) und/oder der Überdruck mittels einer Pumpe (36) und/oder einer Unterdruck- (61, 62) und/oder Überdruckquelle (54, 55) erzeugbar ist.
Windkraftanlage (43, 48, 57, 66) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Unterdruck- (61, 62) und/oder eine Überdruckquelle (54, 55) in der Rotornabe (45, 51) und/oder in einer der Rotornabe (45, 51) zugeordneten Gondel (50) und/oder in einem die Gondel (50) aufnehmenden Turm (44, 49, 64, 72) angeordnet ist. 11 Windkraftanlage (43, 48, 57, 66) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Überdruckquelle (54, 55) an einer Staudruckseite (56, 59) und/oder eine Unterdruckquelle (61, 62) an einer der Staudruckseite (56, 59) abgewandten Seite (60) angeordnet ist, wobei insbesondere eine Überdruckquelle (54, 55) in der Rotornabe (45, 51) und/oder in einem Turm (44, 49, 64, 72) und die Unterdruckquelle (61, 62) in einer Gondel (59) und/oder dem Turm (44, 49, 64, 72) angeordnet ist.
Windkraftanlage (43, 48, 57, 66) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor (27, 40, 41) und/oder mindestens eine Aktor (28, 40) und/oder dass mindestens eine Steuermittel (14, 17, 24, 37, 38) mittels einer Steuer- und/oder Regeleinheit (65) verbunden ist, so dass eine Versorgung der Öffnung (8, 11, 25, 31, 33) im Rotorblatt (6, 12, 26, 34, 46, 52, 67) mit einem Unterdruck und/oder Überdruck steuer- oder regelbar ist.
Windkraftanlage (43, 48, 57, 66) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Versorgung der Öffnung (8, 11, 25, 31, 33) des Rotorblatts (6, 12, 26, 34, 46, 52, 67) mit einem Unterdruck und/oder einem Überdruck in Abhängigkeit eines Rotationswinkels des Rotorblatts (6, 12, 26, 34, 46, 52, 67) steuer- oder regelbar ist.
Verfahren zur Beeinflussung einer Strömung in einer Grenzschicht eines Rotorblatts (6, 12, 26, 34, 46, 52, 67) einer Windkraftanlage (43, 48, 57, 66), bei dem mittels einer Zuführung oder einer Absaugung eines Fluidstroms (10) durch mindestens eine Öffnung (8, 11, 25, 31, 33) in einer Oberfläche des Rotorblatts (6, 12, 26, 34, 46, 52, 67) die Grenzschichtströmung (9) beeinflusst wird.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass mittels mindestens eines Sensors (27, 40, 41) zumindest eine physikalische Messgröße einer Grenzschichtströmung erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Öffnung (8, 11, 25, 31, 33) einer Unterdruckseite des Rotorblatts (6, 12, 26, 34, 46, 52, 67) der Fluidstrom (10) zugeführt oder abgesaugt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidstrom (10) kontinuierlich und/oder pulsierend zugeführt oder abgesaugt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Frequenz einer Pulsation des Fluidstroms (10) mittels einer Steuerungs- und/oder Regelungseinheit (65) geregelt oder gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidstrom (10) durch eine Vielzahl von Öffnungen (8, 11, 25, 31, 33) im Rotorblatt (6, 12, 26, 34, 46, 52, 67) eingebracht wird, wobei die Öffnungen (8, 11, 25, 31, 33) individuell und/oder in Gruppen (32) mit dem Fluidstrom (10) beaufschlagt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung oder Regelung des Fluidstroms (10) durch die Öffnung eine Messgröße des Sensors (27, 40, 41), insbesondere ein Drucksignal, und/oder des Aktors (28, 40) und/oder eines Rotationswinkels und/oder eines Anstellwinkels und/oder weiterer erfasster Messgrößen, insbesondere mittels eines Anemometers erfasster Messgrößen, des Rotorblatts (6, 12, 26, 34, 46, 52, 67) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem mittels des Sensors erfassten Druckabfalls in der Grenzschicht des Rotorblatts (6, 12, 26, 34, 46, 52, 67) ein Fluidstrom (10) zugeführt wird.