DE102010041520B4

DE102010041520B4 - Rotorblatt und Verfahren zum Betrieb einer Windenergieanlage

Info

Publication number: DE102010041520B4
Application number: DE102010041520A
Authority: DE
Inventors: Marc Petsche; Christoph Matthias Korjahn
Original assignee: Repower Systems SE
Current assignee: Senvion GmbH
Priority date: 2010-09-28
Filing date: 2010-09-28
Publication date: 2013-04-11
Anticipated expiration: 2030-09-29
Also published as: DE102010041520A1

Abstract

Rotorblatt (1) für eine Windenergieanlage, das sich von einer Rotorblattwurzel (2) im Wesentlichen zu einer Rotorblattspitze (4) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beeinflussung eines Anstellwinkels des Rotorblatts (1) im Bereich der Rotorblattspitze (4) ein Leitwerk (5) vorgesehen ist, das am Rotorblatt (1) in Drehrichtung des Rotorblatts (1) nacheilend angeordnet ist, wobei das Leitwerk (5) einen aerodynamisch wirksamen Flächenkörper (6) umfasst, der im Bereich der Blattspitze (4) mittels einer Haltevorrichtung (7) mit dem Rotorblatt (1) verbunden ist und der gegenüber dem Rotorblatt (1) um eine Achse verschwenkbar ist, die im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse des Rotorblatts (1) verläuft.

Description

Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt für eine Windenergieanlage, das sich von einer Rotorblattwurzel im Wesentlichen zu einer Rotorblattspitze erstreckt, eine Windenergieanlage mit einem Rotorblatt, eine Verwendung und ein Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage mit wenigstens einem Rotorblatt.
Bei Windenergieanlagen, insbesondere bei Windenergieanlagen der Multimegawatt-Klasse, sind Rotorblätter aus Gewichtsgründen üblicherweise in Leichtbauweise hergestellt, u. a. mit Kohlefaser- oder Glasfaser-Verbundmaterialien. Aus diesem Grund sind insbesondere Rotorblätter mit Längen oberhalb von 30 Metern, aber auch darunter, torsionsweich. Die Geometrie von Rotorblättern ist unter Last veränderlich und hängt vom jeweiligen Betriebspunkt der Windenergieanlage sowie vom momentanen lokalen Windfeld ab, auf das das Rotorblatt innerhalb seiner Steifigkeitsgrenzen durch Verwindung und andere Verformungen elastisch reagiert. Torsionsweiche Rotorblätter tordieren während einer Rotorumdrehung aufgrund von Windscherung, also aufgrund der Differenz in der Windgeschwindigkeit im oberen und im unteren Bereich der Windenergieanlage bzw. der von dem Rotor überstrichenen Fläche.
Die meisten Rotorblätter tordieren mit größer werdender Anströmungsgeschwindigkeit, also in erster Linie mit steigender Umlaufgeschwindigkeit, aber auch mit steigender Windgeschwindigkeit, an der Blattspitze in positive Pitchrichtung. Dies bedeutet, dass sie ihren aerodynamischen Anstellwinkel im Bereich der Blattspitze verringern und somit der aerodynamisch im Wesentlichen wirkungslosen sogenannten „Fahnenstellung” annähern.
Umgekehrt führt eine Abweichung in Richtung eines größeren Anstellwinkels zu einer zu starken Abbremsung des Windes mit der Gefahr, dass es zu einem sogenannten „Stall” kommt. Zu große Anstellwinkel gerade im Bereich der Blattspitze, wo das Rotorblatt die größte Umfangsgeschwindigkeit aufweist, führen auch zu einer unerwünschten starken Lärmerzeugung.
Die Annäherung der Rotorblattspitze an die Fahnenstellung ist im Leistungsbereich der Windenergieanlage knapp unterhalb der Nennleistung vorteilhaft, da durch die Verkleinerung des aerodynamischen Anstellwinkels an der Blattspitze Lasten und Schallemissionen verringert werden. Im niedrigeren Leistungsbereich des drehzahlvariablen Bereichs einer Windenergieanlage, also beim Betrieb des Rotors bei optimaler Schnelllaufzahl λ, dem Verhältnis von Umfangsgeschwindigkeit zu Windgeschwindigkeit, ist dieses Verhalten jedoch nicht gewünscht. Im drehzahlvariablen Bereich wird die Schnelllaufzahl λ im Wesentlichen konstant gehalten und ist eine konstante Geometrie erwünscht, um einen optimalen Ertrag zu erzielen.
Aufgrund der Torsionsweichheit der verfügbaren Rotorblätter ergibt sich aber im drehzahlvariablen Bereich eine Torsion an der Blattspitze, die von der Windgeschwindigkeit abhängt. So ist die Verdrehung des Rotorblatts an der Blattspitze bei 5 m/s Windgeschwindigkeit wesentlich kleiner als bei 8 m/s Windgeschwindigkeit. Es wird also kein optimaler Rotorwirkungsgrad über den gesamten Drehzahlbereich des drehzahlvariablen Bereichs erreicht, sondern es geht deutlich Ertrag verloren.
Hinzu kommt, dass das Rotorblatt pro Umlauf periodisch tordiert. Rotorblätter verdrehen sich im Allgemeinen mit zunehmender Windgeschwindigkeit bei gleichbleibender Drehzahl, also bei einem steigenden aerodynamischen Anstellwinkel an der Blattspitze in Richtung Fahnenstellung. Diese Verdrehung in Richtung Fahnenstellung ist im oberen Teillastbereich akzeptabel, in der noch keine Blattwinkelverstellregelung erfolgt, da auf diese Weise ein Strömungsabriss an der Rotorblattspitze verhindert wird. Im unteren Teillastbereich ist diese Verdrehung jedoch kontraproduktiv. Hier besitzt das Rotorblatt üblicherweise genügend aerodynamische Sicherheit und Reserven und die aerodynamischen Anstellwinkel sind klein. Da im oberen Rotorbereich die Windgeschwindigkeit in der Regel durch Windscherung größer ist als im unteren Rotorbereich, ergibt sich eine im Verlauf einer Umdrehung des Rotorblatts variierende Anströmungsgeschwindigkeit und variierende Torsion. Für eine Ertragsoptimierung ist es wünschenswert, wenn das Blatt im oberen Bereich der Umdrehung die Induktion, also die Abbremsung des Windes, somit die Leistungsentnahme, erhöht.
In der Praxis hängt die Torsion vom Typ des Rotorblatts und der Windenergieanlage, vom an der Blattwurzel eingestellten Anstellwinkel und vom herrschenden Windfeld ab. So können die Rotorblätter an ihrer Blattspitze während einer Rotorumdrehung um mehrere Grad tordieren. Ein typisches Rotorblatt tordiert beispielsweise bei Nennleistung im Mittel um 1,8° mit Schwankungen pro Umlauf von ±1,2°, also zwischen ca. 0,6° und ca. 3,0°. Diese Werte können zwischen verschiedenen Rotorblättern erheblich variieren. Dabei ergibt sich häufig eine Phasenverschiebung in der Torsionsschwingung, so dass das Minimum und das Maximum nicht im obersten oder untersten Punkt des Umlaufs durchlaufen werden, sondern in einigen Fällen auch um 90° oder mehr verzögert oder vorauseilend.
Die Verdrehung bzw. Tordierung des Rotorblatts kann über die Struktur des Rotorblatts bisher auf passive Weise nicht so gesteuert werden, dass es für die jeweiligen Bedingungen ein Optimum darstellt. Beim Entwurf und bei der Konstruktion von Rotorblättern wird zur Kompensation der im Betrieb auftretenden Torsion eine Verwindung des Rotorblatts von der Blattwurzel zur Blattspitze hin in die entgegengesetzte Richtung vorgegeben, die unter Last aufgrund der auftretenden Torsion kompensiert wird. Eine einer gewünschten Form nahekommende Form des Rotorblatts ergibt sich somit erst im Betrieb der Windenergieanlage. Aufgrund von Fluktuationen im Windfeld treten im Betrieb sehr unterschiedliche Betriebsverhältnisse auf. Dabei ist es nicht möglich, ein Rotorblatt für mehrere Betriebspunkte optimal zu entwerfen, sondern es wird im allgemeinen eine Form gewählt, die im drehzahlvariablen Betriebsbereich, in der der Anstellwinkel des Rotorblatts nicht verändert wird, eine gute Leistungsausbeute ermöglicht.
Die genannten Probleme können durch eine torsionssteife Strukturauslegung teilweise vermindert werden, jedoch um den Preis eines um wenigstens 20% höheren Gewichts eines solchen Rotorblatts.
Alternativ wird über Auffädelungsoptimierungen versucht, die mittlere Torsionsverformung und auch die Torsionsverformung während einer Rotorumdrehung zu minimieren. Gegebenenfalls wird über zusätzliche ±45°-Lagen der Glasfaser- oder Kohlefaserverbundmaterialien die Torsionssteifigkeit des Rotorblattes erhöht und damit die Torsionsverformung verringert. Dennoch verdreht sich das Rotorblatt stark in eine unerwünschte Richtung.
Aus DE 197 30 211 A1 ist ein Windmotor mit einem oder mehreren Rotoren bekannt, dessen radial angeordnete Rotorflügel unabhängig voneinander um ihre Längsachse drehbar gelagert sind, so dass sie sich entsprechend der Bewegung der sie umströmenden Luft wie Windfahnen in den Wind drehen, wenn der Drehpunkt des Flügelprofils im aerodynamischen Druckpunkt, d. h. im ersten Viertel der Flügeltiefe liegt. Es wird ein druckpunktfestes Profil verwendet. Damit wird die Flügelverstellung auch für kleinere Windmotoren rentabel.
Ferner sind aus DE 41 32 453 A1 Flügel für Windkraftanlagen umfassend einen Haupt- und mindestens einen Vorflügel bekannt, bei dem die einander gegenüberliegenden Flächen von Haupt- und Vorflügel gegeneinander gewölbt ausgebildet sind und zwischen sich einen bikonkaven Spalt zur beschleunigten Abführung der Luft auf die Sogseite des Hauptflügels durch Düsenwirkung bestimmen. Damit wird eine Bremswirkung durch Verwirbelungen vermindert.
Gemäß DE 31 26 677 A1 wird ein Dämpfungseffekt bei Rotorblättern durch einen Blattspitzenbereich erzeugt, der als getrenntes Rotorblattteil ausgebildet ist und mit dem Rotorblatt über eine Drehachse verbunden ist, so dass das Rotorblattteil durch Windkräfte verstellbar ist und ein elastisches Element eine Verstellbewegung begrenzt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Rotorblatt, eine Windenergieanlage, eine Verwendung und ein Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage mit wenigstens einem Rotorblatt anzugeben, mit der Ertragsverluste aufgrund der Torsionssteifigkeit der Rotorblätter vermindert werden und Schallemissionen gesenkt werden.
Diese Aufgabe wird durch ein Rotorblatt für eine Windenergieanlage gelöst, das sich von einer Rotorblattwurzel im Wesentlichen zu einer Rotorblattspitze erstreckt und das dadurch weitergebildet ist, dass zur Beeinflussung eines Anstellwinkels des Rotorblatts im Bereich der Rotorblattspitze ein Leitwerk vorgesehen ist, das einem Rotorblatt in Drehrichtung des Rotorblatts nacheilend angeordnet ist, wobei das Leitwerk einen aerodynamisch wirksamen Flächenkörper umfasst, der im Bereich der Blattspitze mittels einer Haltevorrichtung mit dem Rotorblatt verbunden ist und der gegenüber dem Rotorblatt um eine Achse verschwenkbar ist, die im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse des Rotorblatts verläuft.
Dieses Leitwerk ist im Bereich der Rotorblattspitze gehaltert und gegenüber der Rotorblattspitze verschwenkbar. Die Verschwenkbarkeit betrifft den Flächenkörper mit oder ohne die Haltevorrichtung. Der Flächenkörper ist vorzugsweise sehr klein gegenüber dem Rotorblatt und stellt den gewünschten aerodynamischen Anstellwinkel des Profils an der Blattspitze über einen entsprechend groß gewählten Hebel im Betrieb sicher. Das Leitwerk wirkt ohne zusätzlichen Energieaufwand der unerwünschten Torsion des Blatts entgegen und verdreht das Rotorblatt in Abhängigkeit vom gegebenen Windfeld aktiv zum gewünschten Anströmwinkel. Die erfindungsgemäß erreichbaren Leistungssteigerungen können ein bis mehrere Prozent betragen.
Für den gesamten drehzahlvariablen Bereich gibt es einen optimalen Anstellwinkel der Profile in der Blattspitze. Für diesen Betriebsbereich, beispielsweise bei Windgeschwindigkeiten von 4,5 m/s bis 8,5 m/s, wird der Flächenkörper so verschwenkt, dass beispielsweise ein aerodynamischer Anstellwinkel von etwa 5° gewährleistet ist. Die genauen Zahlen sind abhängig vom Typ des Rotorblatts und der Windenergieanlage. Im oberen Teillastbereich mit abnehmender Schnelllaufzahl λ nimmt im Allgemeinen der aerodynamische Anstellwinkel leicht zu, da die Schnelllaufzahl bei gleichbleibender Umfangsgeschwindigkeit und steigender Windgeschwindigkeit abnimmt. Die Verschwenkung des Flächenkörpers des Leitwerks kann somit beispielsweise über die Schnelllaufzahl λ, die in der Steuerung errechnet wird, gesteuert werden. Neben einer Einstellung eines optimierten Anstellwinkels der Rotorblattspitze kann auch eine gesteuerte Bremsung erfolgen, falls momentan große Lasten auf die Windenergieanlage bzw. das Rotorblatt einwirken.
Für die Befestigung des Leitwerks am Rotorblatt muss das Rotorblatt in seiner Struktur gegenüber einem herkömmlichen Rotorblatt im Bereich der Blattspitze verändert werden. Die Haltevorrichtung für den Flächenkörper muss so mit der tragenden Struktur des Rotorblatts in der Rotorblattspitze verbunden sein, dass eine Verschwenkung des Flächenkörpers zu einer Torsion des Rotorblatts im Bereich der Rotorblattspitze führt. Diese Torsion setzt sich entsprechend der zur Rotorblattwurzel steigenden Torsionssteifigkeit über die Länge des Rotorblatts in abnehmendem Maße fort. Dabei ist die Haltevorrichtung und/oder der Flächenkörper vorzugsweise überwiegend aus einem leichten Material, insbesondere aus einem Glasfaser- und/oder Kunstfaserverbundwerkstoff, gefertigt.
Vorzugsweise ist der Flächenkörper von der Rotorblattspitze unter Ausbildung eines Hebelarms beabstandet. Ein solcher Hebelarm kann mehrere Meter, beispielsweise zwischen ein und vier Meter, vorzugsweise zwei bis drei Meter, betragen. Je länger der Hebelarm gewählt wird, desto kleiner kann die Fläche des Flächenkörpers gewählt werden, so dass der sogenannte „Drag”, also die Abbremsung des Flügels, minimiert wird. Vorteilhafterweise ist ein, insbesondere elektromotorischer oder pneumatischer, Antrieb zum Verschwenken des Flächenkörpers im Rotorblatt und/oder in der Haltevorrichtung vorgesehen. Der Antrieb kann auch direkt an der Haltevorrichtung, beispielsweise an einem oder mehreren Haltearmen, die in den Flächenkörper münden oder an denen der Flächenkörper befestigt ist, angreifen. Im Falle eines pneumatischen Antriebs des Leitwerks entfällt die Notwendigkeit, elektrisch leitende Kabel im Blatt verlegen zu müssen.
Vorzugsweise ist eine Neutralposition des Flächenkörpers vorgesehen, in der beim Betrieb einer Windenergieanlage der Flächenkörper keinen Einfluss auf den im Bereich der Rotorblattspitze eingenommenen Anstellwinkel hat, wobei die Neutralposition insbesondere bei Ausfall oder Nichtarbeiten eines Antriebs des Flächenkörpers eingenommen wird. Bei Einnahme der Neutralposition des Flächenkörpers wird das Rotorblatt so betrieben, wie es ohne zusätzliches Leitwerk entworfen worden ist. Beispielweise im Falle eines Druckverlustes des pneumatischen Systems oder bei Abschalten der Steuerung wird somit eine neutrale Position hinter dem Rotorblatt eingenommen und die Torsion des Hauptflügels nicht mehr beeinflusst. Dies vereinfacht den Betrieb des Rotors, insbesondere im Bereich der Nennleistung von beispielsweise 13 m/s bis 25 m/s Windgeschwindigkeit, wo sich die Anstellwinkel der äußeren Profilschnitte des Rotorblatts mit der Zunahme der Windgeschwindigkeit kontinuierlich hin zu kleineren Anstellwinkeln verändern, also in die Richtung einer Fahnenstellung. In diesem Bereich ergibt es sich bei steigenden Windgeschwindigkeiten, dass durch den zunehmenden Pitchwinkel immer größere Bereiche des Rotorblatts im Bereich der Blattspitze kleinere aerodynamische Anstellwinkel aufweisen und somit zur Reduktion von auf die Windenergieanlage wirkenden Lasten beitragen. Eine Steuerung in diesen Betriebsbereichen durch das Leitwerk ist also nicht zwangsläufig erforderlich, und bei einem Ausfall der Leitwerksteuerung kann der Rotor weiter „konventionell” betrieben werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Leitwerk aus dem Rotorblatt ausfahrbar ausgebildet. So kann das Leitwerk etwa im Ruhezustand oder bei Volllast vollständig in das Rotorblatt eingefahren sein und beispielsweise einen Teil des aerodynamischen Profils des Rotorblatts bilden und in den Betriebsbereichen, in denen eine Torsionskorrektur notwendig ist, ausgefahren werden, beispielsweise mittels als Teleskopstangen oder Zahnradstangen ausgebildeten Haltestreben. Das Leitwerk kann im eingefahrenen Zustand auch vollständig im Rotorblatt unter eine Klappe versenkt sein, die nach dem Ausfahren des Rotorblatts geschlossen wird. Im zuletzt genannten Fall rundet die Klappe das aerodynamische Profil ab, wobei allerdings Öffnungen für Halte- und Schwenkstrukturen für das Leitwerk vorhanden sind.
Vorzugsweise ist oder sind ein Blitzschutz und/oder eine Enteisungsvorrichtung für das Leitwerk vorgesehen, um den Betrieb und die Betriebssicherheit auch bei schwierigen Wetterlagen zu gewährleisten.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Rotorblatts ist, dass auch bei einer torsionsweichen Auslegung eines Rotorblatts über einen einfachen Mechanismus auch ohne aufwendige Messsensorik bzw. ohne aufwändige Regelung sichergestellt wird, dass der äußere Rotorblattbereich den gewünschten aerodynamischen Anstellwinkel aufweist, unabhängig von generellen Windbedingungen bzw. den sich ändernden Anströmverhältnissen des Rotorblatts pro Rotorumdrehung. Dies erhöht den Ertrag, weil das aerodynamische Profil des Rotorblatts immer mit dem optimalen Anstellwinkel betrieben wird. Dies senkt auch die Schallemission, weil zu große Anstellwinkel des äußeren Blattbereichs vermieden werden. Außerdem wird das Blattgewicht gesenkt, da keine zusätzlichen Verstärkungslagen für die Erhöhung der Torsionssteifigkeit notwendig sind. Weitere Optimierungen durch Messungen von Lasten und Reaktion darauf unter Regelung bzw. Steuerung der Verschwenkung des Flächenkörpers sind erfindungsgemäß ebenfalls möglich.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auch durch eine Windenergieanlage mit einem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Rotorblatt gelöst. Diese Windenergieanlage kann auch dadurch weitergebildet sein, dass an verschiedenen Stellen, beispielweise an der Rotorblattwurzel, der Rotorwelle, dem Turm oder anderen Orten, Messsensoren angeordnet sind, die momentane Belastungen und Belastungsspitzen auf einzelnen Rotorblättern messen und deren Messergebnisse verwendbar sind zur Steuerung der Leitwerke, um diese Belastungsspitzen abzufedern.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auch durch die Verwendung eines Leitwerks mit einem aerodynamisch wirksamen Flächenkörper, der im Bereich einer Blattspitze mittels einer Haltevorrichtung mit einem Rotorblatt verbunden ist, zur Beeinflussung eines Anstellwinkels des Rotorblatts im Bereich der Rotorblattspitze, gelöst. Eine solche Verwendung eines Leitwerks zur Beeinflussung eines Anstellwinkels des Rotorblatts im Bereich der Rotorblattspitze kann sowohl zur Leistungsoptimierung in verschiedenen Leistungsbereichen einer Windenergieanlage genutzt werden als auch zur Verminderung von Lasten oder zum Abbremsen einer Windenergieanlage.
Schließlich wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe auch durch ein Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage mit wenigstens einem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Rotorblatt gelöst, wobei das Rotorblatt ein an der Rotorblattspitze des Rotorblatts nachlaufend angeordnetes Leitwerk mit einem Flächenkörper und einer Haltevorrichtung umfasst, wobei zur Beeinflussung eines Anstellwinkels des Rotorblatts im Bereich der Rotorblattspitze der Flächenkörper verschwenkt wird. Der Flächenkörper wird erfindungsgemäß entweder gegenüber der Haltevorrichtung und/oder alternativ dazu oder zusätzlich dazu mitsamt der Haltevorrichtung gegenüber dem Rotorblatt verschwenkt. Dies hat zur Folge, dass ein optimaler Anstellwinkel auch an der tordierenden Rotorblattspitze eingestellt wird. So werden torsionsbedingte Leistungsverluste, insbesondere im drehzahlvariablen Bereich, minimiert.
Vorzugsweise wird die Verschwenkung des Flächenkörpers abhängig von der Windgeschwindigkeit, der Schnelllaufzahl, dem eingestellten Anstellwinkel des Rotorblatts und/oder dem momentan eingenommenen Lastbereich der Windenergieanlage gesteuert. Unter dem Lastbereich wird u. a. der drehzahlvariable Bereich, der Voll- oder Nennlastbereich usw. verstanden.
Vorteilhafterweise wird die Verschwenkung des Flächenkörpers abhängig von der Position des Rotorblatts im Laufe einer Umdrehung des Rotorblatts um eine Rotorachse gesteuert. In diesem Fall lassen sich periodische Schwankungen, die beispielsweise auf die Windscherung zurückgehen, kompensieren. Andere Effekte können sich aus der periodischen Schwankung der Torsion des Rotorblatts ergeben, indem beispielsweise in einer Drei-Uhr-Stellung des Rotorblatts ein maximaler aerodynamischer Anstellwinkel eingenommen wird und somit eine besonders große Schallemission erfolgt.
Diese kann erfindungsgemäß beispielsweise durch eine Verkleinerung des aerodynamischen Anstellwinkels an der Rotorblattspitze im Bereich der Drei-Uhr-Stellung behoben werden.
Vorzugsweise wird als Stellgröße für die Verschwenkung des Flächenkörpers eine Differenz zwischen einem Anströmwinkel des Rotorblatts und einem Anströmwinkel des Flächenkörpers verwendet. Diese Stellgröße wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch als Verschwenkungswinkel bezeichnet.
Vorteilhafterweise nimmt der Flächenkörper bei Ausfall einer Ansteuerung oder eines Antriebs der Verschwenkung des Flächenkörpers eine Neutralposition ein, in der der Anstellwinkel der Rotorblattspitze nicht beeinflusst wird. Auf diese Weise kann in den genannten Fällen das Rotorblatt mit seinen Designparametern verwendet werden, ohne dass weitere Lasten auf das Rotorblatt einwirken, mit Ausnahme des „Drags”, der im Design, der Aerodynamik und der Struktur des Rotorblatts vorzugsweise bereits berücksichtigt ist.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass, insbesondere in einem drehzahlvariablen Bereich der Windenergieanlage, der Anstellwinkel der Rotorblattspitze mittels einer Verschwenkung des Flächenkörpers im oberen Bereich des Umlaufs des Rotorblatts um eine Rotorachse vergrößert wird und im unteren Bereich des Umlaufs verkleinert wird. Damit wird der aerodynamische Anstellwinkel an die durch die Windscherung verursachten Unterschiede zwischen dem oberen Bereich und dem unteren Bereich angepasst. Im drehzahlvariablen Bereich wird der Rotor bzw. die Windenergieanlage bei einer optimalen Schnelllaufzahl λ betrieben. Hierbei handelt es sich um ein gemitteltes λ, das im oberen Bereich und im unteren Bereich des Umlaufs unter- bzw. überschritten wird. Dementsprechend ändert sich der jeweilige optimale aerodynamische Anstellwinkel, der mittels des Leitwerks im Laufe einer Umdrehung nachgeführt wird.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass, insbesondere in einem Nennlastbereich oder Volllastbereich der Windenergieanlage, mittels einer Verschwenkung des Flächenkörpers hin zu einem größeren Anstellwinkel an der Rotorblattspitze eine Abbremsung der Windenergieanlage bewirkt oder unterstützt wird. Insbesondere bei Auftreten von Windböen, auf die mittels der üblichen Pitchregulierung nicht sehr schnell reagiert werden kann, ist die Verschwenkung des Leitwerks vorteilhaft einzusetzen, da aufgrund der kleinen Massen des Leitwerks eine solche Verschwenkung wesentlich schneller vonstattengehen kann und somit zumindest eine Abbremsung im Prozentbereich der Drehzahl des Rotors sehr schnell erfolgen kann. Damit werden die auf die Windenergieanlage und die Rotorblätter einwirkenden Lasten ebenfalls schnell verringert.
Die Steuerung der Verschwenkung des Flächenkörpers erfolgt vorzugsweise wenigstens im Bereich einer Nennleistung der Windenergieanlage in einem Regelkreis, wobei als Messgröße Lasten dienen, die an der Rotorblattwurzel, einer Rotorwelle oder einem Turm gemessen werden. So kann eine Verbiegung des Rotorblatts, der Rotorwelle oder des Turms gemessen werden und mit einem lokal auftretenden veränderten Windfeld korreliert werden und die Torsion der Rotorblätter mittels ihrer Leitwerke entsprechend angepasst werden, um solche auftretenden Lasten zu verringern. Andererseits können auch Abschwächungen im Windfeld auf diese Weise erfasst werden und die Leistungsentnahme durch Verschwenken des Flächenkörpers in einem Regelkreis optimiert werden.
Zusätzlich oder alternativ hierzu ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Steuerung der Verschwenkung des Flächenkörpers wenigstens in einem drehzahlvariablen Bereich der Windenergieanlage auf der Grundlage einer Verschwenkungswinkeltabelle für verschiedene Betriebspunkte für den Flächenkörper erfolgt. Hierbei handelt es sich um eine besonders einfache Art der Steuerung, die mit wenig Aufwand realisierbar ist.
Im Falle eines versenkbaren Leitwerks wird das Leitwerk vorzugsweise bei Stillstand und/oder im oberen Teillastbereich und/oder im Volllastbereich im Rotorblatt versenkt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, wobei bezüglich aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich auf die Zeichnung verwiesen wird. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Rotorblatts mit Leitwerk.
In 1 ist ein erfindungsgemäßes Rotorblatt 1 dargestellt, das sich von einer Rotorblattwurzel 2 zu einer Rotorblattspitze 4 erstreckt. Die Hinterkante des Rotorblatts 1 ist mit dem Bezugszeichen 3 gekennzeichnet. Im Bereich der Rotorblattspitze 4 schließt sich an die Hinterkante 3 des Rotorblatts 1 ein Leitwerk 5 an, das einen Flächenkörper 6, der aerodynamisch wirksam ist, und eine Haltevorrichtung 7 aufweist. Der Flächenkörper 6 kann flach sein oder ein im Querschnitt vorzugsweise symmetrisches aerodynamisches Profil aufweisen.
Der Flächenkörper 6 ist an der Haltevorrichtung 7, die in 1 als zwei Streben oder Stangen dargestellt ist, am Rotorblatt 1 nacheilend befestigt. Alternativ können die Stangen auch in den Flächenkörper 6 übergehen. Durch die Haltevorrichtung 7 ist der Flächenkörper 6 auch mit seiner Vorderseite von der Hinterkante 3 des Rotorblatts 1 beabstandet. Auf diese Weise wird das gewünschte Strömungsprofil um die Blattspitze 4 herum so wenig wie möglich gestört. Die Haltevorrichtung 7 und der Flächenkörper 6 sind vorzugsweise aus einem leichten Material, etwa einem Kohle- oder Glasfaserverbundwerkstoff, gefertigt.
Die Länge der Haltevorrichtung 7, d. h. der Hebelarm, der mittels der Haltevorrichtung 7 einstellbar ist, kann ein bis mehrere Meter betragen. Je länger der Hebelarm gewählt wird, desto kleiner kann die Fläche des Flächenkörpers 6 gewählt werden. Dadurch wird auch der „Drag” des Flächenkörpers 6 vermindert. Ein solcher erfindungsgemäßer Flächenkörper 6 wird parallel zu einer Längsachse des Rotorblatts 1 verschwenkt. Im Vergleich zu Klappen beispielsweise eines Flugzeugflügels wird dabei bei kleinerer Fläche des Flächenkörpers 6 ein vergleichsweise größeres Drehmoment auf die Blattspitze 4 ausgeübt, ohne das Strömungsprofil der Luft um die Rotorblattspitze negativ zu beeinflussen, wie es Klappen tun würden.
Im in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Verschwenkung entweder über eine Verschwenkung des Flächenkörpers 6 gegenüber der Haltevorrichtung 7 erfolgen oder alternativ oder zusätzlich dazu mittels einer Verschwenkung der Haltevorrichtung 7 gegenüber dem Rotorblatt 1. Anstelle zweier Streben kann auch eine zentrale Strebe vorgesehen sein, die in den Flächenkörper 6 mündet oder an der der Flächenkörper 6, insbesondere verschwenkbar, befestigt ist.
Im Bereich der Blattspitze 4 ist außerdem eine Klappe dargestellt, die vorhanden ist, wenn das Leitwerk 5 im Rotorblatt 1 versenkbar ausgebildet ist. Die Klappe bildet in diesem Bereich das aerodynamische Oberflächenprofil des Rotorblatts 1 und verfügt über Öffnungen für die Streben der Haltevorrichtung 6, die in diesem Fall etwa als Teleskoparme ausgebildet sein können.
Der Flächenkörper 6 umfasst in 1 einen Blitzschutz, etwa in Form einer metallischen Fläche im oberen Bereich des Flächenkörpers 6, der mit nicht dargestellten elektrischen Blitzableiterkabeln im Inneren des Rotorblattes 1 verbunden ist.
Nicht dargestellt ist ein Antrieb, der im Rotorblatt 1 oder in der Haltevorrichtung 7 angeordnet sein kann, sowie eine Steuervorrichtung, die in die allgemeine Betriebssteuervorrichtung einer Windenergieanlage integriert sein kann. Nicht dargestellt sind in 1 auch ein Enteisungssystem für das Leitwerk 5, das beispielsweise wie bereits bei Rotorblättern üblich ausgebildet sein kann.
Bezugszeichenliste

1: Rotorblatt
2: Blattwurzel
3: Hinterkante
4: Blattspitze
5: Leitwerk
6: Hilfsflügel
7: Stützen

Claims

Rotorblatt (1) für eine Windenergieanlage, das sich von einer Rotorblattwurzel (2) im Wesentlichen zu einer Rotorblattspitze (4) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beeinflussung eines Anstellwinkels des Rotorblatts (1) im Bereich der Rotorblattspitze (4) ein Leitwerk (5) vorgesehen ist, das am Rotorblatt (1) in Drehrichtung des Rotorblatts (1) nacheilend angeordnet ist, wobei das Leitwerk (5) einen aerodynamisch wirksamen Flächenkörper (6) umfasst, der im Bereich der Blattspitze (4) mittels einer Haltevorrichtung (7) mit dem Rotorblatt (1) verbunden ist und der gegenüber dem Rotorblatt (1) um eine Achse verschwenkbar ist, die im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse des Rotorblatts (1) verläuft.
Rotorblatt (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Flächenkörper (6) von der Rotorblattspitze unter Ausbildung eines Hebelarms beabstandet ist.
Rotorblatt (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein, insbesondere elektromotorischer oder hydraulischer, Antrieb zum Verschwenken des Flächenkörpers (6) im Rotorblatt und/oder in der Haltevorrichtung (7) vorgesehen ist.
Rotorblatt (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Neutralposition des Flächenkörpers (6) vorgesehen ist, in der beim Betrieb einer Windenergieanlage der Flächenkörper (6) keinen Einfluss auf den im Bereich der Rotorblattspitze (4) eingenommenen Anstellwinkel hat, wobei die Neutralposition insbesondere bei Ausfall oder Nichtarbeiten eines Antriebs des Flächenkörpers eingenommen wird.
Rotorblatt (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Blitzschutz und/oder eine Enteisungsvorrichtung für das Leitwerk (5) vorgesehen ist oder sind.
Windenergieanlage mit einem Rotorblatt (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
Verwendung eines Leitwerks (5) mit einem aerodynamisch wirksamen Flächenkörper (6), der im Bereich einer Blattspitze (4) mittels einer Haltevorrichtung (7) mit einem Rotorblatt (1) verbunden ist, zur Beeinflussung eines Anstellwinkels des Rotorblatts (1) im Bereich der Rotorblattspitze (4).
Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage mit wenigstens einem Rotorblatt (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend ein an der Rotorblattspitze (4) des Rotorblatts (1) nachlaufend angeordnetes Leitwerk (5) mit einem Flächenkörper (6) und einer Haltevorrichtung (7), dadurch gekennzeichnet, dass zur Beeinflussung eines Anstellwinkels des Rotorblatts (1) im Bereich der Rotorblattspitze (4) der Flächenkörper (7) verschwenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschwenkung des Flächenkörpers (6) abhängig von der Windgeschwindigkeit, der Schnelllaufzahl, dem eingestellten Anstellwinkel des Rotorblatts (1) und/oder dem momentan eingenommenen Lastbereich der Windenergieanlage gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschwenkung des Flächenkörpers (6) abhängig von der Position des Rotorblatts (1) im Laufe einer Umdrehung des Rotorblatts (1) um eine Rotorachse gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Stellgröße für die Verschwenkung des Flächenkörpers (6) eine Differenz zwischen einem Anströmwinkel des Rotorblatts (1) und einem Anströmwinkel des Flächenkörpers (6) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Flächenkörper (6) bei Ausfall einer Ansteuerung oder eines Antriebs der Verschwenkung des Flächenkörpers (6) eine Neutralposition einnimmt, in der der Anstellwinkel der Rotorblattspitze (4) nicht beeinflusst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass, insbesondere in einem drehzahlvariablen Bereich der Windenergieanlage, der Anstellwinkel der Rotorblattspitze (4) mittels einer Verschwenkung des Flächenkörpers (6) im oberen Bereich des Umlaufs des Rotorblatts um eine Rotorachse vergrößert wird und im unteren Bereich des Umlaufs verkleinert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass, insbesondere in einem Nennlastbereich der Windenergieanlage, mittels einer Verschwenkung des Flächenkörpers (6) hin zu einem größeren Anstellwinkel an der Rotorblattspitze (4) eine Abbremsung der Windenergieanlage bewirkt oder unterstützt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der Verschwenkung des Flächenkörpers (6) wenigstens im Bereich einer Nennleistung der Windenergieanlage in einem Regelkreis erfolgt, wobei als Messgröße Lasten dienen, die an der Rotorblattwurzel (2), einer Rotorwelle oder einem Turm gemessen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der Verschwenkung des Flächenkörpers (6) wenigstens in einem drehzahlvariablen Bereich der Windenergieanlage auf der Grundlage einer Verschwenkungswinkeltabelle für verschiedene Betriebspunkte für den Flächenkörper (6) erfolgt.