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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Korrektur des Anstellwinkels der Rotorblätter einer Windkraftanlage mit einem wenigstens zwei in ihren jeweiligen Anstellwinkeln verstellbare Rotorblätter aufweisenden Rotor, welcher um eine Rotationsachse drehbar in einem Lager auf einem Turm angeordnet ist.
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Es ist allgemein bekannt, dass Windkraftanlagen zur Gewinnung von regenerativer Energie eingesetzt werden. Hierbei ist ein Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie, welcher zumeist von einem Gehäuse umgeben ist, auf einem Turm angeordnet. Der Turm ist zumeist als rohrähnlicher modularer Stahl- oder Metallhohlzylinder gefertigt, welcher sich gegebenenfalls nach oben hin etwas verjüngt. Ebenfalls auf dem Turm angeordnet ist ein mehrere Rotorblätter aufweisender Rotor, welcher entweder direkt oder mittels eines Getriebes mit dem Generator verbunden und dafür vorgesehen ist, diesen anzutreiben. Windkraftanlagen sind besonders effektiv, wenn diese eine entsprechende Größe aufweisen. Daher sind Windkraftanlagen mit einer Nennleistung von beispielsweise 2 MW oder auch 5 MW nicht unüblich. Die Länge eines zugehörigen Rotorblattes beträgt beispielsweise 40 m oder 60 m, woraus eine Turmhöhe von beispielsweise 70 m oder 90 m resultiert.
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Zur Anpassung der Windkraftanlage an die bestehenden Windverhältnisse sind der Rotor zusammen mit dem Generator beziehungsweise dem Gehäuse um die Turmachse drehbar, um so eine Ausrichtung entsprechend der Windrichtung zu bewirken. Weiterhin sind die Rotorblätter in ihrem Anstellwinkel – auch Pitch genannt – quer zur Rotationsachse des Rotors einstellbar Dies dient überwiegend dem Zweck der Regelung bzw. Beschränkung der aufgenommenen aerodynamischen Last bei Windgeschwindigkeiten oberhalb der Nennwindgeschwindigkeit, so dass die Rotordrehzahl konstant gehalten werden kann. Hierzu ist zumeist eine separate. Stellvorrichtung vorgesehen, mit welcher der Anstellwinkel eines jeweiligen Rotorblattes veränderbar ist.
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Es ist weiterhin bekannt, dass der Turm, auf welchem das Gehäuse mit dem Generator und der Rotor angeordnet sind, einen sogenannten Turmwindstau verursacht. Wenn beim Betrieb der Windkraftanlage ein jeweiliges Rotorblatt einen derartigen Turmwindstau passiert, so wird der Winddruck auf das Rotorblatt temporär und partiell reduziert. Dies bedeutet einerseits ein kurzzeitig verringertes Antriebsmoment, aber auch eine unsymmetrische Belastung auf den Rotor, welcher in seiner oberen Hälfte einen stärkeren Winddruck erfährt als in seiner unteren Hälfte, so dass sich eine zusätzliche Belastung auf das Lager des Rotors ergibt. Hierdurch wird beispielsweise der Verschleiß des Lagers in ungünstiger Weise erhöht.
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Die
WO 2008/119351 offenbart ein Verfahren zur Regelung des Anstellwinkels eines jeweiligen Rotorblattes beim Passieren des Turmwindstaus. Hierbei wird jeweils eine Belastung der Rotorblätter im Bereich der Rotornabe gemessen und es erfolgt eine Regelung des Anstellwinkels derart, dass das Kipp- und das Giermoment auf den Turm vermindert wird. Der Turmwindstau wird hierbei nicht im speziellen beachtet.
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Da es sich um einen reinen Regelvorgang handelt, ist hierbei mit den üblichen Reaktionszeiten und entsprechenden Einschwingvorgängen zu rechnen. Dies bewirkt in nachteiliger Weise bei einem beispielsweise 60 m langen Rotorblatt, welches an seiner äußeren Spitze eine Geschwindigkeit von mehreren 100 km/h aufweist und welches selbst ein schwingfähiges Objekt darstellt, eine nicht unerhebliche mechanische Belastung des Lagers und auch des gegebenenfalls vorhandenen Getriebes, welches den Rotor mit dem Generator verbindet.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, welches eine Kompensation des Einflusses des Turmwindstaus bei einer geringeren mechanischen Belastung und unter Vermeidung von Einschwingvorgängen ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Korrektur des Anstellwinkels der Rotorblätter einer Windkraftanlage der eingangs genannten Art. Dieses ist gekennzeichnet durch folgende Schritte:
- • Vorbestimmung eines ersten Anstellkorrekturwinkelverlaufes für ein Rotorblatt beim Passieren des Turmwindstaus,
- • Erfassung der aktuellen Drehwinkelposition des Rotors,
- • Anwendung des ersten Anstellkorrekturwinkelverlaufes auf den Anstellwinkel eines jeweiligen Rotorblattes während dieses den Turmwindstau passiert,
wobei der Anstellkorrekturwinkelverlauf derart bestimmt ist, dass bei dessen Anwendung eine erhöhte mechanische Belastung des jeweiligen Rotorblattes beziehungsweise des Lagers beim Passieren des Turmwindstaus zumindest weitestgehend vermieden ist.
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Die Grundidee der Erfindung besteht darin, auf einen Regelvorgang für die Korrektur des Anstellwinkels beim Passieren des Turmwindstaus bewusst zu verzichten, stattdessen einen entsprechenden Korrekturwinkelverlauf im Voraus zu ermitteln und diesen dann auf den Anstellwinkel des jeweiligen Rotorblattes anzuwenden, wenn dieses den Bereich des Turmwindstaus passiert. Dies kann als eine Art Vorsteuerung betrachtet werden. So sind die bei den entsprechenden Regelvorgängen unvermeidlichen Einschwingvorgänge in vorteilhafter Weise vermieden, was insbesondere bei langen Rotorblättern zu einer deutlichen Reduktion der mechanischen Belastung führt.
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Im Betrieb einer Windkraftanlage erfolgt üblicher Weise eine permanente Anpassung des Anstellwinkels – auch Pitch genannt – an die äußeren Gegebenheiten wie Windstärke beziehungsweise weitere Randbedingungen wie gewünschte abzunehmende elektrische Leistung oder dergleichen. Hierbei ist gegebenenfalls auch zu berücksichtigen, dass die Windstärke durch Windscherung im unteren Rotorbereich geringer sein kann als im oberen Rotorbereich. Eine derartige permanente Anpassung wird beispielsweise durch eine Regelung realisiert, also die Anpassung des jeweiligen Anstellwinkels erfolgt dann unter Berücksichtigung einer Führungs- und einer Regelgröße.
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Ein Korrekturwinkelverlauf wird vorab bestimmt, ist also in einem derartigen Regelschema – sofern es angewandt wird – nicht enthalten sondern wird quasi als Differenzwinkel zum normal ausgeregelten Anstellwinkel aufaddiert. Ein Korrekturwinkelverlauf beziehungsweise dessen Anwendung hängt beispielsweise von der Zeit oder dem jeweiligen Drehwinkel des Rotors ab. Ist ein Rotorblatt nicht im Einflussbereich des Turmwindstaus, so ist der momentane Korrekturwinkel null. Dieses Herausnehmen des Anstellkorrekturwinkelverlaufs aus dem eigentlichen Regelkreislauf ist besonders sinnvoll, weil die Belastungsänderung des Rotorblattes bei dessen Eintritt in den Turmwindstau relativ schlagartig erfolgt, so dass auch ein entsprechendes Überschwingverhalten bei einem Regelsystem zu erwarten ist. Auf der anderen Seite ist eine derartige Belastungsänderung anhand geeigneter Randparameter aber auch relativ gut prognostizierbar, so dass sich insgesamt eine deutlich verringerte mechanische Belastung eines jeweiligen Rotorblattes oder des Rotorlagers ergibt.
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Entsprechend einer weiteren Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist bei der Ermittlung des ersten Anstellkorrekturwinkelverlaufes die Windgeschwindigkeit, die Windrichtung, die Turmhöhe, die Turmform, die Rotorblattlänge, die Rotorblattform und/oder die Drehgeschwindigkeit des Rotors mit berücksichtigt. Dies sind wesentliche geometrische Einflussfaktoren, anhand welcher eine Vorabbestimmung des Anstellkorrekturwinkels ermöglicht ist. Zur Vorabbestimmung ist beispielsweise eine Rechenvorrichtung vorgesehen, auf welcher entsprechende Algorithmen oder Rechenmodelle implementiert sind und welche typischerweise mit einem für eine Windkraftanlage zumeist obligatorischem Kontrollsystem zusammenwirkt. Bedarfsweise lassen sich die Algorithmen oder Rechenmodelle aber auch direkt im Kontrollsystem implementieren.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein gemessener Wert der Momentanbelastung eines jeweiligen Rotorblattes, beispielsweise im Bereich der Rotornabe, bei der Ermittlung des ersten Anstellkorrekturwinkelverlaufes gerade nicht mit berücksichtigt. Dies ist insbesondere in Bezug auf eine Regelung zu sehen, welche ja erfindungsgemäß zu vermeiden ist. Dennoch ist es selbstverständlich im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens optional vorgesehen, einen vorherigen Belastungswert oder einen über einen bestimmten Winkelbereich des Rotors gemittelten vorherigen Belastungswert als Eingangsgröße zur Ermittlung des Anstellkorrekturwinkelverlaufes zu verwenden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei der Bestimmung des ersten Anstellkorrekturwinkelverlaufs von einem gausskurvenähnlich ausgeprägten Turmwindstau ausgegangen. Dies ist bei einem säulenförmig angenommenen Turm eine gute Approximation, welche mit entsprechend wenig Aufwand zu ermitteln ist.
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Eine beispielhafte Approximation ist durch die Formel
gegeben, wobei folgende Abkürzungen verwendet sind:
- v:
- Unverminderte Windgeschwindigkeit auf Nabenhöhe
- vts
- Verminderte Windgeschwindigkeit durch Turmwindstau
- rt
- Turmradius
- dts
- Distanz des aerodynamischen Blattschwerpunkts zur Turmmitte
- φ
- Winkel zwischen dem aerodynamischen Blattschwerpunkt und der Windrichtung
- α
- Rotorwinkel
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Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein Algorithmus für die Bestimmung des Anstellkorrekturwinkelverlaufs vorgesehen, welcher als variable Eingangsgrößen die Windgeschwindigkeit sowie die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors verwendet, wobei die Windkraftanlagen – spezifischen Parameter als konstant vorgegeben sind. Ein Algorithmus kann sowohl empirisch bestimmt sein oder aber auch durch eine physikalische Approximation hinterlegt sein und beispielsweise auch auf einer Finite-Elemente-Simulation basieren.
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Entsprechend einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Anwendung des ersten Anstellkorrekturwinkelverlaufes auf den Anstellwinkel eines jeweiligen Rotorblattes bei Erreichen eines vorgegebenen Drehwinkels initiiert. Der Drehwinkel ist definiert durch die Ausrichtung eines jeweiligen Rotorblattes zum Turm. Somit ist sowohl der Eintrittswinkel des Rotorblattes in den Turmwindstau als auch der Austrittswinkel des Rotorblattes aus dem Turmwindstau durch einen Drehwinkel beschreibbar. Daher eignet sich ein bestimmter Drehwinkel, nämlich beispielsweise das Erreichen des Eintrittswinkels in den Turmwindstau, als geeignetes Triggerkriterium zum Starten der Anwendung des Korrekturwinkelverlaufes auf den Anstellwinkel. Es kann sich aber auch als sinnvoll erweisen, die Turmwindstaukompensation bereits vor Eintritt eines Rotorblattes in den Turmwindstau zu initiieren, gegebenenfalls dann mit einem entsprechend geringen Anstellkorrekturwinkel beginnend. Auf diese Weise wird hat das Eintauchen in den Turmwindstau eine entsprechend weniger abrupte Auswirkung.
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Entsprechend einer weiteren Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Anstellkorrekturwinkelverlauf vor Eintritt eines jeweiligen Rotorblattes in den Turmwindstau neu bestimmt. Der Zeitraum, in dem ein Rotorblatt den Turmwindstau passiert, ist relativ kurz, beispielsweise eine halbe Sekunde, so dass die Randbedingungen, welche zur Ermittlung des Anstellkorrekturwinkelverlaufes dienen, als nahezu konstant angesehen werden können. Dennoch ist davon auszugehen, dass sich im Bereich von beispielsweise 10 s die Windbedingungen derart ändern können, dass in bestimmten Zeitintervallen eine Neuberechnung eines Anstellwinkelkorrekturverlaufes erforderlich ist. Das geringste Zeitintervall ist dann gegeben, wenn die Neuberechnung jeweils kurz vor Eintritt eines Rotorblattes in den Turmwindstau erfolgt, so dass bei Eintritt in den Turmwindstau die Berechnung bereits erfolgt ist. So wird eine höchstmögliche Genauigkeit des jeweils anzuwendenden Anstellkorrekturwinkelverlaufes erreicht.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein zweiter Anstellkorrekturwinkelverlauf bestimmt, welcher auf den Anstellwinkel wenigstens eines momentan in der oberen Rotorhälfte befindlichen Rotorblattes angewendet wird, wodurch eine mechanische Kompensationsbelastung zu der durch das den Turmwindstau passierenden Rotorblattes verursachten mechanischen Belastung gebildet ist. So ist es vorgesehen, dass eine nicht kompensierte und durch den Turmwindstau verursachte Restbelastung in der unteren Rotorhälfte durch eine entsprechende Korrektur des Anstellwinkels eines oder mehrerer momentan in der oberen Rotorhälfte befindlicher Rotorblätter ausgeglichen wird und zwar derart, dass durch den Rotor eine möglichst geringe oder idealer Weise gar keine Torsionsbelastung des Rotorlagers erfolgt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten sind den weiteren abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
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Anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung, weitere Ausführungsformen und weitere Vorteile näher beschrieben werden.
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Es zeigen:
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1 eine exemplarische erste Windkraftanlage,
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2 exemplarische Anstellwinkel eines vierten Rotorblattes,
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3 einen exemplarischen Anstellkorrekturwinkelverlauf über den Drehwinkel des Rotors,
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4 einen Turm mit Turmwindstau sowie
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5 eine exemplarische zweite Windkraftanlage.
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1 zeigt eine exemplarische erste Windkraftanlage 10 in einer Frontalansicht. Auf einem röhrenartig ausgebildeten Turm 22 von beispielsweise einem Durchmesser im Bereich von 4 m bis 6 m und 80 m Höhe ist ein in Pfeilrichtung 24 drehbarer Rotor 12 angeordnet, der einen nicht gezeigten und ebenfalls oben auf dem Turm 22 angeordneten Generator antreibt. Der Rotor 12 weist drei sternförmig um eine Rotationsachse 20 angeordnete Rotorblätter 14, 16, 18 auf, welche beispielsweise eine Länge von je 50 m bei einer maximalen Breite von 5 m aufweisen. Das zweite Rotorblatt mit der Bezugsnummer 16 weist zum Turm 22 einen Drehwinkel α auf, welcher mit der Bezugsnummer 26 gekennzeichnet ist. Der Einfluss des von dem Turm 22 verursachten Turmwindstaus auf das Rotorblatt 16 ist maximal, wenn dieses einen Drehwinkel von α = 0° aufweist. Anhand der genannten Dimensionen von Turm und Rotorblättern wird deutlich, dass die Belastung der Rotorblätter 14, 16, 18 durch den Turmwindstau recht schlagartig erfolgt, so dass sich dessen Kompensation mittels einer Regelung als nachteilig erweisen würde, weil es – je nach Einstellung der Regelparameter – entweder zu einem ungewollten Überschwingverhalten oder zu einem ungewollt großen zeitlichen Verzug kommen würde.
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2 zeigt zwei exemplarische Anstellwinkel- oder Pitchvarianten eines Rotorblattes in einer schematischen Darstellung 30, welche aus zeichnerischen Gründen auf eine elliptische Form vereinfacht wurde. Wie dem Fachmann bekannt ist weisen derartige Rotorblätter in der Realität ein Profil ähnlich einem Flugzeugflügel auf. Um eine Drehachse 32 verstellbar gelagert ist der Flansch eines vierten Rotorblattes gezeigt, nämlich mit der Bezugsziffer 34 in einer ersten Ausrichtung 36 und mit der Bezugsziffer 38 in einer zweiten Ausrichtung 40. Zwischen erster Ausrichtung 36 und zweiter Ausrichtung 40 liegt eine Anstellwinkeldifferenz β, welche mit der Bezugsziffer 42 gekennzeichnet ist. Um das vierte Rotorblatt in einen gewünschten Anstellwinkel oder Pitch zu verbringen ist ein nicht gezeigter Antrieb vorgesehen, welcher seinerseits von einem nicht gezeigten Kontrollsystem gesteuert wird. An einer Rotornabe, deren Drehachse mit der Bezugsziffer 44 angedeutet ist, sind typischerweise drei Rotorblätter angeordnet, so dass demgemäß auch drei Verstellvorrichtungen benötigt werden.
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3 zeigt einen exemplarischen Anstellkorrekturwinkelverlauf über den Drehwinkel des Rotors beziehungsweise eines jeweiligen Rotorblattes in einer Darstellung 50. Bei der hier gewählten Winkeldefinition des Drehwinkels beträgt der Drehwinkel α 0°, wenn ein jeweiliges Rotorblatt genau senkrecht vor dem Turm der Windkraftanlage ausgerichtet ist. Die Darstellung 50 stellt den Verlauf 52 des Anstellkorrekturwinkels 54 über dem Drehwinkel 56 des Rotors dar. Typischerweise ist der Anstellkorrekturwinkel 54 betragsmäßig genau dann am größten, wenn sich das jeweilige Rotorblatt genau im Turmwindstau befindet, also definitionsgemäß beim Drehwinkel 0°. Wenn sich ein Rotorblatt im Turmwindstau befindet, dann ist dort die Windgeschwindigkeit geringer und der Anstell- beziehungsweise Pitchwinkel wird reduziert um das Absacken des Moments am Rotorblatt zu vermindern. Der Anstellkorrekturwinkel beträgt 0°, bevor das jeweilige Rotorblatt in den Einflussbereich des Turmwindstaus kommt oder nachdem es den Einflussbereich wieder verlassen hat.
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4 zeigt einen Turm mit Turmwindstau in einer schematischen Draufsicht 60. Ein Turm 64 ist mit ist mit seinem kreisförmigen Querschnitt angedeutet. Vor dem Turm 64 ist ein Rotorblatt 68 mit seinem Querschnitt befindlich, welches sich in Pfeilrichtung 70 in einen vor dem Turm 64 befindlichen Turmwindstau 62 bewegt. Zwei weitere Rotorblätter, welche zusammen mit dem gezeigten Rotorblatt 68 einen Rotor bilden, welcher um eine Rotationsachse 72 drehbar gelagert ist, sind nicht dargestellt. Der Rotationsachse 72 ist in Blasrichtung eines Windes ausgerichtet, welcher mit mehreren Pfeilen 66 angedeutet ist. Durch die Abschattung des in Blasrichtung hinter dem Turm 64 liegenden Bereiches ist ein Turmwindstau 62 ausgeprägt, welcher einen annähernd gaussförmigen Querschnitt aufweist.
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5 zeigt eine exemplarische zweite Windkraftanlage 80 in einer Seitenansicht. Auf einem Turm 90 ist ein Generatorgehäuse 92 angeordnet, welches ein Lager für einen um eine Drehachse 94 drehbaren Rotor umfasst. Der Rotor ist in diesem Fall durch zwei gegenüber liegend angeordnete Rotorblätter 82, 84 gebildet. Auf das oben gezeigte Rotorblatt 82 wirkt eine mit der Bezugsziffer 86 angedeutete erste Windkraft ein, auf das unten gezeigte Rotorblatt eine mit der Bezugsziffer 88 angedeutete zweite Windkraft. Im Idealfall sind beide Windkräfte 86, 88 gleich, so dass sich kein Kippmoment auf das Lager des Rotors ausbildet. Für den Fall, dass beim Passieren des Turmwindstaus durch das unteren Rotorblatt nicht alle daraus entstehenden mechanischen Belastungen kompensiert werden können, ist es vorgesehen, dass das entgegengesetzte obere Rotorblatt temporär in seinem Anstellwinkel derart angepasst wird, dass die obere 86 und die untere 88 Windkraft gleich sind und sich kein Torsions- oder Kippmoment auf das Lager des Rotors ergibt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- exemplarische erste Windkraftanlage
- 12
- Rotor
- 14
- erstes Rotorblatt
- 16
- zweites Rotorblatt
- 18
- drittes Rotorblatt
- 20
- Rotationsachse des Rotors
- 22
- Turm
- 24
- Drehrichtung des Rotors
- 26
- exemplarischer Drehwinkel des Rotors
- 30
- exemplarische Anstellwinkel eines vierten Rotorblattes
- 32
- Drehachse für Anstellwinkel
- 34
- viertes Rotorblatt in erstem Anstellwinkel
- 36
- Ausrichtung des ersten Anstellwinkels
- 38
- viertes Rotorblatt in zweitem Anstellwinkel
- 40
- Ausrichtung des zweiten Anstellwinkels
- 42
- Anstellwinkeldifferenz
- 44
- Rotationsachse des Rotors
- 50
- exemplarischer Anstellkorrekturwinkelverlauf über Drehwinkel des Rotors
- 52
- Anstellkorrekturwinkelverlauf
- 54
- Anstellkorrekturwinkel
- 56
- Drehwinkel des Rotors
- 60
- Turm mit Turmwindstau
- 62
- Turmwindstau
- 64
- Turm von Windkraftanlage
- 66
- Wind
- 68
- fünftes Rotorblatt
- 70
- Bewegungsrichtung von fünftem Rotorblatt
- 72
- Rotationsachse
- 80
- exemplarische zweite Windkraftanlage
- 82
- erstes Rotorblatt
- 84
- zweites Rotorblatt
- 86
- Windkraft auf erstes Rotorblatt
- 88
- Windkraft auf zweites Rotorblatt
- 90
- Turm
- 92
- Generatorgehäuse
- 94
- Rotationsachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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