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DE102012100650A1 - Steuerbare Oberflächenmerkmale für Windkraftanlagenrotorblätter - Google Patents

Steuerbare Oberflächenmerkmale für Windkraftanlagenrotorblätter

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DE102012100650A1
DE102012100650A1 DE201210100650 DE102012100650A DE102012100650A1 DE 102012100650 A1 DE102012100650 A1 DE 102012100650A1 DE 201210100650 DE201210100650 DE 201210100650 DE 102012100650 A DE102012100650 A DE 102012100650A DE 102012100650 A1 DE102012100650 A1 DE 102012100650A1
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DE
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Application
Patent type
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Withdrawn
Application number
DE201210100650
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English (en)
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Thomas Joseph Fischetti
Edward Lee McGrath
Jing Wang
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General Electric Co
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General Electric Co
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    • Y02E10/721Blades or rotors

Abstract

Es wird ein Rotorblatt (300) für eine Windkraftanlage (10) offenbart. Das Rotorblatt (300) kann im Allgemeinen eine Hülle (308) mit einer Druckseite (310) und einer Saugseite (312) umfassen. Die Hülle (308) kann eine Öffnung (342) in zumindest entweder der Druckseite oder der Saugseite (310, 312) definieren. Das Rotorblatt (300) kann ebenfalls eine Basis (368) und mindestens zwei entlang des Außenumfangs der Basis (368) beabstandeter Oberflächenmerkmale (362, 364, 366) umfassen. Die Basis (368) kann im Allgemeinen relativ zu der Öffnung (342) zwischen einer zurückgesetzten Position und einer gesteuerten Position bewegt werden. Des Weiteren kann die Basis (368) innerhalb der Hülle (308) rotiert werden, um einzustellen, welches der Oberflächenmerkmale (362, 364, 366) in der Öffnung (342) aufgenommen wird, wenn die Basis (368) in die gesteuerte Position bewegt wird.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • [0001]
    Der vorliegende Erfindungsgegenstand bezieht sich allgemein auf Windkraftanlagen und im Besonderen auf steuerbare Oberflächenmerkmale für Windkraftanlagenrotorblätter.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • [0002]
    Windenergie wird als die sauberste, umweltfreundlichste Energiequelle angesehen, die zurzeit zur Verfügung steht, und Windkraftanlagen haben in diesem Zusammenhang an Aufmerksamkeit gewonnen. Eine moderne Windkraftanlage umfasst typischerweise einen Turm, einen Generator, ein Getriebe, eine Gondel und ein oder mehrere Rotorblätter. Die Rotorblätter fangen mit Hilfe bekannter Flügelprinzipien die kinetische Energie des Windes ein. Die Rotorblätter übertragen die kinetische Energie in Form von Rotationsenergie, um eine Welle in Drehbewegung zu versetzen, welche die Rotorblätter mit einem Getriebe, oder falls kein Getriebe verwendet wird, direkt mit dem Generator verbindet. Der Generator wandelt dann die mechanische Energie in elektrische Energie um, die ins Energieversorgungsnetz eingespeist werden kann.
  • [0003]
    Die besondere Größe der Windkraftanlagenrotorblätter ist ein wesentlicher Faktor, der zur Gesamteffizienz der Windkraftanlage beiträgt. Speziell können Zunahmen in der Länge oder Spannweite eines Rotorblattes im Allgemeinen zu einem Gesamtanstieg in der Energieproduktion einer Windkraftanlage führen. Demzufolge unterstützen Bemühungen zur Vergrößerung der Rotorblätter die weitere Entwicklung der Windkraftanlagentechnologie und den Einsatz der Windenergie als alternative Energiequelle. Allerdings steigen mit der zunehmenden Größe eines Rotorblattes auch die über die Blätter an andere Komponenten der Windkraftanlage (z. B. die Nabe der Windkraftanlage und andere Komponenten) übertragenen Belastungen. Zum Beispiel führen längere Rotorblätter aufgrund der zunehmenden Rotorblattmasse sowie der zunehmenden entlang der Spannweite des Blattes wirkenden aerodynamischen Belastungen zu höheren Belastungen. Derartige zunehmende Belastungen können insbesondere bei extremen Windgeschwindigkeiten problematisch werden, da die über die Rotorblätter übertragenen Belastungen die Tragfähigkeit anderer Komponenten der Windkraftanlage übersteigen könnten.
  • [0004]
    Bekannt sind bestimmte Oberflächenmerkmale, wie z. B. Spoiler, die verwendet werden können, um die Luftströmung von der Außenfläche eines Rotorblattes zu teilen, wodurch der von dem Blatt erzeugte Auftrieb reduziert wird und die auf das Blatt wirkenden Belastungen reduziert werden. Allerdings sind diese Oberflächenmerkmale typischerweise ausgebildet, um dauerhaft an der Außenfläche des Rotorblattes angeordnet zu sein. Auf diese Weise wird die Menge an vom Rotorblatt erzeugtem Auftrieb ungeachtet der aktuellen Betriebsbedingungen der Windkraftanlage reduziert. Daher besteht Bedarf für ein Oberflächenmerkmal, wie einen steuerbaren Spoiler, der es erlaubt, die auf ein Rotorblatt wirkenden Belastungen bei Bedarf effizient abzubauen (z. B. bei extremen Windgeschwindigkeiten, wie Windböen), ohne dabei die Gesamteffizienz des Rotorblattes bei anderen Betriebsbedingungen zu reduzieren.
  • [0005]
    Des Weiteren sind verschiedene andere Oberflächenmerkmale, wie Vortexgeneratoren, bekannt, die eingesetzt werden können, um die Teilung der über ein Rotorblatt strömenden Luft zu verzögern, z. B. wenn das Blatt in einem großen Anströmwinkel relativ zur Richtung der Luftströmung ausgerichtet ist. Allerdings bewirken diese Oberflächenmerkmale auch einen Luftwiderstand auf dem Rotorblatt, wodurch die Gesamteffizienz des Blattes reduziert wird. Daher besteht Bedarf für ein Oberflächenmerkmal, wie einen steuerbaren Vortexgenerator, der verwendet werden kann, um die Teilung der Luftströmung vom Rotorblatt bei Bedarf (z. B. wenn das Rotorblatt in einem großen Anströmwinkel ausgerichtet ist) zu verzögern, ohne dabei die Gesamteffizienz des Rotorblattes zu reduzieren, wenn die Teilung der Strömung kein Problem darstellt.
  • [0006]
    Demzufolge wäre ein Rotorblatt mit einem oder mehreren steuerbaren Oberflächenmerkmalen in der Technologie sehr willkommen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • [0007]
    Aspekte und Vorteile der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung dargestellt, aus der Beschreibung offensichtlich oder durch die praktische Anwendung der Erfindung erfahren.
  • [0008]
    In einem Aspekt offenbart der vorliegende Erfindungsgegenstand ein Rotorblatt für eine Windkraftanlage. Das Rotorblatt kann im Allgemeinen eine Hülle mit einer Druckseite und einer Saugseite umfassen. Die Hülle kann eine Öffnung in zumindest entweder der Druckseite oder der Saugseite definieren. Das Rotorblatt kann ebenfalls eine Basis und mindestens zwei entlang des Außenumfangs der Basis beabstandete Oberflächenmerkmale umfassen. Die Basis kann im Allgemeinen relativ zu der Öffnung zwischen einer zurückgesetzten Position und einer gesteuerten Position bewegt werden. Des Weiteren kann die Basis innerhalb der Hülle rotiert werden, um einzustellen, welches der Oberflächenmerkmale in der Öffnung aufgenommen wird, wenn die Basis in die gesteuerte Position bewegt wird.
  • [0009]
    In einem anderen Aspekt offenbart der vorliegende Erfindungsgegenstand eine Windkraftanlage, die einen Turm und eine an der Spitze des Turmes montierte Gondel umfasst. Die Windkraftanlage kann ebenfalls eine Rotornabe umfassen, die mit der Gondel und einer Vielzahl von Rotorblättern gekoppelt ist, welche sich von der Rotornabe erstrecken. Mindestens eines der Rotorblätter kann eine Hülle mit einer Druckseite und einer Saugseite umfassen. Die Hülle kann eine Öffnung in zumindest entweder der Druckseite oder der Saugseite definieren. Das Rotorblatt kann ebenfalls eine Basis und mindestens zwei entlang des Außenumfangs der Basis beabstandete Oberflächenmerkmale umfassen. Die Basis kann im Allgemeinen relativ zu der Öffnung zwischen einer zurückgesetzten Position und einer gesteuerten Position bewegt werden. Des Weiteren kann die Basis innerhalb der Hülle rotiert werden, um einzustellen, welches der Oberflächenmerkmale in der Öffnung aufgenommen wird, wenn die Basis in die gesteuerte Position bewegt wird.
  • [0010]
    Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden mit Bezug auf die nachstehende Beschreibung und die beigefügten Ansprüche besser verständlich. Die beiliegenden Zeichnungen, welche in dieser Patentschrift enthalten und damit Teil dieser Patentschrift sind, veranschaulichen die Ausführungsformen der Erfindung und dienen zusammen mit der Erfindung der Erläuterung der Prinzipien der Erfindung.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • [0011]
    Eine an Fachleute gerichtete vollständige und zur praktischen Anwendung befähigende Darstellung der vorliegenden Erfindung, einschließlich ihres besten Verwendungsmodus, ist in der Patentschrift dargelegt, welche sich auf die beiliegenden Zeichnungen bezieht, in denen:
  • [0012]
    1 eine perspektivische Ansicht einer Windkraftanlage herkömmlicher Bauweise darstellt;
  • [0013]
    2 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Rotorblattes mit steuerbaren Oberflächenmerkmalen gemäß den Aspekten des vorliegenden Erfindungsgegenstandes darstellt;
  • [0014]
    3 eine Querschnittsansicht des in 2 gezeigten Rotorblattes entlang der Linie 3-3 darstellt;
  • [0015]
    4 eine partielle Querschnittsansicht des in 3 gezeigten Rotorblattes darstellt, die partiell ein steuerbares Oberflächenmerkmal des Rotorblattes in einer gesteuerten Position darstellt;
  • [0016]
    5 eine andere partielle Querschnittsansicht des in 3 gezeigten Rotorblattes darstellt, die partiell ein steuerbares Oberflächenmerkmal des Rotorblattes in einer zurückgesetzten Position darstellt;
  • [0017]
    6 eine partielle Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform eines Rotorblattes mit steuerbarem Oberflächenmerkmal gemäß den Aspekten des vorliegenden Erfindungsgegenstandes darstellt, die teilweise das steuerbare Oberflächenmerkmal in gesteuerter Position darstellt;
  • [0018]
    7 eine andere partielle Querschnittsansicht des in 6 gezeigten Rotorblattes darstellt, die partiell ein steuerbares Oberflächenmerkmal in einer zurückgesetzten Position darstellt;
  • [0019]
    8 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Rotorblattes mit einer steuerbaren Oberflächenmerkmalsanordnung gemäß den Aspekten des vorliegenden Erfindungsgegenstandes darstellt;
  • [0020]
    9 eine partielle Querschnittsansicht des in 8 gezeigten Rotorblattes darstellt, die teilweise die Oberflächenmerkmalsanordnung in einer gesteuerten Position darstellt, wobei ein Außenhautsegment der Oberflächenmerkmalsanordnung in einer in dem Blatt definierten Öffnung aufgenommen wird;
  • [0021]
    10 eine andere partielle Querschnittsansicht des in 8 gezeigten Rotorblattes darstellt, die teilweise die Oberflächenmerkmalsanordnung in einer gesteuerten Position darstellt, wobei ein Vortexgenerator der Oberflächenmerkmalsanordnung in einer in dem Blatt definierten Öffnung aufgenommen wird;
  • [0022]
    11 eine weitere partielle Querschnittsansicht des in 8 gezeigten Rotorblattes darstellt, die teilweise die Oberflächenmerkmalsanordnung in einer gesteuerten Position darstellt, wobei ein Spoiler der Oberflächenmerkmalsanordnung in einer in dem Blatt definierten Öffnung aufgenommen wird;
  • [0023]
    12 eine perspektivische Ansicht der in 8 gezeigten Oberflächenmerkmalsanordnung darstellt; und
  • [0024]
    13 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines steuerbaren Oberflächenmerkmals mit Luftströmungsmerkmalen gemäß den Aspekten des vorliegenden Erfindungsgegenstandes darstellt.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • [0025]
    Hier wird ausführlich Bezug auf die Ausführungsformen der Erfindung genommen, von denen eine oder mehrere beispielhaft in den Zeichnungen dargestellt sind. Jedes Beispiel ist als Erläuterung der Erfindung, nicht als Begrenzung der Erfindung, bereitgestellt. Tatsächlich ist es für Fachleute offensichtlich, dass verschiedene Modifikationen und Veränderungen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne vom Anwendungsbereich oder Geist der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel können die als Teil einer Ausführungsform dargestellten oder beschriebenen Merkmale mit anderen Ausführungsformen verwendet werden, um eine noch andere Ausführungsform zu erzielen. Daher ist vorgesehen, dass die vorliegende Erfindung derartige Modifikationen und Veränderungen als in den Anwendungsbereich der angefügten Ansprüche und ihrer Äquivalente fallend abdeckt.
  • [0026]
    Mit Bezug auf die Zeichnungen stellt 1 eine perspektivische Ansicht einer Windkraftanlage 10 herkömmlicher Bauweise dar. Die Windkraftanlage 10 umfasst einen Turm 12 mit einer daran montierten Gondel 14. Eine Vielzahl von Rotorblättern 16 ist an eine Rotornabe 18 montiert, die wiederum mit einem Hauptflansch verbunden ist, der zu einer Hauptrotorwelle wird. Die Energieerzeugung der Windkraftanlage und die Steuerkomponenten sind in der Gondel 14 untergebracht. Es sollte anerkannt werden, dass die Ansicht von 1 nur zu Illustrationszwecken bereitgestellt ist, um den vorliegenden Erfindungsgegenstand in einem beispielhaften Anwendungsgebiet zu präsentieren. Daher sollten Fachleute anerkennen, dass der vorliegende Erfindungsgegenstand nicht auf eine spezielle Windkraftanlagenbauform zu begrenzen ist.
  • [0027]
    Mit Bezug auf 25 wird eine Ausführungsform eines Rotorblattes 100 mit einem oder mehreren steuerbaren Oberflächenmerkmalen 102 gemäß den Aspekten des vorliegenden Erfindungsgegenstandes dargestellt. Im Besonderen stellt 2 eine perspektivische Sicht des Rotorblattes 100 mit einer darin enthaltenen Vielzahl von beabstandeten Spoilern 102 dar. 3 stellt eine Querschnittsansicht des in 2 gezeigten Rotorblattes 100 entlang der Linie 3-3 dar. 4 stellt eine partielle Querschnittsansicht des in 3 gezeigten Rotorblattes 100 dar, die partiell den Spoiler 102 in einer gesteuerten Position darstellt. Des Weiteren stellt 5 eine andere partielle Querschnittsansicht des in 3 gezeigten Rotorblattes 100 dar, die partiell den Spoiler 102 in einer zurückgesetzten Position darstellt.
  • [0028]
    Im Allgemeinen kann das offenbarte Rotorblatt 100 eine Blattwurzel 104 umfassen, die zum Montieren des Rotorblattes 100 an die Nabe 18 der Windkraftanlage 10 (1) ausgelegt ist, und eine Blattspitze 106, die der Blattwurzel 104 gegenüber angeordnet ist. Eine Hülle 108 des Rotorblattes 100 kann im Allgemeinen ausgelegt sein, um sich zwischen der Blattwurzel 104 und der Blattspitze 106 zu erstrecken und als die Außenhülle/Abdeckung des Blattes 100 dienen. In einigen Ausführungsformen kann die Hülle 108 ein im Wesentlichen aerodynamisches Profil definieren, z. B. durch Definieren eines symmetrischen oder eines gewölbten tragflügelförmigen Querschnitts. Die Hülle 108 kann an sich eine Druckseite 110 und eine Saugseite 112 definieren, die sich zwischen einer Stirnkante 114 und einer Endkante 116 erstrecken. Ferner kann das Rotorblatt 100 eine Spannweite 118 aufweisen, welche die Gesamtlänge zwischen der Blattwurzel 104 und der Blattspitze 106 definiert, und eine Flügeltiefe 120, welche die Gesamtlänge zwischen der Stirnkante 114 und der Endkante 116 definiert. Es ist allgemein bekannt, dass die Flügeltiefe 120 in Bezug auf die Spannweite 118 in der Länge variieren kann, wenn sich das Rotorblatt 100 von der Blattwurzel 104 bis zur Blattspitze 106 erstreckt.
  • [0029]
    In einigen Ausführungsformen kann die Hülle 108 des Rotorblattes 100 als einzelne, unitäre Komponente gebildet sein. Alternativ kann die Hülle 108 aus einer Vielzahl von Hüllenkomponenten gebildet sein. Zum Beispiel kann die Hülle 108 hergestellt werden aus einer ersten Hüllenhälfte, die im Allgemeinen die Druckseite 110 des Rotorblattes 100 definiert, und einer zweiten Hüllenhälfte, die im Allgemeinen die Saugseite 112 des Rotorblattes 100 definiert, wobei die Hüllenhälften an der Stirn- und der Endkante 114, 116 des Blattes 100 aneinandergefügt werden. Des Weiteren kann die Hülle 108 im Allgemeinen aus jedem geeigneten Material gebildet sein. Zum Beispiel kann die Hülle 108 in einer Ausführungsform im Ganzen aus einem Schichtverbundmaterial gebildet sein, wie kohlenfaserverstärktem Schichtverbundwerkstoff oder einem glasfaserverstärkten Schichtverbundwerkstoff. Alternativ können ein oder mehrere Teile der Hülle 108 als eine Schichtkonstruktion ausgelegt sein und ein Kernmaterial enthalten, das aus einem leichten Material wie Holz (z. B. Balsa), Schaum (z. B. extrudierter Polystyrolschaum) oder einer Kombination derartiger zwischen den Schichten des Schichtverbundmaterials angeordneten Materialien besteht.
  • [0030]
    Es sollte anerkannt werden, dass das Rotorblatt 100 ebenfalls eine oder mehrere innenliegende Komponenten enthalten kann. Zum Beispiel kann das Rotorblatt 100 in einigen Ausführungsformen ein oder mehrere Scherstege (nicht dargestellt) enthalten, welche sich zwischen den entsprechenden Holmkappen (nicht dargestellt) erstrecken. Allerdings kann das Rotorblatt 100 der vorliegenden Offenbarung in anderen Ausführungsformen jede beliebige geeignete Innenbauform aufweisen.
  • [0031]
    Mit weiterem Bezug auf 25 kann das Rotorblatt 100 auch einen oder mehrere steuerbare Spoiler 102 enthalten, die ausgelegt sind, um vom Innern der Hülle 108 aus selektiv gesteuert zu werden. Im Besonderen können die Spoiler 102 zwischen einer gesteuerten Position (24), in der mindestens ein Teil eines jeden Spoilers 102 außerhalb der Hülle 108 positioniert wird, und einer zurückgesetzten Position (5) bewegt werden, in der jeder Spoiler 102 im Allgemeinen bündig mit einer Außenfläche 122 der Hülle 108 abschließt bzw. unterhalb dieser angeordnet ist. In Zeiten höherer Belastung auf dem Rotorblatt 100 (z. B. im Betrieb bei hohen Windgeschwindigkeiten) können die Spoiler 102 in die gesteuerte Position bewegt werden, um die Luftströmung über dem Rotorblatt 100 von der Außenseite 122 der Hülle 108 zu teilen, wodurch der von dem Blatt 100 erzeugte Auftrieb reduziert wird und die über das Blatt 100 an andere Komponenten der Windkraftanlage 10 (z. B. die Nabe 18 der Windkraftanlage (1)) übertragenen Belastungen gesenkt werden. Allerdings können, wenn die Blattbelastung kein Problem ist (z. B. bei geringen Windgeschwindigkeiten), die Spoiler 102 in die zurückgesetzte Position bewegt werden bzw. dort bleiben, um die Leistung und/oder Effizienz des Rotorblattes 100 nicht zu beeinträchtigen.
  • [0032]
    Im Allgemeinen kann das Rotorblatt 100 so ausgelegt sein, dass es eine beliebige Anzahl an Spoilern 102 umfassen kann. Zum Beispiel umfasst das Rotorblatt 100 in der dargestellten Ausführungsform drei Spoiler 102, die entlang des Blattes 100 beabstandet angeordnet sind. Allerdings kann das Rotorblatt 100 in alternativen Ausführungsformen weniger als drei Spoiler 102 umfassen, z. B. einen Spoiler 102 oder zwei Spoiler 102, oder mehr als drei Spoiler 102, z. B. vier Spoiler 102, fünf Spoiler 102 oder mehr als fünf Spoiler 102. Des Weiteren kann jeder Spoiler 102 im Allgemeinen an einer beliebigen Position auf dem Rotorblatt 100 angeordnet sein. Zum Beispiel ist, wie dargestellt, jeder Spoiler 102 auf der Saugseite 112 des Rotorblattes 100 positioniert. In alternativen Ausführungsformen kann jeder Spoiler 102 auf der Druckseite 110 des Rotorblattes 100 positioniert sein oder die Spoiler 102 können auf jeder Seite 110, 112 des Rotorblattes 100 positioniert sein. Gleichermaßen können die Spoiler 102 allgemein an jeder geeigneten Position entlang der Spannweite 118 des Rotorblattes 100 angeordnet sein, z. B. von im Wesentlichen neben der Blattwurzel 104 bis im Wesentlichen hin zur Blattspitze 106.
  • [0033]
    Darüber hinaus kann jeder Spoiler 102 im Allgemeinen an jeder geeigneten Position entlang der Flügeltiefe 120 des Rotorblattes 100 positioniert werden, z. B. durch Beabstandung in geeignetem Abstand 124 zur Stirnkante 114 der Hülle 108. Zum Beispiel kann in einigen Ausführungsformen des vorliegenden Erfindungsgegenstandes jeder Spoiler 102 in einem Abstand 124 von der Stirnkante 114 positioniert werden, der von ungefähr 5% bis ungefähr 30% der entsprechenden Flügeltiefe 120 reicht, welche an der speziellen spannweitigen Position des Spoilers 102 definiert ist, z. B. von ungefähr 10% bis ungefähr 20% der entsprechenden Flügeltiefe 120 oder von ungefähr 15% bis ungefähr 25% und allen dazwischenliegenden Teilreichweiten. Allerdings sollte in anderen Ausführungsformen anerkannt werden, dass die Spoiler 102 in einem Abstand 124 von der Stirnkante beabstandet sind, der geringer ist als 5% der Länge der entsprechenden Flügeltiefe 120 oder größer ist als 30% der Länge der entsprechenden Flügeltiefe 120. Zum Beispiel können in einer Ausführungsform ein oder mehrere Spoiler 102 neben der Endkante 116 des Rotorblattes 100 positioniert werden.
  • [0034]
    Ferner können in den Ausführungsformen, in denen das Rotorblatt 100 mehr als einen Spoiler 102 enthält, die Spoiler 102 in jeder beliebigen Richtung entlang des Rotorblattes 100 voneinander beabstandet sein. Zum Beispiel sind in der dargestellten Ausführungsform die Spoiler 102 in der spannweitigen Position voneinander beabstandet. In anderen Ausführungsformen können die Spoiler 102 in Flügeltiefenrichtung voneinander beabstandet sein oder sowohl in Richtung der Spannweite als auch in Richtung der Flügeltiefe. Fachleute sollten anerkennen, dass sich die „Richtung in Flügeltiefe” auf eine Richtung bezieht, die sich parallel zur Flügeltiefe 120 des Rotorblattes 100 erstreckt, und sich die „Richtung in Spannweite” auf eine Richtung bezieht, die sich parallel zur Spannweite 118 des Rotorblattes 100 erstreckt.
  • [0035]
    Des Weiteren kann sich jeder Spoiler 102 im Allgemeinen über eine beliebige Länge 126 auf dem Rotorblatt 100 erstrecken. Zum Beispiel können in einer Ausführungsform die Spoiler 102 eine Länge 126 aufweisen, die im Allgemeinen der Spannweite 118 des Rotorblattes 100 gleicht, sodass sich jeder Spoiler 102 im Wesentlichen von der Blattwurzel 104 bis zur Blattspitze 106 erstreckt. In anderen Ausführungsformen können die Spoiler 102 kürzere Längen 126 definieren. Zum Beispiel können in einer speziellen Ausführungsform des vorliegenden Erfindungsgegenstandes die Spoiler 102 eine Länge definieren, die geringer ist als 5 Meter (m), z. B. geringer als 3 m oder geringer als 2 m und alle dazwischenliegenden Teilreichweiten.
  • [0036]
    Ferner kann in einigen Ausführungsformen jeder Spoiler 102 im Allgemeinen als dünnes Blech gestaltet sein. Zum Beispiel kann, wie in der dargestellten Ausführungsform dargestellt, jeder Spoiler 102 ein blechförmiges Element mit einer im Wesentlichen rechteckigen Querschnittsform umfassen. Allerdings sollte anerkannt werden, dass in alternativen Ausführungsformen die Spoiler 102 im Allgemeinen jede andere geeignete Form definieren können, die erlaubt, dass die Spoiler 102 die Luftströmung über der Außenfläche 122 der Hülle 108 unterbrechen. Zum Beispiel können die Spoiler eine dreieckige, gekrümmte (z. B. halbelliptische oder halbkreisförmige), eine L-Form und/oder jede andere geeignete Form aufweisen.
  • [0037]
    Darüber hinaus kann in noch weiteren Ausführungsformen jeder Spoiler 102 ein oder mehrere Luftströmungsmerkmale definieren, die ausgelegt sind, um die Teilung der Luft von der Außenfläche 122 der Hülle 108 zu verbessern. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform der Spoiler 102 als Wellblech gestaltet sein. Somit kann, wie speziell in 13 dargestellt, der Spoiler 102 im Allgemeinen über seine Länge ein Zickzackmuster definieren. Eine derartige gewellte Form kann im Allgemeinen dazu dienen, die Strömungsteilung zu erhöhen, wenn sich die Luft entlang der Außenfläche 122 der Hülle 108 bewegt und die Spoiler 102 berührt. Allerdings kann in alternativen Ausführungsformen der Spoiler 102 jedes andere geeignete Luftströmungsmerkmal enthalten, z. B. indem Kanten, winklige Merkmale, Öffnungen und dergleichen definiert werden.
  • [0038]
    Mit speziellem Bezug auf 4 und 5 kann jeder Spoiler 102 ein Basisende 128 enthalten, das mit einem im Rotorblatt 100 angeordneten Steuerelement 130 gekoppelt ist. Im Allgemeinen kann das Steuerelement 130 ausgelegt sein, um den Spoiler 102 zwischen der gesteuerten Position (24) und der zurückgesetzten Position (5) zu verschieben. Demzufolge sollte anerkannt werden, dass das Steuerelement 130 im Allgemeinen jede geeignete Vorrichtung umfassen kann, die in der Lage ist, den Spoiler 102 in Bezug zur Hülle 108 zu bewegen. Zum Beispiel kann in einigen Ausführungsformen das Steuerelement 130 eine Vorrichtung zur Linearverschiebung umfassen, die dazu ausgelegt ist, den Spoiler 102 zwischen der gesteuerten und der zurückgesetzten Position linear zu verschieben. Im Kontext des vorliegenden Erfindungsgegenstandes bezieht sich der Begriff „linear verschieben” auf die Verschiebung eines Oberflächenmerkmals entlang einer geraden Linie. Daher kann das Steuerelement 130 in einer Ausführungsform einen hydraulischen, pneumatischen oder jede andere geeignete Zylinderform umfassen, die zum linearen Verschieben einer Kolbenstange 132 ausgelegt ist. Daher kann, wie in 4 und 5 dargestellt, das Basisende 128 des Spoilers 102 an der Kolbenstange 132 angebracht werden, sodass, wenn die Kolbenstange 132 gesteuert wird, der Spoiler 102 in Bezug auf die Hülle 108 linear verschoben wird. In anderen Ausführungsformen kann das Steuerelement 130 jede andere geeignete Vorrichtung zur Linearverschiebung umfassen, wie eine Zahnstange, eine Vorrichtung mit Schneckenantrieb, eine nockengesteuerte Vorrichtung, einen Elektromagnet-Solenoid oder -motor, andere elektromagnetisch gesteuerten Vorrichtungen, einen Scotch-Yoke-Mechanismus und/oder jede andere geeignete Vorrichtung.
  • [0039]
    Es sollte anerkannt werden, dass jede geeignete Zahl von Steuerelementen 130 dazu verwendet werden kann, jeden Spoiler 102 zwischen der gesteuerten und zurückgesetzten Position zu bewegen. Zum Beispiel können in einer Ausführungsform zwei oder mehr Steuerelemente 130 an das Basisende 128 eines jeden Spoilers 102 an unterschiedlichen Positionen über die gesamte Länge 128 des Spoilers 102 gekoppelt werden. Allerdings kann in einer anderen Ausführungsform ein einzelnes Steuerelement 130 eingesetzt werden, um den Spoiler 102 zu bewegen. Es sollte auch anerkannt werden, dass, auch wenn das Steuerelement 130 und der Spoiler 102 als im Wesentlichen senkrecht zur Außenfläche 122 der Hülle 108 ausgerichtet dargestellt sind, das Steuerelement 130 und der Spoiler 102 im Allgemeinen so ausgelegt sind, dass sie jede geeignete Ausrichtung bezüglich der Hülle 108 aufweisen können.
  • [0040]
    Des Weiteren kann sich jeder Spoiler im Allgemeinen von seinem Basisende 128 zu einem dem Basisende 128 gegenüberliegenden Spitzenende 134 erstrecken. Das Spitzenende 134 kann im Allgemeinen die Oberseite und/oder den äußersten Punkt des Spoilers 102 definieren. Wenn der Spoiler 102 in die gesteuerte Position bewegt wird, kann eine Höhe 136 zwischen dem Spitzenende 134 und der Außenfläche 122 definiert werden. Es sollte anerkannt werden, dass das Steuerelement 130 im Allgemeinen ausgelegt ist, um das Spitzenende 134 in eine beliebige geeignete Höhe 136 über der Außenfläche 122 zu steuern. Allerdings kann in einigen Ausführungsformen des vorliegenden Erfindungsgegenstandes die Höhe 136 von ungefähr 0,05% bis ungefähr 1,5% der entsprechenden Flügeltiefe 120 reichen, die an der speziellen spannweitigen Position des Spoilers 102 definiert ist, z. B. von ungefähr 0,1% bis ungefähr 0,3% der entsprechenden Flügeltiefe 120 oder von ungefähr 0,5% bis ungefähr 1,2% der entsprechenden Flügeltiefe 120 und allen dazwischenliegenden Teilreichweiten. Daher können in einigen Ausführungsformen die Reichweiten der Höhe 136 im Allgemeinen zunehmen, wenn der Spoiler 102 näher an der Blattwurzel 104 positioniert wird und im Allgemeinen abnehmen, wenn der Spoiler 102 näher an der Blattspitze 106 positioniert wird. In anderen Ausführungsformen sollte anerkannt werden, dass die Höhe 136 geringer sein kann als 0,05% der entsprechenden an der speziellen spannweitigen Position des Spoilers 102 definierten Flügeltiefe 120 oder größer sein kann als 1,5% der entsprechenden Flügeltiefe 120.
  • [0041]
    Es sollte auch anerkannt werden, dass die Höhe 136, bis zu der das Spitzenende 134 eines jeden Spoilers 102 gesteuert werden kann, nicht festgelegt sein braucht. So kann das Steuerelement 130 beispielsweise dazu ausgelegt sein, die Spoiler 102 je nach den auf das Rotorblatt 100 wirkenden Belastungen in unterschiedliche Höhen 136 zu steuern. Im Besonderen kann je nach Größenordnung der Blattbelastung (z. B. die Menge an durch das Rotorblatt 100 erzeugtem Auftrieb) das Steuerelement 130 ausgelegt sein, die Spoiler 102 in eine spezielle Höhe 136 zu steuern, die ausgebildet ist, um die Luftströmung von der Hülle 108 zu teilen, um die gewünschte Reduktion der Belastung zu erreichen.
  • [0042]
    Des Weiteren kann in einigen Ausführungsformen des vorliegenden Erfindungsgegenstandes das Spitzenende 134 eines jeden Spoilers 102 dazu ausgelegt sein, im Allgemeinen mit der Außenfläche 122 der Hülle 108 bündig abzuschließen, wenn der Spoiler 102 in die zurückgesetzte Position bewegt wird. In derartigen Ausführungsformen sollte anerkannt werden, dass das Spitzenende 134 eines jeden Spoilers 102 ausgelegt werden kann, um ein aerodynamisches Profil zu definieren, welches im Allgemeinen dem aerodynamischen Profil der Außenfläche 122 der Hülle 108 in der an den Spoiler 102 grenzenden Fläche entspricht. Wenn zum Beispiel, wie in 5 dargestellt, sich der Spoiler 102 in der zurückgesetzten Position befindet, kann im Allgemeinen das Spitzenende 134 im Wesentlichen bündig mit der Außenfläche 122 der Hülle 108 positioniert sein. So kann ein im Allgemeinen ebenes und stufenloses aerodynamisches Profil zwischen der Außenfläche 122 und dem Spoiler 102 definiert werden.
  • [0043]
    Mit Bezug auf 6 und 7 werden partielle Querschnittsansichten einer anderen Ausführungsform eines Rotorblattes 200 mit einem daran angeordneten steuerbaren Spoiler 202 gemäß den Aspekten des vorliegenden Erfindungsgegenstandes dargestellt. Im Allgemeinen kann das Rotorblatt 200 genauso oder ähnlich wie das zuvor mit Bezug auf 25 beschriebene Rotorblatt 100 ausgelegt sein. Daher kann das Rotorblatt 200 eine Hülle 208 umfassen, die eine Außenfläche 222 sowie eine Druckseite 110 und eine Saugseite 112 aufweist, welche sich zwischen der Stirnkante und der Endkante 114, 116 (3) erstreckt. Des Weiteren können der dargestellte Spoiler 202 und das Steuerelement 230 im Allgemeinen genauso oder ähnlich wie der zuvor mit Bezug auf 25 beschriebene Spoiler 102 und das Steuerelement 130 ausgelegt sein. Daher kann sich der Spoiler im Allgemeinen zwischen einem mit dem Steuerelement 230 gekoppelten Basisende 228 und einem die Oberseite und/oder den äußersten Punkt des Spoilers 202 definierenden Spitzenende 234 erstrecken. Des Weiteren kann das Steuerelement 230 dazu ausgelegt sein, den Spoiler 202 zwischen einer gesteuerten Position (6) und einer zurückgesetzten Position (7) zu bewegen, z. B. durch Linearverschiebung des Spoilers 202 zwischen der gesteuerten und der zurückgesetzten Position.
  • [0044]
    Allerdings kann der Spoiler 202, anders als in den zuvor beschriebenen Ausführungsformen, ausgelegt sein, um vollständig in die Hülle 208 zurückgesetzt zu werden, wenn der Spoiler 202 in die zurückgesetzte Position bewegt wird. Wie zum Beispiel in 7 dargestellt, kann eine Lücke 238 zwischen dem Spitzenende 234 des Spoilers 202 und der Innenseite 240 der Hülle 208 definiert sein, wenn sich der Spoiler 202 in der zurückgesetzten Position befindet. In einer derartigen Ausführungsform kann das Rotorblatt 200 im Allgemeinen ein Verschlusselement 244 enthalten, welches dazu ausgelegt ist, die in der Hülle 208 definierte Öffnung 242, durch welche der Spoiler 202 gesteuert wird, zu schließen, abzudecken und/oder zu füllen.
  • [0045]
    Daher kann in einigen Ausführungsformen das Verschlusselement 244 eine Klappe 246 umfassen, welche schwenkbar an der Hülle 208 in einer an die Öffnung 242 grenzenden Fläche angebracht ist. Die Klappe 246 kann zum Beispiel, wie in der dargestellten Ausführungsform gezeigt, mit Hilfe eines Gelenks 248, welches zwischen der Klappe 246 und der Hülle 208 angeordnet ist, schwenkbar an der Hülle 208 angebracht sein. So kann die Klappe 246 zwischen einer geöffneten und einer geschlossenen Position schwenken, wenn der Spoiler 202 gesteuert wird. Insbesondere kann, wie in 6 dargestellt, die Klappe 246 dazu ausgelegt sein, aufwärts und von der Öffnung 242 weg zu schwenken, wenn der Spoiler 202 in die gesteuerte Position bewegt wird. Gleichermaßen kann, wie in 7 dargestellt, die Klappe 246 dazu ausgelegt sein, abwärts und zur Öffnung 242 hin zu schwenken, wenn der Spoiler 202 in die zurückgesetzte Position bewegt wird. Des Weiteren kann in einigen Ausführungsformen zum Sicherstellen, dass die Klappe 246 in der geschlossenen Position bleibt, wenn der Spoiler 202 in die zurückgesetzte Position bewegt wird, das Gelenk 248 einen Vorspannmechanismus enthalten, der dazu ausgelegt ist, die Klappe 246 in Richtung Öffnung 242 vorzuspannen. Zum Beispiel kann das Gelenk 248 als gefedertes Gelenk ausgelegt sein oder jedes beliebige Gelenk umfassen, welches dazu ausgelegt ist, eine Vorspannkraft gegen die Klappe 246 bereitzustellen.
  • [0046]
    Darüber hinaus kann die Außenfläche 250 der Klappe 246 im Allgemeinen dazu ausgelegt sein, eine aerodynamische Oberfläche bzw. ein aerodynamisches Profil zu definieren, welches dem aerodynamischen Profil der Außenfläche 222 der Hülle 208 in der an die Öffnung 242 grenzenden Fläche entspricht. Zum Beispiel kann, wie in 7 dargestellt, die Außenfläche 250 der Klappe 246, wenn die Klappe 246 in die geschlossene Position schwenkt, im Allgemeinen bündig mit der Außenfläche 222 der Hülle 208 positioniert sein. So kann ein im Allgemeinen ebenes und stufenloses aerodynamisches Profil zwischen der Hülle 208 und der Klappe 246 definiert werden. Des Weiteren können, wie in der dargestellten Ausführungsform gezeigt, sowohl die Hülle 208 als auch die Klappe 246 im Allgemeinen entsprechende konisch zulaufende Kanten 252 definieren. Daher können, wenn die Klappe 246 in die geschlossene Position schwenkt, die konisch zulaufenden Kanten 252 der Klappe 246 und die Hülle 202 so ausgerichtet werden, dass ein ebener aerodynamischer Übergang über der Außenfläche 222 des Rotorblattes 200 gewährleistet wird.
  • [0047]
    Es sollte auch anerkannt werden, dass alternativ zu den mit Bezug auf 27 beschriebenen Spoilern 102, 202 jedes andere geeignete Oberflächenmerkmal mit den offenbarten Steuerelementen 130, 230 gekoppelt werden kann, um sicherzustellen, dass ein derartiges Oberflächenmerkmal aus dem Innern des Rotorblattes 100, 200 in eine Position an oder oberhalb der Außenfläche 122, 222 der Hülle 108, 208 linear verschoben werden kann. Zum Beispiel kann in einer alternativen Ausführungsform ein Vortexgenerator, z. B. der nachstehend mit Bezug auf 812 beschriebene Vortexgenerator, mit den Steuerelementen 130, 230 gekoppelt werden, um zu ermöglichen, dass der Vortexgenerator die Luftströmung über der Außenfläche 122, 222 des Rotorblattes 100, 200 erhöhen kann.
  • [0048]
    Mit Bezug auf 812 wird eine Ausführungsform eines Rotorblattes 300 mit einer darin eingebauten steuerbaren Oberflächenmerkmalsanordnung 360 (nachstehend als „Anordnung 360” bzw. „steuerbare Anordnung 360” bezeichnet) gemäß den Aspekten des vorliegenden Erfindungsgegenstandes dargestellt. Im Besonderen stellt 8 eine Querschnittsansicht der steuerbaren Anordnung 360 in einer zurückgesetzten Position im Innern des Rotorblattes 300 dar. 911 stellen partielle Querschnittsansichten der steuerbaren Anordnung 360 in gesteuerten Positionen dar, die speziell die verschiedenen Oberflächenmerkmale 362, 364, 366 der Anordnung 360 zeigen. Des Weiteren stellt 12 eine perspektivische Ansicht der in 811 gezeigten steuerbaren Anordnung 360 dar.
  • [0049]
    Im Allgemeinen kann das Rotorblatt 300 genauso oder ähnlich wie die zuvor mit Bezug auf 27 beschriebenen Rotorblätter 100 ausgelegt sein. Daher kann das Rotorblatt 300 eine Hülle 308 mit einer Außenfläche 322 umfassen. Des Weiteren kann die Hülle 308 im Allgemeinen eine Druckseite 310 und eine sich zwischen der Stirnkante und der Endkante 314, 316 erstreckende Saugseite 312 definieren.
  • [0050]
    Darüber hinaus kann, wie dargestellt, das Rotorblatt 300 auch eine steuerbare Anordnung 360 mit einer Vielzahl von Oberflächenmerkmalen 362, 364, 366 umfassen, welche sich von einer Basis 368 nach außen erstrecken. Jedes Oberflächenmerkmal 362, 364, 366 kann im Allgemeinen dazu ausgelegt sein, dem Rotorblatt 300 eine andere Oberflächenbeschaffenheit zu verleihen. Zum Beispiel können ein oder mehrere der Oberflächenmerkmale 362, 364, 366 dazu ausgelegt sein, die Luftströmung über der Außenfläche 322 der Hülle 308 zu erhöhen oder zu unterbrechen. Des Weiteren kann die Basis 368 der steuerbaren Anordnung 360 im Allgemeinen dazu ausgelegt sein, selektiv gesteuert zu werden, sowohl linear als auch rotierend, um die Oberflächenmerkmale 362, 364, 366 in Bezug zur Hülle 308 zu verschieben und die Oberflächenmerkmale 362, 364, 366 an einer in der Hülle 308 definierten Öffnung 342 auszurichten. Im Besonderen kann die Basis 368 zum linearen Steuern ausgelegt sein, um die Anordnung 360 zwischen einer zurückgesetzten Position (8), in der die gesamte Anordnung 360 ins Innere der Hülle 308 zurückgesetzt wird, und einer gesteuerten Position (911), in der eines der Oberflächenmerkmale 362, 364, 366 der Anordnung 360 in der Öffnung 342 aufgenommen wird, zu bewegen. Des Weiteren kann, wenn sich die steuerbare Anordnung 360 in der zurückgesetzten Position befindet, die Basis 368 zum Rotieren ausgelegt sein, um die Ausrichtung der Oberflächenmerkmale 362, 364, 366 in Bezug zur Öffnung 342 einzustellen. Die Basis 368 kann speziell rotiert werden, um zu variieren, welches der Oberflächenmerkmale 362, 364, 366 in der Öffnung 342 aufgenommen wird, wenn die Anordnung 360 in die gesteuerte Position bewegt wird. So kann die steuerbare Anordnung 360 im Allgemeinen ein Mittel zum selektiven Verändern der Oberflächenbeschaffenheit des Rotorblattes 300 bereitstellen.
  • [0051]
    Es sollte leicht erkennbar sein, dass die offenbarte Anordnung 360 im Allgemeinen jedes geeignete in der Technik bekannte Oberflächenmerkmal 362, 364, 366 umfassen kann. In der dargestellten Ausführungsform kann die steuerbare Anordnung 360 zum Beispiel einen Spoiler 362, einen Vortexgenerator 364 oder ein Außenhautsegment 366 umfassen, welche entlang des Außenumfangs der Basis 368 beabstandet sind. Allerdings kann die steuerbare Anordnung 360 in anderen Ausführungsformen jede andere geeignete Kombination und/oder Anzahl an Oberflächenmerkmalen 362, 364, 366 umfassen. Zum Beispiel kann die Anordnung 360 zwei oder mehr Spoiler 362 verschiedener Bauweisen, zwei oder mehr Vortexgeneratoren 364 verschiedener Bauweisen und/oder jede andere geeignete Kombination von Oberflächenmerkmalen 362, 364, 366 umfassen.
  • [0052]
    Im Allgemeinen kann jedes Oberflächenmerkmal 362, 364, 366 so ausgelegt werden, dass es sich von der Basis 368 nach außen erstreckt, sodass, wenn die steuerbare Anordnung 360 in die gesteuerte Position bewegt wird, das Oberflächenmerkmal 362, 364, 366, welches in der Öffnung 342 aufgenommen wird, eine andere Wirkung auf die entlang der Außenfläche 322 der Hülle 308 strömende Luft haben kann. Zum Beispiel kann in der dargestellten Ausführungsform der Spoiler 362 dazu ausgelegt sein, die Luftströmung zu unterbrechen oder anderweitig von der Außenfläche 322 zu teilen, während der Vortexgenerator 364 dazu ausgelegt sein kann, die Teilung der Luftströmung von der Außenfläche 322 zu verzögern. Gleichermaßen kann das Außenhautsegment 366 dazu ausgelegt sein, ein im Allgemeinen ebenes und stufenloses aerodynamisches Profil über der Außenfläche 322 zu erzeugen. Daher sollte anerkannt werden, dass das zur Aufnahme in die Öffnung 342 gewählte spezielle Oberflächenmerkmal 362, 364, 366 im Allgemeinen von der gewünschten aerodynamischen Leistung des Blattes 300 und/oder den Betriebsbedingungen der Windkraftanlage 10 (z. B. Windgeschwindigkeiten und Blattbelastung) abhängt. Zum Beispiel wird, wie in 8 dargestellt, die steuerbare Anordnung 360 im Allgemeinen im Innern des Rotorblattes 300 so ausgerichtet, dass das Außenhautsegment 366 an der Öffnung 342 ausgerichtet ist. Wenn die Anordnung 360 in die gesteuerte Position (9) bewegt wird, kann das Außenhautsegment 366 in der Öffnung 242 aufgenommen werden, um das Rotorblatt 300 mit einer stufenlosen aerodynamischen Oberfläche für die über die Hülle 308 strömende Luft zu versehen. Allerdings kann es in anderen Fällen wünschenswert sein, die Luftströmung über der Außenfläche 322 der Hülle 308 zu unterbrechen oder zu erhöhen. In derartigen Fällen kann die steuerbare Anordnung 360 in die zurückgesetzte Position bewegt werden, damit der Spoiler 362 oder der Vortexgenerator 264 durch Rotieren der Basis 368 an der Öffnung 342 ausgerichtet werden können. Sobald der Spoiler 362 oder der Vortexgenerator 364 in Bezug auf die Öffnung 342 korrekt ausgerichtet ist, kann die Anordnung 360 in die gesteuerte Position (10 und 11) zurückbewegt werden.
  • [0053]
    Es sollte anerkannt werden, dass die in der Hülle 308 definierte Öffnung im Allgemeinen jede geeignete Beschaffenheit aufweisen kann, welche es ermöglicht, dass die Oberflächenmerkmale 362, 364, 366 in Bezug auf die Außenfläche 322 richtig positioniert werden können. In der dargestellten Ausführungsform können die Abmessungen der Öffnung 342 (z. B. Breite und Länge) beispielsweise so gewählt werden, dass mindestens ein Abschnitt des Spoilers 362, des Vortexgenerators 364 und des Außenhautsegments 366 in der Öffnung 342 aufgenommen werden kann. Des Weiteren kann die Öffnung 343, wie dargestellt, konisch zulaufende Kanten 370 umfassen, welche den von jedem Oberflächenmerkmal 362, 364, 366 definierten konisch zulaufenden Kanten 372 entsprechen. Derartige konisch zulaufende Kanten 370, 372 können im Allgemeinen die richtige Ausrichtung der Oberflächenmerkmale 362, 364, 366 in der Öffnung 342 gewährleisten und können auch alle Lücken beseitigen, die zwischen der Hülle 308 und den Oberflächenmerkmalen 362, 364, 366 gebildet werden, wenn die Anordnung 360 in die gesteuerte Position bewegt wird.
  • [0054]
    Es sollte ebenfalls anerkannt werden, dass der Spoiler 362 der offenbarten Anordnung 360 im Allgemeinen genauso oder ähnlich wie die zuvor mit Bezug auf 27 beschriebenen Spoiler 102, 202 ausgelegt sein kann. Daher kann der Spoiler 362 im Allgemeinen jede geeignete Form aufweisen, die es ermöglicht, die Luftströmung über der Außenfläche 322 der Hülle 308 zu unterbrechen. In der dargestellten Ausführungsform weist der Spoiler 362 beispielsweise einen im Wesentlichen dreieckigen Querschnitt auf. Allerdings kann der Spoiler 362 in alternativen Ausführungsformen verschiedene andere geeignete Querschnittsformen aufweisen, z. B. eine rechteckige, eine gekrümmte (z. B. halbelliptische oder halbkreisförmige) oder eine L-Form. Der Spoiler 362 kann auch ein oder mehrere Luftströmungsmerkmale definieren. Zum Beispiel kann der Spoiler 362 eine gewellte Form ähnlich dem in 13 dargestellten Spoiler 102 definieren. Des Weiteren kann der Spoiler 362 im Allgemeinen jede geeignete Länge 326 entlang des Rotorblattes 300 und jede geeignete Höhe 336 zwischen seinem Spitzenende 334 und der Außenfläche 322 der Hülle 308 definieren, wenn der Spoiler 362 in der Öffnung 342 aufgenommen wird. Zum Beispiel kann in einigen Ausführungsformen des vorliegenden Erfindungsgegenstandes die Höhe 336 von ungefähr 0,05% bis ungefähr 1,5% der entsprechenden an der speziellen spannweitigen Position der Basis 368 definierten Flügeltiefe 320 reichen, z. B. von ungefähr 0,1% bis ungefähr 0,3% der entsprechenden Flügeltiefe 320 oder von ungefähr 0,5% bis ungefähr 1,2% der entsprechenden Flügeltiefe 320 und allen dazwischenliegenden Teilreichweiten.
  • [0055]
    Des Weiteren kann, wie in 10 und 12 dargestellt, der Vortexgenerator 364 der steuerbaren Anordnung 360 im Allgemeinen jede geeignete Form aufweisen, die es einem derartigen Oberflächenmerkmal 364 ermöglicht, die Trennung der über das Rotorblatt 300 strömenden Luft zu verzögern. Daher kann in einigen Ausführungsformen der Vortexgenerator 364 eine Vielzahl von Schaufeln, Erhebungen, Kanten und/oder anderen geeigneten Oberflächenvorsprüngen umfassen, die dazu ausgelegt sind, einen Wirbel in der entlang der Außenfläche 322 strömenden Luft zu erzeugen. Wie allgemein bekannt, können die von einem Vortexgenerator 364 erzeugten Wirbel den Vorwärtsschwung der Luftströmung erhöhen, wodurch die Luft angeregt wird, an der Außenfläche 322 der Hülle 308 zu verbleiben. Zum Beispiel kann, wie insbesondere in 12 dargestellt, der Vortexgenerator 364 eine Vielzahl von Schaufeln 374 enthalten, die entlang eines sich von der Basis 368 nach außen erstreckenden Stützelementes 376 beabstandet sind. Jede Schaufel 374 kann im Allgemeinen in Bezug auf die Richtung der Luftströmung winklig ausgelegt sein, sodass die Wirbelungen an den luftseitigen Enden 378 jeder Schaufel 374 erzeugt werden können. Des Weiteren kann die Oberseite 380 des Stützelementes 376 im Allgemeinen ein aerodynamisches Profil definieren, welches dem aerodynamischen Profil der Außenfläche 322 der Hülle 308 entspricht. So kann eine im Wesentlichen ebene und stufenlose aerodynamische Oberfläche auf dem Rotorblatt 300 an den Positionen des Vortexgenerators 364 definiert werden, die keine Schaufeln 374 enthalten.
  • [0056]
    Ferner kann sich, wie in 9 dargestellt, das Außenhautsegment 366 der steuerbaren Anordnung 360 im Allgemeinen von der Basis 368 nach außen erstrecken, um eine Oberfläche 382 mit aerodynamischem Profil zu definieren. Das aerodynamische Profil der Oberfläche 382 kann im Allgemeinen dazu ausgelegt sein, dem aerodynamischen Profil der Außenfläche 322 der Hülle 308 in der an die Öffnung 342 grenzenden Fläche zu entsprechen. So kann das Rotorblatt 300 im Allgemeinen ein wesentlich stufenloses aerodynamisches Profil zwischen der Außenfläche 322 und dem Außenhautsegment 366 definieren. Es sollte anerkannt werden, dass in alternativen Ausführungsformen die offenbarte Anordnung 360 kein Außenhautsegment 366 enthalten muss. In derartigen Ausführungsformen kann ein Verschlusselement, ähnlich der zuvor mit Bezug auf 6 und 7 beschriebenen Klappe 246, verwendet werden, um eine aerodynamische Oberfläche über dem Rotorblatt 300 bereitzustellen, wenn sich die Anordnung 360 in der zurückgesetzten Position befindet.
  • [0057]
    Es sollte auch anerkannt werden, dass die Basis 368 der steuerbaren Anordnung 360 im Allgemeinen jede geeignete Form und/oder Konfiguration aufweisen kann, die es ermöglicht, dass die Oberflächenmerkmale 362, 364, 366 darauf gestützt werden können. In der dargestellten Ausführungsform weist die Basis 368 beispielsweise eine im Wesentlichen kreisförmige Querschnittsform auf. Allerdings kann die Basis 368 in anderen Ausführungsformen eine dreieckige Querschnittsform, eine rechteckige Querschnittsform oder eine andere geeignete Form aufweisen. Des Weiteren sollte anerkannt werden, dass die Oberflächenmerkmale 362, 364, 366 integral mit der Basis 368 (z. B. mithilfe eines Formgebungsverfahrens) gebildet werden können, oder die Oberflächenmerkmale 362, 364, 366 so ausgelegt sind, dass sie einzeln an der Basis 368 angebracht werden können, z. B. durch Anbringen der Oberflächenmerkmale 362, 364, 366 an der Basis 368 mithilfe mechanischer Befestigungsmittel (z. B. Schrauben, Bolzen, Nieten, Stiften, Clips und dergleichen), Klebemitteln und/oder jedem anderen geeigneten Befestigungsmittel und/oder Verfahren (z. B. Schweißen).
  • [0058]
    Mit weiterem Bezug auf 812 kann die Anordnung 360 im Allgemeinen mit einem im Innern des Rotorblattes 300 angeordneten Steuerelement 384 gekoppelt sein, um zu ermöglichen, dass die steuerbare Anordnung 360 im Innern der Hülle 308 gesteuert werden kann. Im Allgemeinen kann das Steuerelement 384 jede geeignete Vorrichtung und/oder Kombination aus Vorrichtungen umfassen, welche die Basis 368 sowohl linear als auch rotiert in Bezug zur Öffnung 342 steuern kann. Daher kann das Steuerelement 384 in einigen Ausführungsformen eine Kombination aus einer Vorrichtung zur Linearverschiebung und einer Vorrichtung zur Rotationsverschiebung umfassen. Zum Beispiel kann das Steuerelement 384, wie in 8 dargestellt, einen Zylinder 386 (z. B. einen hydraulischen oder pneumatischen Zylinder) und einen mit einer Kolbenstange 388 des Zylinders 386 gekoppelten Motor 390 umfassen. Der Motor 390 kann wiederum rotierbar an der steuerbaren Anordnung 360 angebracht sein, z. B. indem er über eine sich durch die Basis 368 erstreckende Welle 392 an der Anordnung 360 angebracht ist. Demzufolge können, wenn die Kolbenstange 388 gesteuert wird, sowohl der Motor 390 als auch die Anordnung 360 zwischen der zurückgesetzten Position und der gesteuerten Position linear verschoben werden, um zu ermöglichen, dass die Oberflächenmerkmale 362, 364, 366 in der Öffnung 342 aufgenommen und aus ihr entfernt werden können. Gleichermaßen kann, wenn sich die Anordnung 360 in der zurückgesetzten Position befindet, die Basis 368 durch den Motor 390 rotiert werden, um eines der Oberflächenmerkmale 362, 364, 366 richtig an der Öffnung 342 auszurichten.
  • [0059]
    Es sollte anerkannt werden, dass das offenbarte Steuerelement 384 in alternativen Ausführungsformen jede andere geeignete Vorrichtung und/oder Kombination aus in der Technik bekannten Vorrichtungen umfassen kann. Gleichermaßen können andere geeignete Vorrichtungen zur Linearverschiebung eine Zahnstange, eine Vorrichtung mit Schneckenantrieb, eine nockengesteuerte Vorrichtung, einen Elektromagnet-Solenoid oder -motor, andere elektromagnetisch gesteuerten Vorrichtungen und/oder einen Scotch-Yoke-Mechanismus umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt. Gleichermaßen können andere geeignete Vorrichtungen zur Rotationsverschiebung, zahnradbetriebene Vorrichtungen, Riemenradanordnungen und dergleichen umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt. Es sollte ebenfalls anerkannt werden, dass jede geeignete Anzahl an Steuerelementen 384 mit der steuerbaren Anordnung 360 gekoppelt werden kann. Zum Beispiel kann, wie insbesondere in 12 dargestellt, ein Steuerelement 360 mit jedem Ende der Anordnung 360 gekoppelt werden, z. B. durch Koppeln des Motors 390 jedes Steuerelements 384 mit der sich durch die Basis 368 erstreckenden Welle 392.
  • [0060]
    Des Weiteren sollte anerkannt werden, dass das Rotorblatt 300 im Allgemeinen jede beliebige Anzahl an steuerbaren Anordnungen 360 enthalten kann. Zum Beispiel können, ähnlich der in 2 dargestellten Ausführungsform, drei steuerbare Anordnungen 360 im Innern des Rotorblattes 300 in spannweitiger Richtung beabstandet sein, um zu ermöglichen, dass die Oberflächenbeschaffenheit des Blattes 300 an verschiedenen Positionen entlang seiner Spannweite 118 (2) variiert werden kann. Darüber hinaus kann jede Anordnung 360 im Allgemeinen an jeder geeigneten Position entlang des Rotorblattes 300 angeordnet sein, z. B. indem es sich auf der Druckseite 310 oder der Saugseite 312 des Blattes 300 befindet. Des Weiteren kann jede Anordnung 360 an jeder geeigneten Position entlang der Spannweite 118 (2) des Rotorblattes 300 und an jeder geeigneten Position entlang der Flügeltiefe 320 des Blattes angeordnet sein. Zum Beispiel kann, wie in 8 dargestellt, jede Anordnung 360 entlang der Flügeltiefe 320 in jedem geeigneten Abstand 394 von der Stirnkante 314 der Hülle 308 positioniert sein, z. B. positioniert in einem Abstand 394 von der Stirnkante 314, der von ungefähr 5% bis ungefähr 30% der entsprechenden an der speziellen spannweitigen Position der Basis 368 definierten Flügeltiefe 320 reicht, z. B. von ungefähr 10% bis ungefähr 20% der entsprechenden Flügeltiefe 320 oder von ungefähr 15 bis ungefähr 25% der entsprechenden Flügeltiefe 320 und allen dazwischenliegenden Teilreichweiten. Allerdings sollte in anderen Ausführungsformen anerkannt werden, dass die steuerbare Anordnung 360 in einem Abstand 394 von der Stirnkante 314 beabstandet ist, der geringer ist als 5% der Länge der entsprechenden an der speziellen spannweitigen Position der Anordnung 360 definierten Flügeltiefe 320 oder größer ist als 30% der Länge der entsprechenden Flügeltiefe 320.
  • [0061]
    Ferner sollte anerkannt werden, dass, wenn die offenbarten Rotorblätter 100, 200, 300 mehr als einen steuerbaren Spoiler 102, 202 und/oder mehr als eine steuerbare Anordnung 360 enthalten, die mit den Spoilern 102, 202 und/oder Anordnungen 360 gekoppelten Steuerelemente 130, 230 einzeln oder in Gruppen geregelt werden können. Zum Beispiel kann es wünschenswert sein, nur einen Teil der Spoiler 102, 202 und/oder der im Innern des Rotorblattes 100, 200, 300 angeordneten Anordnungen 360 zu steuern, um die Menge des vom Blatt 100, 200, 300 erzeugten Auftriebs präzise zu regeln. Gleichermaßen kann es wünschenswert sein, die Spoiler 102, 202 und/oder Anordnungen 360 je nach der spannweitigen Position eines jeden Spoilers 102, 202 und/oder einer jeden Anordnung 360 in unterschiedliche Höhen zu steuern. Es sollte ebenfalls anerkannt werden, dass jedes beliebige Mittel zum Regeln der Steuerelemente 130, 230, 384 verwendet werden kann. Zum Beispiel können die Steuerelemente 130, 230, 384 kommunikativ mit der Turbinenregeleinheit (nicht dargestellt) der Windkraftanlage 10 oder jeder anderen geeigneten Regeleinheit (z. B. einem Computer und/oder jeder anderen geeigneten Verarbeitungseinrichtung) gekoppelt werden, die zum Regeln des Betriebs der Steuerelemente 130, 230, 384 ausgelegt sind.
  • [0062]
    Des Weiteren können die offenbarten Rotorblätter 100, 200, 300 in einigen Ausführungsformen des vorliegenden Erfindungsgegenstandes alle geeigneten Mittel zum Bestimmen der Betriebsbedingungen der Blätter 100, 200, 300 und/oder der Windkraftanlage 10 (1) enthalten. Daher können in einer Ausführungsform ein oder mehrere Sensoren (nicht dargestellt), z. B. Belastungssensoren, Positionssensoren, Geschwindigkeitssensoren, Spannungssensoren und dergleichen an jeder geeigneten Stelle entlang des Rotorblattes 100, 200, 300 (z. B. an oder neben der Blattwurzel 104 (2)) angeordnet sein, wobei jeder Sensor zum Messen und/oder Bestimmen von einer oder mehreren Betriebsbedingungen des Rotorblattes 100, 200, 300 ausgelegt ist. Zum Beispiel können die Sensoren zum Messen der Windgeschwindigkeit, der an der Blattwurzel 104 auftretenden Belastung, der Verformung der Blattwurzel 104, der Rotationsgeschwindigkeit des Rotorblattes 100, 200, 300 und/oder allen anderen geeigneten Betriebsbedingungen ausgelegt sein. Die offenbarten Spoiler 102, 202 und/oder Anordnung(en) 360 können dann basierend auf den gemessenen/bestimmten Betriebsbedingungen gesteuert werden, um die Leistung des Rotorblattes 100, 200, 300 zu optimieren. Zum Beispiel können die Sensoren kommunikativ mit derselben Regeleinheit und/oder Regelvorrichtung gekoppelt werden wie die Steuerelemente 130, 230, 384, sodass die Spoiler 102, 202 und/oder Anordnungen 360 basierend auf der Ausgabe der Sensoren automatisch gesteuert werden können. Daher können in einer Ausführungsform, wenn die Ausgabe der Sensoren anzeigt, dass die Windgeschwindigkeit, Wurzelbelastung und/oder Wurzelverformung extrem hoch ist/sind, die offenbarten Spoiler 102, 202, 362 in die gesteuerte Position bewegt werden, um die Luftströmung vom Rotorblatt 100, 200, 300 zu teilen und die Belastung und/oder Verformung an der Blattwurzel 104 zu reduzieren. Gleichermaßen kann, wenn die Sensoren anzeigen, dass die Strömungsteilung auftritt oder wahrscheinlich auftreten wird, der offenbarte Vortexgenerator 364 in die gesteuerte Position bewegt werden, um die Strömungsteilung zu verhindern und die Leistung des Rotorblattes 300 zu erhöhen. Allerdings sollte anerkannt werden, dass in alternativen Ausführungsformen die offenbarten Oberflächenmerkmale 102, 202, 362, 364, 366 nicht basierend auf der(n) Ausgabe(n) eines Sensors geregelt werden brauchen. Zum Beispiel können die Oberflächenmerkmale 102, 202, 362, 364, 366 basierend auf vorbestimmten Betriebsbedingungen und/oder vorbestimmten Triggern, welche in der Regelungslogik der Turbinenregeleinheit oder anderen geeigneten Regelungsvorrichtungen programmiert sind, in die gesteuerte Position bewegt werden.
  • [0063]
    Diese Beschreibung verwendet Beispiele zur Offenbarung der Erfindung, einschließlich dem besten Verwendungsmodus, und zur Befähigung von Fachleuten, die Erfindung praktisch anzuwenden, einschließlich Herstellung und Verwendung aller Vorrichtungen oder Systeme und Ausführung aller enthaltenen Verfahren. Der patentierbare Anwendungsbereich der Erfindung wird von den Ansprüchen definiert und kann auch andere Beispiele umfassen, die Fachleuten einfallen. Derartige andere Beispiele werden als in den Anwendungsbereich der Ansprüche fallend erachtet, wenn sie Bestandteile enthalten, die sich nicht von dem direkten Wortlaut der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente Bestandteile mit unwesentlichen Unterschieden zum direkten Wortlaut der Ansprüche enthalten.
  • [0064]
    Es wird ein Rotorblatt 300 für eine Windkraftanlage 10 offenbart. Das Rotorblatt 300 kann im Allgemeinen eine Hülle 308 mit einer Druckseite 310 und einer Saugseite 312 umfassen. Die Hülle 308 kann eine Öffnung 342 in zumindest entweder der Druckseite oder der Saugseite 310, 312 definieren. Das Rotorblatt 300 kann ebenfalls eine Basis 368 und mindestens zwei entlang des Außenumfangs der Basis 368 beabstandeter Oberflächenmerkmale 362, 364, 366 umfassen. Die Basis 368 kann im Allgemeinen relativ zu der Öffnung 342 zwischen einer zurückgesetzten Position und einer gesteuerten Position bewegt werden. Des Weiteren kann die Basis 368 innerhalb der Hülle 308 rotiert werden, um einzustellen, welches der Oberflächenmerkmale 362, 364, 366 in der Öffnung 342 aufgenommen wird, wenn die Basis 368 in die gesteuerte Position bewegt wird.
  • Bezugszeichenliste
  • 10
    Windkraftanlage
    12
    Turm
    14
    Gondel
    16
    Rotorblätter
    18
    Rotornabe
    100, 200, 300
    Rotorblatt
    102, 202
    Spoiler
    104
    Blattwurzel
    106
    Blattspitze
    108, 208, 308
    Hülle
    110, 310
    Druckseite
    112, 312
    Saugseite
    114, 314
    Stirnkante
    116, 316
    Endkante
    118
    Spannweite
    120, 320
    Flügeltiefe
    122, 222, 322
    Außenfläche
    124
    Abstand
    126, 326
    Länge
    128, 228
    Basisende
    130, 230
    Steuerelement
    132
    Kolbenstange
    134, 234, 334
    Spitzenende
    136, 336
    Höhe
    238
    Lücke
    240
    Innenfläche
    242, 342
    Öffnung
    244
    Verschlusselement
    246
    Klappe
    248
    Gelenk
    250
    Außenfläche
    252
    Konisch zulaufende Kanten
    360
    Anordnung
    362
    Spoiler (Oberflächenmerkmal)
    364
    Vortexgenerator (Oberflächenmerkmal)
    366
    Außenhautsegment (Oberflächenmerkmal)
    368
    Basis
    370
    Konisch zulaufende Kanten
    374
    Schaufeln
    376
    Stützelement
    378
    Luftseitige Enden
    380
    Oberseite
    382
    Oberseite
    384
    Steuerelement
    386
    Zylinder
    388
    Motor
    390
    Kolbenstange
    392
    Welle
    394
    Abstand

Claims (15)

  1. Rotorblatt (300) für eine Windkraftanlage (10), wobei das Rotorblatt (300) umfasst: eine Hülle (308) mit einer Druckseite (310) und einer Saugseite (312), wobei die Hülle (308) eine Öffnung (342) in mindestens entweder der Druckseite (310) oder der Saugseite (312) definiert; eine Basis (368), die mindestens partiell im Innern der Hülle (308) angeordnet ist, wobei die Basis (368) in Bezug auf die Öffnung (342) zwischen einer zurückgesetzten Position und einer gesteuerten Position bewegt werden kann; und mindestens zwei Oberflächenmerkmale (362, 364, 366), die entlang des Außenumfangs der Basis (368) beabstandet sind, wobei die Basis (368) im Innern der Hülle (308) rotiert werden kann, um einzustellen, welches der mindestens zwei Oberflächenmerkmale (362, 364, 366) in der Öffnung (342) aufgenommen wird, wenn die Basis (368) in die gesteuerte Position bewegt wird.
  2. Rotorblatt (300) nach Anspruch 1, wobei eins der mindestens zwei Oberflächenmerkmale (362, 364, 366) einen Spoiler (362) umfasst.
  3. Rotorblatt (300) nach Anspruch 2, wobei der Spoiler (362) eine im Wesentlichen rechteckige Querschnittsform definiert.
  4. Rotorblatt (300) nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Spoiler (362) als Wellblech gestaltet ist.
  5. Rotorblatt (200) nach Anspruch 2, 3 oder 4, wobei eine Höhe (336) zwischen einem Spitzenende (334) des Spoilers (362) und einer Außenfläche (322) der Hülle (308) definiert ist, wenn der Spoiler (362) in der Öffnung (342) aufgenommen wird, wobei die Höhe (336) von ungefähr 0.05% bis ungefähr 1,5% der an einer spannweitigen Position der Basis (368) definierten Flügeltiefe (320) reicht.
  6. Rotorblatt (300) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eins der mindestens zwei Oberflächenmerkmale (362, 364, 366) einen Vortexgenerator (364) umfasst.
  7. Rotorblatt (300) nach Anspruch 6, wobei der Vortexgenerator (364) eine Vielzahl von winkligen Schaufeln (374) umfasst.
  8. Rotorblatt (300) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eins der mindestens zwei Oberflächenmerkmale (362, 364, 366) ein Außenhautsegment (366) umfasst, wobei das Außenhautsegment (366) ein aerodynamisches Profil definiert, welches im Allgemeinen einem aerodynamischen Profil einer Außenfläche (322) der Hülle (308) entspricht.
  9. Rotorblatt (300) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die mindestens zwei Oberflächenmerkmale (362, 364, 366) einen Spoiler (362), einen Vortexgenerator (364) und ein Außenhautsegment (366) umfassen, die entlang des Außenumfangs der Basis (368) beabstandet sind.
  10. Rotorblatt (300) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Basis (368) mit einem Abstand zur Stirnkante (314) der Hülle (308) angeordnet ist, der von ungefähr 5% bis ungefähr 30% der an einer spannweitigen Position der Basis (368) definierten Flügeltiefe (320) reicht.
  11. Rotorblatt (300) nach einem der vorstehenden Ansprüche, das ferner ein in der Hülle (308) angeordnetes Steuerelement (384) umfasst, wobei das Steuerelement (384) dazu ausgelegt ist, die Basis (368) zwischen der zurückgesetzten und der gesteuerten Position zu bewegen.
  12. Rotorblatt (300) nach Anspruch 11, wobei das Steuerelement (384) ferner dazu ausgelegt ist, die Basis (368) in der Hülle (308) zu rotieren, wenn sich die Basis (368) in der zurückgesetzten Position befindet.
  13. Rotorblatt (300) nach Anspruch 12, wobei das Steuerelement (384) eine Vorrichtung zur Linearverschiebung umfasst, die mit einer Vorrichtung zur Rotationsverschiebung gekoppelt ist.
  14. Windkraftanlage (10), umfassend: einen Turm (12); eine Gondel (14), die an der Spitze des Turmes (12) montiert ist; eine Rotornabe (18), die mit der Gondel (14) gekoppelt ist; und eine Vielzahl von Rotorblättern (300), die sich von der Rotornabe (18) nach außen erstrecken, wobei mindestens eins der Vielzahl von Rotorblättern (300) umfasst: eine Hülle (308) mit einer Druckseite (310) und einer Saugseite (312), wobei die Hülle (308) eine Öffnung (342) in mindestens entweder der Druckseite (310) oder der Saugseite (312) definiert; eine Basis (368), die mindestens partiell im Innern der Hülle (308) angeordnet ist, wobei die Basis (368) in Bezug auf die Öffnung (342) zwischen einer zurückgesetzten Position und einer gesteuerten Position bewegt werden kann; und mindestens zwei Oberflächenmerkmale (362, 364, 366), die entlang des Außenumfangs der Basis (368) beabstandet sind, wobei die Basis (368) im Innern der Hülle (308) rotiert werden kann, um einzustellen, welches der mindestens zwei Oberflächenmerkmale (362, 364, 366) in der Öffnung (342) aufgenommen wird, wenn die Basis (368) in die gesteuerte Position bewegt wird.
  15. Windkraftanlage (10) nach Anspruch 14, wobei die mindestens zwei Oberflächenmerkmale (362, 364, 366) einen Spoiler (362), einen Vortexgenerator (364) und ein Außenhautsegment (366) umfassen, die entlang des Außenumfangs der Basis (368) beabstandet sind.
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