DE102012100667A1

DE102012100667A1 - Windkraftanlagenflügel mit einem gehärteten Substrataufbau

Info

Publication number: DE102012100667A1
Application number: DE102012100667A
Authority: DE
Inventors: Peter James Fritz; Uli Ramm
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2011-01-28
Filing date: 2012-01-26
Publication date: 2012-08-09
Also published as: DK201270044A; DK178435B1; CN102619676A; US8425196B2; CN102619676B; US20110243751A1

Abstract

Ein Windkraftanlagenflügel (16) beinhaltet ein oberes Schalenteil (20) und ein unteres Schalenteil (22), die an der Stirnkante (24) und der Endkante (26) des Flügels durch ein Verbindungsmaterial (34) verbunden sind. Abschnitte des Verbindungsmaterials liegen nach außen frei. Das Verbindungsmaterial weist Oberflächeneigenschaften von mindestens einem von einem Shore-D-Härtewert von mehr als ungefähr 80 Durometer oder einer Youngschen Modulsteifheit von mehr als ungefähr 5 GPa auf. Eine Schutzbeschichtung (42) wird auf das obere und das untere Schalenteil und die freiliegenden Abschnitte des Verbindungsmaterials aufgetragen.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der Windkraftanlagen und speziell auf Windkraftanlagenflügel mit einer verbesserten Stirnkantenbauform.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Windkraftanlagenflügel bilden die Hauptelemente der Windkraftanlagen für die Umwandlung von Windenergie in elektrische Energie. Die Flügel weisen das Querschnittsprofil eines Flügels auf, sodass im Betrieb Luft über den Flügel strömt und einen Druckunterschied zwischen den Seiten erzeugt. Folglich wirkt eine Auftriebskraft auf den Flügel, welche von einer Druckseite in Richtung einer Saugseite gerichtet ist. Die Auftriebskraft erzeugt ein Drehmoment auf die Hauptrotorwelle, welche in einen Generator greift, um elektrischen Strom zu erzeugen.
Die Windkraftanlagenflügel bestehen typischerweise aus einem oberen (Saugseite) Schalenteil und einem unteren (Druckseite) Schalenteil, die an Verbindungslinien entlang der Endkante und der Stirnkante des Flügels miteinander verbunden sind. Die Verbindungslinien werden im Allgemeinen durch Aufbringen einer geeigneten Verbindungsmasse oder einem Verbundstoff entlang der Verbindungslinie zwischen den Schalenteilen gebildet. In einigen Fällen kann auch eine Verbindungskappe entlang der Stirnkante angebracht werden, und eine Verbindungsmasse oder ein Füllmaterial wird verwendet, um die Kappe mit den Schalenteilen zu verbinden. Typische Verbindungs- bzw. Haftmittel beinhalten Epoxide, Acryle, Polyester, Vinylester und Urethane.
Es ist gängige Praxis, ein oder mehrere Beschichtungen, zum Beispiel eine Beschichtung mit Farbe oder Gelcoat, auf die externen Substratflächen des Flügels aufzutragen. Diese Beschichtungen dienen dem Schutz des darunterliegenden Substrates und bilden eine reibungsarme Oberfläche für die über den Flügel strömende Luft und glätten Unebenheiten in der Oberfläche. Die Beschichtungen werden auf alle externen Oberflächen des Flügels aufgetragen, auch auf die freiliegenden Verbindungs- bzw. Verbundmaterialien.
Untersuchungen von Windkraftanlagenflügeln haben einen frühzeitigen Ausfall der Beschichtungen in den Flächen gezeigt, welche die freiliegenden Verbindungs- bzw. Verbundmaterialien überlagern, insbesondere entlang der Stirnkante der Flügel. Diese Sachlage führt zu beachtlichen Reparatur-/Wartungskosten und Ausfallzeiten der Windkraftanlage.
Demzufolge würde die Branche von einer verbesserten Windkraftanlagenflügelaufbau profitieren, die das Auftreten von frühzeitigen Beschichtungsausfällen, insbesondere entlang der Stirnkante des Windkraftanlagenflügels, reduziert.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Aspekte und Vorteile der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung dargestellt, aus der Beschreibung offensichtlich oder durch die praktische Anwendung der Erfindung erfahren.
Gemäß den Aspekten der Erfindung wird ein Windkraftanlagenflügel mit einem oberen Schalenteil und einem unteren Schalenteil bereitgestellt, die an der Stirnkante und der Endkante des Flügels durch ein Verbindungsmaterial verbunden sind. Abschnitte des Verbindungsmaterials liegen nach außen frei. Das Verbindungsmaterial weist kompressive Oberflächeneigenschaften von mindestens entweder einem Shore-D-Härtewert von mehr als ungefähr 80 Durometer oder eine Youngsche Modulsteifheit von mehr als ungefähr 5 GPa und wünschenswerterweise beide Eigenschaften auf. Mindestens eine Schutzbeschichtung wird auf das obere und das untere Schalenteil sowie auf die Stirnkante und die Endkante aufgetragen, einschließlich der nach außen freiliegenden Abschnitte des Verbindungsmaterials.
Als Verbindungsmaterial kann allgemein jedes einzelne Material oder jede Kombination aus Materialien in Betracht gezogen werden, die zur Verwendung als Verbindungsmaterial oder Füllmaterial in der Herstellung eines WWindkraftanlagenflügels geeignet ist und die gewünschten Härte- und/oder Steifheitswerte aufweist. In besonderen Ausführungsformen kann das Verbindungsmaterial jedes oder jede Kombination aus mit Füllstoffen verstärkten Duroplastharzen (wie z. B. ein gefülltes Phenolharz oder ein gefülltes Epoxidharz), ein Verbundstoff (z. B. ein Vinylesterepoxidverbundstoff, ein Glasfaserverbundstoff oder ein Kohlenstoffverbundstoff), eine Epoxidspachtelmasse etc. sein.
Die Schutzbeschichtung kann eine Schicht aus Gelcoat sein und ferner eine über dem Gelcoat aufgetragene Farbschicht umfassen.
In besonderen Ausführungsformen wird das die gewünschten Oberflächeneigenschaften aufweisende Verbindungsmaterial nur in ausgewählten Bereichen des Flügels verwendet. Zum Beispiel kann das Verbindungsmaterial nur entlang einer Stirnkantenverbindung zwischen dem oberen und dem unteren Schalenteil oder entlang der Endkantenverbindung aufgetragen werden.
In einer Ausführungsform beinhaltet die Stirnkantenverbindung eine Verbindungskappe, die an dem oberen und dem unteren Schalenteil über der Stirnkantenverbindung angebracht ist. Das Verbindungsmaterial kann verwendet werden, um die Verbindungskappe an die Schalenteile zu binden und einen Verbundbereich zwischen der Verbindungskappe und den Schalenteilen zu definieren. Die Verbindungskappe kann aus einem Material mit einem Shore-D-Härtewert von mehr als ungefähr 80 Durometer oder einer Youngschen Modulsteifheit von mehr als ungefähr 5 GPa gebildet sein.
In weiteren Ausführungsformen wird das Verbindungsmaterial auch als Füll- oder Verbundmaterial entweder auf dem oberen oder dem unteren Schalenteil verwendet, um zum Beispiel Oberflächenunebenheiten zu glätten, und es befindet sich unter der Schutzbeschichtung.
In anderen Aspekten umfasst die Erfindung ein Windkraftanlagenflügel mit einer externen Substratfläche, welche von einem oberen Schalenteil, einem unteren Schalenteil und freiliegenden Bereichen eines Verbindungsmaterials definiert wird. Auf die externe Substratfläche wird mindestens eine Schutzbeschichtung aufgetragen. Die unter der Schutzbeschichtung liegende externe Substratfläche weist Gesamtoberflächeneigenschaften von mindestens entweder einem Shore-D-Härtewert von mehr als ungefähr 80 Durometer oder eine Youngsche Modulsteifheit von mehr als ungefähr 5 GPa und wünschenswerterweise beide Eigenschaften auf. In besonderen Ausführungsformen weist das Verbindungsmaterial eine Shore-D-Härte und eine Youngsche Modulsteifheit auf, die mindestens so groß sind wie die des oberen und unteren Schalenteils.
Das Verbindungsmaterial kann Abschnitte der externen Substratfläche entlang einer beliebigen Kombination aus einer Stirnkantenverbindung, einer Endkantenverbindung oder externen Oberflächen des oberen und unteren Schalenteils definieren. Zum Beispiel kann die Stirnkantenverbindung eine Verbindungskappe beinhalten, wobei das Verbindungsmaterial einen verbundenen Bereich am Übergang von Verbindungskappe und dem oberen und unteren Schalenteil definiert. Die Verbindungskappe kann ebenfalls aus einem Material mit einem Shore-D-Härtewert von mehr als ungefähr 80 Durometer oder einer Youngschen Modulsteifheit von mehr als ungefähr 5 GPa gebildet sein.
Die Erfindung umfasst ebenfalls eine Windkraftanlage mit einem oder mehreren Windkraftanlagenflügeln, welche mit den hierin beschriebenen einzigartigen gehärteten Eigenschaften ausgelegt sind.
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 Beschreibung der Erläuterung der Prinzipien der Erfindung.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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:
1 eine perspektivische Ansicht einer herkömmlichen Windkraftanlage darstellt;
2 eine perspektivische Ansicht eines Windkraftanlagenflügels darstellt;
3 eine Querschnittsansicht einer Stirnkantenverbindungsbauform darstellt;
4 eine Querschnittsansicht einer Endkantenverbindungsbauform darstellt;
5 eine Querschnittsansicht einer Stirnkantenverbindungsbauform mit Verbindungskappe darstellt;
6 ein Kurvendiagramm der Shore-D- und Modul(E)-Werte für verschiedene Materialien darstellt; und
7 ein Wertediagramm für im Kurvendiagramm von 6 beschriebene Materialien ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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, vorgesehen. Tatsächlich wird Fachleuten offensichtlich werden, 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 beinhaltet.
1 stellt eine Windkraftanlage 10 herkömmlicher Bauweise dar. Die Windkraftanlage 10 umfasst einen Turm 12 mit einer daran montierten Gondel 14. Eine Vielzahl von Windkraftanlagenflügeln 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. Die Ansicht von 1 ist ausschließlich zu Illustrationszwecken bereitgestellt, um die vorliegende Erfindung in einem beispielhaften Anwendungsgebiet zu präsentieren. Es sollte anerkannt werden, dass die Erfindung nicht auf irgendeine spezielle Windkraftanlagenbauform begrenzt ist.
2 stellt eine detaillierte Ansicht eines Windkraftanlagenflügels 16 dar. Der Flügel 16 beinhaltet ein oberes Schalenteil 20 und ein unteres Schalenteil 22. Das obere Schalenteil 20 kann als Saugseitenfläche des Flügels 16 ausgelegt sein, während das untere Schalenteil 20 als Druckseitenfläche des Flügels ausgelegt sein kann. Der Flügel 16 beinhaltet eine Stirnkante 24 und eine Endkante 26 sowie einen Wurzelabschnitt 28 und einen Spitzenabschnitt 30. Wie in der Technik gut bekannt, werden das obere Schalenteil 20 und das untere Schalenteil 22 an einer Stirnkantenverbindung 36 und einer Endkantenverbindung 38 miteinander verbunden. Zur Bildung dieser Verbindungslinien wird ein Verbindungsmaterial 34 (3 und 4) in fließfähiger viskoser Form zwischen den Passverbundstoffflächen des oberen Schalenteils 20 und des unteren Schalenteils 22 entlang der Länge der Verbindungslinien 36, 38 aufgetragen. Das Verbindungsmaterial 34 wird typischerweise in ausreichender Menge und Mustern aufgetragen, um eine entstehende Verbindungslinienbreite an der Stirnkante 24 und der Endkante 26 zu bilden, die eine minimal verbundene Oberfläche zwischen den Komponenten entlang der Länge der jeweiligen Verbindungen 36, 38 gewährleistet.
Es sollte anerkannt werden, dass der Begriff „Verbindungsmaterial” hierin generisch verwendet wird, um jede Form von Haftmittel, Harz, Füllmaterial, Verbundmaterial und dergleichen zu umfassen, die zur Herstellung des Flügels 16 verwendet werden kann, insbesondere entlang der Verbindungen 36, 38 zwischen dem oberen und dem unteren Schalenteil 20, 22, oder als Füll- bzw. Verbundmaterial auf den Oberflächen der Schalenteile 20, 22.
Zum Zweck der vorliegenden Darstellung ist die „Härte” eines Materials ein Maß für die Widerstandsfähigkeit des Materials gegen ständigen Eindruck und Deformierung. Die Shore-D-Durometer-Skala wird in der Regel verwendet, um die Härte härterer Materialien (z. B. Stahl) zu messen (im Vergleich zur Shore-A-Skala, die für weichere Materialien, wie Gummi, verwendet wird). Innerhalb der Skala kennzeichnet eine hohe Zahl ein härteres Material. Der Youngsche Modul (E) beschreibt das Verhältnis von Spannung und Dehnung und ist ein Maß für die Materialsteife. Der Youngsche Modul wird in Druckeinheiten angegeben. Die Härte oder Steifheit eines Materials kann als Maß für die kompressiven Eigenschaften des Materials betrachtet werden. Es ist allgemein anerkannt, dass eine proportionale Beziehung zwischen dem Youngschen Modul und den Shore-D-Werten für Materialien mit einem Shore-D von mehr als 40 besteht.
Die Erfinder fanden heraus, dass ein Hauptgrund für das frühzeitige Ausfallen der auf die externen Substratflächen von Windkraftanlagenflügeln in den Bereichen des freiliegenden Verbindungsmaterials aufgetragenen Schutzbeschichtungen die relative Weichheit des Verbindungsmaterials im Vergleich zu den Schalenteilen ist. Die herkömmlichen Verbindungsmaterialien, die typischerweise in der Herstellung von Windkraftanlagenflügeln verwendet werden (z. B. Epoxide, Acryle, Polyester, Vinylester und Urethane), weisen nach dem Aushärten einen Youngschen Modul von ungefähr 1–4 GPa und eine Härte von maximal 80 Durometer (Shore-D) auf. Damit sind diese Materialien relativ weich und elastisch. Die auf die externen Substratflächen des Flügels, einschließlich der freiliegenden Flächen des Verbindungsmaterials, aufgetragenen Schutzbeschichtungen aus Gelcoat oder Farbe liegen typischerweise im Stärkebereich von 25–2000 Mikrometer.
In der Praxis sind die Windkraftanlagenflügel 16 dem Aufprall von Regen, Hagel, Schneeregen und Schnee ausgesetzt, insbesondere entlang der Stirnkante des Flügels. Dieser Aufprall auf dem unter der Oberfläche liegenden relativ weichen Verbindungsmaterial führt zu einer starken Deformierung der Schutzbeschichtungen, insbesondere der Gelcoat- und Farbschichten. Diese starke Deformierung resultiert schließlich in der Ablösung der Beschichtungsmaterialien und frühzeitigem Ausfall der Materialien.
3 stellt eine Ausführungsform einer Stirnkantenverbindungskonfiguration 36 zwischen einem oberen Schalenteil 20 und einem unteren Schalenteil 22 dar. Ein Verbindungsmaterial 34 gemäß den Aspekten der Erfindung wird zwischen den Passflächen der Schalenteile 20, 22 aufgetragen. Das Verbindungsmaterial 34 kann jede Kombination aus Materialien sein, einschließlich einem Haftmaterial 35 und einem Flächenverbund- oder Füllmaterial 37 (hierin generisch als „Füllmaterial” bezeichnet), wie in 3 dargestellt. Wie in 3 erkennbar, liegt typischerweise ein Abschnitt des Verbindungsmaterials 34 „frei”, indem er einen Abschnitt der externen Fläche 52 des Flügelsubstrates bildet. Die externe Substratfläche 52 kann somit als externe Oberfläche des Flügels betrachtet werden, die von der externen Schalenteiloberfläche 54 und allen Flächen 56 des freiliegenden Verbindungsmaterials definiert wird, wie in 3 dargestellt. Wie vorstehend erläutert, werden typischerweise eine oder mehrere Schutzbeschichtungen 42 auf die externe Substratfläche 52 aufgetragen, z. B. zunächst eine Schicht aus Gelcoat 44 und eine auf die Schicht aus Gelcoat 44 aufgetragene Farbschicht 46.
In alternativen Ausführungsformen kann es sich bei der Komponente 44 der Schutzbeschichtung 42 um ein bandförmiges Material handeln, wobei die Schicht 46 eine Gelcoat- oder Farbschicht ist. Alternativ kann die Bandschicht 44 mit oder ohne Gelcoat verwendet werden sowie mit oder ohne Farbschicht unter oder über der bandförmigen Schicht. Es kann zum Beispiel eine Farbschicht 46 ohne Gelcoat-Schicht auf die Bandschicht 44 aufgetragen werden, oder die auf die Bandschicht 44 aufgetragene Schicht 46 kann eine Gelcoat-Schicht ohne Farbschicht sein. Die bandförmige Schicht kann jedes geeignete angemessene Material aus einer beliebigen Kombination aus Polymerschichten, Metallschichten und Schichten aus Keramikpulver sein, z. B. eine Frittenschicht.
Das Verbindungsmaterial 34 ist so gestaltet, dass es die gewünschten kompressiven Eigenschaften aufweist. Zum Beispiel ist das Verbindungsmaterial 34 so gestaltet, dass es einen Shore-D-Härtewert von mehr als ungefähr 80 Durometer oder eine Youngsche Modulsteifheit von mehr als ungefähr 5 GPa aufweist. Wünschenswerterweise besitzt das Verbindungsmaterial 34 beide Eigenschaften. Alternativ kann sich jedoch ein Verbindungsmaterial 34 als geeignet erweisen, das entweder über den Härtewert oder die Steifheit verfügt.
Im Allgemeinen wird ein „reines” (ungefülltes) Duroplastharz wie Epoxidharz, Vinylester, Phenolharz oder Polyester einen Youngschen Modul von weniger als 5 GPa und eine Shore-D-Härte von weniger als 80 aufweisen. Wird dem reinen Harz ein Füllmaterial in einer Menge zugegeben, die etwa 4 Gew.-% übersteigt, wird der Youngsche Modul im Allgemeinen 5 GPa und die Shore-D-Härte 80 Durometer übersteigen. Der Modulwert und der Shore-D-Wert sind deutlich höher, wenn das reine Harz in einem Verbundstoffmaterial eingebunden ist.
6 ist ein Kurvendiagramm verschiedener Duroplastharze und Verbundstoffmaterialien, wobei die vertikale Skala für die Shore-D- und Modul(E)-Werte verwendet wird. 7 zeigt die tatsächlichen Werte für die im Kurvendiagramm dargestellten Materialien an. Es wird deutlich, dass Materialien aus reinem Polyester, Vinylester, Phenolharz und Epoxidharz einen relativ niedrigen Modul und Shore-D-Wert aufweisen, ebenso wie das 1% gefüllte Epoxidharz und das 2% gefüllte Phenolharz. Ein 3% gefülltes Phenolharz erreicht die gewünschten Eigenschaften eines Shore-D-Wertes von mehr als 80 Durometer und eines Moduls (E) von mehr als 5 GPa. Die Phenolharze mit einem Füllniveau von mehr als 4% übersteigen diese Schwellenwerte. Die CFM-, Biax- und UD-Verbundstoffe übersteigen die Schwellenwerte stark. CFM ist eine Endlosfasermatte, die Glasfaserbreitmatten verwendet, um ein Verbundmaterial mittlerer Festigkeit herzustellen. Biax ist eine bidirektionale (diagonal) Breitmatte, die einen festeren Verbundstoff erzeugt. UD ist eine unidirektionale Glasfaserbreitmatte, die verwendet wird, um einen stark gerichteten und direktional festeren Verbundstoff zu bilden.

Die nachstehende Tabelle 1 zeigt nicht-begrenzende Beispiele für Verbindungsmaterialien, die entweder einen oder beide Werte der gewünschten Shore-D-Härte und des Youngschen Moduls aufweisen, und in der praktischen Anwendung der vorliegenden Erfindung nützlich sein können (mit Ausnahme des Epoxidfüllmaterials und der Epoxidspachtelmasse): Tabelle 1

Materialart	Handelsbezeichnung	Shore-D	Modul (E) (GPa)
Gefülltes Phenolharz (Glasfaser)	PF 6771 Bakelite (Hexion Specialty Chemicals)		17
Gefülltes Phenolharz (Glasfaser)	PF 6501 Bakelite		15
Gefülltes Phenolharz (Glasfaser)	PF 1110 Bakelite		28
Gefülltes Phenolharz (Glasfaser)	PF 8412 Bakelite		13
Gefülltes Phenolharz (Glasfaser)	PF 8416 Bakelite		15
Gefülltes Phenolharz (Kohlenstofffaser)	Carbomould M (Hexion Specialty Chemicals)		31
Gefülltes Phenolharz (Kohlenstofffaser)	Carbomould T		23
Gefülltes Epoxidharz	Devcon Spachtelmasse F (Devcon)	85
Gefülltes Epoxidharz	Ancamine 2505 (Air Products)	83
Vinylesterepoxidverbundstoff	Dow Derakane Vinylester 510-40		10,3
Vinylesterepoxidverbundstoff	Dow Derakane Vinylester 8084-40		9,8
Glasfaserverbundstoff	Owings Corning SE 1200		77
Kohlenstoffverbundstoff	Gurit Sparpreg^TM		240
Epoxidfüllmaterial	MM-80 (Metzger/McGuire)	55
Epoxidspachtelmasse	1470 Minute Mend Epoxy (CRC)	65

Mit Bezug zu 3 wird der Youngsche Modul für das Verbindungsmaterial 34 bestimmt (entweder ein Haftmaterial 35 oder ein Füllmaterial 37) in einer Richtung 40 senkrecht zur freiliegenden Fläche des Materials. In dieser Hinsicht erfahren die über dem Material 34 gebildeten Schutzbeschichtungsschichten 44, 46 keine wesentliche Deformierung oder Erosion aufgrund der Einwirkung von Regen, Hagel, Eis, Teilchen, Staub, Schmutz oder anderen aufprallenden Stoffen.
4 stellt eine Ausführungsform einer Endkantenverbindung 38 zwischen einem oberen Schalenteil 20 und einem unteren Schalenteil 22 dar. Das Verbindungsmaterial 34 wird zwischen den Passflächen der Schalenteile 20, 22 aufgetragen und definiert typischerweise eine freiliegende Verbindungsmaterialfläche 56 an den distalen Kanten der Schalenteile 20, 22. Eine Schutzschicht aus Gelcoat 44 und eine Farbschicht 46 werden auf die Schalenteilfläche 54 und die freiliegende Verbindungsmaterialfläche 56 aufgetragen. Das Verbindungsmaterial 34 weist die gewünschten vorstehend erläuterten kompressiven Eigenschaften auf.
5 stellt eine Ausführungsform einer Stirnkantenverbindung 36 dar, welche eine Verbindungskappe 48 verwendet, die mit einem geeigneten Haftmaterial 35 auf die externe Schalenteilfläche 54 aufgetragen wird, wie in der Technik bekannt. Ein Füllmaterial 37 wird am Übergangsbereich zwischen der Verbindungskappe 48 und den Schalenteilen 20, 22 verwendet, um einen ebenen, verbundenen Übergangsbereich 50 zu bilden. Dieses Füll-/Haftmaterial 37 weist die gewünschten vorstehend beschriebenen kompressiven Eigenschaften von Härte und/oder Steifheit auf. Eine Gelcoat-Schicht 44 und eine Farbschicht 46 können auf den gesamten Stirnkantenverbindungsbereich 3 (sowie auf die Gesamtheit der externen Flügelflächen) aufgetragen werden.
Mit weiterem Bezug zu 5 wird in einer wünschenswerten Ausführungsform auch die Verbindungskappe 48 aus einem Material mit einer Youngschen Modulsteifheit von mehr als ungefähr 5 GPa und/oder einer Shore-D-Härte von mehr als ungefähr 80 Durometer gebildet. Bei dieser Ausführungsform verhindert die „gehärtete” Verbindungskappe 48 die frühzeitige Ablösung der Beschichtungsschichten 44, 46 auf der Verbindungskappe 48.
Es sollte anerkannt werden, dass die Erfindung verschiedene Windkraftanlagenflügelbauweisen umfasst, wobei das „gehärtete” Verbindungsmaterial 34 an ausgewählten Stellen auf dem Flügel verwendet wird. Zum Beispiel kann das gehärtete Verbindungsmaterial 34 nur entlang eines Abschnitts der Stirnkantenverbindung 36 aufgetragen werden. Dieser Abschnitt kann z. B. eher der Abschnitt sein, der näher an der Spitze 30 des Flügels liegt, als der Wurzelabschnitt 28.
Es sollte ebenfalls anerkannt werden, dass die Erfindung die Verwendung des gehärteten Verbindungsmaterials 34 an jeder beliebigen Stelle des Flügels umfasst, wobei typischerweise ein Füll- oder Verbundmaterial verwendet wird, um Unebenheiten in der Oberfläche des Flügels zu glätten oder andererseits dem Flügel eine ebene aerodynamische Fläche zu verleihen.
Es sollte ferner anerkannt werden, dass die Erfindung ebenfalls eine Windkraftanlagenflügelbauweise 16 umfasst, bei welcher die externe Substratfläche 52 des Flügels von den externen Schalenteilflächen 54 und allen freiliegenden Verbindungsmaterialflächen 56 definiert wird. Auf die externe Substratfläche 52 wird mindestens eine Schutzbeschichtung aufgetragen, z. B. als Gelcoat-Schicht 44 und eine Farbschicht 46. Die unter einer Schutzbeschichtung 42 liegende externe Substratfläche 52 weist Gesamtoberflächeneigenschaften von mindestens entweder einem Shore-D-Härtewert von mehr als ungefähr 80 Durometer oder eine Youngsche Modulsteifheit von mehr als ungefähr 5 GPa auf. Wünschenswerterweise weist die externe Substratfläche beide kompressiven Oberflächeneigenschaften auf. Somit weisen in dieser Ausführungsform die Verbundstoffmaterialien, welche die Schalenteilflächen 54 bilden, auch die vorstehend erläuterten minimalen Härte- und Steifheitswerte auf. Wünschenswerterweise weist das Verbindungsmaterial 34 einen Härte- und/oder Steifheitswert von mindestens dem der oberen und unteren Schalenteilflächen 54 auf.
Die vorliegende Erfindung umfasst ebenfalls eine beliebige Bauweise einer Windkraftanlage 10 (1), bei der mindestens eines der Flügel 16 mit den einzigartigen vorstehend erläuterten Vorteilen der Erfindung ausgebildet ist.
Während der vorliegende Erfindungsgegenstand ausführlich mit Bezug auf die speziellen beispielhaften Ausführungsformen und Verfahren davon beschrieben wurde, wird anerkannt werden, dass Fachleute mit dem Verstehen des Vorangegangenen leicht Veränderungen, Variationen und Äquivalente für diese Ausführungsformen entwickeln können. Dementsprechend ist der Anwendungsbereich der vorliegenden Darstellung eher als Beispiel denn als Begrenzung gedacht und die Darstellung des Gegenstandes schließt die Einbeziehung derartiger Modifikationen, Variationen und/oder Ergänzungen am vorliegenden Erfindungsgegenstand, die Fachleuten offensichtlich sind, nicht aus.
Ein Windkraftanlagenflügel 16 beinhaltet ein oberes Schalenteil 20 und ein unteres Schalenteil 22, die an der Stirnkante 24 und der Endkante 26 des Flügels durch ein Verbindungsmaterial 34 verbunden sind. Abschnitte des Verbindungsmaterials liegen nach außen frei. Das Verbindungsmaterial weist Oberflächeneigenschaften von mindestens einem von einem Shore-D-Härtewert von mehr als ungefähr 80 Durometer oder einer Youngschen Modulsteifheit von mehr als ungefähr 5 GPa auf. Eine Schutzbeschichtung 42 wird auf das obere und das untere Schalenteil sowie die freiliegenden Abschnitte des Verbindungsmaterials aufgetragen.
Bezugszeichenliste

10: Windkraftanlage
12: Turm
14: Gondel
18: Flügel
20: Rotornabe Oberes Schalenteil
22: Unteres Schalenteil
24: Stirnkante
26: Endkante
28: Wurzelabschnitt
30: Spitzenabschnitt
34: Verbindungsmaterial
35: Haftmaterial
36: Stirnkantenverbindung
37: Füllmaterial
38: Endkante
40: Richtungspfeil
42: Schutzbeschichtung
44: Gelcoat
46: Farbschicht
48: Verbindungskappe
50: Verbundbereich
52: Externe Substratfläche
54: Schalenteilfläche
56: Verbindungsmaterialfläche

Claims

Windkraftanlagenflügel (16), wobei das Flügel umfasst: ein oberes Schalenteil (20) und ein unteres Schalenteil (22); wobei das obere Schalenteil und das untere Schalenteil an der Stirnkante (24) und der Endkante (26) des Flügels durch ein Verbindungsmaterial (34) verbunden sind, wobei Abschnitte des Verbindungsmaterials nach außen freiliegen; wobei das Verbindungsmaterial einen Shore-D-Härtewert von mehr als ungefähr 80 Durometer oder eine Youngsche Modulsteifheit von mehr als ungefähr 5 GPa aufweist; und mindestens eine Schutzbeschichtung (42) auf dem oberen und dem unteren Schalenteil aufgetragen wurde, einschließlich den nach außen freiliegenden Abschnitten des Verbindungsmaterials.
Windkraftanlagenflügel (16) nach Anspruch 1, wobei das Verbindungsmaterial (34) eine beliebige Kombination aus Haftmitteln (35), Füllmaterialien (37), gefüllten Duroplastharzen oder Harzverbundstoffen umfasst.
Windkraftanlagenflügel (16) nach Anspruch 1, wobei die Schutzbeschichtung (42) ein Gelcoat (44) und ferner über dem Gelcoat eine Farbschicht (46) umfasst.
Windkraftanlagenflügel (16) nach Anspruch 1, wobei das Verbindungsmaterial (34) entlang einer Stirnkantenverbindung (36) zwischen dem oberen und dem unteren Schalenteil (20, 22) aufgetragen wird.
Windkraftanlagenflügel (16) nach Anspruch 4, wobei die Stirnkantenverbindung (36) ferner eine Verbindungskappe (48) umfasst, wobei das Verbindungsmaterial (34) einen Verbundbereich (50) zwischen der Verbindungskappe und dem oberen und unteren Schalenteil (20, 22) definiert, und wobei die Verbindungskappe aus einem Material mit einem Shore-D-Härtewert von mehr als 80 Durometer oder einer Youngschen Modulsteifheit von mehr als 5 GPa gebildet ist.
Windkraftanlagenflügel (16) nach Anspruch 4, wobei das Verbindungsmaterial (34) nur entlang eines Abschnitts der Stirnkantenverbindung (36) aufgetragen wird, welcher sich näher an einer Spitze (30) des Flügels als an einer Wurzel (28) des Flügels befindet.
Windkraftanlagenflügel (16) nach Anspruch 1, das ferner freiliegende Bereiche des Verbindungsmaterials (34) umfasst, welches entweder für das unter der Schutzbeschichtung (42) liegende obere oder das untere Schalenteil (20, 22) als Füllmaterial verwendet wird.
Windkraftanlagenflügel (16), wobei der Flügel umfasst: eine externe Substratfläche (52), welche von einem oberen Schalenelement (20), einem unteren Schalenelement (22) und freiliegenden Bereichen eines Verbindungsmaterials (34) definiert wird; mindestens eine auf die externe Substratfläche aufgetragene Schutzbeschichtung (42); die unter der Schutzbeschichtung liegende externe Substratfläche mit Gesamtoberflächeneigenschaften von mindestens entweder einem Shore-D-Härtewert von mehr als ungefähr 80 Durometer oder einer Youngschen Modulsteifheit von mehr als ungefähr 5 GPa; und wobei das Verbindungsmaterial eine Shore-D-Härte und eine Youngsche Modulsteifheit aufweist, die mindestens so groß sind wie die des oberen und unteren Schalenteils.
Windkraftanlagenflügel (16) nach Anspruch 8, wobei das Verbindungsmaterial (34) eine beliebige Kombination aus Haftmitteln (35), Füllmaterialien (37), gefüllten Duroplastharzen oder Harzverbundstoffen umfasst.
Windkraftanlagenflügel (16) nach Anspruch 8, wobei die Schutzbeschichtung (42) ein Gelcoat (44) und ferner über dem Gelcoat eine Farbschicht (46) umfasst.
Windkraftanlagenflügel (16) nach Anspruch 8, wobei das Verbindungsmaterial (34) entlang einer Stirnkantenverbindung (36) und einer Endkantenverbindung (38) zwischen dem oberen und dem unteren Schalenteil (20, 22) aufgetragen wird, und wobei die Stirnkantenverbindung ferner eine Verbindungskappe (48) umfasst, das Verbindungsmaterial einen Verbundbereich (50) zwischen der Verbindungskappe und dem oberen und unteren Schalenteil (20, 22) definiert, und die Verbindungskappe aus einem Material mit einem Shore-D-Härtewert von mehr als ungefähr 80 Durometer oder einer Youngschen Modulsteifheit von mehr als ungefähr 5 GPa gebildet ist.
Windkraftanlagenflügel (16) nach Anspruch 8, das ferner freiliegende Bereiche des Verbindungsmaterials (34) umfasst, welches entweder für das unter der Schutzbeschichtung (42) liegende obere oder das untere Schalenteil (20, 22) als Füllmaterial oder Verbundmaterial verwendet wird.
Windkraftanlagenflügel (16) nach Anspruch 8, wobei die Schutzbeschichtung (42) ein Gelcoat und ein auf dem Gelcoat aufgetragenes Polymer- oder Metallband umfasst.
Windkraftanlagenflügel (16) nach Anspruch 8, wobei die Schutzbeschichtung (42) eine Farbschicht und ein auf die Farbschicht aufgetragenes Polymer- oder Metallband umfasst.
Windkraftanlagenflügel (16) nach Anspruch 8, wobei die Schutzbeschichtung (42) ein Polymer- oder Metallband und entweder eine auf dem Band aufgetragene Farbschicht oder ein Gelcoat umfasst.