DE102013100117B4

DE102013100117B4 - Windkraftanlagen-Rotorblätter mit verringerten Radarquerschnitten

Info

Publication number: DE102013100117B4
Application number: DE102013100117.3A
Authority: DE
Inventors: Russel Craig Baucke; John Matthew Prescott; Lesly Sue Walters; Glen David Hilderbrand
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: LM Wind Power AS
Priority date: 2012-01-11
Filing date: 2013-01-08
Publication date: 2022-04-21
Anticipated expiration: 2033-01-09
Also published as: US20130177436A1; DE102013100117A1; BR102013000703B1; DK178599B1; US9140234B2; BR102013000703A2; BR102013000703A8; DK201370009A

Abstract

Windkraftanlagen-Rotorblatt (16), das aufweist:eine Schale (40), die eine einer Hinterkante (30) gegenüberliegende Vorderkante (28) aufweist;ein strukturelles Stützelement (50), das die Schale (40) stützt, im Inneren des Windkraftanlagen-Rotorblattes (16) zwischen der Vorderkante (28) und der Hinterkante (30) angeordnet ist und sich über wenigstens einen Abschnitt einer Rotorblattspannweite (32) erstreckt, wobei das strukturelle Stützelement (50) Carbonfaser aufweist;einen oder mehrere Hohlräume (60) innerhalb des Windkraftanlagen-Rotorblattes (16); undein leichtes breitbandiges Radar absorbierendes Füllmaterial (70), das in wenigstens einem von dem einen oder den mehreren Hohlräumen (60) angeordnet ist, um einen verringerten Radarquerschnitt zu erzielen,wobei die Vorderkante (28) einen Kleber aufweist, und das leichte breitbandiges Radar absorbierende Füllmaterial in einem an die Vorderkante (28) angrenzenden Vorderkantenhohlraum (61) angeordnet ist, und/oderwobei die Hinterkante (30) einen Kleber aufweist, und das leichte breitbandiges Radar absorbierendes Füllmaterial in einem an die Hinterkante (30) angrenzenden Hinterkantenhohlraum (62) angeordnet ist.

Description

Der hierin offenbarte Gegenstand betrifft Windkraftanlagen und insbesondere Windkraftanlagen und Windkraftanlagen-Rotorblätter mit verringerten Radarquerschnitten.
Windkraft kann als eine der saubersten, umweltfreundlichsten der derzeit zur Verfügung stehenden Energiequellen betrachtet werden, und Windkraftanlagen haben diesbezüglich erhöhte Aufmerksamkeit gefunden. Eine Windkraftanlage kann einen Turm, einen Generator, ein Getriebe, eine Gondel und ein oder mehrere Rotorblätter enthalten, die ein Verbundwerkstoffmaterial aufweisen. Die Rotorblätter fangen kinetische Energie aus dem Windes unter Ausnutzung bekannter Flügelprinzipien ein und übertragen die kinetische Energie über Rotationsenergie, um eine Welle zu drehen, die die Rotorblätter mit einem Getriebe oder, wenn kein Getriebe verwendet wird, direkt mit dem Generator verbindet. Der Generator wandelt dann die mechanische Energie in elektrische Energie um, die in ein Stromversorgungsnetz eingespeist werden kann.
Windkraftanlagen können so an vielfältigen Stellen aufgestellt werden, um wirksam zur Erfassung von Energie aus Windkraft dort beizutragen, wo diese vorhanden ist. Diese Stellen können sowohl Stellen an Land (Onshore-Standorte) als auch vor der Küste (Offshore-Standorte) beinhalten und können möglicherweise in sehr vielfältigen unterschiedlicher topographischen und geologischen Positionen liegen. Jedoch können einige positionsbasierte Einschränkungen die Aufstellungsmöglichkeit von Windkraftanlagen an bestimmten Stellen verhindern. Beispielweise nutzen Radarstationen und dergleichen, wie z.B. solche, die an vielen Flughäfen eingesetzt werden, offene Gebiete, um ein Radarecho über große Strecken zu empfangen, um verschiedene Aktivitäten, wie z.B. den Luftverkehr, zu überwachen. Eine Aufstellung von Windkraftanlagen in der Nähe derartiger Radarstationen kann zu einem ständigen oder gelegentlichen Radarecho aufgrund des Radarquerschnittes von einer oder mehreren Komponenten der Windkraftanlagen führen und dadurch die Überwachung eines Raumes auf der gegenüberliegenden Seite derartiger Windkraftanlagen behindern.
Demzufolge würden alternative Windkraftanlagen und Windkraftanlagen-Rotorblätter mit verringertem Radarquerschnitt in der Technik willkommen sein.
Die DE 39 01 012 A1 offenbart ein Rotorblatt, das für eine Verwendung bei Hubschraubern geeignet ist und das aus einem nichtmetallischen Werkstoff besteht. Im Bereich seiner Vorderkante ist das Rotorblatt mit einer Verkleidung versehen, die aus einem die elektromagnetische Strahlung absorbierenden Werkstoff besteht.
Es wird ein Windkraftanlagen-Rotorblatt nach Anspruch 1 offenbart.
Weiterhin wird ein Windkraftanlagen-Rotorblatt nach Anspruch 11 offenbart.
Weitere Aspekte werden in den abhängigen Ansprüchen angeführt.
Diese und weitere durch die hierin erläuterten Ausführungsformen bereitgestellten Merkmale werden angesichts der nachstehenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen umfassender verstanden.
Die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen sind veranschaulichend und exemplarischer Art und nicht als Einschränkung der durch die Ansprüche definierten Erfindungen gedacht. Die nachstehende detaillierte Beschreibung der veranschaulichenden Ausführungsformen kann verstanden werden, wenn sie in Verbindung mit den nachstehenden Zeichnungen gelesen wird, in der gleiche Strukturen mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind und in denen zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht einer Windkraftanlage gemäß einer oder mehreren hierin dargestellten oder beschriebenen Ausführungsformen;
2 eine perspektivische Ansicht eines Windkraftanlagen-Rotorblattes gemäß einer oder mehreren hierin dargestellten oder beschriebenen Ausführungsformen;
3 eine Querschnittsansicht eines auf Glasfaser basierenden Windkraftanlagen-Rotorblattes gemäß einer oder mehreren hierin dargestellten oder beschriebenen Ausführungsformen;
4 eine Querschnittsansicht eines auf Carbonfaser basierenden Windkraftanlagen-Rotorblattes gemäß einer oder mehreren hierin dargestellten oder beschriebenen Ausführungsformen;
5 eine Explosionsansicht mehrerer übereinander angeordneter resistiver Schichten gemäß einer oder mehreren hierin dargestellten oder beschriebenen Ausführungsformen; und
6 eine Explosionsansicht einer einzelnen resistiven Schicht gemäß einer oder mehreren hierin dargestellten oder beschriebenen Ausführungsformen.

Eine oder mehrere spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind nachstehend beschrieben. In dem Bemühen, eine knappe Beschreibung dieser Ausführungsformen zu liefern, können gegebenenfalls nicht alle Merkmale einer tatsächlichen Implementierung in der Beschreibung beschrieben sein. Es dürfte erkennbar sein, dass bei der Entwicklung einer jeden derartigen tatsächlichen Implementierung, wie in jedem Entwicklungs- oder Konstruktionsprojekt zahlreiche implementationsspezifische Entscheidungen getroffen werden müssen, um die spezifischen Ziele der Entwickler, wie z.B. Übereinstimmung mit systembezogenen und unternehmensbezogenen Einschränkungen zu erreichen, welche von einer Implementierung zur anderen variieren können. Ferner dürfte erkennbar sein, dass ein derartiger Entwicklungsaufwand zwar komplex und zeitaufwendig sein kann, aber trotzdem hinsichtlich der Auslegung, Herstellung und Fertigung für einen normalen Fachmann mit dem Vorteil dieser Offenbarung ein routinemäßiges Unterfangen darstellen würde.
Wenn Elemente verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingeführt werden, sollen die Artikel „ein“, „eine“, „der“, „die“ und „das“ die Bedeutung haben, dass eines oder mehrere von den Elementen vorhanden sind. Die Begriffe „aufweisen“, „enthalten“ und „haben“ sollen einschließend sein und die Bedeutung haben, dass zusätzliche Elemente außer den aufgelisteten Elementen vorhanden sein können.
Windkraftanlagen und Windkraftanlagen-Rotorblätter mit verringertem Radarquerschnitt sind hierin offenbart. Es ist ein leichtes breitbandiges Radar absorbierendes Füllmaterial eingebaut und es können übereinander gestapelte resistive Schichten in Windkraftanlagen-Rotorblätter eingebaut sein, um eine relativ breite oder gezielte Radarabsorption zu erzielen. Das leichte breitbandiges Radar absorbierende Füllmaterial ist in einem von mehreren Hohlräumen im Inneren des Windkraftanlagen-Rotorblattes angeordnet, um den Radarquerschnitt über einem relativ breiten Spektrum zu verringern, ohne das Gewicht oder Gleichgewicht bzw. die Auswuchtung des Windkraftanlagen-Rotorblattes wesentlich zu beeinflussen. Ebenso können mehrere übereinander gestapelte resistive Schichten in das Windkraftanlagen-Rotorblatt an einer oder mehreren Stellen, wie z.B. an dem strukturellen Stützelement oder der Schale, eingebaut sein. Wenn die übereinander gestapelten resistiven Schichten an mehreren Stellen angeordnet sind, können unterschiedliche Stellen abgestimmt werden, um den Radarquerschnitt bei unterschiedlichen Frequenzen zu verringern. Die Aufnahme eines oder mehrerer dieser Merkmale kann die Anordnung desselben Windkraftanlagen-Rotorblattes in unterschiedlichen geographischen Bereichen ermöglichen, die unterschiedliche Radarbänder verwenden, während weiterhin ein verringerter Radarquerschnitt geschaffen wird.
Indem nun auf 1 Bezug genommen wird, ist eine perspektivische Ansicht einer Windkraftanlage 10 dargestellt. Die Windkraftanlage 10 kann im Wesentlichen eine auf einem Turm 12 befestigte Gondel 14 enthalten. Mehrere Windkraftanlagen-Rotorblätter 16 können an einer Rotornabe 18 befestigt sein, die mit einem Hauptflansch verbunden sein kann, der eine (nicht dargestellte) Hauptrotorwelle dreht. Die Energieerzeugungs- und Steuerungskomponenten der Windkraftanlage können in der Gondel 14 untergebracht sein. Es dürfte erkennbar sein, dass die in 1 dargestellte Windkraftanlage 10 nur für Veranschaulichungszwecke vorgesehen ist und nicht als Einschränkung der Anmeldung dieser Offenbarung auf eine spezielle Bauart oder Konfiguration einer Windkraftanlage gedacht ist.
Indem nun auf 2 Bezug genommen wird, ist eine perspektivische Ansicht eines Windkraftanlagen-Rotorblattes 16 dargestellt. Das Windkraftanlagen-Rotorblatt 16 weist eine Blattwurzel 20 zur Montage des Windkraftanlagen-Rotorblattes 16 an einem (nicht dargestellten) Montageflansch der (in 1 dargestellten) Rotornabe 18 und eine gegenüber der Blattwurzel 20 angeordnete Blattspitze 22 auf. Das Windkraftanlagen-Rotorblatt 16 weist eine Druckseite 24 und Saugseite 26 auf, die sich zwischen einer Vorderkante 28 und einer Hinterkante 30 erstrecken. Zusätzlich enthält das Windkraftanlagen-Rotorblatt 16 eine Rotorblattspannweite 32, die die Gesamtlänge zwischen der Blattwurzel 20 und der Blattspitze 22 definiert. Das Windkraftanlagen-Rotorblatt 16 weist eine Sehne 34 auf, die die Gesamtlänge zwischen der Vorderkante 28 und der Hinterkante 30 definiert. Es dürfte erkennbar sein, dass die Sehne 34 in ihrer Länge in Bezug auf die Rotorblattspannweite 32 im Verlauf der Erstreckung des Windkraftanlagen-Rotorblattes 16 von der Blattwurzel 20 zu der Blattspitze 22 variieren kann.
Das Windkraftanlagen-Rotorblatt 16 kann jedes geeignete aerodynamische Profil aufweisen. Somit kann das Windkraftanlagen-Rotorblatt 16 in einigen Ausführungsformen einen tragflächenprofilförmigen Querschnitt definieren. Beispielsweise kann das Windkraftanlagen-Rotorblatt 16 auch aeroelastisch ausgelegt sein. Die aeroelastische Auslegung des Windkraftanlagen-Rotorblattes 16 kann eine Biegung des Windkraftanlagen-Rotorblattes 16 im Wesentlichen in einer Sehnenrichtung bedingen. Die Sehnenrichtung entspricht im Wesentlichen einer Richtung parallel zu der Sehne 34 , die zwischen der Vorderkante 28 und der Hinterkante 30 des Windkraftanlagen-Rotorblattes 16 definiert ist. Zusätzlich entspricht die Spannweitenrichtung im Wesentlichen einer Richtung parallel zu einer Rotorblattspannweite 32 des Windkraftanlagen-Rotorblattes 16. In einigen Ausführungsformen kann die aeroelastische Auslegung des Windkraftanlagen-Rotorblattes 16 zusätzlich oder alternativ eine Verwindung des Windkraftanlagen-Rotorblattes 16 , wie z.B. durch Verwindung des Rotorblattes 16 im Wesentlichen in der Sehnenrichtung und/oder der Spannweitenrichtung, aufweisen.
Indem nun auf die 3 und 4 Bezug genommen wird, sind die Querschnitte der Windkraftanlagen-Rotorblätter 16 dargestellt. Die Struktur des Windkraftanlagen-Rotorblattes 16 weist eine Schale 40 und ein innerhalb der Schale 40 angeordnetes tragendes Bauteil bzw. strukturelles Stützelement 50 auf. Wie in den 2 und 3 dargestellt, weist die Schale 40 die der Hinterkante 30 gegenüberliegende Vorderkante 28 auf. Die Schale 40 kann jedes Material aufweisen, das die Erfassung des ankommenden Windes ermöglicht, um das Windkraftanlagen-Rotorblatt 16 in Drehung zu versetzen, während es durch das strukturelle Stützelement 50 abgestützt werden kann. Beispielsweise kann die Schale 40 in einigen Ausführungsformen ein Verbundwerkstoffmaterial aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann die Schale 40 ein Glasfasermaterial oder Carbonfasermaterial aufweisen. Die Schale 40 kann in einigen Ausführungsformen sogar mehrere Schichten (z.B. mehrere Glasfaserschichten) aufweisen, die durch Kleber (z.B. Klebstoffe, Bänder usw.), mechanische Befestigungselemente (z.B. Schrauben, Bolzen usw.) oder dergleichen miteinander verbunden sind.
In einigen Ausführungsformen kann die Schale mehrere durch ein Klebemittel, wie z.B. einen Epoxidkleber, zusammengehaltene Schichten aufweisen. In derartigen Ausführungsformen kann die Menge des Klebers oder eines ähnlichen Binders in der Menge abhängig von der Position variieren. Somit können einige Stellen der Schale 40 eine größere Menge (z.B. einen dickeren Anteil) an Kleber als Folge des Herstellungs- und/oder Zusammenbauprozesses aufweisen. Ferner kann der Kleber auch mit einem Radar derart in Wechselwirkung treten, dass Veränderungen der Dicke des Klebers zu Veränderungen des Radarquerschnitt entlang des Windkraftanlagen-Rotorblattes 16 führen können. Obwohl hierin insbesondere Epoxidkleber angegeben sind, dürfte erkennbar sein, dass andere Binder, Befestigungsmittel oder andere Reststoffe aus der Herstellung und/oder dem Zusammenbau ähnlich an dem Windkraftanlagen-Rotorblatt 16 in nicht-gleichmäßigen Mengen angeordnet sein können, wodurch Variationen des Radarquerschnitts in Abhängigkeit von der Stelle geschaffen werden.
Bezug nehmend auf die 2 - 4 ist das strukturelle Stützelement 50 innerhalb der Schale zwischen der Vorderkante 28 und der Hinterkante 30 angeordnet und erstreckt sich über wenigstens einen Abschnitt der Rotorblattspannweite 32. Das strukturelle Stützelement 50 kann jedes stützende bzw. tragende Element aufweisen, das direkt oder indirekt mit der Schale 40 verbunden ist und diese stützt, und kann ein oder mehrere unterschiedliche Materialien aufweisen.
Beispielsweise kann, wie in 3 veranschaulicht, das strukturelle Stützelement 50 in einigen Ausführungsformen Glasfaser aufweisen. In derartigen Ausführungsformen kann das strukturelle Stützelement 50 einen Holm 51 und einen oder mehrere Holmgurte, wie z.B. einen oberen Holmgurt 52 und einen unteren Holmgurt 53 , aufweisen. Der Holm 51 , der obere Holmgurt 52 und der untere Holmgurt 53 können sich über jede beliebige Länge der Rotorblattspannweite 32 erstrecken, die ausreicht, um das gesamte Windkraftanlagen-Rotorblatt 16 abzustützen. Beispielsweise können sich in einigen Ausführungsformen der Holm 51 , der obere Holmgurt 52 und der untere Holmgurt 53 im Wesentlichen über die gesamte Länge der Rotorblattspannweite 32 von der Wurzel 20 bis zu der Spitze 22 erstrecken. In einigen Ausführungsformen können sich der Holm 51 , der obere Holmgurt 52 und der untere Holmgurt 53 nur über einen Abschnitt der Rotorblattspannweite 32 erstrecken. In noch einigen Ausführungsformen können sich der Holm 51 , der obere Holmgurt 52 und der untere Holmgurt 53 sogar über unterschiedliche Längen unabhängig voneinander erstrecken, wie z.B., wenn sich der obere Holmgurt 52 und der untere Holmgurt 53 über eine über den Holm 51 hinausgehende Länge auf die Spitze 52 zu erstrecken. Ferner dürfte, obwohl Ausführungsformen mit dem Holm 51 , dem oberen Holmgurt 52 und dem unteren Holmgurt 53 hierin dargestellt wurden, erkennbar sein, dass auch andere Ausführungsformen für strukturelle Stützelemente, die Glasfaser aufweisen, vorgesehen sein können, wie z.B. solche, die nur eines dieser Elemente und/oder zusätzliche hierin bisher nicht beschriebene Elemente aufweisen.
Wie in 4 dargestellt, weist das strukturelle Stützelement eine Kohlenstoff- bzw. Carbonfaser auf. In derartigen Ausführungsformen kann das strukturelle Stützelement 50 nur einen Holm 51 (d.h., ohne den zusätzlichen oberen Holmgurt 52 und den unteren Holmgurt 53 , wie sie in 3 dargestellt sind) aufweisen, der das Carbonfasermaterial aufweist. Obwohl hierin spezifische Materialien dargestellt werden, dürfte es erkennbar sein, dass zusätzliche und/oder alternative Materialien ebenfalls in dem strukturellen Stützelement 50 enthalten sein können. Ferner dürfte, obwohl den Holm 51 aufweisende Ausführungsformen hierin dargestellt werden, erkennbar sein, dass weitere Ausführungsformen ebenfalls für strukturelle Stützelemente, die Carbonfaser aufweisen, vorgesehen sein können, wie z.B. solche mit einem oberen Holmgurt, einem unteren Holmgurt und/oder zusätzlichen bisher nicht beschriebenen Elementen.
Gemäß 3 und 4 weist das Windkraftanlagen-Rotorblatt 16 ferner einen oder mehrere Hohlräume 60 im Inneren des Windkraftanlagen-Rotorblattes 16 auf. Der eine oder die mehreren Hohlräume 60 können Leerräume in dem Innenraum des Windkraftanlagen-Rotorblattes 16 umfassen, die nicht mit strukturellen Stützelementen 50 oder anderen Komponenten des Windkraftanlagen-Rotorblattes 16 gefüllt sind. Beispielsweise ist ein Vorderkantenhohlraum 61 angrenzend an die Vorderkante 28 des Windkraftanlagen-Rotorblattes 16 und/oder ein Hinterkantenhohlraum 62 angrenzend an die Hinterkante 30 des Windkraftanlagen-Rotorblattes 16 vorhanden. In weiteren Ausführungsformen können zusätzliche und/oder alternative Hohlräume 60 ebenfalls im Inneren des Windkraftanlagen-Rotorblattes 16 , wie z.B. in der Nähe des oder um das strukturelle Stützelement 50 herum, vorhanden sein. Ferner können in einigen Ausführungsformen einer oder mehrere von den Hohlräumen 60, wie z.B. der Vorderkantenhohlraum 61 oder der Hinterkantenhohlraum 62 , in mehrere Unterhohlräume derart unterteilt sein, dass der gesamte oder ein Teil des Hohlraums 60 mit Radar absorbierenden Materialien gefüllt sein kann, wie man hierin erkennen wird.
Um die Verringerung des Radarquerschnittes des Windkraftanlagen-Rotorblattes 16 an einer oder mehreren Stellen zu unterstützen, weist das Windkraftanlagen-Rotorblatt 16 ein leichtes breitbandiges Radar absorbierendes Füllmaterial 70 auf, das in wenigstens einem von dem einen oder den mehreren Hohlräumen angeordnet ist. Das leichte breitbandiges Radar absorbierende Füllmaterial 70 kann ein relativ leichtgewichtiges Material aufweisen, das das Gewicht oder die Auswuchtung des Windkraftanlagen-Rotorblattes 16 nicht wesentlich beeinflusst und auch in der Lage ist, Radar über ein relativ breitbandiges Spektrum zu absorbieren, so dass der Radarquerschnitt des Windkraftanlagen-Rotorblattes 16 für mehrere Frequenzen verringert werden kann. So wie hierin verwendet, bezieht sich ein breitbandiges Spektrum auf einen Frequenzbereich, der wenigstens etwa 0,5 GHz und in einigen Ausführungsformen wenigstens etwa 1,0 GHz umfasst, so dass das leichte breitbandiges Radar absorbierende Füllmaterial 70 in der Lage ist, den Radarquerschnitt wenigstens eines Abschnittes des Windkraftanlagen-Rotorblattes 16 über einen Frequenzbereich zu verringern.
Das leichte breitbandiges Radar absorbierende Füllmaterial 70 kann eine Schaummatrix 71 und mehrere Kohlenstoffkörper 72 (oder ähnliches Material mit Abschwächungseigenschaften für elektromagnetische Energie) enthalten, das über der Schaummatrix 71 verteilt ist, wie es z.B. in einem verlustbehafteten Schaum vorgesehen ist. In einigen Ausführungsformen kann die Schaummatrix 71 offenzelligen Polyurethanschaum aufweisen, der die mehreren Kohlenstoffkörper 72 tragen kann. Derartige Schaummaterialien können die verteilte Aufnahme des elektromagnetische Energie abschwächenden Materials (z.B. der Kohlenstoffkörper 72) ermöglichen, ohne das Windkraftanlagen-Rotorblatt 16 so beschweren, dass die Windkraftanlage 10 eine Umkonstruktion erfordern würde, um ihre Funktionalität zu erhalten.
Die einzelnen Kohlenstoffkörper 72 können hinsichtlich ihrer relativen Größe, Form und/oder Menge des elektromagnetische Energie abschwächenden Materials variieren und können entweder gleichmäßig oder variabel über der Schaummatrix 71 verteilt sein. Beispielsweise kann das leichte breitbandiges Radar absorbierende Füllmaterial 70 in einigen Ausführungsformen ein variabel mit Kohlenstoff gefülltes Material aufweisen, wobei die Menge an Kohlenstoff in dem leichten breitbandigen Radar absorbierenden Füllmaterial 70 ungleichmäßig ist. Die Ungleichmäßigkeit oder Inhomogenität der Kohlenstoffbefüllung kann eine Folge der Anzahl oder Konzentration von Kohlenstoffkörpern 72 , die in einem bestimmten Bereich der Schaummatrix 71 angeordnet sind, der Größe der Kohlenstoffkörper 72, die in einem bestimmten Bereich der Schaummatrix 71 angeordnet sind, oder von Kombinationen davon sein. Durch Variation der Menge und/oder der Lage des elektromagnetische Energie abschwächenden Materials kann das leichte breitbandiges Radar absorbierende Füllmaterial 70 den Radarquerschnitt wenigstens eines Abschnittes des Windkraftanlagen-Rotorblattes 16 durch Abschwächung der elektromagnetischen Energie über einem breiten Spektrum reduzieren. Beispielsweise kann das leichtgewichtige breitbandiges Radar absorbierende Füllmaterial in einigen Ausführungsformen ein oder mehrere von den kommerziell erhältlichen, von Cuming Microwave hergestellten kohlenstoffbasierenden Schaumabsorbern der Serie 320 aufweisen.
Das leichte breitbandiges Radar absorbierende Füllmaterial 70 kann in Windkraftanlagen-Rotorblättern 16 mit verschiedenen Ausgestaltungen und/oder Materialien des strukturellen Stützelementes 50 enthalten sein. Beispielsweise kann das leichte breitbandiges Radar absorbierende Füllmaterial 70 in einem oder mehreren Hohlräumen 60 angeordnet sein, wenn das Windkraftanlagen-Rotorblatt 16 Glasfasern aufweist (wie z.B., wenn es einen Holm 51 , einen oberen Holmgurt 52 und einen unteren Holmgurt 53 , wie in 3 veranschaulicht, aufweist). Alternativ kann das leichte breitbandiges Radar absorbierende Füllmaterial 70 in einem oder mehreren Hohlräumen 60 angeordnet sein, wenn das Windkraftanlagen-Rotorblatt 16 Carbonfaser aufweist (z.B. wenn es nur einen Holm 51 aufweist, wie in 4 dargestellt). Obwohl spezifische Stellen und Ausgestaltungen des leichten breitbandigen Radar absorbierenden Füllmaterials 70 hierin angegeben wurden, dürfte es sich verstehen, dass diese lediglich exemplarisch sind; zusätzliche oder alternative Kombinationen/Ausgestaltungen der Windkraftanlagen-Rotorblätter 16 und der leichten breitbandigen Radar absorbierenden Füllmaterialien 70 dürften erkennbar sein.
Ferner kann, unter weiterer Bezugnahme auf die 3 und 4, das leichte breitbandiges Radar absorbierende Füllmaterial 70 an vielfältigen Stellen in und um das Windkraftanlagen-Rotorblatt 16 herum angeordnet sein, um den Radarquerschnitt über ein relativ breitbandiges Spektrum von Radarfrequenzen, wie hierin erkennbar, zu verringern. Beispielsweise kann das leichte breitbandiges Radar absorbierende Füllmaterial 70 in wenigstens einem von dem einen oder den mehreren Hohlräumen 60 des Windkraftanlagen-Rotorblattes 16 angeordnet sein. Teilweise abhängig von der Größe, der Form und der Position des speziellen Hohlraums 60 kann das leichte breitbandiges Radar absorbierende Füllmaterial 70 derart eingebaut sein, dass es gerade einen Teil des Hohlraums 60 füllt (wie in den 3 und 4 dargestellt) oder den gesamten Hohlraum 60 füllt. In einigen Ausführungsformen kann das leichte breitbandiges Radar absorbierende Füllmaterial 70 in einem Hohlraum überall dort benachbart angeordnet sein, wo sich Kleber befindet. Beispielsweise kann das leichte breitbandiges Radar absorbierende Füllmaterial 70 in dem Vorderkantenhohlraum 61 und/oder dem Hinterkantenhohlraum 62 derart angeordnet sein, dass der Einbau eines einzigen leichten breitbandigen Radar absorbierenden Füllmaterials 70 den Radarquerschnitt wenigstens eines Abschnittes des Windkraftanlagen-Rotorblattes 16 selbst dann verringern kann, wenn die Menge des Klebers abhängig von dem Ort oder Blatt variieren kann.
Der Breitbandaspekt des leichten breitbandigen Radar absorbierenden Füllmaterials 70 kann dadurch zur Verringerung des Radarquerschnitts für eine Vielfalt von Radarbandfrequenzbereichen (wie z.B. den in Nordamerika und Europa benutzten) durch den Einbau eines einzigen Elementes genutzt werden, um eine größere Flexibilität dafür bereitzustellen, wo das Windkraftanlagen-Rotorblatt 16 eingesetzt wird. Ferner kann der Breitbandaspekt auch eine Verringerung des Radarquerschnitts wenigstens eines Abschnittes des Windkraftanlagen-Rotorblattes 16 ermöglichen, wenn die lokale Struktur des Windkraftanlagen-Rotorblattes 16 die Verringerung des Radarquerschnittes über mehr als nur eine Frequenz erfordert. Beispielsweise kann die variable Menge des Klebemittels, das in der Vorderkante 28 und/oder der Hinterkante 30 der Schale 40 verwendet wird, einen Radarquerschnitt hervorbringen, der auf der Basis der Kleberdicke variiert. Ein einzelnes leichtes breitbandiges Radar absorbierendes Füllmaterial 70 kann dabei die Verringerung des Radarquerschnittes der gesamten Klebestruktur trotz deren variierender Dicke unterstützen.
Indem nun auf die 4 - 6 Bezug genommen wird, kann zur Unterstützung der Verringerung des Radarquerschnittes des Windkraftanlagen-Rotorblattes 16 an einer oder mehreren Stellen das Windkraftanlagen-Rotorblatt 16 alternativ oder zusätzlich mehrere übereinander angeordnete bzw. gestapelte resistive Schichten 80 (wie z.B. Glasfaserblätter, wie in 3 veranschaulicht) aufweisen oder kann nur eine einzelne resistive Schicht 81 (wie z.B. für Carbonfaserblätter, wie in 4 veranschaulicht) aufweisen. So wie hierin verwendet, dürfte verständlich sein, dass „resistive Schicht“ sowohl resistive oder Widerstandsschichten als auch Impedanzschichten umfasst.
Insbesondere Bezug nehmend auf die 3 und 5 können die mehreren übereinander angeordneten resistiven Schichten 80 in Windkraftanlagen-Rotorblättern 16 mit strukturellen Stützelementen 50 , die Glasfaser aufweisen, enthalten sein. Die mehreren übereinander gestapelten resistiven Schichten 80 können zwei oder mehr einzelne resistive Schichten 81 aufweisen, die jeweils durch eine oder mehrere Lagen 82 getrennt sind, welche zusammenwirken, um Radarenergie zu absorbieren, indem sie diese in Wärme umwandeln. Die mehreren übereinander angeordneten resistiven Schichten 80 können an einer oder mehreren Stellen an dem Glasfaser aufweisenden strukturellen Stützelement 50 und optional an der Schale 40 angeordnet sein. Ferner können die mehreren übereinander angeordneten resistiven Schichten 80 gegebenenfalls relativ auf unterschiedliche spezifische Frequenzen an unterschiedlichen Stellen abgestimmt sein.
Die mehreren übereinander angeordneten resistiven Schichten 80 können beliebige mehrere einzelne resistive Schichten 81 aufweisen, die im Abstand angeordnet sind, um den Radarquerschnitt um eine oder mehrere spezielle Frequenzen herum zu verringern. In einigen Ausführungsformen können die einzelnen resistiven Schichten 81 beispielsweise ein Material mit kontinuierlicher Kohlenstofffüllung aufweisen. In einigen Ausführungsformen können die einzelnen resistiven Schichten 81 analoge Schaltkreisschichten aufweisen, wobei die Schichten einen Radar absorbierenden Schaltkreis aufweisen. Derartige analoge Schaltkreisschichten können zu einer genaueren Abstimmung zur Absorption von Radar einer speziellen Frequenz fähig sein. In einigen Ausführungsformen können die einzelnen resistiven Schichten 81 von den mehreren übereinander angeordneten resistiven Schichten 80 vielfältige unterschiedliche Arten von resistiven Schichten 81 aufweisen, wie z.B., wenn einige analoge Schaltkreisschichten aufweisen und andere ein Material mit kontinuierlicher Kohlenstofffüllung aufweisen. Ferner können die mehreren übereinander angeordneten resistiven Schichten 80 jede beliebige Anzahl einzelner resistiver Schichten 81 aufweisen. Beispielsweise können in einigen Ausführungsformen die mehreren übereinander angeordneten resistiven Schichten 80 zwei resistive Schichten 81 aufweisen. In einigen Ausführungsformen können die mehreren übereinander angeordneten resistiven Schichten 80 bis zu 20 resistive Schichten 81 aufweisen. Die einzelnen resistiven Schichten 81 können durch eine oder mehrere Zwischenlagen 82 in konstanten oder variierenden Abständen angeordnet sein. Jede Zwischenlage 82 kann eine Dicke, von z.B. etwa 10 mm, aufweisen, um die benachbarten resistiven Schichten 81 zu trennen. In einigen Ausführungsformen kann der Abstand größer oder kleiner sein und von der Größe der Zwischenlage 82 zwischen den resistiven Schichten 81 abhängen.
Bezug nehmend auf 3 können, wie vorstehend erläutert, die mehreren übereinander angeordneten resistiven Schichten 80 an vielfältigen Stellen in und um das glasfaserverstärkte Windkraftanlagen-Rotorblatt 16 herum angeordnet sein, um dessen Radarquerschnitt über eine oder mehrere Frequenzen hinweg zu verringern. Beispielsweise können in einer Ausführungsform die mehreren übereinander angeordneten resistiven Schichten an einer oder mehreren Stellen um das strukturelle Stützelement 50 des Windkraftanlagen-Rotorblattes 16 herum angeordnet sein. In derartigen Ausführungsformen können die mehreren übereinander angeordneten resistiven Schichten 80 derart angeordnet sein, dass sie in das strukturelle Stützelement 50 integriert sind (z.B. abwechselnde Glasfaserschichten und resistive Schichten), und/oder sie können so angeordnet sein, dass sie auf der Außenseite des strukturellen Stützelementes 50 übereinander gestapelt sind. Zusätzlich können in einigen Ausführungsformen die mehreren übereinander angeordneten resistiven Schichten 80 an einer oder mehreren Stellen um die Schale 40 des Windkraftanlagen-Rotorblattes 16 herum angeordnet sein. In derartigen Ausführungsformen können die mehreren übereinander angeordneten resistiven Schichten 80 so angeordnet sein, dass sie in die Schale 40 integriert sind (z.B. abwechselnde Glasfaserschichten und resistive Schichten), und/oder sie können so angeordnet sein, dass sie auf der Außenseite oder der Innenseite der Schale 40 gestapelt sind. Obwohl spezifische Stellen und Ausgestaltungen der mehreren übereinander angeordneten resistiven Schichten 80 hierin angegeben wurden, sollte erkennbar sein, dass diese lediglich exemplarisch sind. Zusätzliche oder alternative Kombinationen und/oder Ausgestaltungen der Windkraftanlagen-Rotorblätter 16 und der mehreren übereinander angeordneten resistiven Schichten 80 dürften erkennbar sein.
Da die mehreren übereinander angeordneten resistiven Schichten 80 auf gewünschte spezifische Frequenzen abgestimmt werden können (wie z.B. durch Verändern des Typs der resistiven Schicht und/oder der Abstände dazwischen), kann ein einzelnes Windkraftanlagen-Rotorblatt 16 einen verringerten Radarquerschnitt für eine oder mehrere Frequenzen haben. Beispielsweise kann, wenn bekannt ist, wo das Windkraftanlagen-Rotorblatt 16 eingesetzt wird und welchen Radarfrequenzen es ausgesetzt wird, dann eine oder mehrere von übereinander angeordneten resistiven Schichten, die für diese spezielle Frequenz abgestimmt sind, an dem Windkraftanlagen-Rotorblatt 16 angeordnet werden. Umgekehrt kann, wenn das Windkraftanlagen-Rotorblatt 16 hergestellt wird, bevor bekannt ist, wo es eingesetzt wird, die spezifische Frequenz des auftreffenden Radars gegebenenfalls nicht bekannt sein. Daher können in einigen Ausführungsformen unterschiedliche mehrere übereinander angeordnete resistive Schichten 80 um das Windkraftanlagen-Rotorblatt 16 derart angeordnet werden, dass unterschiedliche Frequenzen abgedeckt werden können. Beispielsweise können mehrere erste übereinander angeordnete resistive Schichten 80 um das strukturelle Stützelement 50 herum angeordnet werden, das für die in Nordamerika am meisten vorkommenden Frequenzen abgestimmt wird. Mehrere zweite übereinander angeordnete resistive Schichten 80 können dann um die Schale 40 herum angeordnet werden, die für die in Europa vorherrschenden Frequenzen abgestimmt wird. Somit kann dasselbe Windkraftanlagen-Rotorblatt 16 in jedem geographischen Bereich eingesetzt werden und trotzdem einen verringerten Radarquerschnitt für jede beliebige Radarfrequenz aufweisen, der es ausgesetzt ist. Derartige Ausführungsformen können die Fertigung rationalisieren und vielseitigere Blätter für einen breiteren Einsatzbereich bereitstellen.
Indem nun auf die 4 und 6 Bezug genommen wird, können einzelne resistive Schichten 81 (ohne Schichtstapelung) in eine oder mehrere unterschiedliche Stellen von Windkraftanlagen-Rotorblättern 16 mit Carbonfaser aufweisenden strukturellen Stützelementen 50 eingebaut sein. Die einzelnen resistiven Schichten 81 können eine resistive Folie aufweisen, die an der Schale 40 angeordnet und so positioniert ist, dass sie den Radarquerschnitt in Bezug auf die Streuung verringert, die aufgrund des großen strukturellen Stützelementes 50 aus Carbonfaser entstehen kann.
Insbesondere kann in einigen Ausführungsformen eine einzelne resistive Schicht 81 zwischen dem strukturellen Stützelement 50 und der Vorderkante 28 positioniert sein. Derartige Ausführungsformen können die Absorption von Radarenergie ermöglichen, die von dem strukturellen Stützelement 51 in unmittelbarer Nähe zu der Vorderkante 28 gestreut wird. Alternativ oder zusätzlich kann in einigen Ausführungsformen eine einzelne resistive Schicht 81 zwischen dem strukturellen Stützelement 51 und der Hinterkante 30 positioniert sein. Derartige Ausführungsformen können die Absorption von Radarenergie ermöglichen, die von dem strukturellen Stützelement 51 in unmittelbarer Nähe zu der Hinterkante 30 gestreut wird. Ferner können die einzelnen resistiven Schichten 81 auf der Innenseite der Schale 40 , auf der Außenseite der Schale 40 oder in die Schale 40 integriert angeordnet sein. Beispielsweise kann, wie in 6 veranschaulicht, die Schale 40 mehrere Lagen 82 aufweisen, so dass die einzelne resistive Schicht 81 zwischen zwei der Lagen 82 angeordnet ist.
Ferner können in einigen Ausführungsformen die einzelnen resistiven Schichten 81 einen graduell abgestimmten Widerstand aufweisen, so dass die einzelne resistive Schicht unmittelbar an dem strukturellen Stützelement 51 einen niedrigeren Widerstand und unmittelbar an der Vorderkante 28 oder der Hinterkante 30 einen höheren Widerstand aufweist. Der graduell abgestimmte Widerstand kann helfen, Radarenergie über einen breiteren Bereich zu absorbieren, um den gesamten Radarquerschnitt besser zu verringern, der sich aus der Streuung des strukturellen Stützelementes 51 , das Carbonfaser aufweist, ergeben kann.
Es dürfte nun erkennbar sein, dass leichtes breitbandiges Radar absorbierendes Füllmaterial und/oder eine oder mehrere resistive Schichten in ein Windkraftanlagen-Rotorblatt eingebaut werden können, um dessen Radarquerschnitt zu reduzieren. Die Aufnahme derartiger Materialien kann eine Verringerung des Radarquerschnitts über eine oder mehrere Frequenzen erzielen, während gleichzeitig keine signifikanten zusätzlichen physikalischen Beschränkungen dem Windkraftanlagen-Rotorblatt auferlegt werden. Beispielsweise kann durch Aufnahme von einem oder mehreren der hierin offenbarten und beschriebenen Radarquerschnitts-Verringerungsmerkmale der Radarquerschnitt des Windkraftanlagen-Rotorblattes um wenigstens 20 dB oder möglicherweise sogar um 25 dB verringert werden, um eine Aufstellung in der Nähe oder in der Umgebung von Radartürmen besser zu ermöglichen. Derartige Windkraftanlagen-Rotorblätter können dadurch in vielfältigen geographischen Bereichen (die unterschiedliche Radarbänder verwenden) eingesetzt werden, ohne eine besondere kundenspezifische Anpassung für den geplanten Einsatz zu erfordern.
Obwohl die Erfindung im Einzelnen in Verbindung mit nur einer begrenzten Anzahl von Ausführungsformen beschrieben worden ist, dürfte es sich ohne Weiteres verstehen, dass die Erfindung nicht auf derartige offenbarte Ausführungsformen beschränkt ist. Vielmehr kann die Erfindung modifiziert werden, um eine beliebige Anzahl von Varianten, Änderungen, Ersetzungen oder äquivalenten Anordnungen aufzunehmen, die hier vorstehend nicht beschrieben sind, die aber dem Rahmen und Umfang der Erfindung entsprechen. Außerdem dürfte es sich verstehen, dass, obwohl verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden sind, Aspekte der Erfindung nur einige von den beschriebenen Ausführungsformen enthalten können. Demzufolge ist die Erfindung nicht als durch die Beschreibung beschränkt anzusehen, sondern ist nur durch den Umfang der beigefügten Ansprüche beschränkt.
Bezugszeichenliste

10: Windkraftanlage
12: Turm
14: Gondel
16: Windkraftanlagen-Rotorblatt
18: Rotornabe
20: Wurzel
22: Spitze
24: Druckseite
26: Saugseite
28: Vorderkante
30: Hinterkante
32: Rotorblattspannweite
34: Sehne
40: Schale
50: strukturelles Stützelement
51: Holm
52: oberer Holmgurt
53: unterer Holmgurt
60: ein oder mehrere Hohlräume
61: Vorderkantenhohlraum
62: Hinterkantenhohlraum
70: leichtes breitbandiges Radar absorbierendes Füllmaterial
71: Schaummatrix
72: Kohlenstoffkörper
80: mehrere übereinander angeordnete resistive Schichten
81: einzelne resistive Schicht
83: Zwischenlage, Lage

Claims

Windkraftanlagen-Rotorblatt (16), das aufweist: eine Schale (40), die eine einer Hinterkante (30) gegenüberliegende Vorderkante (28) aufweist; ein strukturelles Stützelement (50), das die Schale (40) stützt, im Inneren des Windkraftanlagen-Rotorblattes (16) zwischen der Vorderkante (28) und der Hinterkante (30) angeordnet ist und sich über wenigstens einen Abschnitt einer Rotorblattspannweite (32) erstreckt, wobei das strukturelle Stützelement (50) Carbonfaser aufweist; einen oder mehrere Hohlräume (60) innerhalb des Windkraftanlagen-Rotorblattes (16); und ein leichtes breitbandiges Radar absorbierendes Füllmaterial (70), das in wenigstens einem von dem einen oder den mehreren Hohlräumen (60) angeordnet ist, um einen verringerten Radarquerschnitt zu erzielen, wobei die Vorderkante (28) einen Kleber aufweist, und das leichte breitbandiges Radar absorbierende Füllmaterial in einem an die Vorderkante (28) angrenzenden Vorderkantenhohlraum (61) angeordnet ist, und/oder wobei die Hinterkante (30) einen Kleber aufweist, und das leichte breitbandiges Radar absorbierendes Füllmaterial in einem an die Hinterkante (30) angrenzenden Hinterkantenhohlraum (62) angeordnet ist.
Windkraftanlagen-Rotorblatt (16) nach Anspruch 1, wobei das leichte breitbandiges Radar absorbierende Füllmaterial einen verlustbehafteten Schaum aufweist.
Windkraftanlagen-Rotorblatt (16) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das leichte breitbandiges Radar absorbierende Füllmaterial ein variabel mit Kohlenstoff gefülltes Material aufweist, wobei die Menge des Kohlenstoffes in dem leichten breitbandigen Radar absorbierenden Füllmaterial ungleichmäßig ist.
Windkraftanlagen-Rotorblatt (16) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der Kleber eine ungleichmäßige Dicke aufweist.
Windkraftanlagen-Rotorblatt (16) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das leichte breitbandiges Radar absorbierende Füllmaterial wenigstens teilweise Radar über einen Frequenzbereich absorbiert, der wenigstens etwa 0,5 GHz umfasst.
Windkraftanlagen-Rotorblatt (16) nach Anspruch 5, wobei der Frequenzbereich wenigstens etwa 1,0 GHz umfasst.
Windkraftanlagen-Rotorblatt (16) nach einem der voranstehenden Ansprüche, das ferner aufweist: eine erste resistive Schicht, die an der Schale (40) zwischen dem strukturellen Stützelement (50) und der Vorderkante (28) des Windkraftanlagen-Rotorblattes (16) angeordnet ist, um zusätzlich den verringerten Radarquerschnitt zu erzielen; und eine zweite resistive Schicht, die an der Schale (40) zwischen dem strukturellen Stützelement und der Hinterkante angeordnet ist, um zusätzlich den verringerten Radarquerschnitt zu erzielen.
Windkraftanlagen-Rotorblatt (16) nach Anspruch 7, wobei die erste resistive Schicht und die zweite resistive Schicht auf der Außenseite der Schale (40) angeordnet sind.
Windkraftanlagen-Rotorblatt (16) nach Anspruch 7 oder 8, wobei die erste resistive Schicht einen graduell abgestimmten Widerstand mit einem niedrigeren Widerstand in der Nähe des strukturellen Stützelementes und einem höheren Widerstand in der Nähe der Vorderkante (28) aufweist.
Windkraftanlagen-Rotorblatt (16) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die zweite resistive Schicht einen graduell abgestimmten Widerstand mit einem niedrigeren Widerstand in der Nähe des strukturellen Stützelementes und einem höheren Widerstand in der Nähe der Hinterkante (30) aufweist.
Windkraftanlagen-Rotorblatt (16), das aufweist: eine Schale (40), die eine einer Hinterkante (30) gegenüberliegende Vorderkante (28) aufweist; ein strukturelles Stützelement (50), das die Schale (40) stützt, im Inneren des Windkraftanlagen-Rotorblattes (16) zwischen der Vorderkante (28) und der Hinterkante (30) angeordnet ist und sich über wenigstens einen Abschnitt einer Rotorblattspannweite (32) erstreckt, wobei das strukturelle Stützelement (50) Carbonfaser aufweist; und eine erste resistive Schicht, die an der Schale (40) zwischen dem strukturellen Stützelement (50) und der Vorderkante (28) und/oder zwischen dem strukturellen Stützelement (50) und der Hinterkante (30) angeordnet ist, um zusätzlich einen verringerten Radarquerschnitt zu erzielen, wobei die erste resistive Schicht einen graduell abgestimmten Widerstand mit einem niedrigeren Widerstand in der Nähe des strukturellen Stützelementes (50) und einem höheren Widerstand in der Nähe der Vorderkante (28) aufweist.
Windkraftanlagen-Rotorblatt (16) nach Anspruch 11, das ferner eine zweite resistive Schicht aufweist, die an der Schale (40) zwischen dem strukturellen Stützelement (50) und der Hinterkante (30) angeordnet ist, um zusätzlich den verringerten Radarquerschnitt zu erzielen.
Windkraftanlagen-Rotorblatt (16) nach Anspruch 12, wobei die zweite resistive Schicht einen graduell abgestimmten Widerstand mit einem niedrigeren Widerstand in der Nähe des strukturellen Stützelementes (50) und einem höheren Widerstand in der Nähe der Hinterkante (30) aufweist.
Windkraftanlagen-Rotorblatt (16) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Schale (40) mehrere Lagen (80) aufweist und die erste resistive Schicht zwischen zwei der mehreren Lagen angeordnet ist.