DE102013101895A1

DE102013101895A1 - Ultraschall emittierende Vorrichtungen für Windkraftanlagen

Info

Publication number: DE102013101895A1
Application number: DE102013101895A
Authority: DE
Inventors: Kevin Wayne Kinzie; Thomas Joseph Fischetti
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Renovables Espana SL Es
Priority date: 2012-02-28
Filing date: 2013-02-26
Publication date: 2013-08-29
Anticipated expiration: 2033-02-27
Also published as: DK178366B1; US9115699B2; DE102013101895B4; DK201370106A; US20130224018A1

Abstract

Es wird ein Rotorblatt für eine Windkraftanlage offenbart. Das Rotorblatt kann allgemein einen Körper aufweisen, der zwischen einer Blattwurzel und einer Blattspitze verläuft. Der Körper kann eine Druckseite und eine Saugseite haben, die zwischen einer Vorderkante und einer Hinterkante verlaufen. Außerdem kann das Rotorblatt eine an oder in dem Körper montierte Düse aufweisen. Die Düse kann einen Einlass, einen Auslass und einen konvergierenden Abschnitt zwischen dem Einlass und dem Auslass aufweisen. Der konvergierende Abschnitt kann so gestaltet sein, dass er einen Luftstrom durch die Düse hindurch beschleunigt, so dass eine Ultraschallemission erzeugt wird.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Der vorliegende Gegenstand betrifft allgemein Windkraftanlagen und speziell Ultraschall emittierende Vorrichtungen, die an oder in Rotorblättern von Windkraftanlagen angebracht werden können, um Fledermäuse abzuschrecken.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Windkraft gilt als eine der saubersten, umweltfreundlichsten Energiequellen, die zur Zeit verfügbar sind, und Windkraftanlagen sind diesbezüglich vermehrt thematisiert worden. Windkraftanlagen gelten zwar als umweltverträglich, sie können aber eine Gefahr für Fledermäuse darstellen. Speziell wurde festgestellt, dass es für Fledermäuse schwierig sein kann, die rotierenden Rotorblätter einer Windkraftanlage zu erkennen. Infolgedessen können Fledermäuse mit Rotorblättern kollidieren und getötet werden. Das Vorkommen derartiger Fledermausschläge hat vielerorts dazu geführt, dass Vorschriften und/oder Gesetzen erlassen wurden, die das Errichten von Windkraftanlagen in Gebieten mit großen Fledermausbeständen verbieten und/oder zu verhindern suchen und/oder den nächtlichen Betrieb der Windkraftanlagen beschränken.
Viele glauben, dass Ultraschall im Frequenzbereich von etwa 25 kHz bis etwa 100 kHz eine effektive Fledermausabschreckung sein kann, da er sowohl die natürliche Echoortung der Fledermäuse als auch ihre Fähigkeit, Insekten zu fangen, stört. Die Erzeugung von genug Schall, um den gesamten Rotordurchmesser einer Windkraftanlage abzudecken, hat sich aber als schwierige Aufgabe erwiesen. Zum Beispiel konzentrierten sich frühere Versuche auf die Verwendung von an der Gondel montierten Lautsprechern. Leider wurde festgestellt, dass gondelmontierte Lautsprecher aufgrund der Schallausbreitung nicht in der Lage waren, genug Schallleistung zu erzeugen, um den gesamten Rotordurchmesser der Windkraftanlage abzudecken.
Dementsprechend würde man in der Technik eine blattmontierte Ultraschall emittierende Vorrichtung begrüßen, die eine ausreichende Schallleistung zum Abdecken des gesamten Rotordurchmessers einer Windkraftanlage erzeugen kann.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Aspekte und Vorteile der Erfindung werden teilweise in der folgenden Beschreibung dargelegt oder sind möglicherweise aus der Beschreibung ersichtlich oder können durch Ausübung der Erfindung erlernt werden.
In einem Aspekt betrifft der vorliegende Gegenstand ein Rotorblatt für eine Windkraftanlage. Das Rotorblatt kann im Allgemeinen einen Körper aufweisen, der zwischen einer Blattwurzel und einer Blattspitze verläuft. Der Körper kann eine Druckseite und eine Saugseite haben, die zwischen einer Vorderkante und einer Hinterkante verlaufen. Außerdem kann das Rotorblatt eine an oder in dem Körper montierte Düse aufweisen. Die Düse kann einen Einlass, einen Auslass und einen konvergierenden Abschnitt zwischen dem Einlass und dem Auslass aufweisen. Der konvergierende Abschnitt kann so gestaltet sein, dass er einen Luftstrom durch die Düse hindurch beschleunigt, so dass eine Ultraschallemission erzeugt wird.
In einem weiteren Aspekt betrifft der vorliegende Gegenstand eine Windkraftanlage mit einem Mast, einer oben an dem Mast montierten Gondel und einem mit der Gondel verbundenen Rotor. Der Rotor kann eine Nabe und wenigstens ein sich von der Nabe nach außen erstreckendes Rotorblatt aufweisen. Außerdem kann die Windkraftanlage eine an oder in dem Rotorblatt montierte Düse aufweisen. Die Düse kann einen Einlass, einen Auslass und einen konvergierenden Abschnitt zwischen dem Einlass und dem Auslass aufweisen. Der konvergierende Abschnitt ist so gestaltet, dass er einen Luftstrom durch die Düse hindurch beschleunigt, so dass eine Ultraschallemission erzeugt wird.
In einem weiteren Aspekt betrifft der vorliegende Gegenstand ein Verfahren zum Erzeugen einer Ultraschallemission von einem Rotorblatt einer Windkraftanlage aus. Das Verfahren kann allgemein Folgendes beinhalten: Drehen des Rotorblatts, so dass ein Luftstrom durch eine an einer Außenfläche des Rotorblatts montierte Düse gerichtet wird, wobei die Düse einen Einlass, einen Auslass und einen konvergierenden Abschnitt zwischen dem Einlass und dem Auslass aufweist, und Beschleunigen des Luftstroms durch den konvergierenden Abschnitt, so dass eine Ultraschallemission erzeugt wird.
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden bei Bezugnahme auf die folgende Beschreibung und die angehängten Ansprüche besser verständlich. Die Begleitzeichnungen, die in diese Patentbeschreibung eingebunden und Teil dieser bilden, veranschaulichen Ausführungsformen der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zum Erläutern der Grundsätze der Erfindung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine vollständige und ausreichende Offenbarung der vorliegenden Erfindung einschließlich ihrer besten Ausführungsart für einen Durchschnittsfachmann wird in der Patentbeschreibung dargelegt, die auf die angehängten Figuren Bezug nimmt, in denen:
1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Windkraftanlage darstellt,
2 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform von einem der Rotorblätter der in 1 gezeigten Windkraftanlage darstellt,
3 eine perspektivische Teilansicht des in 2 gezeigten Rotorblatts darstellt, wobei sie speziell eine Ausführungsform einer Ultraschall emittierenden Vorrichtung darstellt, die an einer Außenfläche des Rotorblatts montiert ist,
4 eine Querschnittansicht der in 3 gezeigten Ultraschall emittierenden Vorrichtung entlang Linie 4-4 darstellt,
5 eine Querschnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer Ultraschall emittierenden Vorrichtung darstellt, die an einer Außenfläche des Rotorblatts montiert ist,
6 eine teilweise Querschnittansicht des in 1 gezeigten Rotorblatts darstellt, wobei sie speziell eine Ausführungsform einer Ultraschall emittierenden Vorrichtung veranschaulicht, die wenigstens teilweise in das Rotorblatt eingebaut sein kann,
7 eine Querschnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer Ultraschall emittierenden Vorrichtung darstellt, die an einer Außenfläche des Rotorblatts montiert ist, und
8 eine teilweise Querschnittansicht des in 1 gezeigten Rotorblatts darstellt, wobei sie speziell eine weitere Ausführungsform einer Ultraschall emittierenden Vorrichtung darstellt, die wenigstens teilweise in das Rotorblatt eingebaut sein kann.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Im Folgenden wird nun ausführlich auf die Ausführungsformen der Erfindung Bezug genommen, für die in den Zeichnungen wenigstens ein Beispiel veranschaulicht wird. Jedes Beispiel wird zur Veranschaulichung der Erfindung, nicht zur Beschränkung der Erfindung gegeben. Vielmehr wird es für den Fachmann offensichtlich sein, dass an der vorliegenden Erfindung verschiedene Modifikationen und Variationen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang oder Sinn der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel können als Teile einer Ausführungsform dargestellte oder beschriebene Merkmale mit einer anderen Ausführungsform verwendet werden, um noch eine weitere Ausführungsform zu ergeben. Es ist daher vorgesehen, dass die vorliegende Erfindung die Modifikationen und Variationen abdeckt, die in den Umfang der angehängten Ansprüche und ihrer Äquivalente fallen.
Im Allgemeinen betrifft der vorliegende Gegenstand Rotorblätter mit Ultraschall emittierenden Vorrichtungen, die zum Erzeugen von Schall mit einer Frequenz innerhalb des Ultraschallbereichs (z. B. von etwa 25 kHz bis etwa 100 kHz) gestaltet sind. In mehreren Ausführungsformen können die Ultraschall emittierenden Vorrichtungen passive Vorrichtungen sein. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform eine konvergierende Düse am Äußeren eines Rotorblatts montiert sein, so dass beim Drehen des Rotorblatts ein Luftstrom in die Düse gerichtet und gedrosselt wird, wodurch am Düsenauslass ein Luftstrahl (z. B. ein Überschallstrahl) erzeugt wird, der Schall im Ultraschallfrequenzbereich ausstrahlt. In weiteren Ausführungsformen können die Ultraschall emittierenden Vorrichtungen aktive Vorrichtungen sein. Zum Beispiel kann in den Körper eines Rotorblatts eine konvergierende Düse eingebaut sein, so dass der Düsenauslass durch den Körper hindurch verläuft und zum Äußeren des Blatts freiliegt. In einer solchen Ausführungsform kann ein Luftstrom aus einer Druckluftquelle in die Düse gerichtet werden, um am Düsenauslass einen Luftstrahl zu erzeugen, der Schall innerhalb des Ultraschallfrequenzbereichs ausstrahlt. Ungeachtet dessen wird davon ausgegangen, dass der von den offenbarten Düsen emittierte Ultraschall Fledermäuse davon abhält, in eine und/oder neben einer Windkraftanlage zu fliegen. Außerdem kann die von den Düsen erzeugte Ultraschallemission aufgrund der Tatsache, dass die offenbarten Düsen an oder in den Rotorblättern einer Windkraftanlage montiert sein können, den gesamten Rotordurchmesser der Windkraftanlage abdecken.
Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen, wobei 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Windkraftanlage 10 darstellt. Wie gezeigt, weist die Windkraftanlage 10 einen sich von einer tragenden Fläche 14 erstreckenden Mast 12, eine oben an dem Mast 12 montierte Gondel 16 und einen mit der Gondel 16 verbundenen Rotor 18 auf. Der Rotor 18 beinhaltet eine drehbare Nabe 20 und wenigstens ein Rotorblatt 22, das mit der Nabe 20 verbunden ist und sich von ihr nach außen erstreckt. In der dargestellten Ausführungsform weist der Rotor 18 beispielsweise drei Rotorblätter 22 auf. In einer alternativen Ausgestaltung kann der Rotor 18 aber mehr oder weniger als drei Rotorblätter 22 haben. Die Rotorblätter 22 können jeweils voneinander beabstandet um die Nabe 20 angeordnet sein, um das Drehen des Rotorblatts 18 zu erleichtern, damit kinetische Energie aus dem Wind in nutzbare mechanische Energie und anschließend elektrische Energie umgesetzt werden kann. Zum Beispiel kann die Nabe 20 drehbar mit einem in der Gondel 16 positionierten elektrischen Generator (nicht gezeigt) verbunden sein, um die Erzeugung elektrischer Energie zuzulassen.
In 2, auf die jetzt Bezug genommen wird, ist eine perspektivische Ansicht von einem der in 1 gezeigten Rotorblätter 22 dargestellt. Wie gezeigt, weist das Rotorblatt 22 im Allgemeinen eine Blattwurzel 24 und eine Blattspitze 26 auf, die der Blattwurzel 24 entgegengesetzt angeordnet ist. Ein Körper 28 des Rotorblatts 22 verläuft längs an einer Längsachse 30 zwischen der Blattwurzel 24 und der Blattspitze 26 entlang und dient allgemein als die äußere Schale des Rotorblatts 22. Wie sich allgemein versteht, kann der Blattkörper 28 ein aerodynamisches Profil definieren, damit das Rotorblatt 22 mithilfe bekannter aerodynamischer Grundsätze kinetische Energie aus dem Wind aufnehmen kann. Der Körper 28 kann daher allgemein eine Druckseite 32 und eine Saugseite 34 aufweisen, die zwischen einer Vorderkante 36 und einer Hinterkante 38 verlaufen. Außerdem kann das Rotorblatt 22 eine Spannweite 40, die die gesamte Länge des Körpers 28 zwischen der Blattwurzel 24 und der Blattspitze 26 definiert, und eine Profilsehne 42 haben, die die gesamte Länge des Körpers 28 zwischen der Vorderkante 36 und der Hinterkante 38 definiert. Wie sich allgemein versteht, kann die Länge der Profilsehne 42 in Bezug auf die Spannweite 40 im Verlauf des Rotorblatts 22 von der Blattwurzel 24 bis zur Blattspitze 26 variieren.
Wie oben angedeutet, kann der Körper 28 des Rotorblatts 22 allgemein ein aerodynamisches Profil oder eine aerodynamische Form definieren. Zum Beispiel kann der Körper 28 in mehreren Ausführungsformen einen flügelförmigen Querschnitt definieren, wie z. B. indem er einen symmetrischen oder gewölbten flügelförmigen Querschnitt definiert. Außerdem kann das Rotorblatt 22 auch aeroelastisch maßgeschneidert sein. Das aeroelastische maßgeschneiderte Gestalten des Rotorblatts 22 kann das Biegen des Blatts 22 allgemein in Profilsehnenrichtung und/oder allgemein in Spannweitenrichtung beinhalten. Die Profilsehnenrichtung entspricht allgemein einer Richtung, die zur Profilsehne 42 des Rotorblatts 22 parallel ist. Die Spannweitenrichtung entspricht allgemein einer Richtung, die zur Spannweite 40 oder Längsachse 30 des Rotorblatts 22 parallel ist. Aeroelastisches maßgeschneidertes Gestalten kann ferner das Verdrehen des Rotorblatts 22, wie z. B. Verdrehen des Blatts 22 in einer allgemeinen Profilsehnenrichtung und/oder Spannweitenrichtung, beinhalten.
In 3 und 4, auf die jetzt Bezug genommen wird, ist eine Ausführungsform einer passiven, Ultraschallwellen emittierenden Vorrichtung 100 abgebildet, die am Äußeren eines Rotorblatts 22 angebracht werden kann. Insbesondere stellt 3 eine teilweise perspektivische Ansicht eines Rotorblatts mit der daran montierten Ultraschallwellen emittierenden Vorrichtung 100 dar. Außerdem stellt 4 eine Querschnittansicht der in 3 gezeigten Ultraschallwellen emittierenden Vorrichtung 100 an Linie 4-4 dar.
Wie gezeigt, kann die Ultraschallwellen emittierende Vorrichtung 100 in mehreren Ausführungsformen eine konvergierende Düse 100 aufweisen, die so gestaltet ist, dass beim Strömen von Luft durch die Düse 100 ein Luftstrahl (z. B. ein Überschallstrahl) erzeugt wird. Zum Beispiel kann die Düse 100, wie speziell in der dargestellten Ausführungsform gezeigt wird, an einer Außenfläche 102 des Körpers 28 eines Rotorblatts 22 angebracht sein. Somit kann beim Drehen des Rotorblatts 22 während des Betriebs der Windkraftanlage 10 über die Oberfläche des Rotorblatts 22 strömende Luft in die Düse 100 gerichtet und durch sie hindurch beschleunigt werden. Durch zutreffendes Auswählen der Abmessungen der Düse 100 kann der Luftstrom durch die Düse bis zur Drosselung (d. h. bei oder über einer Geschwindigkeit von Mach 1) beschleunigt werden, wodurch ein Überschallstrahl erzeugt wird. Beim Austreten des Luftstrahls 104 aus der Düse 100 entsteht ein Stoßwellenexpansionssystem (d. h. Stoßzellen oder ein(e) Stoßzellenstruktur/-muster), so dass bei der Wechselwirkung der Turbulenz in den Scherschichten um den Strahl 104 mit den Stoßzellen eine Ultraschallwellenemission in einer Frequenz erzeugt werden kann, die von etwa 25 kHz bis etwa 100 kHz reicht.
Die Düse 100, wie speziell in 4 gezeigt wird, kann allgemein einen Einlass 106, einen Auslass 108 und einen zwischen dem Einlass 106 und dem Auslass 108 verlaufenden konvergierenden Abschnitt 110 beinhalten. Allgemein ist zu beachten, dass die Größe und Form des Einlasses 106 so gewählt sein kann, dass eine ausreichende Luftmenge von der Düse 100 erfasst wird, um am Düsenauslass 108 einen Luftstrahl 104 zu erzeugen, der eine Ultraschallemission erzeugen kann. Beispielsweise kann der Einlass 106 in mehreren Ausführungsformen eine kreisförmige Gestalt (z. B. durch Definieren eines trompetenförmigen Einlasses) mit einem Durchmesser 112 haben. In anderen Ausführungsformen kann der Einlass 106 eine nicht kreisförmige Gestalt haben, wie z. B. eine rechteckige Gestalt (z. B. durch Definieren einer Lufthutze). Ungeachtet dessen kann in mehreren Ausführungsformen ein Verhältnis der Querschnittsfläche des Einlasses 106 zur Querschnittsfläche des Auslasses 108 von etwa 3:1 bis etwa 100:1 reichen, wie z. B. von etwa 3:1 bis etwa 15:1 oder von etwa 30:1 bis etwa 100:1 oder von etwa 15:1 bis etwa 30:1 und alle anderen dazwischen liegenden Unterbereiche. Für die Erfinder des vorliegenden Gegenstands ist es aber absehbar, dass das Verhältnis der Querschnittsfläche des Einlasses 106 zur Querschnittsfläche des Auslasses 108 kleiner und/oder größer als die Werte sein kann, die in den oben beschriebenen Bereichen enthalten sind.
Der konvergierende Abschnitt 110 kann allgemein einem Teil der Düse 100 entsprechen, an dem entlang die Querschnittsfläche der Düse 100 zwischen dem Einlass 106 und dem Auslass 108 stetig kleiner wird, wodurch bewirkt wird, dass die in den Einlass 106 eintretende Luft beim Durchströmen des konvergierenden Abschnitts 110 beschleunigt wird. Durch entsprechendes Auswählen der Größe des Auslasses 108 kann so der Luftstrom durch den konvergierenden Abschnitt 110 beim Erreichen des Auslasses 108 gedrosselt sein. Wie sich allgemein versteht, kann die zum Drosseln des Luftstroms erforderliche Querschnittsfläche im Allgemeinen in Abhängigkeit von dem Gesamtmassenstrom durch die Düse 100 (der mit der Größe des Einlasses 106 in Beziehung stehen kann) und dem Gesamtdruck des Luftstroms (der mit den Betriebsbedingungen der Windkraftanlage 10 beim Drehen der Rotorblätter 22 in Beziehung stehen kann) variieren. In mehreren Ausführungsformen kann der Auslass 108 aber einen Durchmesser 114 haben, der von etwa einem Millimeter (mm) bis etwa 15 mm reicht, wie z. B. von etwa 1 mm bis etwa 5 mm oder von etwa 5 mm bis etwa 15 mm und alle anderen Unterbereiche dazwischen. Für die Erfinder des vorliegenden Gegenstands ist es aber absehbar, dass der Durchmesser 114 des Auslasses 108 kleiner und/oder größer als die Werte sein kann, die in den oben beschriebenen Bereichen enthalten sind.
Es ist zu beachten, dass in mehreren Ausführungsformen der Durchmesser 114 des Auslasses 108 so gewählt sein kann, dass die Frequenz der von der Düse 100 erzeugten Ultraschallemission speziell maßgeschneidert wird. Zum Bespiel kann in einer Ausführungsform ein Auslassdurchmesser 114, der von etwa 5 mm bis etwa 15 mm reicht, eingesetzt werden, um Ultraschall mit einer Frequenz von etwa 25 kHz zu erzeugen, während ein Auslassdurchmesser 114, der von etwa 1 mm bis etwa 5 mm reicht, eingesetzt werden kann, um Ultraschall mit einer Frequenz von etwa 100 kHz zu erzeugen. Dementsprechend kann es erwünscht sein, mehrere Düsen 100 mit verschiedenen Auslassdurchmessern 114 an jedem Rotorblatt 22 zu positionieren, so dass Ultraschallemissionen mit verschiedenen Frequenzen erzeugt werden können.
Es ist zu beachten, dass die Düse 100 allgemein zur Anbringung an einer geeigneten Stelle entlang der Außenfläche 102 des Blattkörpers 28 (z. B. an einer geeigneten Stelle entlang der Druckseite 32 oder der Saugseite 34 des Rotorblatts 22) gestaltet sein kann. Zum Beispiel kann die Düse 100, wie in 3 gezeigt, in einer Ausführungsform an der Außenfläche 102 des Blattkörpers 28 an oder neben der Blattspitze 26 montiert sein. In alternativen Ausführungsformen kann die Düse 100 an einer beliebigen anderen geeigneten Stelle entlang der Spannweite 40 des Rotorblatts 22 montiert sein, wie z. B. durch Anbringen der Düse 100 um die Mitte der Spannweite 40 oder an einer Stelle nahe an der Blattwurzel 24. Desgleichen kann die Düse 100 an einer beliebigen geeigneten Stelle entlang der Profilsehne 42 des Rotorblatts 22 montiert sein. Zum Beispiel kann die Düse 100, wie in 3 gezeigt, so am Rotorblatt montiert sein, dass sich der Einlass 106 an oder neben der Vorderkante 36 befindet. In anderen Ausführungsformen kann die Düse 100 aber an einer Stelle montiert sein, die näher an der Hinterkante 38 liegt.
Es ist auch zu beachten, dass in mehreren Ausführungsformen eine Vielzahl von Düsen 100 an der Außenfläche 102 des Blattkörpers 28 montiert sein kann. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform eine Vielzahl von Düsen 100 an einer bestimmten Stelle am Rotorblatt 22 gruppiert sein. Alternativ können die Düsen 100 entlang der Außenfläche 102 des Rotorblatts 22 voneinander beabstandet angeordnet sein, so dass sie z. B. entlang der Spannweite 40 und/oder der Profilsehne 42 an der Druck- und/oder der Saugseite 32, 34 des Blatts 22 voneinander beabstandet angeordnet sind.
Außerdem ist zu beachten, dass die Lage und Zahl der Düsen 100 an jedem Rotorblatt 22 in mehreren Ausführungsformen so gewählt sein kann, dass ein spezifischer abgestrahlter Schallpegel in einer vorbestimmten Entfernung von der Windkraftanlage (z. B. in einer Entfernung, die groß genug ist, so dass Fledermäuse Rotorschlag vermeiden können) erzielt wird. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform die Lage und Anzahl der Düsen 100 an jedem Rotorblatt 22 so gewählt werden, dass der Schallpegel in einer vorbestimmten Entfernung von der Windkraftanlage größer als 65 Dezibel (dB), z. B. größer als 70 dB oder größer als 75 dB, ist.
Darüber hinaus ist zu beachten, dass jede Düse 100 allgemein mithilfe eines beliebigen geeigneten, in der Technik bekannten Befestigungsmittels und/oder -verfahrens an der Außenfläche 102 des Blattkörpers 28 angebracht werden kann. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform jede Düse 100 mithilfe eines oder mehrerer geeigneter Befestigungsmechanismen (z. B. Schrauben, Bolzen, Stifte, Nieten, Halterungen und/oder dergleichen) am Blattkörper 28 angebracht werden. Alternativ kann jede Düse 100 mithilfe eines geeigneten Klebebands oder Klebstoffs am Blattkörper 28 angebracht werden.
In 5, auf die jetzt Bezug genommen wird, ist eine Querschnittansicht einer weiteren Ausführungsform der in 3 und 4 gezeigten Düse 100 gemäß Aspekten des vorliegenden Gegenstands dargestellt. Wie gezeigt, kann die Düse 100 als eine Lavaldüse oder eine beliebige andere geeignete eingezogene Düse ausgebildet sein. Zusätzlich zu einem Einlass 206, einem Auslass 208 und einem konvergierenden Abschnitt 210 kann die Düse 100 so auch einen divergierenden Abschnitt 216 aufweisen, der zwischen dem konvergierenden Abschnitt 210 und dem Auslass 208 verläuft. In einer derartigen Ausführungsform kann sich zwischen dem konvergierenden Abschnitt 210 und dem divergierenden Abschnitt 216 ein Düsenhals 218 befinden und den Punkt definieren, an dem die Querschnittsfläche der Düse 100 von abnehmend (am konvergierenden Abschnitt 210 entlang) in zunehmend (am divergierenden Abschnitt 216 entlang) übergeht.
Indem die Düse 100 in der in 5 gezeigten Weise gestaltet wird, kann der Luftstrom z. B. beim Strömen durch den konvergierenden Abschnitt 210 und in den Düsenhals 218 auf eine Überschallgeschwindigkeit beschleunigt werden. So kann die Größe des Düsenhalses 218, ähnlich dem oben beschriebenen Auslass 108, allgemein auf Basis des Gesamtmassenstroms durch die Düse 100 (der mit der Größe des Einlasses 206 in Beziehung stehen kann) und des Gesamtdrucks des Luftstroms (der mit den Betriebsbedingungen der Windkraftanlage 10 beim Drehen der Rotorblätter 22 in Beziehung stehen kann) gewählt werden. Zum Beispiel kann in Ausführungsformen, bei denen der Einlass 206 eine dem oben beschriebenen Einlass 206 ähnliche Größe hat, der Düsenhals 218 einen Durchmesser 220 haben, der von etwa einem Millimeter (mm) bis etwa 15 mm reicht, wie z. B. von etwa 1 mm bis etwa 5 mm oder von etwa 5 mm bis etwa 15 mm und alle anderen Unterbereiche dazwischen. Für die Erfinder des vorliegenden Gegenstands ist es aber absehbar, dass der Durchmesser 220 und/oder die Querschnittsfläche des Düsenhalses 218 kleiner und/oder größer als die Werte sein kann, die in den oben beschriebenen Bereichen enthalten sind.
Indem die Düse 100 so gestaltet wird, dass sie den divergierenden Abschnitt 216 aufweist, kann sich der durch den Düsenhals 218 strömende Luftstrahl 104 außerdem beim Durchströmen des divergierenden Abschnitts 216 ausdehnen. Eine derartige Ausdehnung kann im Allgemeinen eine Änderung der Form des Luftstrahls 104 beim Austritt durch den Auslass 208 zulassen, wodurch die Frequenz des von dem Strahl 208 abgegebenen Ultraschalls geändert wird. Es ist zu beachten, dass der Durchmesser/die Querschnittsfläche, auf den/die die Düse 100 zwischen dem Hals 218 und dem Auslass 208 vergrößert wird, allgemein in Abhängigkeit von der Schallcharakteristik, die erreicht werden sollt, den Abmessungen des Einlasses 206 und des Düsenhalses 218 und/oder verschiedenen anderen Parametern/Bedingungen variieren kann. In mehreren Ausführungsformen kann aber ein Verhältnis der Querschnittsfläche des Auslasses 108 zur Querschnittsfläche des Halses 218 von etwa 1:1 bis etwa 1,2:1 reichen, wie z. B. von etwa 1,03:1 bis etwa 1,1:1 oder von etwa 1,1:1 bis etwa 1,2:1 und alle anderen dazwischen liegenden Unterbereiche. Für die Erfinder des vorliegenden Gegenstands ist es aber absehbar, dass das Verhältnis der Querschnittsfläche des Auslasses 108 zur Querschnittsfläche des Halses 218 kleiner und/oder größer als die Werte sein kann, die in den oben beschriebenen Bereichen enthalten sind.
Es ist zu beachten, dass die oben beschriebenen Düsen 100, zusätzlich zur Anbringung an einer Außenfläche 102 des Körpers 28 eines Rotorblatts 22, auch in den Blattkörper 28 eingebaut werden können. Zum Beispiel stellt 6 die in den 3 und 4 gezeigte Düse 100 teilweise in den Körper 28 eingebaut dar. Speziell ist die Düse 100, wie gezeigt, so in das Rotorblatt 22 eingebaut, dass der Auslass 108 durch den Blattkörper 28 zu einer Außenfläche 102 des Blatts 22 verläuft. Daher kann der in der Düse 100 erzeugte Luftstrahl 104 zur Außenseite des Rotorblatts 22 ausgestoßen werden, wodurch sichergestellt wird, dass die beim Austreten des Strahls 104 aus der Düse 100 erzeugte Ultraschallemission sich vom Rotorblatt 22 nach außen ausbreitet.
Um der Düse 100 in einer solchen Ausführungsform Luft zuzuführen, kann der Einlass 106 mit einer Druckluftquelle (z. B. einem Luftkompressor, Druckbehälter und/oder dergleichen) in Strömungskommunikation sein. Zum Beispiel kann die Druckluftquelle 140, wie in 6 gezeigt, innerhalb des Rotorblatts 22 angeordnet sein und sich über einen Schlauch 142 oder eine andere geeignete Verbindung in Strömungskommunikation mit dem Einlass der Düse 100 befinden. Alternativ kann die Druckluftquelle 140 an einer anderen geeigneten Stelle (z. B. innerhalb der Nabe 20, der Gondel 116 oder des Masts 12 einer Windkraftanlage 10) angeordnet sein und über eine beliebige geeignete Fluidkupplung mit dem Düseneinlass 106 verbunden sein.
Es ist zu beachten, dass die Druckluftquelle 140 allgemein für die Versorgung der Düse 100 mit Luft mit einem bestimmten Druck ausgelegt sein kann. Von daher kann der Durchmesser 112, 114 (4) oder die Querschnittsfläche des Einlasses 106 und des Auslasses 108 (und in einigen Fällen der Durchmesser/die Querschnittsfläche des Düsenhalses 218 (5)) allgemein so gewählt werden, dass bei dem bestimmten Luftdruck ein Luftstrahl 104 aus dem Düsenauslass 108 ausgestoßen wird, der eine Ultraschallemission erzeugen kann.
Es ist zu beachten, dass die Düse 100 so in das Rotorblatt 22 eingebaut werden kann, dass der Auslass 108 an einer beliebigen geeigneten Stelle am Blatt 22 entlang durch den Blattkörper 28 verläuft. Zum Beispiel ist, wie in 6 gezeigt, die Düse 100 so im Rotorblatt 22 positioniert, dass der Auslass 108 an der Hinterkante 38 durch den Blattkörper 28 verläuft. In anderen Ausführungsformen kann der Auslass 108 aber so gestaltet sein, dass er an der Vorderkante 36 oder an einer beliebigen Position an der Druckseite 34 oder der Saugseite 36 des Rotorblatts 22 durch den Blattkörper 28 verläuft. Außerdem ist in mehreren Ausführungsformen eine Vielzahl von Düsen 100 in das Rotorblatt 22 eingebaut. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform eine Vielzahl von Düsen 100 so in das Rotorblatt 22 eingebaut sein, dass der Auslass 108 jeder Düse 100 an verschiedenen Stellen entlang der Spannweite 40 des Blatts 22 an der Hinterkante 38 durch den Blattkörper 28 verläuft.
In 7, auf die jetzt Bezug genommen wird, ist eine Querschnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer Ultraschall emittierenden Vorrichtung 300, die an einer Außenfläche 102 des Körpers 28 eines Rotorblatts 22 montiert sein kann, gemäß Aspekten des vorliegenden Gegenstands dargestellt. Wie gezeigt, kann die Ultraschall emittierende Vorrichtung 300 als Hartmann-Generator oder eine andere geeignetermaßen betriebene Resonanzröhre gestaltet sein. Die Vorrichtung 300 kann daher sowohl eine konvergierende Düse 302 als auch eine Röhre 304 mit geschlossenem Ende, die stromabwärts der Düse 302 angeordnet ist, aufweisen.
Im Allgemeinen kann die Düse 302 genauso wie die oben mit Bezug auf 3 und 4 beschriebene Düse 100 oder ähnlich gestaltet sein. Zum Beispiel kann die Düse 302, wie in 7 gezeigt, einen Einlass 306, einen Auslass 308 und einen zwischen dem Einlass 306 und dem Auslass 308 verlaufenden konvergierenden Abschnitt 310 aufweisen. Wie oben beschrieben, kann die Düse 302 im Allgemeinen so gestaltet sein, dass sie beim Strömen von Luft durch die Düse 302 einen Luftstrahl 312 (z. B. einen Überschallstrahl) erzeugt. Die Abmessungen des Einlasses 306 und des Auslasses 308 können daher so gewählt werden, dass eine ausreichende Luftmenge erfasst und durch die Düse 302 hindurch beschleunigt wird, um einen solchen Strahl 312 zu erzeugen. Zum Beispiel kann der Durchmesser oder die Querschnittsfläche des Einlasses 306 und des Auslasses 308 in einer Ausführungsform genauso wie der Durchmesser oder die Querschnittsfläche des oben beschriebenen Einlasses 106 und des Auslasses 108 oder ähnlich sein.
Ähnlich verschiedenen Hartmann-Generatoren und/oder anderen kraftbetriebenen Resonanzröhren, die in der Technik bekannt sind, kann die Röhre mit geschlossenem Ende 304 allgemein so gestaltet sein, dass sie den gleichen Durchmesser und/oder die gleiche Querschnittsfläche wie der Düsenauslass 308 hat und so auf den Auslass 308 ausgerichtet sein, dass der die Düse 302 verlassende Luftstrahl 312 in die Röhre 304 gerichtet wird. Indem die Röhre 304 relativ zum Auslass 308 positioniert wird, so dass die Röhre 304 innerhalb einer Druckregion 314 der/des Stoßzellenstruktur/-musters angeordnet ist, die/das beim Austreten des Strahls 312 aus der Düse 302 am Auslass 308 entsteht, kann in der Röhre 304 eine starke Strömungsinstabilität (einschließlich aufeinanderfolgender Druck- und Expansionswellen) geschaffen werden. Infolge einer derartigen Strömungsinstabilität kann von der Ultraschall emittierenden Vorrichtung 300 eine Ultraschallemission mit einer Frequenz erzeugt werden, die von etwa 25 kHz bis etwa 100 kHz reicht.
Es ist zu beachten, dass die Röhre mit geschlossenem Ende 304 allgemein mit einem geeigneten, in der Technik bekannten Mittel und/oder Verfahren mit dem Düsenauslass 308 fluchtend montiert werden kann. Zum Beispiel kann die Röhre 304, wie in 7 gezeigt, mit einer beliebigen geeigneten Verbindung (z. B. einem Stift, einer Schraube, einer Stange und/oder einem anderen geeigneten Verbindungsstück) am Rotorblatt 22 montiert werden, die es ermöglicht, dass die Röhre 304 mit dem Düsenauslass 308 fluchtend positioniert wird. Alternativ kann die Röhre 304 über ein(e) zwischen der Röhre 304 und der Düse 302 verlaufende Kupplung oder Verbindungsstück mit dem Düsenauslass 308 in Flucht gehalten werden.
Die in 7 gezeigte Ultraschall emittierende Vorrichtung 300, wobei jetzt auf 8 Bezug genommen wird, ist in einer Gestaltung dargestellt, in der die Düse 302 teilweise in das Rotorblatt 22 eingebaut ist. Die Düse 302 ist speziell, wie gezeigt, so in das Rotorblatt 22 eingebaut, dass der Auslass 308 durch den Blattkörper 38 verläuft. Daher kann der in der Düse 302 erzeugte Luftstrahl 312 zur Außenseite des Rotorblatts 22 ausgestoßen werden. Außerdem kann, wie gezeigt, die Röhre mit geschlossenem Ende 304 außerhalb des Rotorblatts 22 montiert sein (z. B. mithilfe einer geeigneten Verbindung 316), so dass die Röhre 304 allgemein mit dem Düsenauslass 308 fluchtet. Von daher kann der von der Düse 302 erzeugte Luftstrahl 312 in die Röhre mit geschlossenem Ende 304 gerichtet werden, wodurch eine Ultraschallemission erzeugt wird, die sich vom Rotorblatt 22 nach außen ausbreitet.
Wie in 8 gezeigt, kann der Düseneinlass 306, ähnlich der oben in Bezug auf 6 beschriebenen Ausführungsform, über einen Schlauch 142 oder eine andere geeignete Verbindung mit einer geeigneten Druckluftquelle 140 (z. B. einem Luftkompressor, Druckbehälter und/oder dergleichen) in Strömungskommunikation sein. In einer derartigen Ausführungsform kann die Druckluftquelle 140 allgemein zum Zuführen von Luft mit einem bestimmten Druck zur Düse 302 gestaltet sein. Der Durchmesser oder die Querschnittsfläche des Einlasses 306 und des Auslasses 308 kann allgemein so gewählt sein, dass bei dem bestimmten Druck ein Luftstrahl 312 aus dem Düsenauslass 308 hinaus und in die Röhre mit geschlossenem Ende 304 ausgestoßen wird, so dass eine Ultraschallemission erzeugt werden kann.
Außerdem ist zu beachten, dass die Düse 302 so in das Rotorblatt 22 eingebaut werden kann, dass der Auslass 308 an einer beliebigen geeigneten Stelle am Blatt 22 entlang durch den Blattkörper 28 hindurch verläuft. Zum Beispiel ist die Düse 302, wie in 8 gezeigt, so in dem Rotorblatt 22 positioniert, dass der Auslass 308 an der Hinterkante 38 durch den Blattkörper 28 hindurch verläuft. In anderen Ausführungsformen kann der Auslass 308 so gestaltet sein, dass er an der Vorderkante 36 oder an einer Position auf der Druckseite 34 oder der Saugseite 36 des Rotorblatts 22 durch den Blattkörper 28 hindurch verläuft. Ungeachtet der Positionierung der Düse 302 kann die Röhre mit geschlossenem Ende 304 aber gestaltet sein, um relativ zur Düse 302 montiert zu werden, so dass die Röhre 304 mit dem Düsenauslass 308 fluchtet.
Es ist zu beachten, dass der vorliegende Gegenstand auch ein Verfahren zur Erzeugung einer Ultraschallemission von einem Rotorblatt 22 einer Windkraftanlage 10 aus betrifft. In mehreren Ausführungsformen kann das Verfahren Folgendes beinhalten: Drehen des Rotorblatts 100, so dass ein Luftstrom durch eine Düse 100, 302 gerichtet wird, die an einer Außenfläche 102 des Rotorblatts 22 montiert ist, wobei die Düse 100, 302 einen Einlass 106, 206, 306, einen Auslass 108, 208, 308 und einen konvergierenden Abschnitt 110, 210, 310 zwischen dem Einlass 106, 206, 306 und dem Auslass 108, 208, 308 aufweist, und Beschleunigen des Luftstroms durch den konvergierenden Abschnitt 110, 210, 310, so dass eine Ultraschallemission erzeugt wird.
Es ist auch zu beachten, dass der vorliegende Gegenstand hierin zwar als konvergierende Düsen zum Erzeugen von Ultraschallemissionen verwendend beschrieben wird, aber auch verschiedene andere Ultraschall emittierende Vorrichtungen verwendet werden können, um Fledermäuse von einer Windkraftanlage zu vertreiben. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform ein Lautsprecher, der Ultraschallemissionen erzeugen kann, an oder in einem Rotorblatt 22 montiert sein. Alternativ können verschiedene andere Vorrichtungen wie z. B. ein angetriebener Helmholtz-Resonator, ein synthetischer Doppel-Bimorph-Strahl und/oder dergleichen an oder in einem Rotorblatt 22 montiert werden, um Ultraschallemissionen zu erzeugen.
Außerdem wurde der vorliegende Gegenstand zwar hauptsächlich als konvergierende Düsen zum Erzeugen eines Überschallluftstrahls verwendend beschrieben, Ultraschallemissionen können aber auch mit Unterschall-Luftstrahlen erzeugt werden. Es ist daher zu beachten, dass der offenbarte Gegenstand allgemein zum Erzeugen eines beliebigen geeigneten Luftstrahls eingesetzt werden kann, der in der Lage ist, eine Ultraschallemission zu erzeugen.
Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele zur Offenbarung der Erfindung, einschließlich der besten Art der Ausführung, und auch, um einer Fachperson die Ausübung der Erfindung zu ermöglichen, einschließlich der Herstellung und Benutzung jedweder Vorrichtungen oder Systeme und der Durchführung eingebundener Verfahren. Der patentfähige Umfang der Erfindung wird durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele beinhalten, die fachkundigen Personen einfallen werden. Es ist vorgesehen, dass derartige weitere Beispiele in den Umfang der Ansprüche fallen, wenn sie strukturelle Elemente haben, die sich nicht von der wörtlichen Sprache der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden von den wörtlichen Sprachen der Ansprüche beinhalten.
Es wird ein Rotorblatt für eine Windkraftanlage offenbart. Das Rotorblatt kann allgemein einen Körper aufweisen, der zwischen einer Blattwurzel und einer Blattspitze verläuft. Der Körper kann eine Druckseite und eine Saugseite haben, die zwischen einer Vorderkante und einer Hinterkante verlaufen. Außerdem kann das Rotorblatt eine an oder in dem Körper montierte Düse aufweisen. Die Düse kann einen Einlass, einen Auslass und einen konvergierenden Abschnitt zwischen dem Einlass und dem Auslass aufweisen. Der konvergierende Abschnitt kann so gestaltet sein, dass er einen Luftstrom durch die Düse hindurch beschleunigt, so dass eine Ultraschallemission erzeugt wird.
Bezugszeichenliste

10: Windkraftanlage
12: Mast
14: Durchmesser
16: Gondel
18: Rotor
20: Drehbare Nabe
22: Rotorblatt
24: Blattwurzel
26: Blattspitze
28: Blattkörper
30: Längsachse
32: Druckseite
34: Saugseite
36: Vorderkante
38: Hinterkante
40: Spannweite
42: Profilsehne
100: Düsen
102: Oberfläche
104: Luftstrahl
106: Düseneinlass
108: Düsenauslass
110: Konvergierender Abschnitt
112: Durchmesser
114: Durchmesser
116: Gondel
140: Druckluftquelle
142: Schlauch
206: Düseneinlass
208: Düsenauslass
210: Konvergierender Abschnitt
216: Divergierender Abschnitt
218: Düsenhals
220: Durchmesser
300: Ultraschall emittierende Vorrichtung
302: Düse
304: Röhre mit geschlossenem Ende
306: Düseneinlass
308: Düsenauslass
310: Konvergierender Abschnitt
312: Luftstrahl
314: Druckregion
316: Verbindung

Claims

Rotorblatt für eine Windkraftanlage, wobei das Rotorblatt Folgendes aufweist: einen Körper, der zwischen einer Blattwurzel und einer Blattspitze verläuft, wobei der Körper eine Druckseite und eine Saugseite hat, die zwischen einer Vorderkante und einer Hinterkante verlaufen, und eine an oder in dem Körper montierte Düse, wobei die Düse einen Einlass, einen Auslass und einen konvergierenden Abschnitt zwischen dem Einlass und dem Auslass aufweist, wobei der konvergierende Abschnitt so gestaltet ist, dass er einen Luftstrom durch die Düse hindurch beschleunigt, so dass eine Ultraschallemission erzeugt wird.
Rotorblatt nach Anspruch 1, wobei die Düse an einer Außenfläche des Körpers montiert ist.
Rotorblatt nach Anspruch 1, wobei die Düse an oder neben der Blattspitze an dem Körper montiert ist.
Rotorblatt nach Anspruch 3, wobei die Düse so an dem Körper montiert ist, dass der Einlass an oder neben der Vorderkante angeordnet ist.
Rotorblatt nach Anspruch 1, wobei ein Verhältnis der Querschnittsfläche des Einlasses zur Querschnittsfläche des Auslasses von etwa 3:1 bis etwa 100:1 reicht.
Rotorblatt nach Anspruch 1, wobei der Auslass einen Durchmesser hat, der von etwa 1 mm bis etwa 15 mm reicht.
Rotorblatt nach Anspruch 1, wobei die Düse ferner stromabwärts von dem konvergierenden Abschnitt einen divergierenden Abschnitt aufweist, wobei zwischen dem konvergierenden und dem divergierenden Abschnitt ein Düsenhals definiert wird.
Rotorblatt nach Anspruch 1, wobei die Düse so in den Körper eingebaut ist, dass der Auslass durch den Körper verläuft, wobei der Einlass mit einer Druckfluidquelle in Strömungskommunikation ist.
Rotorblatt nach Anspruch 8, wobei der Auslass an der Hinterkante durch den Körper hindurch verläuft.
Rotorblatt nach Anspruch 1, das ferner eine Röhre mit geschlossenem Ende aufweist, die stromabwärts von der Düse angeordnet ist, so dass die aus dem Auslass austretende Luft in die Röhre mit geschlossenem Ende gerichtet wird.
Rotorblatt nach Anspruch 10, wobei die Röhre mit geschlossenem Ende mit einer Außenfläche des Körpers verbunden ist.
Rotorblatt nach Anspruch 10, wobei die Röhre mit geschlossenem Ende stromabwärts von der Hinterkante angeordnet ist.
Windkraftanlage, umfassend: einen Mast, eine oben an dem Mast montierte Gondel, einen mit der Gondel verbunden Rotor, wobei der Rotor eine Nabe und wenigstens ein sich von der Nabe nach außen erstreckendes Rotorblatt aufweist, und eine Düse, die an oder in dem wenigstens einen Rotorblatt montiert ist, wobei die Düse einen Einlass, einen Auslass und einen konvergierenden Abschnitt zwischen dem Einlass und dem Auslass aufweist, wobei der konvergierende Abschnitt so gestaltet ist, dass er einen Luftstrom durch die Düse hindurch beschleunigt, so dass eine Ultraschallemission erzeugt wird.
Windkraftanlage nach Anspruch 13, wobei die Düse an einer Außenfläche des wenigstens einen Rotorblatts montiert ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 13, wobei ein Verhältnis der Querschnittsfläche des Einlasses zur Querschnittsfläche des Auslasses von etwa 3:1 bis etwa 100:1 reicht.
Windkraftanlage nach Anspruch 13, wobei der Auslass einen Durchmesser hat, der von etwa 1 mm bis etwa 15 mm reicht.
Windkraftanlage nach Anspruch 13, wobei die Düse ferner stromabwärts von dem konvergierenden Abschnitt einen divergierenden Abschnitt aufweist, wobei zwischen dem konvergierenden und dem divergierenden Abschnitt ein Düsenhals definiert wird.
Windkraftanlage nach Anspruch 13, wobei die Düse so in den Körper eingebaut ist, dass ein Auslass durch einen Körper des Rotorblatts verläuft, wobei der Einlass mit einer Druckfluidquelle in Strömungskommunikation ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 13, die ferner eine Röhre mit geschlossenem Ende aufweist, die stromabwärts von der Düse angeordnet ist, so dass die aus dem Auslass austretende Luft in die Röhre mit geschlossenem Ende gerichtet wird.
Verfahren zum Erzeugen einer Ultraschallemission von einem Rotorblatt einer Windkraftanlage aus, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Drehen des Rotorblatts, so dass ein Luftstrom durch eine an einer Außenfläche des Rotorblatts montierte Düse gerichtet wird, wobei die Düse einen Einlass, einen Auslass und einen konvergierenden Abschnitt zwischen dem Einlass und dem Auslass aufweist, und Beschleunigen des Luftstroms durch den konvergierenden Abschnitt, so dass eine Ultraschallemission erzeugt wird.