DE102014108917A1

DE102014108917A1 - Bewegbare Oberflächeneinrichtungen für Rotorblätter einer Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102014108917A1
Application number: DE102014108917.0A
Authority: DE
Inventors: Christopher Daniel Caruso; James Robert Tobin
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2013-06-27
Filing date: 2014-06-25
Publication date: 2014-12-31
Also published as: US20150003985A1; DK201470398A1; DK178653B1

Abstract

Rotorblätter für eine Windkraftanlage weisen eine Schale mit einer Druckseite und einer Saugseite sowie mehrere Oberflächeneinrichtungen auf, die angrenzend an die Druckseite und/oder die Saugseite angeordnet sind. Die mehreren Oberflächeneinrichtungen sind ferner zwischen einer Spoilerposition und einer Wirbelerzeugerposition bewegbar.

Description

HINTER>GRUND ZU DER ERFINDUNG
Der hierin offenbarte Gegenstand betrifft Rotorblätter und insbesondere bewegbare Oberflächeneinrichtungen für Rotorblätter von Windkraftanlagen.
Windenergie wird als eine der saubersten, umweltfreundlichsten Energiequellen betrachtet, die derzeit zur Verfügung stehen, und Windkraftanlagen haben in dieser Hinsicht zunehmend an Bedeutung gewonnen. Eine moderne Windkraftanlage weist typischerweise einen Turm, einen Generator, ein Getriebe, eine Gondel und ein oder mehrere Rotorblätter auf. Die Rotorblätter nehmen unter Anwendung bekannter Flügelprofilprinzipien kinetische Energie aus dem Wind auf. Die Rotorblätter übertragen die kinetische Energie in Form von Rotationsenergie, um eine Welle zum Drehen zu bringen, welche 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 an ein Stromnetz abgegeben werden kann.
Die spezielle Größe der Rotorblätter von Windkraftanlagen ist ein wichtiger Faktor, der zum Gesamtwirkungsgrad der Windkraftanlage beiträgt. Genauer kann eine größere Länge oder Spannweite eines Rotorblatts generell zu einer Steigerung der Gesamt-Energieerzeugung einer Windkraftanlage führen. Somit tragen Bemühungen, die Größe von Rotorblättern zu erhöhen, zum anhaltenden Wachstum der Windkraftanlagentechnik und zur Akzeptanz von Windenergie als alternative Energiequelle bei. Wenn die Rotorblätter größer werden, werden jedoch auch die Lasten größer, die über die Blätter auf andere Komponenten der Windkraftanlage übertragen werden (z.B. auf die Nabe und andere Komponenten der Windkraftanlage). Zum Beispiel führen längere Rotorblätter wegen der größeren Masse der Blätter sowie wegen der größeren aerodynamischen Lasten, die entlang der Spannweite der Blätter wirken, zu größeren Lasten. Solche vergrößerten Lasten können besonders unter Bedingungen hoher Windgeschwindigkeiten problematisch sein, da die Lasten, die durch die Rotorblätter übertragen werden, die Belastbarkeit anderer Windkraftanlagenkomponenten übersteigen können.
Bestimmte Oberflächeneinrichtungen, beispielsweise Spoiler, können verwendet werden, um den Luftstrom von der Außenfläche eines Rotorblatts zu trennen, wodurch der Auftrieb verringert wird, der von dem Blatt erzeugt wird, und die Lasten, die auf das Blatt wirken, verringert werden. Andere Oberflächeneinrichtungen, wie Wirbelerzeuger, können eine Trennung der über einem Rotorblatt strömenden Luft verzögern, um die Lasten in Zeiten verringerten Windaufkommens zu erhöhen. Jedoch kann jede dieser Oberflächeneinrichtungen so konstruiert sein, dass sie entlang der Außenfläche des Rotorblatts permanent angeordnet ist. Somit wird die Menge an Auftrieb, der von dem Rotorblatt erzeugt wird, unabhängig von den Bedingungen, unter denen die Windkraftanlage arbeitet, verringert oder vergrößert und ermöglicht keinerlei dynamische Steuerung.
Somit wären in der Technik alternative Oberflächeneinrichtungen für Rotorblätter willkommen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In einer Ausführungsform ist ein Rotorblatt für eine Windkraftanlage offenbart. Das Rotorblatt weist eine Schale mit einer Druckseite und einer Saugseite sowie mehrere Oberflächeneinrichtungen auf, die angrenzend an die Druckseite und/oder die Saugseite angeordnet sind. Die mehreren Oberflächeneinrichtungen sind ferner zwischen einer Spoilerposition und einer Wirbelerzeugerposition bewegbar.
Bei dem zuvor erwähnten Rotorblatt können wenigstens zwei von den mehreren Oberflächeneinrichtungen unabhängig voneinander zwischen der Spoilerposition und der Wirbelerzeugerposition bewegbar sein.
Bei dem zuvor erwähnten Rotorblatt kann eine erste von den mehreren Oberflächeneinrichtungen die Spoilerposition einnehmen, und eine zweite von den mehreren Oberflächeneinrichtungen kann die Wirbelerzeugerposition einnehmen.
Die erste Oberflächeneinrichtung in der Spoilerposition kann sich näher an einer Blattspitze befinden als die zweite Oberflächeneinrichtung in der Wirbelerzeugerposition.
Das Rotorblatt jeder beliebigen der oben erwähnten Arten kann ferner ein oder mehrere Stellglieder umfassen, die im Innern der Schale angeordnet sind, wobei das eine oder die mehreren Stellglieder so eingerichtet sind, dass sie wenigstens eine von den mehreren Oberflächeneinrichtungen zwischen der Spoilerposition und der Wirbelerzeugerposition bewegen.
Die Schale jedes beliebigen der oben erwähnten Rotorblätter kann eine oder mehrere Öffnungen in wenigstens entweder der Druckseite und/oder der Saugseite umfassen, wobei wenigstens eine von den mehreren Oberflächeneinrichtungen in Bezug auf die eine oder die mehreren Öffnungen zwischen einer eingelassenen Position, in der sie wenigstens zum Teil innerhalb der Schale angeordnet ist, und einer ausgefahrenen Position, in der sie wenigstens zum Teil aus der Schale herausragt, bewegbar ist.
Bei dem Rotorblatt der zuvor erwähnten Art kann wenigstens eine von den mehreren Oberflächeneinrichtungen zwischen der Spoilerposition und der Wirbelerzeugerposition bewegbar sein, wenn sie die ausgefahrene Position einnimmt.
Alternativ oder zusätzlich dazu können wenigstens zwei von den mehreren Oberflächeneinrichtungen unabhängig voneinander zwischen der eingelassenen Position und der ausgefahrenen Position bewegbar sein.
Alternativ oder zusätzlich dazu kann ein äußerer Abschnitt wenigstens einer von den mehreren Oberflächeneinrichtungen ein kontinuierliches aerodynamisches Profil mit der Schale bilden, wenn die wenigstens eine Oberflächeneinrichtung die eingelassene Position einnimmt.
Bei dem Rotorblatt jeder beliebigen der oben erwähnten Arten kann eine erste von den mehreren Oberflächeneinrichtungen eine erste Wirbelerzeugerposition einnehmen, und eine zweite von den mehreren Oberflächeneinrichtungen kann eine zweite Wirbelerzeugerposition einnehmen.
In einer anderen Ausführungsform ist eine Windkraftanlage offenbart. Die Windkraftanlage weist einen Turm, eine Gondel, die oben auf dem Turm montiert ist, eine Rotornabe, die mit der Gondel verbunden ist, und mehrere Rotorblätter auf, die sich von der Rotornabe aus nach außen erstrecken. Wenigstens eines von den mehreren Rotorblättern weist eine Schale mit einer Druckseite und einer Saugseite sowie mehreren Oberflächeneinrichtungen auf, die angrenzend an die Druckseite und/oder die Saugseite angeordnet sind. Die mehreren Oberflächeneinrichtungen sind ferner zwischen einer Spoilerposition und einer Wirbelerzeugerposition bewegbar.
Bei der zuvor erwähnten Windkraftanlage können die mehreren Oberflächeneinrichtungen wenigstens zum Teil auf Basis einer Position des Rotorblatts in Bezug auf den Turm zwischen der Spoilerposition und der Wirbelerzeugerposition bewegt werden.
Außerdem kann wenigstens eine von den mehreren Oberflächeneinrichtungen in die Spoilerposition bewegt werden, wenn sich das Rotorblatt zu dem Turm hin dreht.
Bei der Windkraftanlage jeder beliebigen der oben erwähnten Arten können die mehreren Oberflächeneinrichtungen auf einem einzelnen Rotorblatt unabhängig voneinander zwischen der Spoilerposition und der Wirbelerzeugerposition bewegbar sein.
Bei der Windkraftanlage jeder beliebigen der oben erwähnten Arten können sich mehrere erste Oberflächeneinrichtungen auf einem ersten Rotorblatt zwischen der Spoilerposition und der Wirbelerzeugerposition unabhängig von mehreren zweiten Oberflächeneinrichtungen auf einem zweiten Rotorblatt bewegen, die sich zwischen der Spoilerposition und der Wirbelerzeugerposition bewegen,.
Bei der Windkraftanlage jeder beliebigen der oben erwähnten Arten kann die Schale eine oder mehrere Öffnungen in wenigstens entweder der Druckseite und/oder der Saugseite umfassen, wobei wenigstens eine von den mehreren Oberflächeneinrichtungen in Bezug auf die eine oder die mehreren Öffnungen zwischen einer eingelassenen Position, in der sie wenigstens zum Teil innerhalb der Schale angeordnet ist, und einer ausgefahrenen Position, in der sie wenigstens zum Teil aus der Schale herausragt, bewegbar ist.
Bei der Windkraftanlage der zuvor erwähnten Art kann wenigstens eine von den mehreren Oberflächeneinrichtungen zwischen der Spoilerposition und der Wirbelposition bewegbar sein, wenn sie die ausgefahrene Position einnimmt.
Alternativ oder zusätzlich dazu können wenigstens zwei von den mehreren Oberflächeneinrichtungen unabhängig voneinander zwischen der eingelassenen Position und der ausgefahrenen Position bewegbar sein.
Alternativ oder zusätzlich dazu kann ein äußerer Abschnitt von wenigstens einer von den mehreren Oberflächeneinrichtungen ein kontinuierliches aerodynamisches Profil mit der Schale bilden, wenn die wenigstens eine Oberflächeneinrichtung die eingelassene Position einnimmt.
In der Windkraftanlage jeder beliebigen der oben erwähnten Arten können die mehreren Oberflächeneinrichtungen und die Schale alle das gleiche Material aufweisen.
Diese und zusätzliche Merkmale, die von den hierin erörterten Ausführungsformen bereitgestellt werden, werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Zusammenschau mit den Zeichnungen besser verständlich werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen dienen als Erläuterung und sind beispielhafter Art, und sie sollen die Erfindung, die in den Ansprüchen definiert ist, nicht beschränken. Die folgende ausführliche Beschreibung der veranschaulichenden Ausführungsformen kann verstanden werden, wenn sie in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen gelesen wird, in denen die gleiche Struktur mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet ist und worin zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer Windkraftanlage gemäß einer oder mehreren hierin gezeigten oder beschriebenen Ausführungsformen;
2 eine perspektivische Ansicht eines Rotorblatts, das bewegbare Oberflächeneinrichtungen in Spoilererzeugerpositionen gemäß einer oder mehreren hierin gezeigten oder beschriebenen Ausführungsformen aufweist;
3 eine perspektivische Ansicht eines Rotorblatts, das bewegbare Oberflächeneinrichtungen in Wirbelerzeugerpositionen gemäß einer oder mehreren hierin gezeigten oder beschriebenen Ausführungsformen aufweist;
4 eine perspektivische Ansicht eines Rotorblatts, das bewegbare Oberflächeneinrichtungen in Zwischenpositionen gemäß einer oder mehreren hierin gezeigten oder beschriebenen Ausführungsformen aufweist;
5 eine perspektivische Ansicht eines Rotorblatts, das bewegbare Oberflächeneinrichtungen sowohl in Spoilerpositionen als auch in Wirbelerzeugerpositionen gemäß einer oder mehreren hierin gezeigten oder beschriebenen Ausführungsformen aufweist;
6 eine perspektivische Ansicht eines Rotorblatts, das bewegbare Oberflächeneinrichtungen in eingelassenen Positionen gemäß einer oder mehreren hierin gezeigten oder beschriebenen Ausführungsformen aufweist; und
7 eine Querschnittsansicht eines Rotorblatts, das bewegbare Oberflächeneinrichtungen gemäß einer oder mehreren hierin gezeigten oder beschriebenen Ausführungsformen aufweist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Eine oder mehrere spezielle Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind nachstehend beschrieben. In dem Bemühen, eine konzise Beschreibung dieser Ausführungsformen zu liefern, sind möglicherweise nicht alle Merkmale einer tatsächlichen Implementierung in der Beschreibung aufgeführt. Man beachte, dass bei der Entwicklung einer solchen tatsächlichen Implementierung, wie in einem Entwicklungs- oder Konstruktionsprojekt, zwar zahlreiche implementationsspezifische Entscheidungen getroffen werden müssen, um die jeweiligen Ziele des Entwicklers zu erreichen, beispielsweise die Einhaltung systembedingter und unternehmensbedingter Randbedingungen, die von einer Implementierung zur anderen variieren können. Darüber hinaus ist zu beachten, dass ein solches Entwicklungsunternehmen komplex und zeitaufwändig sein kann, aber für einen Durchschnittsfachmann, der sich auf diese Offenbarung stützen kann, trotzdem eine routinemäßige Konstruktions-, Fertigungs- und Herstellungsaufgabe sein würde.
Wenn Elemente von verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingeführt werden, sollen die Artikel „ein, eine“, „der, die, das“ und „dieser, diese, dieses“ bedeuten, dass eines oder mehrere von den Elementen vorhanden sind. Die Begriffe „umfassen“, „beinhalten“ und „aufweisen“ sollen inklusiv sein und bedeuten, dass weitere Elemente außer den aufgeführten Elementen vorhanden sein können.
In 1 ist eine Windkraftanlage 10 dargestellt. Die Windkraftanlage 10 weist einen Turm 12 mit einer darüber angebrachten Gondel 14 auf. Mehrere Rotorblätter 16 sind an einer Rotornabe 18 angebracht, die ihrerseits mit einem Hauptflansch verbunden ist, der eine Hauptrotorwelle dreht. Die Leistungserzeugungs- und Steuerungskomponenten der Windkraftanlage sind in der Gondel 14 untergebracht. Man beachte, dass die Ansicht von 1 nur zur Erläuterung dienen soll, um ein Einsatzgebiet für den vorliegenden Gegenstand zu zeigen. So sollte ein Durchschnittsfachmann ohne weiteres erkennen, dass der vorliegende Gegenstand nicht auf irgendeine bestimmte Art einer Windkraftanlagenkonfiguration beschränkt ist.
2–7 zeigen ein Rotorblatt 100 mit mehreren bewegbaren Oberflächeneinrichtungen 150 gemäß Aspekten des vorliegenden Gegenstands. Im Einzelnen veranschaulicht 2 eine perspektivische Ansicht des Rotorblatts 100, das mehrere Oberflächeneinrichtungen 150 in Spoilerpositionen aufweist. 3 veranschaulicht eine perspektivische Ansicht des Rotorblatts 100, das mehrere Oberflächeneinrichtungen 150 in verschiedenen Wirbelerzeugerpositionen aufweist. 4 veranschaulicht eine perspektivische Ansicht des Rotorblatts 100, das mehrere Oberflächeneinrichtungen 150 in Zwischenpositionen aufweist. 5 veranschaulicht eine perspektivische Ansicht des Rotorblatts 100, das mehrere Oberflächeneinrichtungen 150 sowohl in Spoilerpositionen als auch in Wirbelerzeugerpositionen aufweist. 6 veranschaulicht eine perspektivische Ansicht des Rotorblatts 100, das mehrere Oberflächeneinrichtungen 150 in eingelassenen Positionen aufweist. Zusätzlich veranschaulicht 7 eine Teilquerschnittsansicht des Rotorblatts 100, das bewegbare Oberflächeneinrichtungen 150 aufweist.
Generell kann das offenbarte Rotorblatt 100 eine Blattwurzel 104, die dafür eingerichtet ist, das Rotorblatt 100 an der Nabe 18 der Windkraftanlage 10 anzubringen (1), und eine Blattspitze 106 aufweisen, die entgegengesetzt zu der Blattwurzel 104 angeordnet ist. Eine Schale 108 des Rotorblatts 100 kann generell so eingerichtet sein, dass sie sich zwischen der Blattwurzel 104 und der Blattspitze 106 erstreckt, und kann als äußere Hülle/Abdeckung dienen, die eine Außenfläche 122 des Rotorblatts 100 aufweist. In bestimmten Ausführungsformen kann die Schale 108 ein im Wesentlichen aerodynamisches Profil definieren, beispielsweise durch die Ausbildung eines symmetrischen oder gewölbten tragflächenprofilförmigen Querschnitts. An sich kann die Schale 108 eine Druckseite 110 und eine Saugseite 112 definieren, die sich zwischen einer Anströmkante 114 und einer Abströmkante 116 erstrecken. Ferner kann das Rotorblatt 100 eine Spannweite 118, welche die Gesamtlänge zwischen der Blattwurzel 104 und der Blattspitze 106 definiert, und ein Profilsehne 120 aufweisen, welche die Gesamtlänge zwischen der Anströmkante 114 und der Abströmkante 116 definiert. Wie allgemein verstanden wird, kann die Profilsehne 120 im Verlauf des Rotorblatts 100 von der Blattwurzel 104 zu der Blattspitze 106 in Bezug auf die Spannweite 118 hinsichtlich ihrer Länge variieren.
In mehreren Ausführungsformen kann die Schale 108 des Rotorblatts 100 als eine einzige, einheitliche Komponente ausgebildet sein. Alternativ dazu kann die Schale 108 aus mehreren Schalenkomponenten ausgebildet sein. Zum Beispiel kann die Schale 108 aus einer ersten Schalenhälfte, die allgemein die Druckseite 110 des Rotorblatts 100 definiert, und einer zweiten Schalenhälfte hergestellt sein, die allgemein die Saugseite 112 des Rotorblatts 100 definiert, wobei die Schalenhälften an der Anström- und Abströmkante 114, 116 des Blattes 100 aneinander befestigt sind. Außerdem kann die Schale 108 generell aus jedem geeigneten Material ausgebildet sein. Zum Beispiel kann die Schale 108 in einer Ausführungsform ganz aus einem laminierten Verbundmaterial, beispielweise mit Kohlefaser verstärktem laminiertem Verbundmaterial oder mit Glasfaser verstärktem laminiertem Verbundmaterial, ausgebildet sein. Alternativ dazu kann ein Abschnitt oder können mehrere Abschnitte der Schale 108 als Schichtkonstruktion eingerichtet sein und ein Kernmaterial beinhalten, das aus einem leichten Material, beispielsweise aus Holz (z.B. Balsa), Schaumstoff (z.B. extrudiertem Polystyrol-Schaumstoff) oder einer Kombination solcher Materialien, ausgebildet ist und das zwischen Schichten des laminierten Verbundmaterials angeordnet ist.
Man beachte, dass das Rotorblatt 100 auch eine oder mehrere innere strukturelle Komponenten aufweisen kann. Zum Beispiel kann das Rotorblatt 100 in mehreren Ausführungsformen einen oder mehrere (nicht dargestellte) Holmstege beinhalten, die sich zwischen entsprechenden (nicht dargestellten) Holmgurten erstrecken. Jedoch kann das Rotorblatt 100 der vorliegenden Offenbarung in anderen Ausführungsformen irgendeine andere geeignete innere Gestaltung aufweisen.
Weiterhin Bezug nehmend auf 2–7 umfasst das Rotorblatt 100 eine oder mehrere Oberflächeneinrichtungen 150. Die mehreren Oberflächeneinrichtungen 150 sind zwischen einer Spoilerposition (die am besten in 2 dargestellt ist) und einer Wirbelerzeugerposition (die am besten in 3 dargestellt ist) bewegbar. Wie hierin verwendet, bezieht sich „bewegbar“ darauf, dass die gesamte Oberflächeneinrichtung 150 bewegbar ist oder dass ein oder mehrere Abschnitte der Oberflächeneinrichtung bewegbar sind. Zum Beispiel kann die Oberflächeneinrichtung 150 in manchen Ausführungsformen einen zentralen Stift umfassen, um den herum sich die übrige Oberflächeneinrichtung zwischen der Spoilerposition und der Wirbelerzeugerposition dreht.
Wie hierin verwendet, bezeichnet „Spoilerposition“ eine Position der mehreren Oberflächeneinrichtungen 150, die eine über dem Rotorblatt 100 strömende Luft von der Außenfläche 122 der Schale 108 abreißen lässt, wodurch der Auftrieb, der von dem Blatt 100 erzeugt wird, verringert wird und die Lasten verringert werden, die durch das Blatt 100 auf andere Komponenten der Windkraftanlage 10 (z.B. die Rotornabe 18 der Windkraftanlage 10, die in 1 dargestellt ist) übertragen werden. Zum Beispiel können die mehreren Oberflächeneinrichtungen 150, wie am besten aus 2 ersichtlich ist, im Wesentlichen parallel zu der Spannweite 118 des Rotorblatts 100 ausgerichtet sein, wenn sie die Spoilerposition einnehmen. Die Spoilerposition kann dadurch während einer verstärkten Belastung an dem Rotorblatt 100 (z.B. während eines Betriebs unter Bedingungen mit hohen Windgeschwindigkeiten) genutzt werden. In manchen Ausführungsformen kann der Zwischenraum zwischen den Oberflächeneinrichtungen 150 in den Spoilerpositionen so gewählt werden, dass ein ausreichender Abstand sichergestellt ist, wenn diese Oberflächeneinrichtungen 150 in die Wirbelerzeugerpositionen bewegt werden, wie hierin erkannt werden sollte. Der Abstand kann beispielsweise von der Größe der Oberflächeneinrichtungen, ihrer Position auf dem Rotorblatt 100 in Bezug auf die Spannweite und/oder die Profilsehne oder von beliebigen anderen relevanten Faktoren abhängen. Zum Beispiel kann in manchen Ausführungsformen der Raum zwischen zwei von den Oberflächeneinrichtungen 150 kleiner als, größer als oder gleich groß wie die Länge der Oberflächeneinrichtung 150 sein.
Wie hierin ebenfalls verwendet, bezeichnet die „Wirbelerzeugerposition“ eine Position der mehreren Oberflächeneinrichtungen 150, die einen Strömungsabriss der über das Rotorblatt 100 strömenden Luft von der Außenfläche 122 der Schale 108 verzögert. Während sie die Wirbelerzeugerposition einnehmen, können die mehreren Oberflächeneinrichtungen 150 mehrere Lamellen, Unebenheiten, Rippen und/oder andere Gestaltungen aufweisen, die einen Wirbel in der Luft erzeugen, die entlang der Außenfläche 122 der Schale 108 strömt. Wirbel, die von den mehreren Oberflächeneinrichtungen 150 in der Wirbelerzeugerposition erzeugt werden, können den Vorwärtsimpuls des Luftstroms vergrößern, was ein längeres Haften der Luft an der Außenfläche 122 begünstigt. Die Wirbelerzeugerposition kann somit verwendet werden, um die Belastung an dem Rotorblatt 100 zu erhöhen.
Wie am besten in 3 dargestellt ist, können die mehreren Oberflächeneinrichtungen 150 z.B. im Wesentlichen parallel zu der Richtung der Profilsehne 120 (wie mit einer ersten Oberflächeneinrichtung 151 dargestellt ist, die sich nahe an der Blattspitze 106 befindet), oder unter einem Winkel zwischen den Richtungen der Spannweite 118) und der Profilsehne (120) (wie mit einer zweiten Oberflächeneinrichtung 152, die näher an der Blattwurzel 104 liegt, dargestellt ist) ausgerichtet sein. In den letzteren Gestaltungen können die mehreren Oberflächeneinrichtungen 150 in der Wirbelerzeugerposition jeweils in die gleiche Richtung weisen, oder sie können alternativ dazu in entgegengesetzte Richtungen weisen, so dass sie mehrere V-artige Strukturen bilden (wie in 3 dargestellt ist). In manchen Ausführungsformen können die mehreren Oberflächeneinrichtungen 150 unterschiedliche Wirbelerzeugerpositionen einnehmen (z.B. eine erste und eine zweite Wirbelerzeugerposition), so dass der Winkel jeder Wirbelerzeugerposition auf Basis von wenigstens der Position entlang des Rotorblatts 100 bedarfsgemäß eingestellt werden kann.
Indem nun auf 4 Bezug genommen wird, können die mehreren Oberflächeneinrichtungen 150 in manchen Ausführungsformen in Zwischenpositionen bewegt werden. Wie hierin verwendet, bezeichnet „Zwischenpositionen“ Positionen zwischen der Spoilerposition und der Wirbelerzeugerposition. Eine Bewegung einer oder mehrerer von den mehreren Oberflächeneinrichtungen 150 in Zwischenpositionen kann eine bedarfsgerechtere Steuerung einer Umlenkung des Luftstroms ermöglichen, wenn dieser über die Außenfläche 122 der Schale 108 streicht. Genauer kann die Belastung des Rotorblatts 100 durch Bewegen der mehreren Oberflächeneinrichtungen 150 in jede beliebige Zwischenposition zwischen der Spoilerposition (die die Last verringern kann) und der Wirbelerzeugerposition (die die Last erhöhen kann) angepasst werden.
Indem nun auf 5 Bezug genommen wird, können die mehreren Oberflächeneinrichtungen 150 unabhängig voneinander zwischen der Spoilerposition und der Wirbelerzeugerposition bewegbar sein. Die unabhängige Bewegung der mehreren Oberflächeneinrichtungen 150 kann eine Manipulation des Windes auf dem Rotorblatt 100 ermöglichen, die für die Stelle in Richtung der Spannweite 118 und/oder der Profilsehne 120 spezifisch ist. Zum Beispiel können die mehreren Oberflächeneinrichtungen 150 eine erste Oberflächeneinrichtung 151, die näher an der Blattspitze 106 des Rotorblatts angeordnet ist, und eine zweite Oberflächeneinrichtung 152 umfassen, die näher an der Blattwurzel 104 des Rotorblatts 100 angeordnet ist. Die erste Oberflächeneinrichtung 151 und die zweite Einrichtung 152 können in verschiedene Positionen bewegt werden, so dass die mehreren Oberflächeneinrichtungen 150 eine insgesamt hybride Position einnehmen. Zum Beispiel kann die erste Oberflächeneinrichtung 151 in die Spoilerposition bewegt werden, während die zweite Oberflächeneinrichtung 152 in eine Wirbelerzeugerposition bewegt werden kann. In manchen dieser Ausführungsformen kann die erste Oberflächeneinrichtung 151 näher an der Blattspitze 106 liegen, und die zweite Oberflächeneinrichtung 152 kann näher an der Blattwurzel 104 liegen. Die hybriden Positionen können somit genutzt werden, um den Luftstrom über der Oberfläche 122 der Schale 108 auf der Basis der spezifischen Stellen entlang des Rotorblatts 108 zu variieren.
Die mehreren Oberflächeneinrichtungen 150 können ein beliebiges Material oder beliebige Materialien aufweisen, das bzw. die sich für die Manipulation des Luftstroms über der Außenfläche 122 der Schale 108 eignet/eignen. Zum Beispiel können die mehreren Oberflächeneinrichtungen 150 und die Schale 108 in manchen Ausführungsformen das gleiche Material (z.B. mit Kohlefaser verstärktes Laminat, mit Glasfaser verstärktes Verbundmaterial usw.) aufweisen. In anderen Ausführungsformen können die mehreren Oberflächeneinrichtungen 150 ein anderes Material als die Schale 108 aufweisen. In manchen Ausführungsformen können einige der mehreren Oberflächeneinrichtungen 150 (z.B. die erste Oberflächeneinrichtung 151) ein Material aufweisen, das sich von demjenigen anderer Oberflächeneinrichtungen 150 (z.B. der zweiten Oberflächeneinrichtung 152) unterscheidet.
Die mehreren Oberflächeneinrichtungen 150 können jede beliebige Anzahl von individuellen Oberflächeneinrichtungen 150 umfassen und können an verschiedenen Stellen in Bezug auf die Schale 108 des Rotorblatts 100 angeordnet und verteilt sein. Zum Beispiel können die mehreren Oberflächeneinrichtungen 150 in manchen Ausführungsformen auf der Saugseite 112 des Rotorblatts angeordnet sein. In manchen Ausführungsformen können die mehreren Oberflächeneinrichtungen 150 auf der Druckseite 110 des Rotorblatts 100 angeordnet sein. In manchen Ausführungsformen können die mehreren Oberflächeneinrichtungen sowohl auf der Saugseite 112 als auch auf der Druckseite 110 des Rotorblatts 100 angeordnet sein.
Darüber hinaus können die mehreren Oberflächeneinrichtungen 150 in vielen Varianten zwischen der Blattwurzel 104 und der Blattspitze 106 angeordnet und voneinander beabstandet sein. Zum Beispiel können die mehreren Oberflächeneinrichtungen 150 in der Spannweitenrichtung, in der Profilsehnenrichtung oder sowohl in der Spannweitenrichtung als auch in der Profilsehnenrichtung voneinander beabstandet sein. Man beachte, dass „Spannweitenrichtung“ die Richtung bezeichnet, die sich parallel zu der Spannweite 118 des Rotorblatts erstreckt, und dass „Profilsehnenrichtung“ die Richtung bezeichnet, die sich parallel zur Profilsehne 120 des Rotorblatts 100 erstreckt. In manchen Ausführungsformen können die mehreren Oberflächeneinrichtungen 150 gleichmäßig voneinander beabstandet sein. In anderen Ausführungsformen können die mehreren Oberflächeneinrichtungen entweder zur Blattwurzel 104 oder zur Blattspitze 106 des Rotorblatts 100 hin oder auch zur Anströmkante 114 oder zur Abströmkante 116 des Rotorblatts 100 hin weiter voneinander beabstandet sein.
Außerdem kann jede von den mehreren Oberflächeneinrichtungen 150 eine beliebige geeignete Länge aufweisen, die es ihr ermöglicht, sich zwischen der Spoilerposition und der Wirbelerzeugerposition zu bewegen, wie hierin erkannt werden sollte. In manchen Ausführungsformen können die mehreren Oberflächeneinrichtungen 150 jeweils die gleiche Länge aufweisen. In anderen Ausführungsformen können manche von den mehreren Oberflächeneinrichtungen 150 (beispielsweise diejenigen, die näher an der Blattspitze 106 und/oder der Anströmkante 114 liegen) andere Längen (z.B. kleinere Längen) aufweisen als der Rest von den mehreren Oberflächeneinrichtungen 150 (beispielsweise diejenigen, die näher an der Blattwurzel 104 und/oder der Abströmkante 116 liegen).
Indem nun auf 6 Bezug genommen wird, kann die Schale 108 ferner eine oder mehrere Öffnungen 155 wenigstens entweder in der Druckseite 110 und/oder der Saugseite 112 umfassen. Die mehreren Oberflächeneinrichtungen 150 können außerdem in Bezug auf die eine oder die mehreren Öffnungen 155 zwischen einer eingelassenen Position, in der sie wenigstens zum Teil innerhalb der Schale 108 angeordnet sind (wie in 6 dargestellt ist), und einer ausgefahrenen Position, in der sie wenigstens zum Teil von der Schale 108 vorstehen (wie in 2–5 dargestellt ist), bewegbar sein.
Während sie die eingelassene Position einnehmen, können die mehreren Oberflächeneinrichtungen 150 wenigstens zum Teil in das Rotorblatt 100 eingelassen sein, so dass sie nicht den gleichen umlenkenden Einfluss auf die Luft, die über die Schale 108 strömt, haben, als wenn sie die ausgefahrene Position einnehmen würden. Zum Beispiel können sich die mehreren Oberflächeneinrichtungen 150 in manchen Ausführungsformen in eine vollständig eingelassene Position bewegen, in der sie vollständig unter der Außenfläche 122 der Schale 108 liegen oder bündig mit dieser sind. In solchen Ausführungsformen kann ein oberer Abschnitt der mehreren Oberflächeneinrichtungen 150 so eingerichtet sein, dass er ein aerodynamisches Profil definiert, das dem aerodynamischen Profil der Außenfläche 122 der Schale 108 entspricht. In solchen Ausführungsformen können die mehreren Oberflächeneinrichtungen 150 im Wesentlichen bündig mit der Außenfläche 122 abschließen, so dass sie ein allgemein glattes und kontinuierliches aerodynamisches Profil zwischen der Schale 108 und den mehreren Oberflächeneinrichtungen 150 erzeugen. In anderen Ausführungsformen kann die Schale 108 eine alternative oder zusätzliche Abdeckung umfassen, welche die eine oder die mehreren Öffnungen 155 verschließt, wenn eine oder mehrere von den mehreren Oberflächeneinrichtungen 150 die eingelassene Position einnehmen.
Während sie die ausgefahrene Position einnehmen, können die mehreren Oberflächeneinrichtungen 150 zwischen der Spoilerposition und der Wirbelerzeugerposition bewegbar sein. In manchen Ausführungsformen können wenigstens zwei von den mehreren Oberflächeneinrichtungen 150 unabhängig voneinander zwischen der eingelassenen Position und der ausgefahrenen Position bewegbar sein.
Indem nun auf 7 Bezug genommen wird, ist eine Teilansicht des in 1–6 dargestellten Rotorblatts 100 im Querschnitt veranschaulicht. In manchen Ausführungsformen kann das Rotorblatt 100 ferner ein oder mehrere Stellglieder 130 umfassen, die im Inneren der Schale 108 angeordnet sind.
Das eine oder die mehreren Stellglieder 130 können so eingerichtet sein, dass sie wenigstens eine von den mehreren Oberflächeneinrichtungen 150 in eine Drehrichtung 131 (d.h. zwischen der Spoilerposition und der Wirbelerzeugerposition) und/oder in eine vertikale Richtung 132 (d.h. zwischen der eingelassenen Position und der ausgefahrenen Position) bewegen. In manchen Ausführungsformen können das eine oder die mehreren Stellglieder 130 zusätzlich oder alternativ dazu so eingerichtet sein, dass sie wenigstens eine von den mehreren Oberflächeneinrichtungen 150 in Winkelrichtung bewegen, so dass der Winkel der Oberflächeneinrichtung in Bezug auf das Rotorblatt geändert wird (z.B. ähnlich einer ganz ausgeklappten und einer ganz eingeklappten Ausrichtungen für ein Flugzeugflügel). Solche Ausführungsformen können den Winkel des Luftstroms verändern, während dieser über die Oberflächeneinrichtung 150 strömt (z.B. wenn sie die Spoilerposition einnimmt). Es sollte erkannt werden, dass das Stellglied 130 generell eine beliebige geeignete Vorrichtung bzw. beliebige geeignete Vorrichtungen umfassen kann, die in der Lage ist bzw. sind, wenigstens eine von den mehreren Oberflächeneinrichtungen 150 in Bezug auf die Schale 108 zu bewegen. Zum Beispiel kann das Stellglied 130 eine beliebige hydraulische, pneumatische, Zahnstangen-, Schneckenrad-, exzenterbetätigte, elektromagnetische, motorbetätigte oder irgendeine andere geeignete Art von Vorrichtung umfassen, die dafür eingerichtet ist, wenigstens eine von den mehreren Oberflächeneinrichtungen 150 zu bewegen.
In manchen Ausführungsformen kann jede von den mehreren Oberflächeneinrichtungen 150 mit ihrem eignen individuellen Stellglied 130 oder mit mehreren Stellgliedern 130 verbunden sein (z.B. mit einem für eine Bewegung in der Drehrichtung 131 und mit einem für eine Bewegung in der vertikalen Richtung 132). In manchen Ausführungsformen können mehrere von den mehreren Oberflächeneinrichtungen 150 mit demselben Stellglied 130 verbunden sein, so dass sich die Oberflächeneinrichtungen 150, die mit demselben Stellglied 130 verbunden sind, übereinstimmend bewegen.
Indem nun auf 1–7 Bezug genommen wird, können sich die mehreren Oberflächeneinrichtungen 150 in manchen Ausführungsformen auf Basis des jeweiligen Rotorblatts 100 der Windkraftanlage zwischen der Spoilerposition und der Wirbelerzeugerposition bewegen. Zum Beispiel kann die Windkraftanlage 10 in manchen Ausführungsformen ein erstes Blatt und ein zweites Blatt umfassen, die beide jeweils mehrere Oberflächeneinrichtungen 150 umfassen wie hierin beschrieben. In solchen Ausführungsformen können sich mehrere erste Oberflächeneinrichtungen 150 auf einem ersten Rotorblatt 100 unabhängig von mehreren zweiten Oberflächeneinrichtungen 150 auf einem zweiten Rotorblatt 100, die sich zwischen der Spoilerposition und der Wirbelerzeugerposition bewegen, zwischen der Spoilerposition und der Wirbelerzeugerposition bewegen. Insbesondere können sich die mehreren ersten Oberflächeneinrichtungen 150 des ersten Rotorblatts 100 in eine Position (z.B. die Spoilerposition) bewegen, während sich die mehreren zweiten Oberflächeneinrichtungen 150 des zweiten Rotorblatts 100 in eine andere Position (z.B. die Wirbelerzeugerposition oder eine eingelassene Position) bewegen. Diese Ausführungsformen können eine Anpassung der Belastung einzelner Rotorblätter 100 unabhängig von den anderen Rotorblättern ermöglichen. Wenn beispielsweise der Anstellwinkel-Motor eines Rotorblatts 100 ausfällt, kann dieses Rotorblatt 100 die mehreren Oberflächeneinrichtungen 150 in die Spoilerposition bewegen, um die Last zu verringern, die andernfalls über den Anstellwinkel-Motor gesteuert werden könnte. Die anderen Rotorblätter 100 können dann ihre jeweiligen Oberflächeneinrichtungen in irgendeiner anderen Position halten, wie von den Betriebsbedingungen verlangt.
Ferner können die mehreren Oberflächeneinrichtungen 150 in manchen Ausführungsformen wenigstens zum Teil auf Basis einer Position des Rotorblatts 100 in Bezug auf den Turm 12 (d.h. die Position des Rotorblatts 100, wenn sich dieses über seinen gesamten Kreis hinweg dreht) zwischen der Spoilerposition und der Wirbelerzeugerposition bewegt werden. Wenn sich beispielsweise das Rotorblatt 100 zu dem Turm hin dreht (d.h. wenn es sich der unteren oder 6-Uhr-Position nähert), können sich die mehreren Oberflächeneinrichtungen 150 für dieses Rotorblatt 100 in die Spoilerposition bewegen. Diese Ausführungsformen können die Belastung des Rotorblatts 100, wenn es sich dem Turm 12 nähert, verringern, was dazu beiträgt, einen ausreichenden Abstand zwischen diesen beiden Objekten zu erreichen. Die mehreren Oberflächeneinrichtungen 150 können somit über jeden einzelnen Drehzyklus des Rotorblatts 100 hinweg auf Basis verschiedener Randbedingungen und Umweltbedingungen dynamisch zwischen Positionen bewegt werden.
Es sollte nun erkannt werden, dass Oberflächeneinrichtungen, die sich zwischen den Spoilerpositionen und den Wirbelerzeugerpositionen bewegen, angrenzend an die Saug- und/oder die Druckseiten von Rotorblättern angeordnet werden können, um Luftstromlasten auf der Basis externer Bedingungen (z.B. Windgeschwindigkeit, Leistungserzeugungsziele usw.) und betrieblicher Randbedingungen (z.B. Abstandsanforderungen, Drehzahlbeschränkungen usw.) dynamisch zu handhaben. Die Oberflächeneinrichtungen können sich unabhängig von anderen Oberflächeneinrichtungen desselben Rotorblatts und/oder unabhängig von anderen Oberflächeneinrichtungen auf anderen Rotorblättern bewegen. Darüber hinaus können diese Oberflächeneinrichtungen ferner in eine eingelassene Position innerhalb des Rotorblatts bewegbar sein, wenn keine Spoilerwirkung oder Wirbelzeugung benötigt wird.
Obwohl die Erfindung ausführlich in Verbindung mit nur einer begrenzten Anzahl von Ausführungsformen beschrieben worden ist, sollte ohne weiteres verständlich sein, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist. Die Erfindung kann vielmehr modifiziert werden, so dass sie jede Anzahl von Variationen, Abänderungen, Ersetzungen oder Äquivalenten aufweist, die hier zwar nicht beschrieben worden sind, die aber mit dem Gedanken und Umfang der Erfindung in Einklang stehen. Außerdem wurden zwar verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, aber es wird verstanden, dass Aspekte der Erfindung auch nur einige von den beschriebenen Ausführungsformen beinhalten können. Somit darf die Erfindung nicht auf die obige Beschreibung beschränkt verstanden werden, da sie nur durch den Umfang der beigefügten Ansprüche beschränkt ist.
Rotorblätter für eine Windkraftanlage weisen eine Schale mit einer Druckseite und einer Saugseite sowie mehrere Oberflächeneinrichtungen auf, die angrenzend an die Druckseite und/oder die Saugseite angeordnet sind. Die mehreren Oberflächeneinrichtungen sind ferner zwischen einer Spoilerposition und einer Wirbelerzeugerposition bewegbar.

Claims

Rotorblatt für eine Windkraftanlage, wobei das Rotorblatt aufweist: eine Schale mit einer Druckseite und einer Saugseite; und mehrere Oberflächeneinrichtungen, die angrenzend an die Druckseite und/oder die Saugseite angeordnet sind, wobei die mehreren Oberflächeneinrichtungen zwischen einer Spoilerposition und einer Wirbelerzeugerposition bewegbar sind.
Rotorblatt nach Anspruch 1, wobei wenigstens zwei von den mehreren Oberflächeneinrichtungen unabhängig voneinander zwischen der Spoilerposition und der Wirbelerzeugerposition bewegbar sind.
Rotorblatt nach Anspruch 2, wobei eine erste von den mehreren Oberflächeneinrichtungen die Spoilerposition einnimmt und eine zweite von den mehreren Oberflächeneinrichtungen die Wirbelerzeugerposition einnimmt, wobei die erste Oberflächeneinrichtung in der Spoilerposition vorzugsweise näher an der Blattspitze liegt als die zweite Oberflächeneinrichtung in der Wirbelerzeugerposition.
Rotorblatt nach einem der vorangehenden Ansprüche, das ferner ein oder mehrere Stellglieder aufweist, die innerhalb der Schale angeordnet sind, wobei das eine oder die mehreren Stellglieder eingerichtet sind, um wenigstens eine von den mehreren Oberflächeneinrichtungen zwischen der Spoilerposition und der Wirbelerzeugerposition zu bewegen.
Rotorblatt nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Schale eine oder mehrere Öffnungen in der Druckseite und/oder der Saugseite aufweist und wobei wenigstens eine von den mehreren Oberflächeneinrichtungen in Bezug auf die eine oder die mehreren Öffnungen zwischen einer eingelassenen Position, in der sie wenigstens zum Teil innerhalb der Schale angeordnet ist, und einer ausgefahrenen Position, in der sie wenigstens zum Teil aus der Schale herausragt, bewegbar ist.
Rotorblatt nach Anspruch 5, wobei wenigstens eine von den mehreren Oberflächeneinrichtungen zwischen der Spoilerposition und der Wirbelerzeugerposition bewegbar ist, wenn sie die ausgefahrene Position einnimmt; und/oder wobei wenigstens zwei von den mehreren Oberflächeneinrichtungen unabhängig voneinander zwischen der eingelassenen Position und der ausgefahrenen Position bewegbar sind; und/oder wobei ein äußerer Abschnitt wenigstens einer von den mehreren Oberflächeneinrichtungen ein kontinuierliches aerodynamisches Profil mit der Schale bildet, wenn die wenigstens eine Oberflächeneinrichtung die eingelassene Position einnimmt.
Rotorblatt nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine erste von den mehreren Oberflächeneinrichtungen eine erste Wirbelerzeugerposition einnimmt und eine zweite von den mehreren Oberflächeneinrichtungen eine zweite Wirbelerzeugerposition einnimmt.
Windkraftanlage, die aufweist: einen Turm; eine Gondel, die oben auf dem Turm montiert ist; eine Rotornabe, die mit der Gondel verbunden ist; und mehrere Rotorblätter, die sich von der Rotornabe aus nach außen erstrecken, wobei wenigstens eines von den mehreren Rotorblättern aufweist: eine Schale mit einer Druckseite und einer Saugseite; und mehrere Oberflächeneinrichtungen, die angrenzend an die Druckseite und/oder die Saugseite angeordnet sind, wobei die mehreren Oberflächeneinrichtungen zwischen einer Spoilerposition und einer Wirbelerzeugerposition bewegbar sind.
Windkraftanlage nach Anspruch 8, wobei die mehreren Oberflächeneinrichtungen wenigstens zum Teil auf der Basis einer Position des Rotorblatts in Bezug auf den Turm zwischen der Spoilerposition und der Wirbelerzeugerposition bewegt werden; und/oder wobei wenigstens eine von den mehreren Oberflächeneinrichtungen in die Spoilerposition bewegt wird, während sich das Rotorblatt zum Turm hin dreht.
Windkraftanlage nach Anspruch 8 oder 9, wobei die mehreren Oberflächeneinrichtungen und die Schale alle das gleiche Material aufweisen.