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Die Erfindung betrifft ein Windenergieanlagenrotorblatt mit einem aerodynamischen Profil, einer Unterseite einer Oberseite, einer Vorderkante und einer Hinterkante, wobei die Hinterkante wenigstens teilweise stumpf ausgebildet ist, und einem Luftleitkanal innerhalb des Windenergieanlagenrotorblatts mit einem Lufteintritt und einem Luftaustritt, wobei wenigstens in einem Teilbereich des Wurzelbereichs des Rotorblatts der Lufteintritt auf der Unterseite angeordnet ist, sich der Luftleitkanal von der Unterseite zur Hinterkante erstreckt und der Luftaustritt an der Hinterkante im Wurzelbereich angeordnet ist, wobei Luft an der Unterseite durch den Lufteintritt durch den Luftleitkanal über den Luftaustritt passiv geleitet / transportiert wird.
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Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Windenergieanlagenrotorblätter bekannt, bei denen unterschiedliche Modifikationen in Bezug auf deren aerodynamisches Profil als auch in Bezug auf die aerodynamische Beeinflussung durch Grenzschichtabsaugung vorgesehen werden, wobei das Ziel der Optimierung von Windenergieanlagenrotorblättern immer die Verbesserung der Gesamtleistung der Windenergieanlage ist.
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Nachfolgend wird der bekannte Stand der Technik näher betrachtet:
- Aus der Druckschrift EP 2 998 572 B1 ist ein Windenergieanlagenrotorblatt aufweisend eine Oberseite, eine Unterseite, eine Vorderkante, eine Hinterkante, eine Nabenbefestigung und eine Blattspitze bekannt, wobei das Windenergieanlagenrotorblatt in einen Nabenbereich, einen Mittelbereich und einen Blattspitzenbereich eingeteilt und ein Wurzelbereich von der Nabenbefestigung bis zur maximalen Blatttiefe definiert ist, wobei innerhalb des Windenergieanlagenrotorblattes ein radial nach außen verlaufender Luftleitkanal zur Leitung von abgesaugter Luft aus einem Absaugbereich zu einem im Blattspitzenbereich angeordneten Ausblasbereich vorgesehen ist und eine Grenzschichtabsaugung erfolgt, wobei die Absaugung der Luft auf der Oberseite des Windenergieanlagenrotorblattes erfolgt, und ein Grenzschichtzaun im Nabenbereich nahe der Nabenbefestigung zur Verhinderung einer Strömung in Richtung Nabenbefestigung vorgesehen ist.
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Aus der Druckschrift
EP 2 180 182 A2 ist ein Windturbinenblatt mit aktiver Umlaufsteuerung bekannt, bei der eine Strömungssteuerung durch aktive Steuergeräte erfolgt, so dass der Gesamtauftrieb des Windturbinenblattes verbessert werden soll.
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Weiter ist aus der Druckschrift
EP 2 604 517 A2 eine Vortex-Abschwächungsvorrichtung für eine Tragflächenspitze bekannt, bei der eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung in Fluidverbindung miteinander stehen, wobei abgeleitete Luft auf eine solche Weise gelenkt werden soll, dass Turbulenzen an der Tragflächenspitze reduziert werden.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2014 205 016 A1 ist ein Rotorblatt einer Windenergieanlage bekannt, bei dem eine verschließbare Luftströmungsvorrichtung vorgesehen ist, um von einer Saug- zu einer Druckseite Luft zu befördern, wenn das Verschlusselement geöffnet ist.
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Weiter ist aus der Druckschrift mit dem Titel „Aerodynamic performance enhancement analysis of horizontal axis wind turbines using a passive flow control method via split blade“ von Moshfeghi et al., veröffentlicht in Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics 167 (2017) 148-159 eine Windenergieanlage bekannt, bei der eine aerodynamische Beeinflussung derart erfolgt, dass Luft von der Unterseite, nämlich im Bereich der Vorderkante an die Oberseite durch Luftleitungskanäle erfolgt.
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Es wird hinsichtlich des allgemeinen Standes der Technik, insbesondere auch auf die inhaltlichen Ausführungen zu der Strömungslehre von Windenergieanlagen-rotorblättern aus den zuvor genannten Druckschriften hingewiesen.
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Die größten Probleme im Stand der Technik bei Windenergieanlagenrotorblättern liegen in der Strömungsanpassung der Luftströmung an die Oberseite eines Windenergieanlagenrotorblattes. Durch Optimierung der Luftströmung kann die Effizienz einer Windenergieanlage deutlich gesteigert werden.
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Die im Stand der Technik bekannten Windenergieanlagenrotorblätter sind jedoch nicht in der Lage eine weitere Steigerung der Effizienz zu realisieren, so dass weiterhin Handlungsbedarf zur weiteren Verbesserung der Leistung einer neuen bzw. insbesondere auch von bestehenden Windenergieanlagen besteht.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Windenergieanlagenrotorblatt in dessen Leistung derart zu verbessern, dass die sonst im Stand der Technik übliche und hinnehmbare laminare in turbulent umschlagende Strömung des Windenergieanlagenrotorblattes erheblich bzw. sogar gen Null reduziert wird und gleichzeitig die Effizienz verbessert wird.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Windenergieanlagenrotorblatt gemäß Hauptanspruch.
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Dadurch, dass das Windenergieanlagenrotorblatt mit einem aerodynamischen Profil, einer Unterseite einer Oberseite, einer Vorderkante und einer Hinterkante, wobei die Hinterkante wenigstens teilweise stumpf oder wenigstens im Wurzelbereich des Windenergieanlagenrotorblattes stumpf ausgebildet ist, und weiter mit einem Luftleitkanal innerhalb des Windenergieanlagenrotorblatts mit einem Lufteintritt und einem Luftaustritt, wobei wenigstens in einem Teilbereich des Wurzelbereichs des Rotorblatts der Lufteintritt auf der Unterseite angeordnet ist, sich der Luftleitkanal von der Unterseite zur Hinterkante erstreckt und der Luftaustritt an der Hinterkante im Wurzelbereich angeordnet ist, wobei Luft an der Unterseite durch den Lufteintritt durch den Luftleitkanal über den Luftaustritt passiv geleitet / transportiert wird, ausgebildet ist, wird die Effizienz der Windenergieanlage, an der das Windenergieanlagenrotorblatt angeordnet ist, gesteigert, da eine Grenzschichtbeeinflussung durch Absaugung an der Druckseite und Ausblasen an der Hinterkante erfolgt, wobei eben gerade wichtig ist, dass es sich um ein passiv arbeitendes System handelt.
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Die Modifikation ist quasi eine Verbindung von der Druckseite eines Profils mit dessen stumpfer Hinterkante, wobei im Weiteren weitere vorteilhafte Ausgestaltungsvarianten dargestellt werden.
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Zur weiteren Verbesserung kann der Luftleitkanal eine S-Form im Windenergieanlagenrotorblattquerschnitt aufweisen, so dass die Länge des zurückzulegenden Weges der Luft deutlich erhöht wird, gleichzeitig aber auch eine Beruhigung der Luftströmung erfolgt.
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Insbesondere kann der Luftleitkanal und / oder der Lufteintritt und / oder der Luftaustritt segmentiert ausgebildet sein, wobei quasi einzelne Abschnitte gebildet werden, in denen die Luft auf der Unterseite abgesaugt und entsprechend an der Hinterkante ausgeblasen wird.
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Diesbezüglich können eine Vielzahl von Lufteintritt - Luftleitkanal - Luftaustritt Elementen innerhalb des Windenergieanlagenrotorblatts vorgesehen sein, so dass auch fertigungstechnisch relativ einfach bestehende Windenergieanlagenrotorblätter mit der neuen Technologie umgerüstet bzw. nachträglich ausgestattet werden können. Hierzu bedarf es lediglich eines gewählten Strömungskastens, der mittels zweier Stege an ein vorhandenes Windenergieanlagenrotorblatt angeklebt wird, so dass der Strömungskasten quasi zwischen dessen Außenseite und der ursprünglichen Außenseite des Windenergieanlagenrotorblatts einen Luftleitkanal ausbildet.
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Ferner kann bevorzugt der Lufteintritt in dem Oberflächenabschnitt der Unterseite 60 % der örtlichen Blatttiefe von der Vorderkante bis 10 % der örtlichen Blatttiefe von der Hinterkante, oder insbesondere der im Bereich von 70 bis 80 % von der Vorderkante aus gesehen oder in einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsvariante ca. 75 % von der Vorderkante aus gesehen angeordnet sein, da diese Bereiche in Tests sich als besonders effizient erwiesen haben.
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Im Weiteren kann bevorzugt der Luftaustritt in dem Oberflächenabschnitt der Hinterkante 1 % der örtlichen Hintenkantenbreite von der Oberkante bis 50 % der örtlichen Hintenkantenbreite von der Unterkante angeordnet sein, da auch sich dieser Bereich in Tests als besonders geeignet erwiesen hat, um entsprechend die auftretenden turbulenten Strömungen zu beruhigen.
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In einer besonders bevorzugten Variante kann der Winkel des Luftaustritts, nämlich der Auslasswinkel, parallel zum Winkel der Oberseite im Bereich der Hinterkante ausgebildet sein, so dass die zusätzliche Luft parallel zu der Luftströmung entlang der Oberseite des Windenergieanlagenrotorblatts gerichtet wird.
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Alternativ kann der Winkel des Luftaustritts, nämlich der Auslasswinkel senkrecht zur Hinterkante ausgeführt sein, jedoch würde dann die Austrittsöffnung von der Oberkante weiter nach unten in Richtung der Unterseite entlang der Hinterkante verlegt werden, um so die turbulenten Strömungen besser und positiver beeinflussen zu können.
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Weiterhin sind Variationen in der Luftleitkanalgeometrie möglich, nämlich insbesondere derart, dass die Breiten des Luftleitkanals, des Lufteintritts und / oder des Luftaustritts gleich oder unterschiedlich zueinander oder sich verändernd, nämlich verringernd oder vergrößernd, ausgebildet sein können.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen in der Figurenbeschreibung detailliert beschrieben, wobei diese die Erfindung erläutern sollen und nicht beschränkend zu werten sind:
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des Windenergieanlagenrotorblatts 1;
- 2 eine schematische Darstellung eines ersten Querschnitts eines Ausführungsbeispiels des Windenergieanlagenrotorblatts 1;
- 3 eine schematische Darstellung eines zweiten Querschnitts eines Ausführungsbeispiels des Windenergieanlagenrotorblatts 1;
- 4 eine schematische Darstellung eines dritten Querschnitts eines Ausführungsbeispiels des Windenergieanlagenrotorblatts 1;
- 5 eine schematische Darstellung der vereinfacht dargestellten Luftströmung eines Ausführungsbeispiels des Windenergieanlagenrotorblatts 1 und
- 6 die vorliegende Luftströmung / Luftdruck (Strömungsbilder) um: a) ein im Stand der Technik bekanntes Windenergierotorblatt 1 (FX77-W-500-C) sowie b) das neue Windenergieanlagenrotorblatt 1 (FX77-W-500-C mit Luftleitung).
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An dieser Stelle soll darauf hingewiesen werden, dass die Ausführungsbeispiele nicht beschränkend gewertet werden sollen, sondern lediglich die Erfindung erläutern sollen.
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In 1 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des Windenergieanlagenrotorblatts 1 dargestellt.
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Es ist ein Abschnitt des Windenergieanlagenrotorblatts 1 mit einer Unterseite 11, Oberseite 12, Vorderkante 13 und Hinterkante 14 dargestellt, wobei dies ein Wurzelbereich des Windenergieanlagenrotorblatts 1 darstellt.
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Dieser Bereich des Windenergieanlagenrotorblatts 1 ist mit dem erfindungsgemäßen Luftleit- bzw. Lufttransportsystem ausgestattet, wobei das Luftleitsystem aus einem Luftleitkanal 15, einem Lufteintritt 151, der an der Unterseite 11 angeordnet ist, und einem Luftaustritt 152, der an der stumpf ausgebildeten Hinterkante 14 angeordnet ist.
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Die Luft kann nun durch die vorherrschenden Strömungen und Luftverhältnisse am Windenergieanlagenrotorblatt 1 bei Betrieb der entsprechenden Windenergieanlage von der Unterseite 11 durch den Lufteintritt 151 weiter durch den Luftleitkanal 15 bis zum Luftaustritt 152 an der Hinterkante 14 geleitet werden, wobei dieser Lufttransport rein passiv erfolgt.
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Durch die Luftleitung bzw. den Lufttransport wird die Strömung geglättet und weiter optimiert, so dass ein höherer Gesamtwirkungsgrad realisiert wird.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Querschnitts eines Ausführungsbeispiels des Windenergieanlagenrotorblatts 1.
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Hierbei ist der Luftleitkanal 15 leicht S-förmig ausgebildet und verjüngt sich zum Luftaustritt 152 hin leicht.
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In 3 ist eine schematische Darstellung eines zweiten Querschnitts eines Ausführungsbeispiels des Windenergieanlagenrotorblatts 1 gezeigt.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist der Luftleitkanal 15 ebenfalls leicht S-förmig und von dessen Querschnittsdimension gleichbleibend über die gesamte Länger ausgebildet. Der Luftaustritt 152 ist vom Winkel her nahezu parallel zu der Oberseite 12 ausgerichtet. Diesbezüglich haben Versuche bereits gezeigt, dass eine Verschiebung des Luftaustritts 152 in Richtung der Saugseite, also in Richtung der Oberseite 12, sowie die parallele Führung zur Oberseite 12 sehr gute Ergebnisse, beispielsweise anhand eines FX77-W-500-Profils, geliefert haben.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines dritten Querschnitts eines Ausführungsbeispiels des Windenergieanlagenrotorblatts 1.
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In diesem Ausführungsbespiel ist der Luftleitkanal 15 stärker S-förmig ausgebildet, was zu einer Beruhigung bzw. gar Verlangsamung der Strömung führen kann. Weiter kann der Querschnitt des Luftleitkanals variieren.
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Unabhängig davon ist der Luftaustritt 152 senkrecht zur stumpf ausgebildeten Hinterkante 14 ausgebildet.
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In 5 ist eine schematische Darstellung der vereinfacht dargestellten Luftströmung eines Ausführungsbeispiels des Windenergieanlagenrotorblatts 1 dargestellt.
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Durch den Luftleitkanal 15 geleitete Luft wird zusätzlich an der Hinterkante 14 eingeleitet, wodurch die sich im Stand der Technik üblicherweise bildenden turbulenten Strömungen glätten und so eine höhere Leistung der Anlage erzeugt wird.
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6 a) zeigt die vorliegende Luftströmung / Luftdruck um ein im Stand der Technik bekanntes Windenergieanlagenrotorblatt 1 und in 6 b) ist die vorliegende Luftströmung / Luftdruck um das neue Windenergieanlagenrotorblatt 1 dargestellt, wobei man deutlich die optimierten Luftströmungsverhältnisse bzw. Druckoptimierungen erkennen kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Windenergieanlagenrotorblatt
- 11
- Unterseite
- 12
- Oberseite
- 13
- Vorderkante
- 14
- Hinterkante
- 15
- Luftleitkanal
- 151
- Lufteintritt
- 152
- Luftaustritt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2998572 B1 [0003]
- EP 2180182 A2 [0004]
- EP 2604517 A2 [0005]
- DE 102014205016 A1 [0006]
