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Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Rotorblatt für eine Windenergieanlage sowie eine zugehörige Windenergieanlage. Ebenfalls betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Reduktion der Tonhaltigkeit einer Windenergieanlage.
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Vorrichtungen und Verfahren zur Reduktion und Steuerung von Schallemissionen von Windenergieanlagen sind beispielsweise aus
DE 10 2015 008 812 A1 bekannt. Darin wird eine Schallemissionssteuerungsvorrichtung für eine Windenergieanlage mit einem Schallemissionsspektrum, welches zumindest eine Einzelton-Frequenz aufweist, vorgeschlagen, wobei die Schallemissionssteuerungsvorrichtung zumindest eine aktive Schallquelle, welche ausgebildet ist, um in einem Frequenzband um die zumindest eine Einzelton-Frequenz ein Maskier-Rauschen in zumindest einer Raumrichtung zu emittieren, sowie eine Steuerungsvorrichtung umfasst, welche ausgebildet ist, um die zumindest eine aktive Schallquelle in Abhängigkeit von mindestens einem Betriebsparameter der Windenergieanlage zu steuern.
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Das vorbeschriebene Verfahren und die vorbeschriebene Vorrichtung zeichnen sich besonders durch die Notwendigkeit der aktiven Schallquelle aus. Diese erfordert ein zusätzliches Bauteil, das über eine weitere, vorzusehende Steuerung angesteuert wird. Die vorbeschriebene Lösung ist demnach aufwändig und komplex, durch die zusätzlichen Komponenten zusätzlich kostenintensiv.
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Vor diesem Hintergrund war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Rotorblatt für eine Windenergieanlage sowie eine zugehörige Windenergieanlage und ein Verfahren zur Reduktion der Tonhaltigkeit anzugeben, das die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise ausräumt.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Rotorblatt für eine Windenergieanlage mit einer sich entlang einer Längsrichtung des Rotorblattes zwischen Rotorblattwurzel und Rotorblattspitze erstreckenden Rotorblatthinterkante vorgeschlagen. Ein Dickenverlauf des Rotorblattes weist im Bereich der Rotorblatthinterkante entlang der Längsrichtung des Rotorblattes ein lokales Maximum auf.
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Somit weist ein Dickenverlauf im Bereich der Rotorblatthinterkante ein lokales Maximum auf. Das lokale Maximum entsteht beispielsweise durch Aufdickung der Hinterkante und sorgt für Verbreiterung des Schallemissionsspektrums. Generell ist die Hinterkante vorzugsweise möglichst dünn, besonders in einem äußeren Bereich des Rotorblattes, vorzugsweise ab 50% und besonders bevorzugt ab 75% Rotorradius. In einem eingeschränkten Bereich soll sie bewusst aufgedickt werden, wodurch die psychoakustische Lästigkeit der Schallemission, insbesondere hervorgerufen durch eine Tonhaltigkeit, verringert wird, da dieser Tonhaltigkeitspeak durch Anhebung bzw. Pegelerhöhung des Spektrums in einem eingeschränkten Frequenzbereich maskiert wird und damit an Dominanz gegenüber den anderen Komponenten des Spektrums verliert.
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Ein Ton, beispielsweise durch Strukturschwingungen erzeugt, angeregt durch den Generator oder auch gegebenenfalls ein Getriebe, wird demnach mit einem mehr oder weniger breitbandigem Rauschen überlagert und daher schlechter hörbar.
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In diesem Zusammenhang wird mit einem Bereich der Rotorblatthinterkante insbesondere ein Bereich von 60% bis 100% der Profilsehnenrichtung von der Vorderkante aus betrachtet. Vorzugsweise umfasst der Bereich 80% bis 100% und insbesondere bevorzugt genau die Dicke an der Hinterkante. Insbesondere sind die Formen und Ausgestaltungen der Hinterkante nicht eingeschränkt, so dass auch dicke / stumpfe Hinterkanten mindestens abschnittsweise an dem Rotorblatt vorgesehen werden können.
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Demnach kann durch eine im Ergebnis einfache, konstruktive Ausgestaltung des Bereiches der Hinterkante, beispielsweise durch eine Aufdickung auf der Druck- und/oder der Saugseite des Rotorblattes, eine überraschend vorteilhafte Auswirkung auf den Tonhaltigkeitspeak erzeugt werden.
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Je nach Position des lokalen Maximums können unterschiedliche Frequenzen maskiert werden. Vorzugsweise weist das Rotorblatt mehrere lokale Maxima auf, die jeweils durch Maskierung unterschiedliche Frequenzen für Betrachter weniger hörbar machen.
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In einer Ausführungsform nimmt die Dicke der Rotorblatthinterkante von dem lokalen Maximum aus betrachtet entlang der Längsrichtung des Rotorblattes in beiden Richtungen zunächst ab. Demnach ist ausgeschlossen, dass sich das lokale Maximum in dieser Ausführung am Anfang, d.h. im Wurzelbereich, oder am Ende, d.h. an der Blattspitze befindet. Die Position des lokalen Maximums kann dafür an die Anforderungen, insbesondere der Schalleigenschaften, angepasst werden.
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In einer Ausführungsform ist das lokale Maximum innerhalb eines Bereiches von 60% bis 95% eines Blattradius des Rotorblattes angeordnet. Vorzugsweise kann eine Aufdickung, die beispielsweise zu dem lokalen Maximum führt, demnach in einem relativ weit außen am Rotorblatt liegenden Bereich angeordnet sein. Die in diesem Fall beispielhafte Aufdickung kann vor Serrations oder anderen Anbauteilen, d.h. weiter innerhalb bezogen auf den Blattradius, oder auch zwischen den Serrations angeordnet sein, wobei die Serrations in dem letzten Fall vorzugsweise unterbrochen sind. Dadurch kann eine besonders vorteilhafte Vermeidung von Tonhaltigkeitspeaks erfolgen.
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In einer Ausführungsform ist das lokale Maximum innerhalb eines Bereiches von 90% bis 95% des Blattradius angeordnet.
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Allgemein ist die Frequenz f abhängig von der Drehzahl n (f ~ n). Befindet sich die Aufdickung weit außen, insbesondere in dem besonders bevorzugten Bereich von 90% bis 95% des Blattradius, folgt die Frequenz der Frequenz der Tonhaltigkeit. Bei hohen Drehzahlen tritt zudem ein Dopplereffekt auf, so dass zwei Frequenzpeaks entstehen anstatt nur eines. Genau genommen wird durch den Dopplereffekt ein Frequenzbereich definiert, mit einer unteren und oberen Grenzfrequenz, welche sich durch die Doppler-Verschiebung ergeben
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In einer Ausführungsform weist die Rotorblatthinterkante bei 70% bis 95% Blattradius mehrere Zacken zur Beeinflussung des Strömungsverhaltens an der Rotorblatthinterkante auf und das lokale Maximum ist im Bereich der Zacken angeordnet, wobei die Rotorblatthinterkante an der Position des lokalen Maximums keine Zacken aufweist. Bei den Zacken handelt es sich beispielsweise für den Fachmann bekannte Serrations, die auch von exakter Zackenform abweichende Geometrien aufweisen können. Durch die Unterbrechung der Serrations an der Position des lokalen Maximums ist eine besonders effektive Verbesserung der hörbaren Geräuschentwicklung möglich.
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In einer Ausführungsform verläuft der Dickenverlauf der Rotorblatthinterkante entlang der Längsrichtung des Rotorblattes zumindest abschnittsweise gewunden. Gegenüber einer scharfen Kante bzw. einem scharfen Knick hat der zumindest abschnittsweise gewundene Verlauf den Vorteil, dass keine neuen unerwünschten Geräusche in anderen bzw. benachbarten Frequenzbereichen entstehen.
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Die Aufdickung, die zu dem lokalen Maximum führt, kann jede geometrisch sinnvolle Form bzw. Verlauf einnehmen, einschließlich einer trigonometrischen Form, einer normal verteilten Form, einer Poissonverteilung und allen weiteren möglichen Formen und Verläufen. Der Verlauf kann entweder symmetrisch um das lokale Maximum oder zu einer der beiden Seiten, d.h. in Richtung Rotorblattwurzel oder in Richtung Rotorblattspitze, unsymmetrisch verlaufen. Sämtliche Kombinationen sind denkbar.
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In einer Ausführungsform liegt das lokale Maximum der Profildicke im Bereich der Rotorblatthinterkante bei einer Dicke von 3 bis 6 cm, bevorzugt 4 bis 5 cm. Mit diesen Ausmaßen hat sich herausgestellt, dass die Aufdickung, die zu dem lokalen Maximum führt, genau die bei Windenergieanlagen typischerweise auftretenden Tonhaltigkeitspeaks akustisch abschwächt.
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In einer Ausführungsform weist das Rotorblatt eine druckseitige Fläche und eine saugseitige Fläche auf, die durch die Rotorblatthinterkante voneinander getrennt sind, und der Dickenverlauf der Rotorblatthinterkante, der das lokale Maximum aufweist, ist durch eine Aufdickung auf der saugseitigen Fläche des Rotorblattes und/oder der druckseitigen Fläche im Bereich der Rotorblatthinterkante ausgeprägt.
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Die Aufdickung kann demnach auf der Druckseite und/oder auf der Saugseite gegenüber der Umgebung hervorstehen. Die Ausdehnung der Aufdickung in Rotorblattlängsrichtung wird vorzugsweise über eine Ableitung des Dickenverlaufes bestimmt, wobei ein Schwellwert, beispielsweise Null oder auch ein von Null verschiedener Wert, als Begrenzung der Aufdickung herangezogen werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Krümmungsverlauf des Dickenverlaufes, d.h. die zweite Ableitung, herangezogen werden.
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In einer Ausführungsform weist die Aufdickung entlang der Längsrichtung des Rotorblattes eine Längsausdehnung von zwischen 3% und 30%, vorzugsweise zwischen 10% und 25% und besonders bevorzugt zwischen 15% und 20% des Blattradius auf.
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In einer Ausführungsform weist das Rotorblatt ferner eine Rotorblattvorderkante auf, wobei die Aufdickung entlang einer Querrichtung zwischen der Rotorblatthinterkante und der Rotorblattvorderkante eine Querausdehnung von zwischen 20% bis 50% einer Profiltiefe des Rotorblattes aufweist.
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In einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Windenergieanlage mit einem Turm, einer Gondel und einem Rotor gelöst, wobei der Rotor zumindest ein erfindungsgemäßes Rotorblatt umfasst.
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In einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch einen Windpark mit zumindest zwei erfindungsgemäßen Windenergieanlagen gelöst.
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In einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Reduktion der Tonhaltigkeit eines Rotorblattes gelöst, umfassend ein Festlegen eines lokalen Maximums eines Dickenverlaufs des Rotorblattes entlang einer Längsrichtung des Rotorblattes im Bereich einer sich entlang der Längsrichtung des Rotorblattes zwischen Rotorblattwurzel und Rotorblattspitze erstreckenden Rotorblatthinterkante.
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Sämtliche bevorzugte Ausgestaltungen und Kombinationen der bevorzugten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Rotorblattes lassen sich auf gleiche Weise vorteilhaft auf die Windenergieanlage, den Windpark sowie auch das erfindungsgemäße Verfahren übertragen.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen werden nachfolgend mit Verweis auf die beigefügten Figuren beschrieben. Hierbei zeigen:
- 1 schematisch und exemplarisch eine Windenergieanlage.
- 2 schematisch und exemplarisch den Effekt der Tonhaltigkeit.
- 3 schematisch und exemplarisch einen Dickenverlauf über eine Rotorblattlänge.
- 4 schematisch und exemplarisch eine Draufsicht auf ein Rotorblatt.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Windenergieanlage gemäß der Erfindung. Die Windenergieanlage 100 weist einen Turm 102 und eine Gondel 104 auf dem Turm 102 auf. An der Gondel 104 ist ein aerodynamischer Rotor 106 mit drei Rotorblättern 108 und einem Spinner 110 vorgesehen. Der aerodynamische Rotor 106 wird im Betrieb der Windenergieanlage durch den Wind in eine Drehbewegung versetzt und dreht somit auch einen elektrodynamischen Rotor oder Läufer eines Generators, welcher direkt oder indirekt mit dem aerodynamischen Rotor 106 gekoppelt ist. Der elektrische Generator ist in der Gondel 104 angeordnet und erzeugt elektrische Energie. Die Pitchwinkel der Rotorblätter 108 können durch Pitchmotoren an den Rotorblattwurzeln der jeweiligen Rotorblätter 108 verändert werden.
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Die Rotorblätter 108 weisen jeweils eine Vorderkante 120 und eine Hinterkante 122 auf. Vorderkante 120 und Hinterkante 122 sind über eine druckseitige Fläche 124 und eine saugseitige Fläche 126 miteinander verbunden. Das Rotorblatt 108 erstreckt sich eine Rotorblattlänge R in einer Rotorblattlängsrichtung von einer Rotorblattwurzel 128 zu einer Rotorblattspitze 129.
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An einer Stelle in Blattlängsrichtung weisen die Rotorblätter 108 eine Aufdickung 130 jedenfalls im Bereich der Hinterkante 122 auf, die erfindungsgemäß eine Verringerung bzw. Vermeidung der Tonhaltigkeit zur Folge haben, wie nachfolgend beschrieben wird.
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2 zeigt schematisch und exemplarisch den Effekt der Tonhaltigkeit in einem beidseitig logarithmierten Diagramm 200, in dem der Schalldruck log p auf der Vertikalachse über der Frequenz log f aufgetragen ist. In dem Diagramm 200 ist deutlich eine Tonhaltigkeit einer gesamten Geräuschentwicklung 205 der Windenergieanlage 100 sichtbar, die sich in einem Schalldruckpeak 210 ausdrückt. Tonhaltigkeit oder Klanghaftigkeit eines Geräuschs liegt dann vor, wenn innerhalb des Geräusches Einzeltöne zu hören sind. Die Tonhaltigkeit erhöht die mögliche Störwirkung eines Geräusches im Allgemeinen erheblich. Der Schalldruckpeak 210 wird in der Regel durch Schwingungen insbesonderer großer Oberflächen hervorgerufen, z.B. Turm, Gondelverkleidung, Rotorblatt. Diese Schwingungen entstehen in der Regel durch mechanische Kräfte im Generator oder im Getriebe und werden durch die Struktur an den jeweiligen Abstrahlort propagiert.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung wird der Schalldruckpeak210 maskiert, indem durch die aufgedickte Hinterkante eine zusätzliche Lärmquelle, die einen größeren Frequenzbereich umfasst, als der Schalldruckpeak 210, erzeugt wird. Bei ausreichender Maskierung. Das heißt einem entstehenden flacheren Hügel 220, ist der Schalldruckpeak 210 dann nicht mehr als Tonhaltigkeit, insbesondere nach DIN EN 61400-11:2013-09, zu bewerten. Die Frequenz des an der Hinterkante erzeugten Schalls steht in Zusammenhang mit dem Kehrwert der Dicke der Hinterkante, d.h. je dicker die Hinterkante an einer Stelle ist, desto niedriger ist die Frequenz des erzeugten Hinterkantengeräusches an dieser Stelle.
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Erfindungsgemäß wird dies, wie 3 schematisch und exemplarisch illustriert, durch eine Variation einer Hinterkantendicke H des Rotorblattes erreicht. 3 zeigt einen Dickenverlauf 300 mit einer Dicke H der Hinterkante auf der vertikalen Achse und einer Rotorblattlängsposition r bezogen auf die gesamte Rotorblattlänge R.
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Der Dickenverlauf 300 zeigt den bekannten abnehmenden Verlauf 310 im nabennahen Bereich. Erfindungsgemäß wird zur Vermeidung der Tonhaltigkeit nun ein lokales maximum 320 der Dicke H in einem weiter außenliegenden Blattbereich vorgesehen. Das lokale Maximum 320 liegt insbesondere in einem Bereich zwischen 60% und 95% des relativen Blattradius r.
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4 zeigt schließlich eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Rotorblatt 108, bei dem eine Aufdickung 130 schematisch zu sehen ist. Die Aufdickung 130 hat zur Folge, dass sich das lokale Maximum 320 der Hinterkantendicke H wie in 3 dargestellt einstellt. Die Aufdickung 130 erstreckt sich in diesem Beispiel über die gesamte Profiltiefe senkrecht zu der Längsrichtung des Rotorblattes. Alternativ sind auch Aufdickungen 130 möglich, die lediglich einen an der Hinterkante 122 ausgebildeten Verlauf haben und sich beispielsweise über die Hälfte der Profiltiefe erstrecken.
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Zusätzlich oder alternativ zu der Aufdickung 130 können an der Hinterkante Hinterkantenzacken bzw. Serrations 132 angeordnet sein, die auch unter der Bezeichnung Serrations bekannt sind. Im Bereich der Aufdickung 130 sind vorzugsweise keine Serrations 132 angeordnet. Vorzugsweise ist die Aufdickung 130 im Bereich von 60% bis 95%, insbesondere in dem äußeren Bereich von 90% bis 95% angeordnet, da in diesem Bereich die Störgeräusche entstehen, die das maskierende Geräusch in der benötigten Amplitude zur Folge haben können.
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Größe und Ausdehnung der Aufdickung 130 sind an die Dimensionen des Rotorblattes und der gesamten Windenergieanlage 100 anzupassen. Auch können über die Rotorblattlänge R mehrere Aufdickungen 130 vorgesehen sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015008812 A1 [0002]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN EN 61400-11:2013-09 [0032]
