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GEGENSTAND DER ERFINDUNG
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Der
Bericht beschreibt das Patent eines Systems zur Steuerung der Ausgangsleistung
von Windturbinen durch aktive und dynamische Modifikation des Leistungskoeffizienten
und die Größe der angetriebenen
Bereiche, wenn die Turbine unter verschiedenen Windgeschwindigkeiten
arbeitet (solch ein System ist bekannt unter
EP-A-0450217 ).
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ANWENDUNGSBEREICH
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Obwohl
das System in jedem Bereich verwendet werden kann, in dem die Leistungskontrolle einer
Turbine gewünscht
wird, liegt sein Hauptanwendungsbereich in der Stromerzeugung durch Windturbinen.
Die Größe und Geschwindigkeit
solcher Turbinen macht es technisch leichter, das System zu implementieren
und die zusätzliche
Komplexität
wird durch die erhöhte
Energieausbeute des Windes wieder kompensiert.
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FACHGEBIET
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Während der
vergangenen Jahrzehnte wurden verschiedene Steuerungssysteme herausgebracht,
um die hohen Schwankungen der Windgeschwindigkeit zu bewältigen.
Wir können
sie in zwei Kategorien einstufen: aktive und passive Systeme. In der
passiven Kategorie wird die Regelung durch Strömungsabriss umfassend angewendet.
Bei Windturbinen mit passiver Strömungsabrisskontrolle sind die Rotorblätter an
der Radnabe in einem fixen Winkel befestigt. Die Geometrie der Rotorblattprofile
wurden aerodynamisch gestaltet, um sicherzustellen, dass in dem
Moment von zu hoher Windgeschwindigkeit Turbulenzen auf der Wind
abgewandten Seite des Rotorblattes erzeugt würden. Dieser Schutz verhindert das
Abheben des Rotorblattes währen
der Bewegung auf dem Rotor. Der grundsätzliche Vorteil dieses Steuerschutzes
ist, dass er die Bewegung von Teilen innerhalb des Rotors sowie
komplexe Steuersysteme vermeidet. Andererseits stellen Schutzsteuerungen
ein sehr komplexes aerodynamisches Gestaltungsproblem sowie entsprechende
Herausforderungen bei der Gestaltung bei der strukturellen Dynamik
der ganzen Windturbine dar. So wird nun eine steigende Anzahl größerer Windturbinen
mit aktiven anstelle passiver Mechanismen zur Strömungsabrisskontrolle
entwickelt.
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Wie
auch immer, das am meisten heutzutage verwendete System für große Turbinen
ist wahrscheinlich die Neigungskontrolle. Die Ausgangsleistung wird
durch den Angriffswinkel der Rotorblätter reguliert. Die Rotorblätter drehen
sich um ihre Längsachse
(zur Befestigung), wobei die Gewalt des Windes über der Oberfläche reduziert
oder erhöht
wird.
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ENTHÜLLUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorgeschlagene Technik ist ein aktives Steuerungssystem. Wie auch
immer, anstatt die aerodynamischen Kräfte durch Neigung oder Schlag
zu kontrollieren, steuert das System die Kombination dieser Kräfte mit
einem anderen fundamentalen Parameter: dem angetriebenen Bereich.
Die Ausgangsleistung einer Windturbine kann in sehr kompakter Form
durch folgenden Ausdruck beschrieben werden: P
= Cp·A·V^3
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Wobei
Cp der Gesamtleistungskoeffizient im Verhältnis zur Wirksamkeit der aerodynamischen Kraft,
A der angetriebene Bereich des Rotors und V die Windgeschwindigkeit
ist. Während
die modernen aktiven Systeme darauf abzielen, die Ausgangsleistung
durch Veränderung
des Leistungskoeffizienten Cp zu steuern, zielt das vorgeschlagene
System darauf ab, sowohl Cp als auch A aktiv zu kontrollieren.
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In
Diagramm 1 ist das Rotorblatt aus vier Blattsegmenten zusammengesetzt:
S1, S2, S3 and S4. Jedes Segment hat seinen eigenen angetriebenen
Bereich: A1, A2, A3, und A4. Jedes Segment hat sein eigenes, spezielles
Profil, sodass sie über
verschiedene Leistungskoeffizienten verfügen: Cp1,
Cp2, Cp3, und Cp4.
Die Ausgangsleistung der Windturbine kann demnach ausgedrückt werden
mit: P = (Cp1·A1 + Cp2·A2
+ Cp3·A3
+ Cp4·A4)·V^3
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Wenn
ein Segment seine Position verändert, ergibt
sich eine Änderung
in seinem eigenen angetriebenen Bereich, die vom Abstand zum Rotationszentrum
abhängig
ist. Ebenso gibt es Dimensionsveränderungen in anderen Bereichen.
Wenn sich z. B. Segment S3 der Mitte annähert, erfolgt eine Reduzierung
des Bereiches A2, beeinflusst durch den Bereich A3 und eine Reduzierung
des Bereiches A4, wenn die relativen Positionen von S3 und S4 konstant
bleiben. Folglich ist die Zahl der angetriebenen Bereiche gesunken,
und konsequenterweise ist die Ausgangsleistung der Turbine niedriger
als zuvor.
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Dies
ist eine wirkungsvolle Methode, die Ausgangsleistung zu kontrollieren,
aber das vorgeschlagene System hat noch eine andere. Nehmen wir im
vorangegangenen Beispiel an, dass das andere Segment (z. B. S4)
sich im gleichen Maße
von der Mitte wegbewegt, wie S3 sich zur Mitte hinbewegt. Eine Bewegung
kompensiert die andere, und unterm Strich bleibt die Zahl der angetriebenen
Bereiche unverändert.
Der komplette Rotordurchmesser der Windturbine bleibt ebenfalls
derselbe, aber es ergibt sich eine Änderung in der Ausgangsleistung
der Turbine. Wenn der gesamte angetriebene Bereich sich nicht verändert hat,
und es eine Veränderung
bei der Ausgangsleistung gibt, bedeutet das eine Änderung des
gesamten Leistungskoeffizienten Cp. Mehr noch, wenn sich ein Segment
in einen anderen angrenzenden angetriebenen Bereich hineinbewegt,
tritt, geht daraus ein verschmelzender Bereich mit einem neuen Leistungskoeffizienten
hervor.
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Eine
mehr unmittelbare Veränderung
dieses Koeffizienten kann durch die Anwendung der Neigungskontrolle
für jedes
einzelne Blattsegment oder eine Gruppe von Segmenten erzielt werden.
Etwas, das wohl überlegt
werden muss, ist, dass die Neigung des ersten Segments (S1) die
Neigung der folgenden Segmente (S2, S3, S4) beeinflusst. Die Neigung
des zweiten Segments (S2) beeinflusst die folgenden Segmente (S3,
S4) usw.
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Die
dimensionale Veränderung
der angetriebenen Bereiche erfolgt durch dynamische Segmentpaare.
Ein dynamisches Paar besteht aus zwei Arten von Segmenten: einem
schützenden
und einem ausgleichenden Segment. Das Blatt in 1 besitzt
drei dynamische Paare: D1, D2 und D3. Im ersten dynamischen Paar
ist S2 das schützende
und S1 das ausgleichende Segment. Im zweiten dynamischen Paar ist
S3 das schützende
und S2 das ausgleichende Segment. Abschließend ist im dritten Paar S4
das schützende
und S3 das ausgleichende Segment. Das schützende Segment ist jenes, das
ein Beobachter an die Position setzte, wo der Wind die Stelle, die über den
anderen liegt, angreift. Dies hat nichts mit ihrer relativen Größe zu tun.
In Wirklichkeit ist das letzte Segment S4 das schützende Segment
im dritten dynamischen Paar (D3), und es ist kleiner als sein ausgleichendes
Partnersegment S3 wie in 1 gezeigt. Welches das schützende und
welches das ausgleichende Segment innerhalb eines dynamischen Paares
ist, hängt
von der aerodynamischen Gestaltung der Turbine ab, und kann frei
gewählt werden,
ebenso wie ihre relativen Größen und
ihre relativen Abstände
zwischen ihnen in alle Richtungen. In 2 wird der
daraus resultierende Abstand zwischen den Segmenten relativ zur
Luftbewegungsrichtung (F1) mit der Verteilung der dynamischen Paare
als ausgewähltes
Beispiel gezeigt.
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Die
Reduzierung im gesamten angetriebenen Bereich des dynamischen Paares
erhält
man durch das Gleiten eines Segments auf das andere Segment des
Paares: dies bedeutet ein Ansteigen des verschmelzenden Bereiches.
Andererseits wird eine Zunahme des gesamten angetriebenen Bereiches
durch die Verkleinerung des verschmelzenden Bereiches erzielt. Eine
wichtige Überlegung
ist, dass die Segmente normalerweise Teile der Rotorblätter mit
Flügelprofil
sind, um die reinen aerodynamischen Kräfte zu optimieren, aber manchmal
unterstützen sie
eigentlich die Konstruktion, und dann neigt Profil oder ihr externer
Schutz dazu, geringfügige
Störungen
in der Luftströmung
zu verursachen.
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Die
relativen Bewegungen zwischen den Segmenten werden durch Motoren
oder Antriebselemente ausgeführt.
Meist gibt es trotzdem einige Anwendungsformen, auf die diese Regel
nicht zutrifft, nämlich
dass für
jedes dynamische Segmentpaar ein bidirektionales Antriebselement
existiert. Die Motoren und Antriebselemente werden unabhängig von anderen
dynamischen Segmentpaaren gesteuert. So können sie jederzeit verschiedene
relative Positionen einnehmen. Andererseits gibt es ein wichtiges
Merkmal des Systems, das mit der relativen Position des Segments
verknüpft
ist: die Rotorblatt-Segment-Verbundsteuerung. Bei Windturbinen mit
zwei oder mehr Rotorblättern überlappt
sich der angetriebene Bereich des einen Segments von einem Blatt
mit den angetriebenen Bereichen der anderen Blätter. Wenn die relative Position
eines jeden Segmentes unabhängig
gesteuert wird, ist es möglich,
die Ausgangsleistung des gesamten Systems durch die Kombination
der Position der Segmente der verschiedenen Blätter zu optimieren. Mehr noch,
diese Steuerung kann so wirkungsvoll sein, dass der Gleichgewichtspunkt
des Rotors oder die Verteilung der aerodynamischen Kräfte dynamisch
verändert
werden können, um
Schwingungen zu kompensieren. Verglichen mit modernen Energiekontrollsystemen
hat die vorgeschlagene Steuerung durch Antriebsbereichskoeffizienten
und Variierung der Dimensionen einige Vorteile, wie z. B.:
- – Windturbinen
können
bei niedrigeren Windgeschwindigkeiten mit maximalen Antriebsbereichen
und Energiekoeffizienten ihre Arbeit aufnehmen;
- – Windturbinen
können
bis zu höheren
Windgeschwindigkeiten die volle Produktion mit Segmenten aufrechterhalten,
die in ihrer Position hohen aerodynamischen Kräften widerstehen;
- – Die
aerodynamische Anordnung kann pro Rotorblatt Segment für Segment
für die
Arbeit bei verschiedenen Windgeschwindigkeiten und in der Koordination
mit anderen Segmenten verbessert werden;
- – Rotorblatt-Segment-Verbundsteuerung
kann darüber
hinaus die Ausgangsleistung der Turbine bei jeder Windgeschwindigkeit
optimieren.
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Somit
führt die
Vereinigung dieser Vorteile für eine
Windturbine einer bestimmten Leistung, an einem bestimmten Ort platziert,
zu einer zu einer geschätzten
jährlichen
Produktion elektrischer Energie, die höher ist, als bei vorangegangenen
Systemen.
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Weitere
ergänzende
Vorteile sind verbunden mit der Logistik und der Sicherheit. Folglich
erfordern die aufgeteilten Rotorblätter weniger Raum für den Transport,
wenn sie auf ihre kleinste Größe zurückgezogen
werden. Diese reduzierte Größe bringt
auch einen wichtigen Vorteil mit sich: die Windturbine mit Antriebsbereichskoeffizient
und dimensionaler Steuerung kann stärkere Winde länger überleben
als jeder andere Turbinentyp.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 erläutert ein
Turbinenblatt an vier Segmenten und drei dynamischen Paaren mit
all ihren Antriebsbereichen bei 100%.
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2 erläutert dasselbe
Turbinenblatt von einem Punkt senkrecht zum Luftstrom und mit Antriebsbereichen
von ca. 50%, 40%, 30% und 60% ihrer Nennleistungswerte.
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3 erläutert eine
Turbine mit Hauptrotorblatt mit einem dynamischen Segmentpaar und
zwei weiteren Standardrotorblättern.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
ANWENDUNGSFORMEN
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Das
System kann in einem Blatt genauso wie in zwei oder einer anderen
Zahl von Turbinenblättern angewendet
werden. 3 zeigt eine Mischung aus Ein-Blatt-
und Drei-Blatt-Windturbine. Das Hauptblatt hat zwei Segmente S1
und S2 mit den angetriebenen Bereichen A1 und A2. Sie bilden ein
dynamisches Segmentpaar mit dem schützenden Segment S2, das über Segment
S1 gleitet. S1 ist eher eine unterstützende Struktur mit einem niedrigen
Luftzugprofil. Die Bewegungen werden durch Elektromotoren in der
Verbindungsstruktur von Segment S2 zu Segment S1 oder an anderen
Stellen und mit Kabeln zur Kraftübertragung
erzeugt. Das Segment S1 agiert als unterstützende Struktur genauso wie
eine Bewegungssteuerung. Die Elektromotorbewegung wird über die
Steuerung in eine lineare Bewegung umgesetzt. Folglich bewegt sich
Segment S2 entlang der Steuerung. Eine andere Alternative ist die
Verwendung eines elektrisch-linearen oder hydraulischen Antriebselements,
sowie pneumatische Zylinder. In diesem Fall befinden sich die Antriebselemente
entlang von Segment S1. Der bewegliche Kopf des Antriebselements
ist mit der Verbindungsstruktur von Segment S2 verbunden. Das Antriebselement
verfügt über elektronische
Antriebe oder Flüssigkeitsventile,
und empfangt Befehle vom Ausgangsleistungskontrollsystem der Windturbine.
Das Steuersystem sendet die Befehle, zusammen mit anderen Signalen,
zur Windgeschwindigkeit, der erzeugten elektrischen Energie und
Positionen sowie Winkel der Segmente und Rotorblätter.
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Bei
geringen Windgeschwindigkeiten wird die Energieerzeugung vom angetriebenen
Bereich A2 dominiert. Bei hohen Windgeschwindigkeiten ergibt sich
eine Überlappung
der angetriebenen Bereiche, die aus der Kombination der Segmente
S1 und S2 und der anderen Blätter
B2 und B3 resultiert. Diese Blätter
sind kleiner und verfügen
nur über
eine Neigungskontrolle und sind speziell für die Arbeit bei hohen Windgeschwindigkeiten
ausgelegt. Sie spielen beim Stabilitätsausgleich ebenfalls eine
wichtige Rolle.
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Abschließend erfolgt
in 3 ein Masseausgleich und eine ergänzende,
unterstützende
Struktur M1.
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Die
Begriffe, die in diesem Bericht verwendet werden, sollten hierin
nicht in ihrer weiteren Bedeutung begrenzt werden. Die Materialien,
Formen und Anordnungen der Elemente können verändert werden, solange die Substanz
der Erfindung nicht verändert
wird.