DK174635B1 - En vindmøllevinge - Google Patents

Description

DK 174635 B1

En Vindmøllevinge

Den foreliggende opfindelse angår en vinge til en vindmølle, som angivet i den indledende del af krav 1.

5

Gennem længere tid har konstruktionen af vindmøller til generering af elektricitet gennemgået en stor udvikling. Denne udvikling har ført til en markant forøgelse af effekten af vindmøllerne.

10 For at øge mængden af el-produktion er størrelsen af vindmøllerne også øget. Herved opnås en vindmølle med en større produktionskapacitet, hvilket har vist sig at forbedre vindmøllernes driftsmæssige effektivitet væsentligt.

Udviklingen af større og større vindmøller resulterer i, at vingernes længde forøges 15 betydeligt, hvilket medfører, at materialeforbruget, transportudgifterne og udgifterne til at rejse vindmøllerne vokser tilsvarende, hvilket er et voksende problem for udviklingen af de store vindmøller. Denne problemstilling er særlig fremtrædende ved maritime vindmøller, da transport- og opstillingsomkostningeme er særligt store herved.

20

Vingernes øgede længde bevirker også, at kravet til vingernes stivhed øges for at sikre, at de ikke under ugunstige vindforhold kan bøjes så meget, at vingerne i en rotor kan ramme tårnet på vindmøllen, der som oftest udviser en rotor, der er arrangeret foran tårnet imod vindretningen. Endvidere øges kravet til vingernes 25 styrke, idet den øgede længde af vingerne blandt andet bevirker, at egenvægten bliver forøget.

Det er på den baggrund hensigten med nærværende opfindelse at tilvejebringe en vingekonstruktion, hvor kravene til vingens stivhed kan reduceres væsentligt og hvor 30 der samtidigt dermed kan opnås en reduktion af den samlede vægt af vingen.

DK 174635 B1 2

Dette er opnået ved en vinge til en vindmølle ifølge den kendetegnende del af krav 1.

Det er velkendt, at en vinge i en vindmølle på grund af vindpåvirkningen vil bøjes bagud i forhold til rotorplanet. Centrifugalkrafterne som opstår ved rotationen vil 5 forsøge at rette vingen ud. Denne oprettende funktion afhænger af vingens massefordeling, rotorens konusvinkel og rotationshastigheden. Ved de kendte konstruktioner af vinger til vindmøller er tyngdepunktet i vingen typisk placeret ca.

1/3 ude på vingen, dvs. ca. 1/3 fra vingeroden, idet vingens tykkelse er væsentligt større ved roden end ved tippen, primært af hensyn til styrkemæssige krav. Herved 10 vil den oprettende funktion imidlertid være meget lille på grund af den relativt lave vægt i vingens yderste del.

Ved opfindelsen udnyttes centrifugalkraften fra selve vingen samt fra en eller flere indbyggede masser med forholdsvis høj densitet i eller i nærheden af vingetippen 15 samt eventuelt et eller flere andre steder i vingen. Herved opnås der en forøget oprettende kraft af tilstrækkelig størrelse til at mindske udbøjningen af vingen og dermed det flapvise moment i vingen.

Ved øget vindpåvirkning vil vingen bøjes bagud i forhold til vindretningen. Herved 20 øges vinklen i forhold til rotationsplanet, hvilket vil medføre en oprettende kraft vinkelret på rotorplanet, som helt eller delvis vil ophæve det flapvise moment og med en samtidig opnåelse af en ønsket geometri af udbøjningen. Masserne vil medvirke til at strække vingen ud, så den forbliver i det mindste tilnærmelsesvis retliniet, hvilket har en stor betydning for reguleringen af vingens indfaldsvinkel især 25 ved høje pitchhastigheder. En vinge, der er udbøjet på grund af vindpåvirkning, vil ved en ændring i vingens indfaldsvinkel (pitchvinkel) bevæge sig i en uhensigtsmæssig og ukontrolleret kurve. Ved opfindelsen vil der således også kunne opnås en mere forudsigelig aerodynamisk effekt ved pitchreguleringen.

30 Vingen er i det væsentlige fortrinsvis udført i fiberarmeret materiale, såsom f.eks. glasfiber og/eller kulfiber. Herved kan der frembringes en fleksibel vinge med høj 3 DK 174635 B1 brudstyrke. Da vingen ifølge opfindelsen hovedsagligt belastes med en øget trækspænding, vil vægten af vingen samtidig kunne reduceres, da kravene til flapvis stivhed mindskes. Indenfor aerodynamikken er det velkendt, at en vinges virkningsgrad udtrykkes ved forholdet mellem vingens opdriftskoefficient og 5 modstandskoefficient (Cl/Cd), det såkaldte glidetal. En af måderne til at reducere modstandskoefficienten og dermed forbedre glidetallet på, er ved at mindske vingens tykkelse. Ved en vinge ifølge opfindelsen er det således muligt at anvende tyndere vingeprofiler, idet kravene til vingens flapvise stivhed kan reduceres, pga. den aktive opretningseffekt ved en vinge ifølge opfindelsen.

10

En vinge ifølge en foretrukken udførelsesform af opfindelsen er forsynet med vægte i form af massekoncentrationer i den yderste 2/3-del af vingen for herved at øge den oprettende kraft.

15 l en første udførelsesform af opfindelsen udgøres massekoncentrationeme af indstøbt sand, bly eller lignende materiale med høj massefylde, der i det mindste er arrangeret ved vingens tip.

Ved at massekoncentrationen er udført ved at et eller flere hulrum, såsom tanke, 20 hvori et materiale med høj densitet kan anbringes, er indbygget i vingen ved vingetippen og/eller i en prædefineret afstand herfra, kan der opnås en særlig virksom massefordeling for frembringelse af den ønskede vingegeometri for vingen, når denne er i drift.

25 L en anden udførelsesform er tankene fortrinsvis helt eller delvist udfyldt med et flydbart materiale, såsom et granulat eller en væske. Herved er det muligt at gøre massen i tanken eller i tankene variérbar(e), idet vingen endvidere omfatter midler til regulering af massen i tanken, hvilke midler inkluderer ind- og udførelse af flydbart materiale til og fra den mindst ene tank samt midler til fastholdelse af materialet i 30 tanken.

DK 174635 B1 4

Det flydbare materiale er fortrinsvist udvalgt fra en materialegruppe, der omfatter sand, blykugler og højdensitetsgranulater. Alternativt, kan det flydbare materiale være en væske udvalgt fra en materialegruppe, der omfatter blandt andet vand, glykol eller blandinger heraf samt kviksølv. Det skal sikres, at denne væske er sikret 5 mod at fryse, idet regulerbarheden af massekoncentrationen ellers vil være blokeret ligesom der vil være risiko for konstruktive skader på vingekonstruktionen i tilfælde af en volumenudvidelse som følge af frysning af væsken. Denne risiko er naturligvis elimineret ved anvendelse af flydbart granulatmateriale, idet man dog også ved anvendelse af et granulatmateriale skal sikre, at dette materiale ikke kan ændre 10 materialeform ved de temmelig store temperaturskift, som en vindmøllevinge kan blive udsat for.

Vingen er fortrinsvis således dimensioneret, at den ved udbøjning ud af rotorplanet der sker, som følge af vindpåvirkningen, helt eller delvist udbalanceres af en 15 oprettende kraft frembragt ved centrifugalkraften af masserne og ved den vingevinkel i forhold til rotorplanets vinkel uden vindpåvirkning, der opstår, når vingen bøjes bagud af vinden. Vingen kan også monteres med en bagudrettet vinkel i forhold til rotationsplanet. Ved at masserne og deres placering er rigtigt afstemt vil der kunne opnås en øget selvopretning af vingen, således at udbøjningen bagud helt 20 eller delvist modvirkes.

En vinge ifølge opfindelsen kan være monteret med en fast konusvinkel i forhold til rotationsplanet, for eksempel mellem 1° til 60°. Herved vil den oprettende flapvise kraft øges, og dermed medvirke til at give vingen den ønskede aerodynamiske 25 udbøjningsgeometri. Ved at vælge en fast konusvinkel kan der spares komponenter til indstilling af konusvinklen, således som det ellers kendes fra US-A-5,584,655, da variable masser i vingerne, kombineret med en valgt fast rotorvinkel, overgår den effekt, der kan opnås ved at variere konusvinklen kombineret med en kendt vinge uden ekstra masser indbygget nær vingetippen.

30 5 DK 174635 B1 1 en foretrukken udførelsesform af opfindelsen er vingen monteret i en rotor, der er arrangeret i vindsiden i forhold til en vindmølles tårn.

Alternativt er det ved opfindelsen indset, at vingen kan være monteret i en rotor, der 5 er arrangeret i læsiden i forhold til en vindmølles tårn.

I det følgende er opfindelsen nærmere beskrevet under henvisning til de vedlagte tegninger, hvor 10 fig. 1 er en skematisk illustration af en vindmølle med en rotor med vinger ifølge en foretrukken udførelsesform af opfindelsen, fig. 2 viser en anvendelse af en vinge ifølge opfindelsen i en anden vindmølletype, og fig. 3 er en skematisk illustration af en vinge med en indbygget regulerbar 15 massefordeling ifølge opfindelsen.

Som det er vist i figur 1, omfatter vindmøllen et tårn 1, der øverst er forsynet med en nacelle 2, hvortil der er forbundet en rotor med et antal vinger 3 arrangeret i vindsiden i forhold til tårnet 1.

20

Afstanden mellem vingerne 3 og tårnet 1 ved en vindmølle af frontløber-typen tilstræbes at være relativ stor for at undgå, at vingerne 3 kolliderer med tårnet 1 på grund af udbøjning bagud mod tårnet 1 som følge af vindpåvirkningen. Vinger til en vindmølle er traditionelt konstrueret med en relativ stor stivhed, hvilket gør, at 25 vægten er forholdsvis stor. Denne forholdsvis store vægt af rotoren skal optages i nacellen på tårnets top, hvilken medfører en stor tårnvægt for at kunne optage de store kræfter og momenter, der hidrører fra rotoren og vindpåvirkningen.

Ved en vinge 3 ifølge opfindelsen, er der indbygget en massekoncentration/vægt 4 i 30 det mindste i vingernes tip. Massekoncentrationen 4 kan bestå i en indbygning af et eller flere af de tidligere nævnte materialer. Vindens påvirkning af vingerne 3 DK 174635 B1 6 bevirker, som indikeret ved V, at vingen 3 bøjer bagud. Imidlertid vil centrifugalkraften fra massen 4 og eventuelle andre masser samt vingens egenvægt ved rotation af vingen frembringe en centrifugalkraft C, der vil forårsage en oprettende kraft F, der vil modvirke udbøjningen som følge af vindpåvirkningen.

5

Ved opfindelsen er det indset, at kravene til flapvis stivhed af vingen kan reduceres væsentligt ved en vinge og vindmøllekonstruktion som vist i figurerne. Hver af vingerne 3 i rotoren er forsynet med en massekoncentration ved tipperne samt måske en eller flere massekoncentrationer i en forudbestemt afstand derfra. Selve vingen 3 10 kan være mere fleksibelt dimensioneret, idet vingen skal dimensioneres med fokus på de øgede trækkræfter snarere end med fokus på opnåelse af en stor stivhed. Kravene til flapvis stivhed kan reduceres væsentligt ved en vinge ifølge opfindelsen.

Den flapvise stivhed opnås ved at udnytte centrifugalkraften C fra vingen samt den indbyggede masse 4 i vingetippen til hel eller delvis ophævelse af det flapvise 15 moment. Med denne konstruktion kan den samlede vægt af vingerne reduceres. Materialevalget for vingen 3 kan være svarende til kendte vingekonstruktioner, f.eks. en glas- og/eller kulfiberarmeret vingekonstruktion. Det er ved opfindelsen indset, at vingen også kan være konstrueret i andre materialer og materialekombinationer.

20 Massekoncentrationen kan være frembragt ved indstøbning af et materiale med høj densitet, f.eks. bly på de udvalgte punkter i vingen. Alternativt eller som supplement hertil kan massekoncentrationeme være frembragt ved indbygning af en eller flere vingetanke 5 eller lignende rum, hvori et flydbart materiale 6 kan opbevares, som vist i figur 3.

25

Gennem en lang periode har der været tradition for, at vindmøller er konstrueret som såkaldte frontløbere, dvs. med rotoren i vindsiden i forhold til tårnet. I modsætning hertil kendes også vindmøller af bagløber-typen, dvs. hvor rotoren ligger i læsiden af tårnet 1, således som vist i fig. 2. Årsagen til at man traditionelt har valgt en 30 frontstillet rotor, fremfor en bagudstillet rotor ligger i, at tårnets placering i vindsiden opbremser vinden og derved medfører en påvirkning af omstrømningen, herunder et 7 DK 174635 B1 fald i strømningshastigheden (et stort drop out) på en vinge 3, der passerer tårnet 1.

Ved en frontløber er dette problem ikke nær så udbredt, men selv foran tårnet vil strømningen være påvirket af tårnet.

5 Drop out’et på grund af tårnet 1 mindskes med øget afstand fra tårn 1 til vinge 3. Ved opfindelsen er det indset, at en vinge ifølge opfindelsen er velegnet til anvendelse i en rotor, der er placeret i læsiden i forhold til tårnet, som vist i fig. 2.

Vingerne 3 i rotoren er monteret via et nav i nacellen 2 med en bagudrettet vinkel på 10 f.eks. 20°. Foruden i vingetippen kan der som beskrevet tidligere være indlagt masser enten ’’direkte” indstøbt eller indlagt f.eks. i vingetanke 5. Som vist i fig. 3 kan der eksempelvis være indstøbt en masse 4 i vingen 3 ligesom der kan være anbragt en vingetank 5, der er tilsluttet reguleringsmidler 7 for regulering af indholdet af flydbart materiale 6, der er anbragt i vingetanken 5. Det flydbare materiale kan være 15 en væske, f.eks. kviksløv, vand, glykol, eller lignende. Det skal dog tilsikres, at væsken er frostsikret i forhold til det temperaturområde, vingen under drift skal opererer i. Alternativt kan materialet være et flydbart granulat, såsom sand, små metalkugler eller lignende. Midlerne 7 til regulering af indholdet i tankene 5 kan f.eks. omfatte en eller flere rør- eller slangeforbindelser, der via pumpemidler og 20 mindst én stopventil står i forbindelse med et reservoir af flydbart vægtmateriale.

Herved kan massen i tanken 5 ændres og vingen kan derved tilpasses til den ønskede udbøjningsprofil ved forskellige vindhastigheder.

Det er ved opfindelsen naturligvis indset, at der kan være flere tanke 5 med 25 regulerbart indhold af flydbart masse i hver vinge, selvom der i figur 3 blot er illustreret en enkelt. Det er endvidere indset, at den regulerbare masse i vingerne kan etableres på andre måder en den i fig. 3 viste, uden at afvige fra opfindelsens grundidé, således som angivet i patentkravene.

Claims (13)

1. 2. En vinge ifølge krav 1, hvor vingen er forsynet med vægtlegemer i den yderste 2/3-del af vingen.
2. 3. En vinge ifølge krav 1 eller 2, hvor vægtlegememe udgøres af indstøbt sand, bly eller lignende materiale med høj massefylde, der i det mindste er arrangeret ved 15 vingens tip.
3. 4. En vinge ifølge krav 1 til 3, hvor vægtlegememe omfatter et eller flere hulrum, såsom en eller flere tanke ved vingetippen og/eller i en prædefineret afstand herfra i vingens yderste del, hvor nævnte hulrum er helt eller delvist udfyldt med materiale 20 med relativ høj densitet.
4. 5. En vinge ifølge krav 4, hvor den mindst ene hulrum udgøres af en eller flere tanke, der er helt eller delvist udfyldt med et flydbart materiale, såsom et granulat eller en væske. 25
5. 6. En vinge ifølge krav 4 eller 5, hvor massen af den mindst ene tank er variérbar og hvor vingen omfatter midler til regulering af massen i tanken, hvilke midler inkluderer ind- og udførelse af flydbart materiale til og fra den mindst ene tank samt midler til fastholdelse af materialet i tanken. 30 DK 174635 B1
6. 7. En vinge ifølge krav 5, hvor det flydbare materiale er udvalgt fra en materialegruppe, der omfatter sand, blykugler og højdensitetsgranulater.
7. 8. En vinge ifølge krav 5, hvor det flydbare materiale er en væske udvalgt fra en 5 materialegruppe, der omfatter vand, glykol samt lignende væsker eller blandinger heraf eller kviksølv.
8. 9. En vinge ifølge ethvert af de foregående krav, hvor vingen i det væsentlige er udført i fiberarmeret materiale, såsom glasfiber eller kulfiber. 10
9. 10. En vinge ifølge ethvert af de foregående krav, hvor vingen er således dimensioneret, at vingen ved den udbøjning ud af rotorplanet der sker, som følge af vindpåvirkning helt eller delvist udbalanceres af en oprettende kraft frembragt ved centrifugalkraften af masserne ved den vingevinkel i forhold til rotorplanets vinkel 15 uden vindpåvirkning, der opstår, når vingen bøjes bagud af vinden.
10. 11. En vinge ifølge krav 1, hvor vingen er monteret med en konusvinkel i forhold til rotationsplanet.
11. 12. En vinge ifølge krav 11, hvor konusvinklen er fast, fortrinsvis mellem 1° til 60°.
12. 13. En vinge ifølge ethvert af de foregående krav, hvor vingen er monteret i en rotor, der er arrangeret i læsiden i forhold til en vindmølles tårn.
13. 14. En vinge ifølge ethvert af kravene 1 til 12, hvor vingen er monteret i en rotor, der er arrangeret i vindsiden i forhold til en vindmølles tårn.