NL2000819C2

NL2000819C2 - Windturbine en rotorblad.

Info

Publication number: NL2000819C2
Application number: NL2000819A
Authority: NL
Inventors: Herman Snel; Herman Willem Marie Hoeijmakers
Original assignee: Stichting Energie
Priority date: 2007-08-17
Filing date: 2007-08-17
Publication date: 2009-02-18
Also published as: US20110018268A1; CN101790637A; CN101790637B; CA2695561A1; WO2009025548A1; EP2176541A1

Description

Windturbine en rotorblad

De uitvinding heeft betrekking op een windturbine die een rotor met een aantal rotorbladen heeft.

5 Tijdens bedrijf van een windturbine ondervindt de rotor een klapbelasting en een zwaaibelasting van op de rotorbladen uitgeoefende krachten. De liftkracht en weerstandskracht van de stroming om het rotorblad vormen immers een resulterende kracht die kan worden ontbonden in een klap- en zwaaikracht. De klapkracht is in hoofdzaak evenwijdig aan de rotatiehartlijn van de rotor gericht, terwijl de zwaaikracht 10 loodrecht daarop staat en de voortstuwing van de rotorbladen verschaft. De klap- en zwaaikrachten leiden tot inwendige buigmomenten in de rotorbladen, die toenemen vanaf het tipeind naar het worteleind. Het worteleind van de rotorbladen is verbonden met een naaf van de rotor. De buigmomenten ter plaatse van de bevestiging van het worteleind aan de naaf zijn aanzienlijk.

15 De invalshoek α van de stroming om de rotorbladen wordt bepaald door de windsnelheid van de aanstromende wind en de tangentiale bladsnelheid. De windsnelheid omvat een gemiddelde windsnelheid waarop positieve en negatieve windsnelheidsfluctuaties zijn gesuperponeerd. De gemiddelde windsnelheid varieert langzaam ten opzichte van de tijdschaal van de windsnelheidsfluctuaties. De variaties 20 in de gemiddelde windsnelheid kunnen bijvoorbeeld worden opgevangen door een bladhoekregeling van de rotorbladen. De bladhoekregeling is echter te traag om de windsnelheidsfluctuaties te kunnen volgen.

Door de windsnelheidsfluctuaties fluctueert de invalshoek van de stroming om de rotorbladen. Als de richting van de windsnelheid fluctueert - d.w.z. de snelheidsvector 25 van de windfluctuatie valt niet samen met de snelheidsvector van de gemiddelde snelheid - , verandert de invalshoek. Een fluctuatie in de grootte van de windsnelheid leidt eveneens tot een verandering van de invalshoek. Bij een fluctuatie in de grootte van de windsnelheid blijft de bladsnelheid door de traagheid van de rotor aanvankelijk gelijk. Als de windsnelheid in hoofdzaak evenwijdig aan de rotatiehartlijn van de rotor 30 verandert door de fluctuatie, terwijl de bladsnelheid in hoofdzaak loodrecht ten opzichte daarvan onveranderd blijft, fluctueert de invalshoek.

De liftcoëfficient van de rotorbladen is afhankelijk van de invalshoek α - volgens de CL-a-kromme. Doordat windturbines bij kleine invalshoeken opereren, heeft een 2 invalshoekfluctuatie een relatief grote verandering van de liftkracht en daarmee de klap- en zwaaikracht tot gevolg. De windsnelheidsfluctuaties veroorzaken derhalve aanzienlijke klap- en zwaaibelastingfluctuaties in de rotorbladen. Vooral bij rotoren met een relatief grote diameter kunnen deze belastingfluctuaties aanleiding geven tot 5 stijfheid- en sterkteproblemen.

Een doel van de uitvinding is een windturbine te verschaffen, waarbij de belastingfluctuaties zijn verminderd.

Dit doel is volgens de uitvinding bereikt doordat ten minste een rotorblad van de windturbine is voorzien van ten minste een opening, luchtverplaatsingsmiddelen voor 10 het afwisselend door die opening naar buiten en naar binnen dwingen van lucht, een sensor voor het waarnemen van windsnelheidsfluctuaties, en een regeleenheid voor het regelen van de luchtverplaatsingsmiddelen afhankelijk van door de sensor waargenomen windsnelheidsfluctuaties.

De luchtverplaatsingsmiddelen volgens de uitvinding genereren zogenaamde 15 “synthetic jets” uit de opening. Een “synthetic jet” omvat een reeks wervelingen die worden gevormd door het afwisselend uitblazen en aanzuigen van fluïdum door een opening. Telkens ontstaat bij de uitstoot van massa door loslating een werveling uit de opening, terwijl bij de instroom van massa de opening als een put werkt. Elke opening stuurt een dergelijke reeks wervelingen in de stroming om het rotorblad. De 20 wervelingen van de “synthetic jets” beïnvloeden die stroming om het rotorblad - de wervelingen kunnen de welving van het aërodynamische profiel van het rotorblad schijnbaar veranderen.

De “synthetic jets” worden volgens de uitvinding toegepast om de klap- en zwaaibelastingfluctuaties te verminderen. De sensor meet de windsnelheidsfluctuaties -25 hiervoor is bijvoorbeeld een algemeen bekende versnellingsopnemer geschikt. Stel dat een positieve snelheidsfluctuatie wordt waargenomen door de sensor. Een positive snelheidsfluctuatie geeft aanleiding tot een vergroting van de invalshoek en daarmee de liftkracht - volgens de CL-a-kromme. Die grotere liftkracht veroorzaakt een klap- en zwaaibelastingfluctuatie in het rotorblad. Deze belastingfluctuaties worden echter 30 volgens de uitvinding verminderd doordat de sensor een signaal afgeeft aan de regeleenheid, dat afhankelijk is van de waargenomen positieve windsnelheidsfluctuatie. Op basis van het ontvangen signaal bedient de regeleenheid de luchtverplaatsingsmiddelen vervolgens zodanig dat “synthetic jets” worden 3 gegenereerd die de invloed van de waargenomen windsnelheidsfluctuatie tegenwerken. In dit voorbeeld van een positieve snelheidsfluctuatie bedient de regeleenheid de luchtverplaatsingsmiddelen zodanig dat de welving van de aërodynamische profielvorm van het rotorblad afneemt. Hierdoor reduceert de liftkracht - de Cl-<x-5 kromme verschuift naar rechts. Omgekeerd, d.w.z. als de sensor een negatieve snelheidsfluctuatie waarneemt, kan de schijnbare welving van het aërodynamische profiel van het rotorblad juist worden vergroot door toepassing van de door de regeleenheid bediende “synthetic jets”.

De aanpassing van de schijnbare welving van de aërodynamische profielvorm 10 van het rotorblad door toepassing van “synthetic jets” is (veel) sneller dan een bladhoekregeling. De responstijd van de “synthetic jets” is voldoende kort om bij windsnelheidsfluctuaties de liftkracht van het rotorblad te compenseren, zodat belastingfluctuaties worden verminderd.

Opgemerkt wordt dat “synthetic jets” op zichzelf bekend zijn. Volgens de 15 uitvinding worden “synthetic jets” echter toegepast voor het verminderen van belastingfluctuaties op een windturbine.

In een uitvoeringsvorm bezitten de rotorbladen elk een aërodynamische profielvorm met een zuigzijde en een drukzijde. Bijvoorbeeld is ten minste een opening aangebracht aan de zuigzijde, waarbij de regeleenheid is uitgevoerd voor het bedienen 20 van de luchtverplaatsingsmiddelen van de opening aan de zuigzijde als de sensor een positieve snelheidsfluctuatie heeft waargenomen. Ook is het mogelijk dat ten minste een opening is aangebracht aan de drukzijde, en waarbij de regeleenheid is uitgevoerd voor het bedienen van de luchtverplaatsingsmiddelen van de opening aan de drukzijde als de sensor een negatieve snelheidsfluctuatie heeft waargenomen. Aan de zuigzijde 25 en/of aan de drukzijde kunnen zich derhalve een of meer openingen bevinden.

Als de sensor een signaal aan de regeleenheid stuurt dat overeenkomt met een positieve snelheidsfluctuatie, bedient de regeleenheid de luchtverplaatsingsmiddelen van de opening aan de zuigzijde van het rotorblad voor het genereren van synthetic jets uit die opening. Hierdoor verkleint de schijnbare welving van het aërodynamische 30 profiel van het rotorblad. De respons op een waargenomen positieve snelheidsfluctuatie is dus een vermindering van de liftkracht en daarmee de klap- en zwaaibelasting. Omgekeerd worden bij een waargenomen negatieve snelheidsfluctuatie “synthetic jets” uit de opening aan de drukzijde van het rotorblad gegenereerd.

4

Daarbij is het mogelijk, dat de rotorbladen elk een voorrand en een achteirand bezitten, waarbij de opening is aangebracht nabij de achterrand. Bijvoorbeeld heeft elk rotorblad in dwarsdoorsnede een koordelijn, die zich uitstrekt tussen de voorrand en de achterrand, waarbij de opening is aangebracht aan de achterrand of op een afstand van 5 de achterrand die kleiner is dan 20% van de lengte van de koordelijn. In het gebied van de achterrand zijn ’’synthetic jets” bijzonder effectief voor het aanpassen van de schijnbare welving ter vermindering van belastingfluctuaties.

De sensor kan op verschillende manieren zijn uitgevoerd. In een uitvoeringsvorm omvat de sensor een versnellingsopnemer, die is aangebracht aan het rotorblad. De 10 versnellingsopnemer bevindt zich bijvoorbeeld nabij de tip van het rotorblad, zodat de bladtipversnelling wordt gemeten. Als de spanwijdte wordt gedefinieerd als de afstand tussen het worteleind en het tipeind van het rotorblad, is de als versnellingsopnemer uitgevoerde sensor bijvoorbeeld aangebracht op een afstand vanaf het worteleind die groter is dan 80% of 90% van de spanwijdte. Bladtipversnelling ligt in feite twee 15 tijdsintegraties voor op vervormingen, d.w.z. inwendige spanningen, zodat de aanpassing van de schijnbare welving tijdig belastingfluctuaties aan de bladwortel kan voorkomen.

Daarnaast is het mogelijk dat de sensor een drukmeter omvat, die is uitgevoerd voor het meten van het drukverschil tussen de zuigzijde en de drukzijde. De variatie 20 van het drukverschil tussen de zuigzijde en de drukzijde vormt eveneens een maat voor de windsnelheidsfluctuaties.

Verder kan de sensor een windsnelheidsmeter omvatten. De windsnelheidsmeter is bijvoorbeeld uitgevoerd als een drukmeter in de neus van het rotorblad, waarmee de totale druk wordt gemeten. Door het meten van de windsnelheid kunnen de 25 windsnelheidsfluctuaties direct worden afgeleid.

De als drukmeter of windsnelheidsmeter uitgevoerde sensor is bij voorkeur aangebracht nabij de wortel van het rotorblad, zoals op een afstand vanaf het worteleind die kleiner is dan 20% van de spanwijdte.

Ook kan de opening zijn aangebracht op een afstand vanaf het worteleind die 30 groter is dan 50% van de spanwijdte, bij voorkeur tussen 60-90% van de spanwijdte ligt. In het gebied van de tip van het rotorblad zijn de openingen bijzonder effectief voor het aanpassen van de schijnbare welving ter vermindering van belastingfluctuaties.

5

De opening kan volgens de uitvinding op verschillende manieren zijn uitgevoerd. Bijvoorbeeld is de opening gevormd als een langwerpige sleuf. In plaats daarvan kunnen de rotorbladen elk een reeks openingen bezitten. Daarbij is het mogelijk dat die openingen in de richting van de spanwijdte op afstand van elkaar zijn aangebracht.

5 Bijvoorbeeld is de afstand tussen de openingen in hoofdzaak 1-10% van de lengte van de koordelijn, zoals 1-2% van de lengte van de koordelijn.

In een uitvoeringsvorm zijn de luchtverplaatsingsmiddelen uitgevoerd voor het afwisselend door de openingen naar buiten en naar binnen dwingen van lucht met een frequentie van 0,1-500 Hz, zoals 0,1-100 Hz. Deze frequenties zijn bijzonder geschikt 10 voor het aanpassen van de schijnbare welving van het rotorblad.

In een uitvoeringsvorm heeft elk rotorblad een azimuthoek die is bepaald door de hoek vanaf de omhoog gerichte verticaal tot dat rotorblad in rotatierichting beschouwd, waarbij een hoeksensor is voorzien voor het waarnemen van de azimuthoek, en de regeleenheid is uitgevoerd voor het aanschakelen van de luchtverplaatsingsmiddelen bij 15 een azimuthoek tussen 135-245° en het uitschakelen van de luchtverplaatsingsmiddelen bij een azimuthoek daarbuiten. De rotorbladen ondervinden tijdens het bewegen langs de mast van de windturbine een verandering van de richting en snelheid van de aanstroming. Dit is het gevolg van opstuwing tegen de mast en/of het zog achter de mast - de rotorbladen kunnen voor of achter de mast ronddraaien, De invloed van de 20 mast op de stroming om het rotorblad kan worden beperkt door de luchtverplaatsingsmiddelen aan te schakelen voor het genereren van “synthetic jets” als het rotorblad langs de mast beweegt, terwijl verder bijvoorbeeld geen “synthetic jets” worden uitgepuft.

De luchtverplaatsingsmiddelen kunnen op verschillende manieren zijn 25 uitgevoerd. Bijvoorbeeld zijn de luchtverplaatsingsmiddelen voorzien van ten minste een luchtkamer, die is aangebracht binnen het rotorblad en verbonden met ten minste een opening, waarbij de luchtkamer is voorzien van middelen voor het veranderen van het volume van de luchtkamer voor het naar buiten en naar binnen dwingen van lucht door de daarmee verbonden opening. Daarbij is het mogelijk dat meerdere luchtkamers 30 zijn voorzien, die elk zijn verbonden met telkens een opening of meerdere openingen. Bijvoorbeeld zijn meerdere openingen of is een langwerpige opening aangesloten op een gemeenschappelijke langwerpige luchtkamer.

6

In een uitvoeringsvorm omvatten de middelen voor het veranderen van het volume van de luchtkamer een flexibel membraan. Elke luchtkamer is gevormd door een inwendige holle ruimte in het rotorblad. Elke luchtkamer heeft een volume, dat bijvoorbeeld is begrensd door de opening en het flexibele membraan. Het flexibele 5 membraan is bekrachtigbaar. Door het vervormen van het flexibele membraan naar de opening toe, d.w.z. naar buiten, wordt het volume gereduceerd. Hierbij wordt een hoeveelheid lucht uit de luchtkamer geduwd ter vorming van een werveling. De lucht stroomt tijdens het uitpuffen “recht” uit de opening. Vervolgens wordt het flexibele membraan terugvervormd, zodat het volume van de luchtkamer toeneemt. Hierdoor 10 ontstaat een onderdruk in de luchtkamer, zodat lucht wordt aangezogen van buiten de opening. Dit leidt tot een massastroom de luchtkamer in. De lucht stroomt hierbij langs het oppervlak van het rotorblad naar de opening en buigt af naar binnen. De netto massastroomflux door de opening is gelijk aan nul. Vervolgens kan het flexibele membraan weer naar buiten bewegen voor het opwekken van een verdere werveling.

15 De aaneenschakeling van wervelingen vormt een “synthetic jet”.

In plaats van het flexibele membraan kunnen de luchtverplaatsingsmiddelen een zuiger omvatten die heen en weer beweegbaar is in de luchtkamer voor het genereren van wervelingen. Andere uitvoeringsvormen voor het opwekken van “synthetic jets” zijn volgens de uitvinding ook mogelijk.

20 De uitvinding heeft tevens betrekking op een rotor met een aantal rotorbladen, waarbij ten minste een rotorblad is voorzien van ten minste een opening, luchtverplaatsingsmiddelen voor het afwisselend door die opening naar buiten en naar binnen dwingen van lucht, een sensor voor het waarnemen van windsnelheidsfluctuaties, en een regeleenheid voor het regelen van de 25 luchtverplaatsingsmiddelen afhankelijk van door de sensor waargenomen windsnelheidsfluctuaties.

De uitvinding betreft tevens een rotorblad, omvattende ten minste een opening, luchtverplaatsingsmiddelen voor het afwisselend door die opening naar buiten en naar binnen dwingen van lucht, een sensor voor het waarnemen van 30 windsnelheidsfluctuaties, en een regeleenheid voor het regelen van de luchtverplaatsingsmiddelen afhankelijk van door de sensor waargenomen windsnelheidsfluctuaties.

7

Verder heeft de uitvinding betrekking op een werkwijze voor het bedienen van een windturbine die is voorzien van een rotor met een aantal rotorbladen, waarvan ten minste een rotorblad is voorzien van ten minste een opening, luchtverplaatsingsmiddelen voor het afwisselend door die opening naar buiten en naar 5 binnen dwingen van lucht, een sensor voor het waarnemen van windsnelheidsfluctuaties, en een regeleenheid voor het regelen van de luchtverplaatsingsmiddelen afhankelijk van door de sensor waargenomen windsnelheidsfluctuaties, welke werkwijze omvat: - het waarnemen van een windsnelheidsfluctuatie door de sensor 10 - het overdragen van een signaal van de sensor aan de regeleenheid, welk signaal overeenkomt met de door de sensor waargenomen windsnelheidsfluctuatie, - het regelen van de luchtverplaatsingsmiddelen door de regeleenheid afhankelijk van het signaal van de sensor.

Hierbij is het mogelijk dat de rotorbladen elk een aërodynamische profiel met een 15 zuigzijde en een drukzijde bezitten, waarbij de openingen zijn aangebracht aan de zuigzijde en/of aan de drukzijde, en waarbij de regeleenheid de luchtverplaatsingsmiddelen van de opening aan de zuigzijde bedient als de sensor een positieve snelheidsfluctuatie heeft waargenomen en de opening aan de drukzijde bedient als de sensor een negatieve snelheidsfluctuatie heeft waargenomen.

20 De uitvinding zal thans slechts bij wijze van voorbeeld nader worden toegelicht aan de hand van de bijgaande tekening.

Figuur 1 toont een aanzicht in perspectief van een windturbine omvattende een rotor met een aantal rotorbladen volgens de uitvinding.

Figuur 2 toont een aanzicht in dwarsdoorsnede van een rotorblad van de in figuur 25 1 getoonde windturbine, waarin de koordelijn en de welvingslijn zijn aangegeven.

Figuur 3 toont een aantal CL-a-krommen.

Figuur 4a-c tonen aanzichten in dwarsdoorsnede van een rotorblad van de in figuur 1 getoonde windturbine, waarin respectievelijk de normale stroming om het rotorblad, de stroming met “synthetic jets” aan de zuigzijde en de stroming met 30 “synthetic jets” aan de drukzijde zijn weergegeven.

Figuur 5 toont een gedeeltelijk opengewerkt bovenaanzicht van een tipgedeelte van een rotorblad van de in figuur 1 getoonde windturbine.

8

De in figuur 1 getoonde windturbine is in zijn geheel aangeduid met 1. De windturbine 1 is in dit uitvoeringsvoorbeeld op land aangebracht. De windturbine 1 omvat een mast 8 en een rotor 2, die draaibaar om een rotatiehartlijn 10 is verbonden met de mast 8.

5 De rotor 2 omvat een naaf 9 en een aantal rotorbladen 3,4,5. Hoewel de rotor 2 in dit uitvoeringsvoorbeeld drie rotorbladen heeft, kunnen meer of minder rotorbladen zijn voorzien. Elk rotorblad 3, 4, 5 heeft een worteleind 20 en een tipeind 21. Het worteleind 20 is bevestigd aan de naaf 9, terwijl het daar tegenoverliggende tipeind 21 vrij is. De rotorbladen 3, 4, 5 omvatten elk een voorrand 7 en een achterrand 6, in 10 rotatierichting van de rotor 2 beschouwd.

Elk rotorblad 3,4,5 steekt vanaf het worteleind 20 bij de naaf 9 radiaal naar buiten tot het tipeind 21. De afstand tussen het worteleind 20 en het tipeind 21 bepaalt de spanwijdte van het rotorblad 3,4,5. Het rotorblad 3,4,5 omvat in dwarsdoorsnede een aërodynamische profïelvorm met een koordelijn 30, die is gedefinieerd door een rechte 15 lijn tussen de voorrand 7 en de achterrand 6 van die profïelvorm (zie figuur 2). De hoek tussen de relatieve snelheid van de lucht en de koordelijn is de invalshoek a.

De aërodynamische profïelvorm heeft daarnaast een welvingslijn 31, die is bepaald door de middellijn tussen het in figuur 2 getoonde boven- en benedenoppervlak. Aan het bovenoppervlak heerst bij luchtomstroming een onderdruk 20 (zuigzijde 23), terwijl het benedenoppervlak van de profïelvorm een drukzijde 24 vormt. De druk aan de drukzijde 24 is hoger dan de druk aan de zuigzijde 23.

In dit uitvoeringsvoorbeeld varieert de aërodynamische profïelvorm langs de spanwijdte van het rotorblad 3,4,5, d.w.z. de koordelijn 30 en de welvingslijn 31 zijn afhankelijk van de afstand vanaf de naaf 9 van de rotor 2.

25 De verhouding tussen de liftcoëfficiënt Cl en de invalshoek α is weergegeven in figuur 3. De liftcoëfficiënt Cl neemt bij kleine invalshoeken evenredig toe met de invalshoek a. Elke profïelvorm heeft een CL-a-kromme, die onder meer afhankelijk is van de welvingslijn van het profiel. In figuur 3 zijn drie CL-a-krommen getekend.

Elk rotorblad 3, 4, 5 omvat in dit uitvoeringsvoorbeeld een reeks openingen 12.

30 In plaats van een reeks openingen 12 is het mogelijk dat een langwerpige sleuf in elk rotorblad 3, 4, 5 is aangebracht. Hoewel de openingen 12 zich op elke geschikte locatie in het buitenoppervlak van de rotorbladen 3,4,5 kunnen bevinden, zijn de openingen 12 9 in dit uitvoeringsvoorbeeld aangebracht aan de zuigzijde 23 en de drukzijde 24 in de buitenste helft van de rotorbladen 3,4,5 en nabij de achterrand 6.

De openingen 12 zijn uitgevoerd voor het uitblazen van “synthetic jets”, d.w.z. een aaneenschakeling van wervelingen. Voor het opwekken van de “synthetic jets” 5 omvatten de rotorbladen 3, 4, 5 luchtverplaatsingsmiddelen voor het afwisselend door de openingen 12 naar buiten en naar binnen dwingen van lucht (zie figuur 4b, 4c en 5).

De luchtverplaatsingsmiddelen omvatten in dit uitvoeringsvoorbeeld meerdere luchtkamers 15, die via telkens een kanaal 14 zijn verbonden met de openingen 12.

Elke luchtkamer 15 is voorzien van een flexibel membraan 16, dat door een aandrijving 10 vervormbaar is (zie de stippellijn en de streepjeslijn in figuur 4a-c en 5). De aandrijving brengt het flexibele membraan 16 in trilling. De trillingfrequentie ligt bijvoorbeeld tussen 0,1-500 Hz. Als het flexibele membraan 16 van een luchtkamer 15 naar de daarmee verbonden opening 12 beweegt, neemt het volume van de luchtkamer 15 af. Hierdoor wordt een hoeveelheid lucht uit die opening 12 gedreven. Dit resulteert in een 15 kleine werveling bij de opening 12, die uitmondt aan de zuigzijde 23 of drukzijde 24.

Na het uitpuffen van deze werveling verplaatst het flexibele membraan 16 zich van de opening 12 af. Het flexibele membraan 16 voert immers een trilling uit. Dit betekent dat het volume van de luchtkamer 15 toeneemt, en lucht van buiten het rotorblad wordt aangezogen door de opening 12. Hierdoor wordt de lucht in de 20 luchtkamer 15 aangevuld, zodat de massastroomflux door de opening 12 in hoofdzaak gelijk is aan nul.

Vervolgens brengt de aandrijving het flexibele membraan 16 weer in de richting van de opening 12 ter vorming van een verdere werveling. Door het trillen van het flexibele membraan 16 ontstaat een aaneenschakeling van wervelingen uit de 25 openingen 12. Door interactie van de wervelingen vormt elke aaneenschakeling een “synthetic jet”. De uit de opening 12 gedreven lucht is gevormd door de lucht die de rotorbladen 3,4, 5 omgeeft.

In dit uitvoeringsvoorbeeld heeft elk rotorblad 3,4,5 een als versnellingsopnemer uitgevoerde sensor 27, die is aangebracht aan het tipeind 21 van elk rotorblad 3,4,5.

30 Overigens kan de sensor anders zijn uitgevoerd. Bijvoorbeeld vormt de sensor een drukmeter voor het meten van het drukverschil tussen de zuigzijde 23 en de drukzijde 24 of een snelheidsmeter in de neus van het rotorblad 3,4,5.

10

Elk rotorblad 3,4,5 heeft een regeleenheid 17 voor het regelen van de luchtverplaatsingsmiddelen van de rotorbladen 3,4,5. De regeleenheid 17 van elk rotorblad 3,4,5 kan de luchtverplaatsingsmiddelen daarvan aansturen op basis van een signaal dat die regeleenheid 17 ontvangt van de bijbehorende sensor 27 van dat 5 rotorblad 3,4,5 voor het waarnemen van windsnelheidfluctuaties. De sensor 27 meet lokaal de windsnelheidsfluctuatie, en de regeleenheden 17 van de rotorbladen regelen lokaal op basis daarvan de “synthetic jets”.

De werking van de windturbine 1 is als volgt. De windstroming om de windturbine 1 is turbulent, waardoor de windsnelheid fluctueert. Als een windfluctuatie 10 optreedt, zal de invalshoek α meefluctueren. Bij een positieve windfluctuatie, d.w.z. op een kleine tijdschaal neemt de grootte van de windsnelheid toe, wordt de invalshoek α groter. Volgens de in figuur 3 getoonde CL-a-kromme neemt de liftcoëfficiënt Cl hierdoor sterk toe. Dit zou een grotere klap- en zwaaikracht en daarmee belastingfluctuaties met zich meebrengen. Bij een negatieve windfluctuatie treedt het 15 omgekeerde effect op.

Om deze belastingfluctuaties tegen te werken meten de sensoren 27 de windfluctuaties in de vorm van een tip versnelling van de rotorbladen 3,4,5. De sensoren 27 sturen een overeenkomstig signaal naar de regeleenheden 17 die de luchtverplaatsingsmiddelen bedienen. Bij een waargenomen positieve windfluctuatie 20 worden de luchtverplaatsingsmiddelen die uitmonden aan de zuigzijde 23 van de rotorbladen 3,4,5 aangestuurd. De “synthetic jets” aan de zuigzijde beïnvloeden de stroming om de rotorbladen 3,4,5 zodanig, dat de schijnbare welving van de aërodynamische profielvorm van de rotorbladen 3, 4, 5 afneemt. Doordat de welvingslijn schijnbaar minder welving krijgt, verschuift de in figuur 3 doorgetrokken 25 CL-a-kromme horizontaal naar rechts. Dan is de liftcoëfficiënt Cl bij die door de windfluctuatie toegenomen invalshoek α kleiner geworden.

De toename van de liftkracht als gevolg van een positieve fluctuatie in de windsnelheid kan door toepassing van de “synthetic jets” worden gecompenseerd. De aanpassing van de schijnbare welving van de aërodynamische profielvorm door 30 “synthetic jets” is bovendien relatief snel - hetgeen overeenkomt met een relatief snelle horizontale verschuiving van de CL-a-kromme. De responstijd is voldoende klein om te waarborgen dat zelfs bij rotoren met relatief grote diameter belastingfluctuaties aanzienlijk worden verminderd.

11

De regeleenheid 17 kan de luchtverplaatsingsmiddelen overigens op verschillende manieren aansturen. Bijvoorbeeld zijn de luchtverplaatsingsmiddelen van elk rotorblad 3,4,5 inschakelbaar en uitschakelbaar door de regeleenheid 17. Ook kan de regeleenheid 17 de frequentie van de luchtverplaatsingsmiddelen bepalen, zoals een 5 vaste frequentie of een frequentie die variabel en/of instelbaar door de regeleenheid is.

In dit uitvoeringsvoorbeeld zijn de openingen 12 in spanwijdterichting van elk rotorblad 3,4,5 op afstand van elkaar zijn aangebracht. Zoals getoond in figuur 5 bevinden de openingen 12 zich op gelijke afstanden a van elkaar. De afstand a tussen de openingen is bijvoorbeeld ongeveer 1-10% van de lengte van de koordelijn. De 10 “synthetic jets” uit aangrenzende openingen 12 beïnvloeden elkaar, zodat de schijnbare welving van de rotorbladen 3,4,5 effectief wordt beïnvloed.

De openingen 12 zijn zodanig gericht, dat lucht tijdens het uitpuffen uit de luchtkamer 15 in hoofdzaak dwars op de koordelijn in de stroming om het rotorblad vloeit. Dit is gunstig voor het beïnvloeden van de schijnbare welving van de 15 rotorbladen 3,4,5. De lucht die uit de openingen 12 stroomt kan echter een snelheidscomponent in stromingsrichting en/of spanwij dterichting van het rotorblad 3,4,5 bezitten.

De uitvinding is niet beperkt tot de in de figuren weergegeven uitvoeringsvoorbeelden. Bijvoorbeeld omvat elk rotorblad een of meer luchtkamers die 20 zijn verbonden met telkens een opening of meerdere openingen. Bijvoorbeeld is slechts een langwerpige sleuf voorzien, waarmee een of meer “synthetic jets” kunnen worden gegenereerd. Daarbij is het mogelijk dat elk rotorblad een of meer regeleenheden omvat, die elk zijn gekoppeld aan een of meer luchtkamers. Ook kan het flexibel membraan worden vervangen door elk drijforgaan voor het uitdrijven van lucht of 25 middelen voor het veranderen van het volume van de luchtkamer, zoals een zuiger die beweegbaar is in de luchtkamer. Daarnaast heeft de uitvinding betrekking op elk aërodynamisch object dat roteert in een fluïdum en daarbij belastingfluctuaties ondervindt, zoals een rotorblad van een propellor, helikopter of straalmotor.

Claims

1. Windturbine (1), omvattende een rotor (2) met een aantal rotorbladen (3,4, 5), met het kenmerk, dat ten minste een rotorblad (3,4, 5) van de windturbine (1) is 5 voorzien van ten minste een opening (12), luchtverplaatsingsmiddelen voor het afwisselend door die opening (12) naar buiten en naar binnen dwingen van lucht, een sensor voor het waarnemen van windsnelheidsfluctuaties, en een regeleenheid (17) voor het regelen van de luchtverplaatsingsmiddelen afhankelijk van door de sensor waargenomen windsnelheidsfluctuaties. 10

2. Systeem volgens conclusie 1, waarbij de rotorbladen (3, 4, 5) elk een aërodynamische profïelvorm met een zuigzijde en een drukzijde bezitten.

3. Systeem volgens conclusie 2, waarbij ten minste een opening (12) is aangebracht 15 aan de zuigzijde, en waarbij de regeleenheid (17) is uitgevoerd voor het bedienen van de luchtverplaatsingsmiddelen van de opening aan de zuigzijde als de sensor een positieve snelheidsfluctuatie heeft waargenomen.

4. Systeem volgens conclusie 2 of 3, waarbij ten minste een opening (12) is 20 aangebracht aan de drukzijde, en waarbij de regeleenheid (17) is uitgevoerd voor het bedienen van de luchtverplaatsingsmiddelen van de opening aan de drukzijde als de sensor een negatieve snelheidsfluctuatie heeft waargenomen.

5. Windturbine volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de rotorbladen 25 (3, 4, 5) elk een voorrand (7) en een achterrand (6) bezitten, en waarbij de opening (12) is aangebracht nabij de achterrand (6).

6. Windturbine volgens conclusie 5, waarbij het rotorblad (3, 4, 5) in dwarsdoorsnede een koordelijn heeft, die zich uitstrekt tussen de voorrand (7) en de 30 achterrand (6), waarbij de opening (12) is aangebracht aan de achterrand (6) of op een afstand van de achterrand (6) die kleiner is dan 20% van de lengte van de koordelijn.

7. Windturbine volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de rotorbladen (3, 4, 5) elk een worteleind en een tipeind bezitten, en waarbij elk rotorblad (3, 4, 5) een spanwijdte heeft, die is bepaald door de afstand tussen het worteleind en het tipeind. 5

8. Windturbine volgens 7, waarbij de opening (12) is aangebracht op een afstand vanaf het worteleind, die groter is dan 50% van de spanwijdte, bij voorkeur tussen 60-90% van de spanwijdte ligt.

9. Windturbine volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de sensor een versnellingsopnemer omvat.

10. Windturbine volgens conclusie 9, waarbij de sensor is aangebracht op een afstand vanaf het worteleind die groter is dan 80% of 90% van de spanwijdte. 15

11. Windturbine volgens een van de conclusies 2-10, waarbij de sensor een drukmeter omvat, die is uitgevoerd voor het meten van het drukverschil tussen de zuigzijde en de drukzijde.

12. Windturbine volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de sensor een windsnelheidsmeter omvat.

13. Windturbine volgens conclusie 11 of 12, waarbij de sensor is aangebracht op een afstand vanaf het worteleind die kleiner is dan 20% van de spanwijdte. 25

14. Windturbine volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de luchtverplaatsingsmiddelen zijn uitgevoerd voor het afwisselend door de openingen (12) naar buiten en naar binnen dwingen van lucht met een frequentie van 0,1-500 Hz, zoals 0,1-100 Hz. 30

15. Windturbine volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij elk rotorblad (3, 4, 5) een azimuthoek heeft die is bepaald door de hoek vanaf de omhoog gerichte verticaal tot dat rotorblad (3, 4, 5) in rotatierichting beschouwd, en waarbij een hoeksensor is voorzien voor het waarnemen van de azimuthoek, en de regeleenheid (17) is uitgevoerd voor het aanschakelen van de luchtverplaatsingsmiddelen bij een azimuthoek tussen 135-245° en het uitschakelen van de luchtverplaatsingsmiddelen bij een azimuthoek daarbuiten. 5

16. Windturbine volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de luchtverplaatsingsmiddelen zijn voorzien van ten minste een luchtkamer (15), die is aangebracht binnen het rotorblad (3,4, 5) en verbonden met de opening (12), en waarbij de luchtkamer (15) is voorzien van middelen voor het veranderen van het 10 volume van de luchtkamer (15) voor het naar buiten en naar binnen dwingen van lucht door de daarmee verbonden opening (12).

17. Windturbine volgens conclusie 16, waarbij de middelen voor het veranderen van het volume van de luchtkamer (15) een flexibel membraan (16) omvatten. 15

18. Windturbine volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij meerdere rotorbladen (3, 4, 5) elk zijn voorzien van telkens ten minste een opening (12), luchtverplaatsingsmiddelen voor het afwisselend door die opening (12) naar buiten en naar binnen dwingen van lucht, een sensor voor het waarnemen van 20 windsnelheidsfluctuaties, en een regeleenheid (17) voor het regelen van de luchtverplaatsingsmiddelen afhankelijk van door de sensor waargenomen windsnelheidsfluctuaties.

19. Rotor met een aantal rotorbladen (3,4, 5), met het kenmerk, ten minste een 25 rotorblad (3, 4, 5) is voorzien van ten minste een opening (12), luchtverplaatsingsmiddelen voor het afwisselend door die openingen (12) naar buiten en naar binnen dwingen van lucht, een sensor voor het waarnemen van windsnelheidsfluctuaties, en een regeleenheid (17) voor het regelen van de luchtverplaatsingsmiddelen afhankelijk van door de sensor waargenomen 30 windsnelheidsfluctuaties.

20. Rotorblad, met het kenmerk, dat het rotorblad (3, 4, 5) is voorzien van ten minste een opening (12), luchtverplaatsingsmiddelen voor het afwisselend door die openingen (12) naar buiten en naar binnen dwingen van lucht, een sensor voor het waarnemen van windsnelheidsfluctuaties, en een regeleenheid (17) voor het regelen van de luchtverplaatsingsmiddelen afhankelijk van door de sensor waargenomen windsnelheidsfluctuaties. 5

21. Werkwijze voor het bedienen van een windturbine die is voorzien van een rotor (2) met een aantal rotorbladen (3,4, 5), waarvan ten minste een rotorblad (3, 4, 5) is voorzien van ten minste een opening (12), luchtverplaatsingsmiddelen voor het afwisselend door die opening (12) naar buiten en naar binnen dwingen van lucht, een 10 sensor (27) voor het waarnemen van windsnelheidsfluctuaties, en een regeleenheid (17) voor het regelen van de luchtverplaatsingsmiddelen afhankelijk van door de sensor waargenomen windsnelheidsfluctuaties, welke werkwijze omvat: - het waarnemen van een windsnelheidsfluctuatie door de sensor (27), - het overdragen van een signaal van de sensor (27) aan de regeleenheid (17), 15 welk signaal overeenkomt met de door de sensor (27) waargenomen windsnelheidsfluctuatie, - het regelen van de luchtverplaatsingsmiddelen door de regeleenheid (17) afhankelijk van het signaal van de sensor (27).

22. Werkwijze volgens conclusie 21, waarbij de rotorbladen (3,4, 5) elk een aërodynamische profïelvorm met een zuigzijde en een drukzijde bezitten, en waarbij ten minste een opening (12) is aangebracht aan de zuigzijde, en waarbij de regeleenheid (17) de luchtverplaatsingsmiddelen van de opening aan de zuigzijde bedient als de sensor een positieve snelheidsfluctuatie heeft waargenomen. 25

23. Werkwijze volgens conclusie 21 of 22, waarbij de rotorbladen (3,4, 5) elk een aërodynamische profïelvorm met een zuigzijde en een drukzijde bezitten, en waarbij ten minste een opening (12) is aangebracht aan de drukzijde, en waarbij de regeleenheid (17) de luchtverplaatsingsmiddelen van de opening aan de drukzijde 30 bedient als de sensor een negatieve snelheidsfluctuatie heeft waargenomen.