NO342217B1 - Rotorblad for et vindkraftanlegg - Google Patents

Abstract

Oppfinnelsen angår et rotorblad for en vindturbin og en vindturbin omfattende en rotor med et rotorblad av denne type. Målet med oppfinnelsen er å hindre de beskrevne ulemper og garantere en forbedret totalytelse. For å oppnå dette tilveiebringer oppfinnelsen et rotorblad med et luftmotstandsforhold, især i det sentrale området eller hovedplateområdet av rotoren, med en verdi som overskrider 80 % og fortrinnsvis 90 % av den maksimale verdi av forholdet i området 2' av den optimale stigning av rotoren.

Description

Oppfinnelsen angår et rotorblad for en vindkraftinstallasjon og en vindkraftinstallasjon som omfatter en rotor som har slike rotorblader.

Ytelsen til en vindkraftinstallasjon og især effektiviteten bestemmes i ikkebetydelig grad av rotorblader eller rotorbladutformingen. Rotorbladene blir beskrevet av et stort antall parametere hvor det især henvises til boken av Erich Hau, Windkraftanlagen, 3. utgave 2002, og især sidene 90 osv. Innholdet av denne boken danner også samtidig grunnlaget for nærværende søknad og utgjorde også innholdet av anvendelsen så langt det er nødvendig for nærværende søknad.

Som nevnt blir driftseffektiviteten og også reguleringsytelsen av vindkraftinstallasjoner regulert i ikke ubetydelig grad av de aerodynamiske egenskaper av rotorbladprofilene som brukes. En viktig parameter for en rotorbladprofil er kjennetegnet ved forholdet mellom løftekoeffisienten caog luftmotstandskoeffisienten cw:

hvor E kalles løfteluftmotstandsforholdet.

I tillegg er en viktig parameter for rotorbladet høyhastighetsfaktoren λ hvor høy hastighetsfaktoren defineres av kvotienten av periferihastigheten (u) av spissen av rotorbladet og vindhastigheten v.

Fig. 1 viser de kjente tilstrømningsforhold og luftkreftene ved et bladelementprofiltverrsnitt.

Hvis profilene av kjente rotorblader blir undersøkt, kan det fastslås bestemte forhold mellom løfteluftmotstandsforholdet og stigningsvinkelen. Især er det funnet at løfteluftmotstandsforholdet for en stor del er avhengig av den respektive stigningsvinkel og typisk oppnås et høyt løfteluftmotstandsforhold bare ved et ganske begrenset stigningsvinkelområde. Således kan for eksempel et høyt løfteluftstrømforhold oppnås hvis stigningsvinkelen (av et rotorblad) er i området 6 º og samtidig vil imidlertid løfteluftmotstandsforholdet falle sterkt slik at stigningsvinkelen stiger litt over eller under området 6 º.

Dersom verdien forlater området for optimalt løftemotstandsforhold, dvs. at stigningsvinkelen er markert forskjellig i forhold til den optimale stigningsvinkel på f.eks. 6 º, vil det lett ses at den totale effektivitet av installasjonen blir mindre med den følge at vindkraftinstallasjonen vil ha en tendens enten til å sette stigningsvinkelen til de optimale verdier igjen, f.eks. ved en stigningskontroll og/eller sette hele rotoren til vinden i det optimale forhold ved orienteringen av poden.

Størrelsen av rotorene av vindkraftinstallasjoner har stadig økt i de senere år og sveipet rotorarealer på 10 000 m<2>er ikke lenger bare teori, men har blitt for eksempel i tilfellet med vindkraftinstallasjoner av typen E112 fra Enercon. Dette innebærer en vindkraftinstallasjon med rotordiameter på omkring 112 m.

Det er nå praktisk talt umulig å oppnå optimalt løfteluftmotstandsforhold på alle områdene av rotorbladet siden det ikke lenger er mulig med det svært store sveipingsområdet for å sikre at vinden alltid strømmer mot rotorbladet for samme retning og alltid i samme hastighet.

Følgen av dette er at rotorbladet i enkelte områder eller blader som får operere på en relativt optimal måte, men på andre områder snarere opererer på en ikke-optimal måte på grunn av den forskjellige tilstrømningsprofil i det sveipede rotorareal. Dette kommer direkte fra den svært nøye avhengighet mellom løfteluftmotstandsforholdet på tilstrømningsvinkelen og konsekvensen av dette er at lastene på rotorbladet kan variere på en ekstrem måte på grunn av at løftet (ca) av rotorbladet også er omtrent proporsjonalt med løfteluftmotstandsforholdet.

Som en måte for ovennevnte å forbedre problemet på og unngå ulempene, vil det følgelig fremgå at det er alltid er mulig å finne en optimal innstilling med passende stigningskontroll av rotorbladene eller hoveddreiningen av hele rotoren. Det vil lett fremgå for en fagmann at det imidlertid med dette konseptet må rotorbladene i praksis konstant sette etter vinden (dvs. at de må stigningsjusteres) og/eller at asimutdrevene også konstant må orientere rotoren uten at situasjonen vesentlig forbedres.

I publikasjonen av Robert Gasch: "Windkraftanlagen" 1996, TEUBNER, STUTTGART, XP 002329739 (side 126-side 129; fig 5.10), beskrives grunnleggende fluidtekniske sammenhenger av rotorblad på en vindturbin.

Det er et formål med oppfinnelsen å unngå ovennevnte ulemper og tilveiebringe en bedre total ytelse.

Oppfinnelsen oppnår formålet ved hjelp av en rotorbladkonstruksjon, dvs et rotorblad for en vindkraftinstallasjon, med trekkene beskrevet i krav 1 og en vindkraftinstallasjon som angitt i krav 2. Fordelaktige utviklinger er beskrevet i de vedlagte krav. En av de viktigste egenskapene ved rotorbladkonstruksjonen ifølge oppfinnelsen, er at løfteluftmotstandsforholdet holder seg vesentlig høyt over et stort stigningsvinkelområde, men i denne henseende holder den høyeste verdi av løfteluftmotstandsforholdet nå seg bak det optimale tidligere løfteluftmotstandsforholdet ifølge tidligere teknikk. Med andre ord er løfteluftmotstandsforholdet av rotorbladet ifølge oppfinnelsen med optimal innstilling av stigningsvinkelen maksimalt lavere enn tidligere, men samtidig vil en avvikelse fra den optimale innstilling ikke umiddelbart føre til en vesentlig reduksjon i løfteluftmotstandsforholdet og løftekoeffisienten og således tap av løft, men avvikelser som faller innenfor området av for eksempel ± 0,5-3 º fra den optimale innstillingsvinkel hvilket fører til vesentlig reduksjon i løfteluftmotstandsforholdet og således blir reduksjonen i løft med forbedret totalbladeffektivitet, forbedret. Dette gir også en markert bedre fordeling av last og en markert lavere variasjon i last (ΔL/dt). Som det fremgår av figur 2 er ”sadelen” av løfteluftmotstandsforholdets kurve av rotorbladet ifølge oppfinnelsen i stigningsvinkelen mellom 4-8 º, markert bredere enn for et kjent rotorblad.

Den krevde konfigurasjon av rotorbladet finnes især i den sentrale tredjedel avr rotorbladet, dvs. i det såkalte området av hoveddelen av rotorbladet. Det vil området som er mellom rotorbladets festeområde eller rotorbladets rotområde på den ene side og spissområdet, siden ytre ende av rotorbladet.

Fig. 2 viser variasjonen i løftekoeffisienten eller løfteluftmotstandsforholdet på den ene side i forhold til stigningsvinkelen. Især viser kurveskjemaene i forhold til stigningsvinkelen at når det gjelder et standard rotorblad, vil løfteluftmotstandsforholdet nå sitt absolutte maksimum som er ved omtrent 170 i området av stigningsvinkelen på 6 º. Løfteluftmotstandsforholdet faller allerede bratt ved en avvikelse fra stigningsvinkelen på 6 º med en 1 º dvs. enten 7 º eller 5 º og især mot høyere stigningsvinkler blir løfteluftmotstandsforholdet halvert når stigningsvinkelen får en verdi på omtrent 9 º. Mot de nedre stigningsvinkler vil det også være et skarpt fall som imidlertid ikke helt er så bratt som når stigningsvinkelen skiller seg fra høyere stigningsvinkler.

Variasjonen i løfteluftmotstandsforholdet med et rotorblad ifølge oppfinnelsen kan også sees på diagrammet. Maksimum er enda en gang fremtredende i området av stigningsvinkelen på omtrent 6 º og maksimum er under maksimum for løfteluftmotstandsforholdet i tilfelle et standard rotorblad. Det skal imidlertid bemerkes at ”sadelen” av optimum nå er markert bredere som vist av de gjennomskjærende kurver og når for eksempel stigningsvinkelen er i området 4-8 º, dvs. ± 2 º fra den optimale stigningsvinkel på 6 º er løfteluftmotstandsforholdet redusert bare med 10 º fra sin optimale verdi. I området 4,5 º -4 º på den ene side og i området omtrent 7 º til 16 º, ved løfteluftmotstandsforholdet alltid over løfteluftmotstandsforholdskurven for et kjent rotorblad.

Det vil også fremgå at konfigurasjonen av rotorbladet ifølge oppfinnelsen totalt forbedrer løftekoeffisienten av hele rotorbladet som følges av en økning i effektiviteten på omtrent 15 % av rotorbladet.

Især er lastvariasjonene også ikke lenger så store som hittil og med en svært liten endring av stigningsvinkelen vil det ikke være behov for å samtidig utføre tilsvarende tiltak for å omstille stigningsvinkelen til den ønskede, optimale verdi, som i eksempelet er 6 º.

Fig. 3 viser forskjellige riss av en spiss av et rotorblad, dvs. et rotorblads endedel. Fig. 3a viser et perspektivriss av en rotorbladspiss, fig. 3b viser et sideriss og fig. 3c viser et planriss.

Rotorbladspissen kalles også en kantbue. Det vil fremgå av fig. 3a at kantbuen er vist med tre profildeler og den gjengede akse.

De tre forskjellige illustrasjoner gjør det mulig å vise rotasjonen av profilen av kantbuen rundt gjengeaksen. I denne henseende er det vist en rotasjon som er større enn antallet grader angitt i beskrivelsen av illustrasjonsårsaker for å vise en tegning som kan forstås i alle henseende til en viss grad.

Det skal især fremheves en gang at konfigurasjonen ifølge oppfinnelsen av rotorbladet især angår den midtre del, det vil si den såkalte hovedbord, dvs. området som er mellom rotorbladets rotområde og spissområdet. Hovedbordet kan også beskrives generelt som den ”sentrale tredje del” av et rotorblad i hvilken henseende de spesifikke dimensjoner over hovedbordet kan skille seg derfra og hovedbordet kan for eksempel også oppta omtrent opp til 60 % av rotorbladets lengde.

I tillegg eller uavhengig av ovennevnte konfigurasjon av rotorbladet, kan en ytterligere forbedring også oppnås (se fig. 3a-3c hvis rotorbladspissen, dvs. spissendedelen blir dreid i et gitt område rundt den gjengede akse, f.eks. gjennom omtrent 4-8 º, fortrinnsvis omtrent 5 º rundt den gjengede akse (vriding). Vridningen blir da i en såkalt nøytral tilstrømningsvinkel, dvs. at selve spissen ikke gir noe videre til løftet. En typisk konfigurasjon av en spiss eller en tilsvarendespissende konstruksjon er kjent fra ovennevnte bok av Erich Hau, side 126 (fig. 535).

Ifølge generell teori blir dimensjoneringslastene av rotorblad beregnet som produktet av kvadratet av vindhastigheten, rotorbladarealet og løftekoeffisienten. Uttrykk som en formel blir dimensjonslasten = v2x A x cA, hvor rotorarealet A brukes for å benevne området som rotoren dekker (sveiper).

I teorien er dette ganske grovt og vil ikke alltid svare til realiteten. Den største last et rotorblad gjør, virker ikke derpå ved normal bruk, men når et såkalt 50-års vindstøt ”fanger” rotorbladet fra siden. I dette tilfellet virker vindstøtet på nøyaktig hele rotorbladets overflate. I denne henseende vil det fremgå at løftekoeffisienten caikke spiller noen rolle idet snarere motstandskoeffisientens cwvil bli overveid her. Motstandskoeffisienten er ikke alltid konstant for en mer eller mindre flat rotorbladoverflate, for hvis vinden slår mot et blad vil den nøyaktig slå mot en plate. Denne situasjon som nemlig er en full sideveis tilstrømning er en værste-tilfelle-situasjon hvor den største last som rotorbladet må dimensjoneres for, dvs. en dimensjoneringslast, vil oppstå.

Det vil fremgå fra det foregående at med en konstant motstandskoeffisient er det ganske enkelt arealet av rotorbladet som er viktig. Det vil også si at årsaken til den slankest mulige konfigurasjon av rotorbladet.

Det er imidlertid kjent at kraftkapasiteten fra en vindkraftinstallasjon avhenger helt av lengden av rotorbladene. Følgelig foretrekkes derfor lange, slange blader i forhold til brede og korte blader. Det skal imidlertid fremheves at det ikke må sees bort fra at dette ikke gjelder bladets innerregion (hovedbordet) hvor situasjonen er fundamental forskjellig.

Endelig er den relative hastighet av rotorbladet i forhold til luftstrømmen rundt i området av bladroten lavest og styrer kontinuerlig mot bladspissen. Derfor er rotorbladformen beskrevet her med det smalere ytre området og det optimaliserte løfteluftmotstandsforhold især en fordelaktig løsning.