WO2006029593A1 - Windenergieanlage mit elastisch biegsamen rotorblättern - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a wind energy plant with a tower, a gondola rotatably mounted on the tower about its axis and a rotatably mounted in the nacelle, leeward rotating rotor with at least one rotor blade.
  • Wind energy technology has developed very dynamically in recent decades, although this only applies to medium to very large plants for grid parallel operation.
  • the use of wind energy to supply the 2 billion people without access to electricity could play an important role.
  • the invention has for its object to provide a wind turbine of the type ge called, in which the loads on the entire structure of the wind energy plant is limited by the wind pressure in extreme wind conditions.
  • this object is achieved by the formation of at least ei ⁇ NEN rotor blade with a flexural rigidity of the blade profile in the direction of impact, which allows the elastic deflection of the rotor blade by more than half of its extended length.
  • the flexural rigidity of the rotor blade allows its deflection to be more than two-thirds of its length.
  • the projected wind attack surface is considerably reduced by this strong deflection, and on the other hand, the resistance coefficient is significantly reduced outwardly due to the strong curvature of the blades that accompanies the deflection. Both of these effects can reduce the wind thrust on the entire system to half in extreme wind conditions, compared to systems that use stiff blades. This saves material used for the load-transmitting Kom ⁇ components such as rotor shaft, machine housing, vertical storage, tower, bracing and foundation and thus significantly reduces the manufacturing cost of the system.
  • the large deflection is made possible by the use of thin aerodynamic profiles in conjunction with the use of high-strength materials with a simultaneously low modulus of elasticity. This leads to the fact that even with the large deflections the permissible material expansions and stresses are not exceeded.
  • the preferably used relative profile thickness ie the ratio of absolute profile thickness to absolute profile depth, is between 0.05 and 0.15.
  • a preferred embodiment is characterized in that the profile thickness and the tread depth over the entire length of the blade are the same. This embodiment allows the at least one rotor blade to be an extruded fiber composite profile. If a fiberglass composite (GFRP) is used as the fiber composite material, the requirement for high strength and at the same time a relatively low modulus of elasticity is met.
  • GFRP fiberglass composite
  • FIG. 1 shows a side view of the wind power plant according to the invention with non-bent rotor blades, indicated by the arrow wind direction, and
  • Fig. 2 is a representation corresponding figure 1 with braked system in bent by extreme wind rotor blades
  • Fig. 3 shows the profile contour of an extruded rotor blade with (in the drawing) coming from below wind, as well as the direction of impact S, and
  • FIG. 4 shows the deflection of a rotor blade at different wind speeds in relation to blade length B and deflection D.
  • Fig. 1 shows the wind turbine with tower 10 and the Turmabhard 12.
  • the nacelle 14 On the tower 10, the nacelle 14 is arranged rotatably about its axis.
  • the rotor 16 is mounted in the nacelle 14 and rotates on the leeward side, ie on the side of the tower 10 facing away from the wind.
  • the leaves are not or only slightly bent.
  • the blades are attached to the hub with a cone angle, ie a tilted arrangement in the wind direction, so that the centrifugal forces and the wind thrust forces are adjusted during operation of the system in such a way that no bending elements arise approximately at the blade root.
  • the system At wind speeds above the Abschalt ⁇ wind speed, the system is slowed down and brought to a standstill.
  • Fig. 2 shows the system in the braked state at extreme wind speed.
  • the wind boosts the leaves by more than two-thirds of their stretched length flexed. Due to this strong deflection, the wind load is significantly reduced because the wind attack surface is reduced. Furthermore, the resistance coefficient of the profile is reduced due to the strong inclination of the blade with respect to the flow direction.
  • Fig. 3 shows a thin aerodynamic profile with a relative profile thickness of about 8%. This means that the measure of the largest profile thickness 20 in relation to the tread depth 22 is 0.08. As a result, the profile cross-section has a low rigidity in the direction of impact, and the wind load can greatly bend the blade in the direction of impact.
  • the bending stiffness is chosen so that it allows an elastic deflection of the leaves of 70% of the stretched blade length at a wind speed of 70 m / s.

Abstract

Windenergieanlage mit Turm (10), einer auf dem Turm (10) um dessen Achse drehbar angeordneten Gondel (14) und einem von der Gondel (14) getragenen, leeseitig laufen­den Rotor (16) mit wenigstens einem Rotorblatt (18), wobei eine Biegesteifigkeit des wenigstens eines Rotorblattes (18), dessen elastische Durchbiegung um mehr als die Hälfte seiner gestreckten Länge erlaubt.

Description

Windenergieanlage mit elastisch biegsamen Rotorblättern
Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage mit einem Turm, einer auf dem Turm um dessen Achse drehbar angeordneten Gondel und einem in der Gondel drehbar gela¬ gerten, leeseitig zum Turm drehenden Rotor mit wenigstens einem Rotorblatt.
Die Windenergietechnolgie hat sich in den letzten Jahrzehnten sehr dynamisch ent- wickelt, wobei sich dieses nur auf mittlere bis sehr große Anlagen für den Netz- paralellbetrieb bezieht. Die Entwicklung von kleinen Anlagensystemen im Kilowatt¬ bereich ist hingegen in den letzten zwanzig Jahren nicht weiter voran gekommen. Da¬ durch sind diese Anlagen weiterhin sehr teuer und finden daher nicht den Marktzugang. Dabei könnte die Windenergienutzung zur Versorgung der 2 Milliarden Menschen ohne Zugang zu Elektrizität ein wichtige Rolle spielen. Für diese Anwendung besteht ein großer Bedarf an Anlagen in der Leistungsklasse 1 kW bis 10 kW, der aber nur er¬ schlossen werden kann, wenn die Anlagen extrem robust, kostengünstig sowie einfach aufzustellen sind und weitestgehend wartungsfrei arbeiten.
Bestehende Kleinanlagen können diese Anforderungen allerdings nicht erfüllen, da sie zu teuer und/oder zu störanfällig sind. Ein besonderes Problem besteht darin, dass die Anlagen so konstruiert sein müssen, dass sie auch bei extrem starken Winden (Taifun, Hurrikan) dem Winddruck standhalten. Die Auslegungswindgeschwindigkeiten betra¬ gen dabei bis zu 70 m/s. Bei diesen Windgeschwindigkeiten ist die Anlage abgebremst und befindet sich im Stillstand.
Um dieses zu erreichen sind Lösungen bekannt bei denen die Rotorblätter um ihre Längsachse verdrehen werden, um dadurch den Schub zu vermindern. Bei anderen An¬ lagentypen wird die ganze Gondel mit Hilfe einer Windfahne aus dem Wind gedreht oder durch eine Schwenkeinrichtung der gesamte Rotor in den Helikoptermode ge¬ bracht. All diesen Lösungen ist gemeinsam, dass sie teuer sowie auch störanfällig sind und sich daher nicht für eine größere Verbreitung eignen. Gleiches gilt für Anlagen, die mit sehr steifen Blättern die hohen Extremlasten übernehmen müssen und auf die ge¬ samte Anlage bis in das Fundament übertragen.
Aus der DE 298 80 145 Ul ist eine Windenergieanlage mit einem elastisch biegsamen Rotorblatt bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Windenergieanlage der eingangs ge¬ nannten Art zu schaffen, bei der die Belastungen auf die gesamte Struktur der Wind- energieanlage durch den Winddruck bei Extremwindbedingungen begrenzt ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Ausbildung des wenigstens ei¬ nen Rotorblattes mit einer Biegesteifigkeit des Blattprofils in Schlagrichtung, die die elastische Durchbiegung des Rotorblattes um mehr als die Hälfte seiner gestreckten Länge erlaubt. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung erlaubt die Biegesteifigkeit des Ro¬ torblattes, dessen Durchbiegung um mehr als zwei Drittel seiner Länge.
Besonders vorteilhaft ist dabei eine feste Anbindung des Rotorblattes an die Nabe ohne Verstellbarkeit über Lager oder Gelenke, so dass die Störanfälligkeit minimiert ist.
Durch diese starke Durchbiegung vermindert sich zum einen die projizierte Wind¬ angriffsfläche erheblich und zum zweiten wird der Widerstandsbeiwert aufgrund der mit der Durchbiegung einhergehenden starken Krümmung der Blätter nach außen deut¬ lich verkleinert. Diese beiden Effekte können bei Extremwindbedingungen den Wind- schub auf die gesamte Anlage, im Vergleich mit Anlagen die steife Blätter verwenden, auf die Hälfte reduzieren. Dieses spart Materialeinsatz für die lastübertragenden Kom¬ ponenten wie Rotorwelle, Maschinengehäuse, Vertikallagerung, Turm, Abspannung sowie Fundament und vermindert damit die Herstellungskosten der Anlage erheblich.
Ermöglicht wird die große Durchbiegung durch die Verwendung von dünnen aerody¬ namischen Profilen in Verbindung mit dem Einsatz von hochfesten Materialien bei gleichzeitig geringem Elastizitätsmodul. Dieses führt dazu, dass auch bei den großen Durchbiegungen die zulässigen Materialdehnungen und -Spannungen nicht überschrit¬ ten werden. Die vorzugsweise verwendete relative Profildicke, also das Verhältnis von absoluter Profildicke zu absoluter Profiltiefe, ist dabei zwischen 0,05 und 0,15. Ferner zeichnet sich eine bevorzugte Ausgestaltung dadurch aus, dass die Profildicke und die Profiltiefe über die gesamte Blattlänge gleichbleibend sind. Diese Ausgestal¬ tung erlaubt es, dass das wenigstens eine Rotorblatt ein stranggezogenes Faserverbund- Profil ist. Wenn als Faserverbundwerkstoff ein GFK (Glasfaserverbundkunststoff) zum Einsatz kommt, wird die Forderung nach hoher Festigkeit bei gleichzeitig relativ gerin¬ gem Elastizitätsmodul erfüllt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von vier Zeichnungen erläutert. Dabei zeigt:
Fig.1 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Windenergieanlage mit nicht- durchgebogenen Rotorblättern, mit durch Pfeil angedeuteter Windrichtung, und
Fig. 2 eine Fig.1 entsprechende Darstellung mit gebremster Anlage bei von Extremwind durchgebogenen Rotorblättern, und
Fig. 3 die Profilkontur eines stranggezogenen Rotorblattes mit (in der Zeichnung) von unten kommendem Wind, sowie angedeuteter Schlagrichtung S, und
Fig. 4 die Durchbiegung eines Rotorblattes dargestellt bei verschiedenen Windge¬ schwindigkeiten in Relation von Blattlänge B und Durchbiegung D.
Fig. 1 zeigt die Windenergieanlage mit Turm 10 und der Turmabspannung 12. Auf dem Turm 10 ist um dessen Achse drehbar die Gondel 14 angeordnet. In der Gondel 14 ist der Rotor 16 gelagert, der leeseitig, also auf der dem Wind abgewandten Seite des Tur¬ mes 10 dreht. Während des Stillstands des Rotors bei wenig Wind, aber auch im Betrieb der Anlage, sind die Blätter gar nicht oder nur wenig durchgebogen. Die Blätter sind mit einem Konuswinkel, also einer gekippten Anordnung in Windrichtung an der Nabe angebracht, so dass sich im Betrieb der Anlage die Zentrifugalkräfte und die Wind¬ schubkräfte derart einstellen, dass näherungsweise an der Blattwurzel keine Biegemo¬ mente entstehen. Bei Windgeschwindigkeiten oberhalb der Abschalt¬ windgeschwindigkeit wird die Anlage abgebremst und in den Stillstand gebracht.
Fig. 2 zeigt die Anlage im gebremsten Zustand bei Extremwindgeschwindigkeit. Durch den Windschub werden die Blätter um mehr als zwei Drittel ihrer gestreckten Länge durchgebogen. Durch diese starke Durchbiegung wird die Windlast deutlich reduziert, da die Windangriffsfläche verkleinert wird. Ferner wird der Widerstandbeiwert des Pro¬ fils aufgrund der starken Neigung des Blattes gegenüber der Strömungsrichtung ver¬ mindert.
Fig. 3 zeigt ein dünnes aerodynamisches Profil mit einer relativen Profildicke von ca. 8 %. Das heißt, dass Maß der größten Profildicke 20 im Verhältnis zur Profiltiefe 22 be¬ trägt 0,08. Dies führt dazu, dass der Profilquerschnitt eine geringe Steifigkeit in Schlag¬ richtung aufweist und die Windbelastung das Blatt in Schlagrichtung stark durchbiegen kann.
Fig. 4 zeigt die Durchbiegung des flexiblen Rotorblattes in Abhängigkeit von der herr¬ schenden Windgeschwindigkeit. Dabei ist die Biegesteifigkeit derart gewählt, dass sie bei einer Windgeschwindigkeit von 70 m/s eine elastische Durchbiegung der Blätter von 70 % der gestreckten Blattlänge erlaubt.

Claims

Patentansprüche
1. Windenergieanlage mit Turm (10), eine auf dem Turm (10) um dessen Achse drehbar angeordneten Gondel (14) und einem von der Gondel (14) getragenen, leeseitig laufenden Rotor (16) mit wenigstens einem Rotorblatt (18), gekennzeichnet durch eine Biegesteifigkeit des wenigstens eines Rotorblattes (18), die dessen elastische Durchbie¬ gung um mehr als die Hälfte seiner gestreckten Länge erlaubt.
2. Windenergieanlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Biegesteifigkeit des Rotorblatts, die dessen Durchbiegung um mehr als Zweidrittel seiner gestreckten Länge erlaubt.
3. Windenergieanlage nach Anspruchl oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorblatt nicht verstellbar mit der Nabe verbunden ist.
4. Windenergieanlage nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass Profildik- ke (20) und Profiltiefe (22) über die Blattlänge gleichbleibend sind.
5. Windenergieanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Profildicke 5 bis 15 % beträgt.
6. Windenergieanlage nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Rotorblatt ein stranggezogenes Faserverbundprofil ist.
7. Windenergieanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Rotorblatt aus einem stranggezogenen Profil in glasfaserverstärktem Kunststoff be¬ steht.
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