WO2009140949A1 - Rotorblatt mit darin integriertem radarabsorber für eine windkraftanlage - Google Patents

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Andreas Frye
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    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the invention relates to a rotor blade made of fiber-reinforced plastic for a wind turbine.
  • a passive radar absorber integrated into the surface.
  • a moving object is generated for air traffic control radar systems, which require the direction and the distance of a flying object as a 2-D radar system for display.
  • the rotor blades as moving objects are characterized by a sufficiently strong reflection with Doppler components.
  • additional moving targets for the radar are generated, which hinder or distort the representation of a lane of an actual flying object.
  • the object of the present invention is to ensure through the specific use of a radar absorber that the radar system recognizes the wind turbine as such and can distinguish it from an actual flying object.
  • the passive radar absorber which is embedded in the fiber-reinforced plastic material of the rotor blade, comprises the following elements:
  • a layer near the surface in particular formed from a fleece, fabric, knitted fabric or a film. It has a defined electrical
  • the surface-distant layer can also be used as
  • Nonwoven fabric, woven, knitted or foil be formed.
  • the surface-distant layer is a technically conductive layer with a defined electrical surface resistance of a maximum of 50 ohms / square.
  • the integrated radar absorber is selective to one or more discrete, i. limited areas of the rotor blade separate, without covering the entire surface of the rotor blade.
  • area regions on the rotor blade edges are preferred, wherein the absorber can also be limited exclusively to surface regions on the rotor blade edges.
  • a portion of the rotor blade edges is located in at least one of the discrete surface areas where the radar absorber is present.
  • a portion of the rotor blade edges is located in all discrete surface areas where the radar absorber is present.
  • This absorber construction according to the invention ensures monostatic reflection reduction in a limited angle of incidence range. Since the radar absorber does not have to cover all reflection-relevant surface areas, there are advantages in terms of material consumption and weight.
  • a defined time-dependent reflection intensity is generated during a rotation of the rotor whose characteristic makes it possible for the signal processing of a radar system to identify and filter out this object as a wind turbine. The tracking or tracking of an actual flying object is not affected.
  • the starting materials generally used for these materials can be used (resin or polymer matrix, carbon, glass or aramid fibers).
  • the near-surface layer of the radar absorber may advantageously have a preferred direction in the surface, which causes a direction-dependent surface conductivity. This can be achieved, for example, by differences in the fiber compaction or in the fiber diameter.
  • 1a shows the representation of the temporal dependence of the radar cross section of a wind turbine without inventive radar absorber.
  • FIG. 1b shows the representation of the dynamic radar cross section of a wind power plant without a radar absorber according to the invention detected by a radar with a circulation time of 4.2 seconds;
  • FIG. 2a shows the representation of the temporal dependence of the radar cross section of a wind turbine with inventive radar absorber.
  • FIG. 2b shows the representation of the dynamic radar cross section of a wind power plant with radar absorber according to the invention detected by a radar with a circulation time of 4.2 seconds;
  • Fig. 3a structure of a radar absorber according to the invention, integrated in the rotor blade of the wind turbine;
  • FIG. 3b shows the frequency response of the reflection reduction (in dB) of the radar absorber according to the invention according to FIG. 3a.
  • FIGS. 1a and 1b relate to a rotor without a radar absorber according to the invention.
  • Fig. 1a shows the time dependence with which over a period of 10 seconds (in continuous lighting) a wind turbine is detected by a radar.
  • Fig. 1b shows a representation of the dynamic detected by the radar
  • the radar has a cycle time of 4.2 seconds, i. the radar detects the wind turbine only in successive times with a time interval corresponding to its orbital period. Accordingly, it can be seen from Fig. 1b pronounced radar reflections at a distance of about 4.2 seconds. Taking a value of 200 units on the vertical axis as a threshold value, the radar reflex of the wind turbine falls within 60 seconds in the measurement shown only 2 times (at about 17s and 38s). However, tracking and tracking of the target by the radar is not affected by such single radar echo failures. The wind turbine is thus interpreted by the radar as a moving target.
  • Figures 2a and 2b show the corresponding graphs for a wind turbine with rotor blades according to the invention, i. with integrated radar absorber.
  • a comparison of Fig. 2a with Fig. 1a shows that
  • the radar absorber thus not only provides a reflection attenuation with respect to the maximum strength of the detected signal, but also reduces the width of the maxima significantly.
  • Fig. 2b the absolute values of the radar reflections in Fig. 2b are generally reduced compared to Fig. 1b; b) in Fig. 2b, the number of radar reflections above 200 units on the vertical axis is less (on average, more than each falls) second radar reflex of the wind turbine).
  • 3a shows a cross-sectional view of an embodiment of the passive radar absorber according to the invention, which is integrated in the rotor blade.
  • the surface of the passive radar absorber according to the invention is integrated in the rotor blade.
  • Rotor blade is on the left side. All elements of the absorber are embedded in and surrounded by the fiber-reinforced plastic material of the rotor blade.
  • the near-surface layer VS e.g., a non-woven, woven, knitted or foil
  • the surface-smooth layer ES electrically conductive base area of the absorber
  • FIG. 3b shows the frequency response of the associated reflection coefficient for this absorber. As you can see, the absorber in this version is optimized for the frequency of 2.9 GHz.
  • FIG. 4 shows a rotor blade R according to the invention in several views from which, in particular, the distribution of the absorber in the surface of the rotor blade can be seen.
  • Fig. 4a From the 3-D representation of Fig. 4a can be seen two discrete surface areas AB1, AB2, where the radar absorber is integrated into the rotor blade R. Both surface areas are located at the rotor blade edges, with one AB2 at the leading edge and the other AB1 at the trailing edge.
  • the absorber AB2 is pulled over the rotor edge and distributed asymmetrically on the lower and upper side of the rotor blade (the absorber AB1 in the surface region at the trailing edge is not shown in FIG. 4b).
  • An arrangement of the absorbers AB 1, AB 2 in the immediate vicinity of the edge of the sheet, as is generally apparent from FIGS. 4 a - c, is particularly advantageous for producing the effect according to the invention.
  • An arrangement of the absorbers exclusively at the sheet edges, as shown in FIG. 4, is already sufficient for producing the effect according to the invention. It is not necessary to provide the leaf edges in their entire length with the absorber.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt (R) aus faserverstärktem Kunststoff für eine Windkraftanlage, das einen in den faserverstärkten Kunststoff eingebetteten Radarabsorber mit folgenden Elementen aufweist: - einer oberflächennahen Schicht (VS) mit einem definierten elektrischen Flächenwiderstand von 100 bis 800 Ohm/Quadrat, welche sich in einer Tiefe von 2 bis 5 mm unterhalb der Oberfläche befindet, - einer oberflächenfernen Schicht (ES) mit einem definierten elektrischen Flächenwiderstand von maximal 50 Ohm/Quadrat in einem Abstand zur oberflächennahen Schicht (VS) von 5 bis 16 mm, wobei der integrierte Radarabsorber einen oder mehrere diskrete Flächenbereiche (AB1, AB2) des Rotorblatts (R) abdeckt, ohne die gesamte Oberfläche des Rotorblatts (R) abzudecken.

Description

Rotorblatt mit darin integriertem Radarabsorber für eine Windkraftanlage
Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt aus faserverstärktem Kunststoff für eine Windkraftanlage. Zur Radarreflexionsminderung umfasst es einen in die Oberfläche integrierten passiven Radarabsorber.
Durch die Bewegung der Windenergierotoren bzw. der Rotorblätter wird für Radarsysteme der Flugsicherung, die als 2-D-Radarsysteme die Richtung und die Entfernung eines Flugobjektes zur Darstellung benötigen, ein bewegtes Objekt generiert. Die Rotorblätter als bewegte Objekte sind wie Luftfahrtzeuge durch eine ausreichend starke Reflexion mit Doppleranteilen gekennzeichnet. Dadurch werden zusätzliche Bewegtziele für das Radar erzeugt, die die Darstellung einer Flugspur eines tatsächlichen Flugobjektes behindern oder verfälschen.
Aus früheren Patentanmeldungen, z.B. der DE 199 29 081 A1 , sind für die
Radarreflexionsminderung Interferenzabsorber und Jaumannabsorberbauweisen bekannt, die eine besonders hochwertige Radarreflexionsminderung sicherstellen. Durch den sehr hohen Radarquerschnitt einer Windenergieanlage von mehr als 400 m2 ist jedoch eine ausreichende Reflexionsdämpfung von mehr als 20 dB im Betriebfrequenzbereich von Radarsystemen zur Flugsicherung nicht unter allen Witterungsbedingungen gewährleistet. Allen bisherigen Lösungen und Herstellverfahren ist gemeinsam, dass möglichst alle reflexionsrelevanten Oberflächenbereiche eine reflexionsdämpfende Wirkung zeigen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, durch den spezifischen Einsatz eines Radarabsorbers sicherzustellen, dass die Radaranlage die Windkraftanlage als solche erkennt und sie von einem tatsächlichen Flugobjekt unterscheiden kann.
Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen. Erfindungsgemäß umfasst der passive Radarabsorber, der in das faserverstärkte Kunststoffmaterial des Rotorblatts eingebettet ist, folgende Elemente:
einer oberflächennahen Schicht, insbesondere gebildet aus einem Vlies, Gewebe, Gewirke oder eine Folie. Sie weist einen definierten elektrischen
Flächenwiderstand von 100 bis 800 Ohm/Quadrat auf und befindet sich in einer Tiefe von 2 bis 5 mm unterhalb der Oberfläche des Rotorblatts;
einer oberflächenfernen Schicht in einem Abstand zur oberflächennahen Schicht von 5 bis 16 mm. Die oberflächenferne Schicht kann ebenfalls als
Vlies, Gewebe, Gewirke oder Folie ausgebildet sein. Bei der oberflächenfernen Schicht handelt es sich um eine technisch leitfähige Schicht mit einem definierten elektrischen Flächenwiderstand von maximal 50 Ohm/Quadrat.
Der integrierte Radarabsorber ist selektiv auf einen oder mehrere diskrete, d.h. voneinander getrennte Flächenbereiche des Rotorblatts beschränkt, ohne die gesamte Oberfläche des Rotorblatts abzudecken.
Dabei sind Flächenbereiche an den Rotorblattkanten bevorzugt, wobei der Absorber auch ausschließlich auf Flächenbereiche an den Rotorblattkanten beschränkt sein kann.
In einer Ausführung des Rotorblatts befindet sich in mindestens einem der diskreten Flächenbereiche, an denen der Radarabsorber vorhanden ist, ein Abschnitt der Rotorblattkanten.
In einer weiteren Ausführung befindet sich in sämtlichen diskreten Flächenbereichen, an denen der Radarabsorber vorhanden ist, ein Abschnitt der Rotorblattkanten.
Diese erfindungsgemäße Absorberbauweise stellt in einem beschränkten Einfallswinkelbereich eine monostatische Reflexionsminderung sicher. Da der Radarabsorber nicht sämtliche reflexionsrelevanten Oberflächenbereiche abdecken muss, ergeben sich Vorteile hinsichtlich Materialverbrauch und Gewicht.
Durch die selektive Anordnung des Radarabsorbers auf einem oder mehreren isolierten Oberflächenbereichen der Rotorblätter wird bei einer Drehung des Rotors eine definierte zeitabhängige Reflexionsintensität erzeugt, deren Charakteristik es der Signalverarbeitung einer Radaranlage ermöglich, dieses Objekt als Windenergieanlage zu identifizieren und auszufiltern. Die Spurbildung bzw. Verfolgung eines tatsächlichen Flugobjektes wird dadurch nicht beeinträchtigt.
Die Güte der Reflexionsdämpfung des Radarabsorbers und der Flächeneinsatz des Radarabsorbers im Hinblick auf die Formgebung, die Abmessungen des Rotorblattes und die Drehgeschwindigkeit des Rotors ermöglichen, eine definierte zeitliche Abhängigkeit der Reflexionsintensität in Richtung des Radaranlage sicherzustellen.
Für das faserverstärkte Kunststoffmaterial des Rotorblatts können die allgemein für diese Werkstoffe eingesetzten Ausgangsmaterialien verwendet werden (Harz- oder Polymermatrix; Kohlenstoff-, Glas- oder Aramidfasern).
Um für die oberflächennahe Schicht des Radarabsorbers den benötigten elektrischen Flächenwiderstand von 100 bis 800 Ohm/Quadrat einzustellen, können handelsübliche Fasermaterialien geringer elektrischer Leitfähigkeit entsprechend angepasst werden, z.B. durch Einweben metallischer Fäden oder durch Beschichtung des Fasermaterials mit leitfähigen Materialien.
Um für bestimmte Polarisationsrichtungen des Radarsystems wirksam zu sein, kann die oberflächennahe Schicht des Radarabsorbers vorteilhaft eine Vorzugsrichtung in der Fläche aufweisen, die eine richtungsabhängige Flächenleitfähigkeit bewirkt. Dies kann z.B. durch Unterschiede in der Faserverdichtung oder im Faserdurchmesser erzielt werden. Die Erfindung wird anhand mehrerer Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1a die Darstellung der zeitlichen Abhängigkeit des Radarquerschnitts einer Windkraftanlage ohne erfindungsgemäßem Radarabsorber;
Fig. 1 b die Darstellung des von einem Radar mit einer Umlaufzeit von 4,2 Sekunden erfassten dynamischen Radarquerschnitts einer Windkraftanlage ohne erfindungsgemäßem Radarabsorber;
Fig. 2a die Darstellung der zeitlichen Abhängigkeit des Radarquerschnitts einer Windkraftanlage mit erfindungsgemäßem Radarabsorber;
Fig. 2b die Darstellung des von einem Radar mit einer Umlaufzeit von 4,2 Sekunden erfassten dynamischen Radarquerschnitts einer Windkraftanlage mit erfindungsgemäßem Radarabsorber;
Fig. 3a Aufbau eines erfindungsgemäßen Radarabsorbers, integriert in das Rotorblatt der Windkraftanlage;
Fig. 3b Frequenzgang der Reflektionsminderung (in dB) des erfindungsgemäßen Radarabsorbers gemäß Fig. 3a.
Fig. 4 zeigt ein erfindungsgemäßes Rotorblatt in drei Ansichten:
Fig. 4a 3D-Darstellung Fig. 4b Schnittdarstellung
Fig. 4c Draufsicht.
Anhand der Fig. 1 und 2 soll zunächst das Funktionsprinzip des erfindungsgemäßen Radarabsorbers erläutert werden.
Die Fig. 1a und 1b beziehen sich dabei auf einen Rotor ohne erfindungsgemäßen Radarabsorber. Fig. 1a zeigt die zeitliche Abhängigkeit, mit der über einen Zeitraum von 10 Sekunden (bei Dauerbeleuchtung) eine Windkraftanlage von einem Radar detektiert wird. Man erkennt einen aufgrund der Rotorbewegung stark schwankenden zyklischen Verlauf mit breiten Maxima.
Fig. 1 b zeigt eine Darstellung des vom Radar erfassten dynamischen
Radarquerschnitts der Windkraftanlage über einen Zeitraum von 60 Sekunden in willkürlichen Einheiten (es wird zur Vereinfachung nur das oben zeigende Rotorblatt berücksichtigt unter der Annahme, dass das Rotorblatt entlang seiner Gesamtausdehnung störwirksame Reflexionsbeiträge liefert). Das Radar hat hier eine Umlaufzeit von 4,2 Sekunden, d.h. das Radar erfasst die Windkraftanlage nur in aufeinanderfolgenden Zeitpunkten mit einem zeitlichen Abstand entsprechend seiner Umlaufzeit. Demgemäß erkennt man aus der Fig. 1b ausgeprägte Radarreflexe im Abstand von jeweils ca. 4,2 Sekunden. Nimmt man einen Wert von 200 Einheiten auf der vertikalen Achse als Schwellwert, so fällt der Radarreflex der Windkraftanlage innerhalb von 60 Sekunden bei der dargestellten Messung nur 2 Mal aus (bei ca. 17s und 38s). Die Verfolgung und Spurbildung des Ziels durch das Radar wird durch solche einzelne Ausfälle des Radarechos jedoch nicht beeinträchtigt. Die Windkraftanlage wird vom Radar somit als Bewegtziel interpretiert.
Fig. 2a und Fig. 2b zeigt die entsprechenden Graphen für eine Windkraftanlage mit erfindungsgemäßen Rotorblättern, d.h. mit darin integriertem Radarabsorber. Ein Vergleich von Fig. 2a mit Fig. 1a zeigt, dass
a) der absolute Wert des Radarquerschnitts bei Fig. 2a geringer ist als in Fig. 1a b) die Breite der Maxima bei Fig. 2a geringer ist als bei Fig. 1a.
Der Radarabsorber sorgt also nicht nur für eine Reflektionsdämpfung hinsichtlich der maximalen Stärke des detektierten Signals, sondern reduziert auch die Breite der Maxima wesentlich. Diese Unterschiede führen bei den dynamischen Radarquerschnitten (Umlaufzeit des Radars jeweils 4,2 s) gemäß den Fig. 1b, und 2b dazu, dass
a) bei Fig. 2b die absoluten Werte der Radarreflexe in Fig. 2b gegenüber Fig. 1b generelle vermindert sind, b) bei Fig. 2 b die Anzahl der Radarreflexe oberhalb von 200 Einheiten auf der vertikalen Achse geringer ist (durchschnittlich fällt mehr als jeder zweite Radarreflex der Windkraftanlage aus).
Durch den häufigen Ausfall der Radarreflexe der Windkraftanlage kann die
Signalverarbeitung eines Radars erkennen, dass es sich hier nicht um ein echtes, sondern lediglich um ein Scheinziel handelt, das ausgefiltert werden muss.
Fig.3a zeigt in Querschnittdarstellung eine Ausführung des erfindungsgemäßen passiven Radarabsorbers, der im Rotorblatt integriert ist. Die Oberfläche des
Rotorblatts befindet sich auf der linken Seite. Sämtliche Elemente des Absorbers sind in das faserverstärkte Kunststoffmaterial des Rotorblatts eingebettet und von diesem umgeben.
In einem Abstand von 2 bis 5 mm unterhalb der Oberfläche des Rotorblatts befindet sich die oberflächennahe Schicht VS (z.B. ein Vlies, Gewebe, Gewirke oder eine Folie) mit einem Flächenwiderstand von 100 bis 800 Ohm/Quadrat. In einem Abstand von 5 bis 16 mm unterhalb der oberflächennahen Schicht VS ist die oberflächenfeme Schicht ES (elektrisch leitfähige Grundfläche des Absorbers) vorhanden.
Fig. 3b zeigt für diesen Absorber den Frequenzgang des zugehörigen Reflektionskoeffizienten. Wie man daraus erkennt, ist der Absorber in dieser Ausführung für die Frequenz von 2,9 GHz optimiert. Die Fig. 4 zeigt ein erfindungsgemäßes Rotorblatt R in mehreren Ansichten, aus denen man insbesondere die Verteilung des Absorbers in der Fläche des Rotorblatts entnehmen kann.
Aus der 3-D-Darstellung der Fig. 4a erkennt man zwei diskrete Flächenbereiche AB1 ,AB2, an denen der Radarabsorber in das Rotorblatt R integriert ist. Beide Flächenbereiche liegen an den Rotorblattkanten, wobei einer AB2 an der Vorderkante liegt und der andere AB1 an der Hinterkante.
Wie man aus der Schnittdarstellung gemäß Fig. 4b erkennen kann, ist der Absorber AB2 über die Rotorkante gezogen und dabei unsymmetrisch auf Unter- und Oberseite des Rotorblatts verteilt (der Absorber AB1 in dem Flächenbereich an der Hinterkante ist in Fig. 4b nicht dargestellt). Eine Anordnung der Absorber AB 1,AB2 in unmittelbarer Umgebung der Blattkante, wie generell aus den Fig. 4a-c hervorgeht, ist für die Erzeugung des erfindungsgemäßen Effekts besonders vorteilhaft. Eine Anordnung der Absorber ausschließlich an den Blattkanten wie in der Fig. 4 gezeigt, reicht für die Erzeugung des erfindungsgemäßen Effekts bereits aus. Es ist dabei nicht notwendig, die Blattkanten in ihrer gesamten Länge mit dem Absorber zu versehen.

Claims

Patentansprüche
1. Rotorblatt (R) aus faserverstärktem Kunststoff für eine Windkraftanlage, das einen in den faserverstärkten Kunststoff eingebetteten Radarabsorber mit folgenden Elementen aufweist:
- einer oberflächennahen Schicht (VS) mit einem definierten elektrischen Flächenwiderstand von 100 bis 800 Ohm/Quadrat, welche sich in einer Tiefe von 2 bis 5 mm unterhalb der Oberfläche befindet,
einer oberflächenfernen Schicht (ES) mit einem definierten elektrischen Flächenwiderstand von maximal 50 Ohm/Quadrat in einem Abstand zur oberflächennahen Schicht (VS) von 5 bis 16 mm,
wobei der integrierte Radarabsorber einen oder mehrere diskrete Flächenbereiche (AB1 , AB2) des Rotorblatts (R) abdeckt, ohne die gesamte Oberfläche des Rotorblatts (R) abzudecken.
2. Rotorblatt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich in mindestens einem der diskreten Flächenbereiche (AB1, AB2) ein Abschnitt der Rotorblattkanten befindet.
3. Rotorblatt nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sich in sämtlichen diskreten Flächenbereichen (AB1 ,AB2) jeweils ein Abschnitt der
Rotorblattkanten befindet.
4. Rotorblatt nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die oberflächennahe Schicht (VS) eine Vorzugsrichtung in der Fläche aufweist, die eine richtungsabhängige Flächenleitfähigkeit bewirkt.
5. Rotorblatt nach einem der vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die oberflächennahe Schicht (VS) aus einem Vlies, Gewebe, Gewirke oder einer Folie besteht.
6. Rotorblatt nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die oberflächenferne Schicht (ES) aus einem Vlies, Gewebe, Gewirke oder einer Folie besteht.
PCT/DE2009/000689 2008-05-21 2009-05-16 Rotorblatt mit darin integriertem radarabsorber für eine windkraftanlage WO2009140949A1 (de)

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