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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Rotorblatt eines um eine horizontale
Achse drehenden Rotors einer Windkraftanlage, dessen Profil einen
Bereich mit mehreren gleichartig ausgebildeten Profilabschnitten
aufweist. Weiterhin richtet sich die Erfindung auf eine Windkraftanlage
mit an einer horizontalen Achse gelagerten Rotorblättern.
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Windkraftanlagen
weisen im Allgemeinen einen drehbar an einem Turm oder dergleichen
gelagerten Rotor mit einer Anzahl von Rotorblättern auf und wandeln die kinetische
Energie des Windes in elektrische Energie um. Bei der Energieumwandlung wirkt
die Bewegungsenergie der Windströmung
auf die Rotorblätter
und versetzt den Rotor in eine Drehbewegung. Die dabei entstehende
kinetische Energie wird von einem Generator der Windkraftanlage
in elektrische Energie umgewandelt und in das Stromnetz eingespeist.
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Bei
modernen Windkraftanlagen zur Stromerzeugung sind zur Energieumwandlung
die Rotorblätter
als aerodynamische Profile ausgebildet, die einen Auftrieb erzeugen,
weshalb diese Bauformen auch als Auftriebsläufer bezeichnet werden. Neben den
Auftriebsläufern
gibt es die so genannten Widerstandsläufer, bei denen die Luftwiderstandskraft,
der ein umströmter
Körper
ausgesetzt ist, zum Antrieb des Rotors genutzt wird. Hierbei wirkt
die Kraft in Richtung der Anströmung
und nicht senkrecht zur Anströmung,
wie die bei Auftriebsläufern
genutzte Auftriebskraft. Jedoch weisen Widerstandsläufer im Vergleich
zu Auftriebsläufern
einen niedrigeren Wirkungsgrad auf.
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Neben
den zwei verschiedenen Prinzipien der Energieumwandlung wird bei
Windkraftanlagen ferner zwischen den Bauformen mit einer vertikalen und
seiner horizontalen Achse unterschieden. Bei der horizontalen Achse
muss der Rotor zur Windrichtung mittels eines Stellmotors nachgeführt werden, was
bei der vertikalen Achse nicht notwendig ist, wodurch hier der Stellmotor
entfällt.
Allerdings sind die Bauformen mit vertikaler Achse insofern nachteilig, als
sich die Rotorblätter
in einem etwa auf ein Viertel des Rotordrehkreises bezogenen Abschnitt
in einer zur Strömung
ungünstigen
und energetisch nicht nutzbaren Position befinden, so dass bei diesen
Bauformen nur der Teil der Strömung
in nutzbare Energie umgewandelt werden kann, zu dem sich die Rotorblätter in
einer dafür
günstigen
Stellung befinden. Daher weisen Windkraftanlagen mit vertikaler
Achse im Allgemeinen einen niedrigeren Wirkungsgrad auf als Windkraftanlagen
mit horizontaler Achse.
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Zur
Stromerzeugung haben sich daher in der heutigen Zeit Windkraftanlagen
mit horizontaler Achse durchgesetzt, bei denen die Rotorblätter als
Auftrieb erzeugende Profile ausgebildet sind. Mit Hilfe eines sehr
komplexen Überwachungs-,
Regel- und Steuerungssystems wird dabei sichergestellt, dass die
Auftriebsläufer
immer eine optimale Ausnutzung der Windkraft gewährleisten. Neben der Windrichtungsnachführung des
Rotors dienen diese Systeme ferner dazu, die Windkraftanlagen bei
zu großen Windgeschwindigkeiten
abzuschalten, damit keine mechanischen Schäden durch Überlastung der Rotorblätter entstehen.
Darüber
hinaus wird durch diese Systeme die Stellung der Rotorblätter bei
Windgeschwindigkeiten, die für
einen wirtschaftlichen Nutzen zu gering sind, verändert, so
dass die Rotorblätter
im Leerlauf rotieren. Die Rotorblätter sind elementarer Bestandteil
der Windkraftanlagen und durch ein sich von der Rotornabe bis zur
Flügel-
oder Blattspitze änderndes,
sehr kompliziertes Auftriebsprofil charakterisiert, das sehr aufwendig
unter hohen Kosten hergestellt wird. Nachteilig bei Windkraftanlagen
mit als Auftriebsläufern
ausgebildeten Rotorblättern
ist, dass die Windkraftanlagen bei wirtschaftlich günstigen
Windgeschwindigkeiten zunächst
vom Regelungssystem angefahren werden müssen, um ein für die Rotorblätter benötigtes Start-Drehmoment
in der Anlaufphase bereitzustellen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen, die auf konstruktiv
einfache Weise und kostengünstig
eine effektive Ausnutzung der Windkraft für Windkraftanlagen ermöglicht.
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Bei
einem Rotorblatt der eingangs genanten Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die Profilabschnitte gleichförmig nebeneinander liegend
entlang einer Rotorblattachse angeordnet und jeweils im Wesentlichen
in Form eines Hohlzylinderabschnitts oder eines Hohlzylinderkeils oder
einer Ellipse mit schräg
geneigt verlaufenden Seitenrändern
ausgebildet sind, dessen jeweilige Innenflä che in der Arbeitsposition
des Rotorblattes im Wesentlichen der Windrichtung zugewandt ausgerichtet
ist.
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Ebenso
wird die vorstehende Aufgabe bei einer Windkraftanlage der eingangs
genannten Art dadurch gelöst,
dass die Windkraftanlage zumindest einen, vorzugsweise drei bis
fünf, Rotorblätter nach
einem der Ansprüche
1 bis 9 aufweist.
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Vorteilhafte
und zweckmäßige Ausgestaltungen
und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen
Unteransprüchen.
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Während die
Profilabschnitte oder Profile der Rotorblätter von Widerstandsläufern und
Auftriebsläufern
im Hinblick auf eine effektive Ausnutzung der Luftwiderstandskraft
bzw. der Luftauftriebskraft des Windes konzipiert und entwickelt
sind, verwirklicht das erfindungsgemäße Rotorblatt eine Kombination der
von Widerstands- und Auftriebsläufern
verwendeten Prinzipien in einer Profilform und ist daher auch bei
Windgeschwindigkeiten, die entweder für Widerstandsläufer oder
Auftriebsläufer
unwirtschaftlich sind, Energie gewinnend einsetzbar. Im Gegensatz zu
dem sehr komplizierten Profildesign moderner Rotorblätter von
Auftriebsläufern
lassen sich die Profilabschnitte des erfindungsgemäßen Rotorblatts
auf einfache mathematische Art beschreiben, so dass beispielsweise
eine zur Fertigung der Profilabschnitte eingesetzte CNC-Maschine
leicht programmiert werden kann. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit,
Windkraftanlagen unter Ausnutzung der dort bereits vorhandenen Generatoren,
Masten, Stellmotoren und dergleichen mit erfindungsgemäßen Rotorblättern kostengünstig umzurüsten.
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Damit
das Rotorblatt aus dem Stillstand ohne ein zusätzliches Regelungssystem anlaufen
kann, bilden in Ausgestaltung in der Anlaufphase der Windkraftanlage
die Innenflächen
der Profilabschnitte jeweils die Rotation des Rotorblatts bewirkende
Widerstandsflächen
aus.
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Die
der Windrichtung abgewandten, jeweiligen Außenflächen der schrägen Hohlzylinderabschnitte
oder der Hohlzylinderkeile nutzen während der Anlaufphase die Windkraft
nicht aus. Damit zusätzlich
zu den jeweiligen Innenflächen
der schrägen Hohlzylinderabschnitte
oder der Hohlzylinderkeile auch deren jeweilige Außenflächen Energie
gewinnend genutzt werden können,
bilden bevorzugt nach der Anlaufphase die Mantelflächen der
Profilabschnitte jeweils die Rotation des Rotorblatts bewirkende
Auftriebsflächen
aus. Damit verwirklichen die auf dem Rotorblatt ausgebildeten Profilabschnitte nach
der Anlaufphase das Prinzip von Auftriebsläufern, sofern die Umfangsgeschwindigkeit
des Rotorblatts die Windgeschwindigkeit um einen bestimmten Faktor überschreitet,
der von der Ausgestaltung und der Auslegung der Profilabschnitte
abhängt.
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Damit
die einzelnen Profilabschnitte des Rotorblatts die Prinzipien von
Widerstandsläufern
und Auftriebsläufern
in einer Profilform verwirklichen, weisen vorteilhafterweise die
jeweiligen Profilabschnitte jeweils zwei ellipsenabschnittsförmige Ränder auf, die
im rechten Winkel zueinander angeordnet sind. Auf diese Weise entsteht
ein Hohlzylinderabschnitt oder ein Hohlzylinderkeil mit einer gegen über der Windrichtung
angestellten Mantelfläche,
deren Innenfläche
zumindest in der Anlaufphase als Widerstandsfläche wirkt und deren Innen-
sowie Außenfläche ab einer
bestimmten Umfangsgeschwindigkeit des Rotorblatts nach der Startphase
als Auftriebsflächen
wirken.
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Damit
das Rotorblatt nach einer relativ kurzen Zeitdauer der Anlaufphase
möglichst
bald nach dem Prinzip eines Auftriebsläufers funktioniert, sind zweckmäßigerweise
die von den zwei ellipsenabschnittsförmigen Rändern gebildeten Flächen eines jeweiligen
Profilabschnitts kongruent, wobei der jeweilige Profilabschnitt
derart an dem Rotorblatt ausgebildet ist, dass eine der zwei Flächen parallel
zur Windrichtung ausgerichtet ist. Dadurch ist eine Teilfläche der
jeweiligen Mantelflächen
der Profilabschnitte in einem Winkel von 5° bis 45°, vorzugsweise 10° bis 30°, zur Windrichtung
ausgerichtet, so dass diese Teilfläche der jeweiligen Mantelflächen bereits
bei einer Umfangsgeschwindigkeit des Rotorblatts, die in etwa der
absoluten Windgeschwindigkeit entspricht, als Auftriebsfläche wirkt.
Der Anstellwinkel steht in Zusammenhang mit der Schnelllaufzahl,
die das Verhältnis
der Umfangsgeschwindigkeit am äußeren Ende
des Rotorblatts zur Windgeschwindigkeit angibt, wobei der Anstellwinkel
der unterschiedlichen Profilabschnitte ausgehend von dem dem Zentrum
bzw. einer Rotorwelle benachbarten Profilabschnitt des Rotorblatts
vorzugsweise abgestuft jeweils kleiner ausgeführt ist, um einen gleichmäßigen Vortrieb
zu erzielen.
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Damit
das Rotorblatt über
einen längeren Zeitraum
von der Anlaufphase an nach dem Prinzip eines Widerstandsläufers funktioniert,
ist vorzugsweise eine der von den zwei ellipsenabschnittsförmigen Rändern gebildeten
Flächen
größer als
die andere Fläche
ausgebildet, wobei der jeweilige Profilabschnitt derart an dem Rotorblatt
ausgebildet ist, dass die größere Fläche senkrecht
zur Windrichtung ausgerichtet ist. Auf diese Weise wirkt die für die Rotation des
Rotorblatts verantwortliche Teilfläche der jeweiligen Mantelfläche der
Profilabschnitte erst dann als Auftriebsfläche, wenn die Umfangsgeschwindigkeit des
Rotorflügels
zumindest größer ist
als die absolute Windgeschwindigkeit.
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Damit
keine die Windströmung
störenden Elemente
an der Mantelfläche
der Profilabschnitte des Rotorblatts ausgebildet sind oder in die
zwei ellipsenabschnittsförmigen
Ränder
hineinragen, sind zweckmäßigerweise
die Profilabschnitte beabstandet zueinander angeordnet und über ein
jeweiliges Verbindungselement miteinander verbunden.
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Zur
Vermeidung einer zum Widerstands- und/oder Auftriebsprinzip der
Profilabschnitte kontraproduktiven Wirkung der Verbindungselemente,
sind vorteilhafterweise die Verbindungselemente in Form eines Widerstands-
und auftriebsneutralen Flügelprofils
ausgebildet. Die entsprechenden Seitenränder der Profilabschnitte sind
durch das flächige
Flügelprofil
miteinander verbunden.
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Neben
einer Widerstands- und auftriebsneutralen Ausgestaltung der Verbindungselemente
können
diese alternativ den Auftrieb der Rotorblatts begünstigend
ausgebildet sein. Zu diesem Zweck sieht eine Weiterbildung vor,
dass die Verbindungselemente in Form eines Auftrieb erzeugenden
Flügelpro fils ausgebildet
sind.
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Schließlich sind
vorzugsweise die Rotorblätter
verstellbar an der horizontalen Achse gelagert. Durch die Verstellung
der Rotorblätter ändert sich zwangsläufig die
Stellung der daran ausgebildeten Profilabschnitte zur Windrichtung
und damit die Rotordrehzahl, so dass die Rotordrehzahl und die Generatordrehzahl
auf die augenblicklich herrschende Windgeschwindigkeit abgestimmt
werden können, wodurch
die Windkraftanlage optimal betrieben werden kann.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch
zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen verwendbar sind.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand mehrerer Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf
die zugehörigen
Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigt:
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1 eine
schematische Perspektivansicht einer Windkraftanlage mit erfindungsgemäßen Rotorblättern,
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2 eine
schematische Perspektivansicht eines Ausschnitts eines Rotorblatts,
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3 eine
schematische Perspektivansicht eines Profilabschnitts eines Rotorblatts,
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4 eine
schematische Ansicht des Verlaufs der Wind strömung um einen im Seitenschnitt dargestellten
Profilabschnitt in der Anlaufphase der Windkraftanlage,
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5 eine
schematische Ansicht des Verlaufs der Windströmung um einen im Seitenschnitt dargestellten
Profilabschnitt nach der Anlaufphase einer Windkraftanlage,
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6 eine
Ausführungsform
von Profilabschnitten entlang einer Rotorblattachse in Perspektivansicht.
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7 eine
weitere Ausführungsform
von Profilabschnitten entlang einer Rotorblattachse in Perspektivansicht,
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8 eine
schematische Perspektivansicht der Windkraftanlage mit Rotorblättern in
alternativer Ausgestaltung und
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9 eine
vergrößerte Darstellung
eines Rotorblatts nach 8.
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Die
Windkraftanlage 1 weist eine horizontalen Achse 2 auf,
an der fünf
Rotorblätter 3 gelagert sind.
Die Windkraftanlage 1 entspricht einer Bauform einer kleinen
Windkraftanlage mit der dafür
typischen Anzahl von fünf
Rotorblättern 3.
Bei großen
Windkraftanlagen hat sich eine Rotorblattzahl von drei etabliert,
da diese schwingungstechnisch einfacher zu beherrschen sind. Selbstverständlich ist
die Erfindung nicht nur auf eine Windkraftanlage 1 mit
fünf Rotorblättern 3 beschränkt, sondern
auch auf Windkraftanlagen mit einer davon verschiedenen Anzahl von
Rotorblättern 3 übertragbar.
Aus Gründen
der Übersichtlichkeit
wurde auf eine Darstellung der übrigen
Komponenten der Windkraftanlage 1, wie beispielsweise der
Gondel, des in der Gondel angeordneten Getriebes sowie Generators,
des Turms und dergleichen, verzichtet. Das Profil jedes der fünf Rotorblätter 3 weist
jeweils einen Bereich mit mehreren gleichartig ausgebildeten Profilabschnitten 4 auf,
die gleichförmig
nebeneinander liegend entlang der Rotorblattachse 20 an
dem jeweiligen Rotorblatt 3 angeordnet sind.
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Details
des Rotorblatts 3 sind ausschnittsweise in 2 dargestellt.
Es sind sechs Profilabschnitte 4 in einem Abstand voneinander
an dem Rotorblatt 3 angeordnet und über jeweils ein Verbindungselement 5 miteinander
verbunden. Die einzelnen Verbindungselemente 5 sind in
Form von dünnen Rundstäben ausgebildet,
die der Luftströmung
des Windes keinen Widerstand bieten und auch keinen Auftrieb erzeugen.
Die Verbindungselemente 5 sind somit als Widerstands- und
auftriebsneutrale Profile ausgebildet. Alternativ können die
Verbindungselemente 5 auch in Form eines Flügelprofils
ausgebildet sein, die einen das jeweilige Rotorblatt 3 in
Drehung bzw. Rotation versetzenden Auftrieb erzeugen.
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Die über jeweils
ein Verbindungselement 5 miteinander verbundenen Profilabschnitte 4 sind
in Form eines schrägen
Hohlzylinderabschnitts oder eines Hohlzylinderkeils ausgebildet.
Der jeweilige schräge
Hohlzylinderabschnitt oder Hohlzylinderkeil wird von zwei schräg geneigt
verlaufenden Seiten- oder Endrändern 10, 11 umgrenzt,
wobei die Innen fläche 6 des
jeweiligen Profilabschnitts 4 derart an dem Rotorblatt 3 ausgebildet
oder angeordnet ist, dass sie der durch den Pfeil 7 angezeigten
Windrichtung zugewandt an dem Rotorblatt 3 ausgerichtet
ist. Ein Rand 9, der die jeweilige Innenfläche 6 von
der nur ansatzweise zu erkennenden jeweiligen Außenfläche 8 trennt, und
der von den zwei abgeschrägten, d.
h. schräg
geneigt verlaufenden Seiten- oder Endrändern 10, 11 der
Mantelfläche 14 gebildet
wird, umfasst einen ersten ellipsenabschnittsförmigen Rand 10, der
senkrecht zu der Windrichtung gemäß Pfeil 7 an dem Rotorblatt 3 ausgebildet
und ausgerichtet ist, und einen zweiten ellipsenabschnittsförmigen Rand 11,
der parallel zu der Windrichtung gemäß Pfeil 7 an dem Rotorblatt 3 angeordnet
und ausgerichtet ist. Der erste ellipsenabschnittsförmige Rand 10 und
der zweite ellipsenabschnittsförmige
Rand 11 laufen unter Ausbildung eines rechten Winkels zusammen.
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Nachstehend
wird anhand 3 die Konstruktion eines Profilabschnitts 4 erläutert. Der
Profilabschnitt 4 wird aus einem als Ausgangskörper dienenden
Hohlzylinder gefertigt. Der Hohlzylinder wird in einem ersten Schritt
unter einem Konstruktionswinkel α nach
Art eines Gehrungsschnittes eingeschnitten. Der in der Darstellung
gewählte
Konstruktionswinkel α beträgt weniger
als 45° und
liegt üblicherweise
zwischen 5° und
45°, vorzugsweise
zwischen 10° und
30°, wobei
der Einschnitt bis zu einer Höhe
oder Länge
L1, also nicht durch den gesamten Hohlzylinder, erfolgt. Im Hinblick
auf einen strömungsoptimierten
Profilabschnitt 4 endet der erste Einschnitt ungefähr auf Höhe der Hohlzylinderlängsachse
bzw. der Hohlzylinderquerachse 21 oder geht unwesentlich
darüber
hinaus, wie in der Darstellung gezeigt ist.
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Der
von dem ersten Einschnitt gebildete Rand 9 bildet den ersten
ellipsenabschnittsförmigen Rand 10 aus.
Am Ende des ersten Einschnitts bei der Länge L1 wird der Hohlzylinder
dann ein zweites Mal nach Art eines Gehrungsschnittes eingeschnitten.
In der Darstellung verläuft
der von dem zweiten Einschnitt gebildete Rand 11 unter
einem rechten Winkel zum ersten Einschnitt. Der zweite Einschnitt
bildet den zweiten ellipsenabschnittsförmigen Rand 11 mit einer
Höhe oder
Länge L2
aus. Das Verhältnis
der beiden Längen
L1 und L2 wird vom Konstruktionswinkel α bestimmt, wobei es ersichtlich
ist, dass weder der erste noch der zweite ellipsenabschnittsförmige Rand 10, 11 ein
Kreisabschnitt sein kann, wenn der Konstruktionswinkel von 90° verschieden
ist. Wenn alternativ ein Konstruktionswinkel α mit 45° gewählt wird, so sind beide Längen L1
und L2 gleich, so dass die beiden vom ersten und zweiten ellipsenabschnittsförmigen Rand 10, 11 gebildeten
Flächen
deckungsgleich, d. h. kongruent, sind. Denkbar ist auch, dass ein
Konstruktionswinkel α von
größer 90° gewählt wird,
so dass die beiden ellipsenabschnittsförmigen Ränder 10, 11 nicht
unter Ausbildung eines rechten Winkels, sondern unter einem Winkel
von kleiner als 90° zueinander
verlaufen. Natürlich
kann der Konstruktionswinkel auch 90° betragen, so dass der erste
ellipsenabschnittsförmige
Rand 10 ein Kreisabschnitt ist.
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Die
Wirkungsweise eines vom Wind angeströmten Profilabschnitts 4 wird
nachstehend mit Bezug auf die 3 bis 5 erläutert. Die 4 und 5 zeigen
eine seitliche, durch die Zentrumsachse des Profilabschnitts 4 verlaufende
Schnittansicht. In allen drei Darstellungen erfolgt die Anströmung des
Profilabschnitts 4 senkrecht zum ersten ellip senabschnittsförmigen Rand 10,
wie dies durch den die Windrichtung angebenden Pfeil 7 angedeutet
ist. Unabhängig
davon, ob es sich um einen Zustand in der Anlaufphase der Windkraftanlage 1 oder
um einen Zustand nach der Anlaufphase handelt, liefern die in 3 schraffiert
dargestellten seitlichen Teilflächen 13 der
Mantelfläche 14 des
Profilabschnitts 4 nur einen geringen bis gar keinen Beitrag
zur Energiegewinnung aus dem Wind, da die Windströmung im Wesentlichen
parallel oder tangential zu diesen Teilflächen 13 verläuft und
somit in diesem Bereich weder die Innenfläche 6 eine Widerstandsfläche noch die
Mantelfläche 14 eine
die Windströmung
verzögernde
und beschleunigende Auftriebsfläche
bildet. Den hauptsächlichen
Beitrag zur Energiegewinnung aus dem Wind liefert die Teilfläche 15 der
Mantelfläche 14 des
Profilabschnitts 4, zu der die Windströmung nicht parallel oder tangential
verläuft.
Aus diesem Grund beziehen sich sämtliche
nachstehenden Ausführungen
hinsichtlich der Widerstands- und Auftriebswirkung eines Profilabschnitts 4 immer
auf die Teilfläche 15 eines
Profilabschnitts 4.
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In 4 ist
die An- und Umströmung
eines einzigen Profilabschnitts 4 in der Anlaufphase der Windkraftanlage 1 dargestellt.
Die Umfangsgeschwindigkeit U des Rotorblatts 3 ist gleich
Null, d. h. das Rotorblatt 3 befindet sich im Stillstand,
so dass die Geschwindigkeitskomponenten im Absolut- und Relativsystem
identisch sind. Die durch die Pfeile 7 angedeutete Windrichtung
verläuft
senkrecht zum ersten ellipsenabschnittsförmigen Rand 10. Durch diese
Anströmung,
bei der die Außenfläche 8 des Profilabschnitts 4 in
einer Art Windschatten zu der Windrichtung angeordnet ist, entsteht
im Bereich der Teilfläche 15 der
Außenfläche 8 des
Profilabschnitts 4 ein sogenanntes Totwasser- oder Wirbelgebiet 16, welches
durch eine ungleichmäßig gerichtete
Strömung
charakterisiert ist und für
keinen Energiegewinn sorgt. Die Windströmung prallt auf die Teilfläche 15 der
Innenfläche 6 des
Profilabschnitts 4 auf und erzeugt dabei eine senkrecht
zu der Teilfläche 15 der Mantelfläche 14 wirkende
Widerstandskraft W. Die Teilfläche 15 der
Innenfläche 6 des
Profilabschnitts 4 stellt somit in der Anlaufphase der
Windkraftanlage 1 eine Widerstandsfläche dar. Die Widerstandskraft
W entspricht hierbei einer Rotationskraft, durch die das Rotorblatt 3 nach
dem Widerstandsprinzip bewegt wird und in Rotation versetzt wird.
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5 zeigt
die An- und Umströmung
eines einzigen Profilabschnitts 4 nach der Anlaufphase
der Windkraftanlage 1. Die Umfangsgeschwindigkeit U des
Rotorblatts 3 ist ungleich Null, d. h. das Rotorblatt 3 dreht
sich um die horizontal ausgerichtete Achse 2. Die durch
die Pfeile 7 angedeutete Windrichtung verläuft vor
dem Profilabschnitt 4 wiederum senkrecht zum ersten ellipsenabschnittsförmigen Rand 10.
Da sich das Rotorblatt 3 jetzt mit der Umfangsgeschwindigkeit
U bewegt, muss die Umströmung
des Profilabschnitts 4 im Relativsystem, d. h. in einem
mit der Umfangsgeschwindigkeit U des Rotorblatts 3 mitbewegten
System, betrachtet werden, um Rückschlüsse hinsichtlich
der Umströmung
der Teilfläche 15 der Mantelfläche 14 ziehen
zu können.
Das in der rechten Darstellung der 5 gezeigte
Geschwindigkeitsdreieck stellt die Geschwindigkeitskomponenten der
Umfangsgeschwindigkeit U, der absoluten Windgeschwindigkeit C und
der relativen Windgeschwindigkeit V im mitbewegten System des Ro torblatts 3 dar.
Bei der unterstellten Umfangsgeschwindigkeit U des Rotorblatts 3 umströmt der Wind
die Teilfläche 15 der
Mantelfläche 14 des
Profilabschnitts 4, so dass kein Wirbelgebiet 16 im
Bereich der Teilfläche 15 der Außenfläche 8 entsteht.
Infolge der Umströmung
der Teilfläche 15 der
Mantelfläche 14 wird
die Windströmung
auf der Außenfläche 8 beschleunigt,
wohingegen sie auf der Innenfläche 6 verzögert wird.
Dies führt
dazu, dass im Bereich der Teilfläche 15 der
Außenfläche 8 ein
Gebiet mit geringerem Druck (–)
und im Bereich der Teilfläche 15 der
Innenfläche 6 ein
Gebiet mit höherem
Druck (+) erzeugt wird. Die Außenfläche 8 ist
somit mit einer Saugseite 17 eines Flügelprofils und die Innenfläche 6 mit
einer Druckseite 18 eines Flügelprofils vergleichbar, so
dass eine senkrecht zur Teilfläche 15 der
Mantelfläche 14 wirkende Auftriebskraft
A erzeugt wird. Die Teilfläche 15 der Mantelfläche 14 des
Profilabschnitts 4 stellt somit nach der Anlaufphase ab
einer gewissen Umfangsgeschwindigkeit U des Rotorblatts 3,
die in der Darstellung fast doppelt so groß ist wie die absolute Windgeschwindigkeit,
eine Auftriebsfläche
dar. Die Auftriebskraft A entspricht einer Rotationskraft, durch die
das Rotorblatt 3 nach dem Auftriebsprinzip bewegt wird.
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Der Übergang
zwischen den in den 4 und 5 dargestellten
Zuständen
ist fließend,
wodurch in der Anlaufphase des Rotorblatts 3 die Widerstandskraft
abnimmt, während
die Auftriebskraft während
der Anlaufphase zunimmt, bis schließlich ab einer bestimmten Umfangsgeschwindigkeit
nur noch die Auftriebskraft wirkt. Die Richtung der Kraft bleibt aber
weitestgehend erhalten, da sowohl die Widerstandskraft als auch
die Auftriebskraft senkrecht zur Teilfläche 15 der Mantelfläche 14 gerichtet
sind.
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Nachstehend
werden mit Bezug auf die 6 und 7 zwei unterschiedliche
Ausführungsformen
der Profilabschnitte 4 erläutert, wobei die in 6 dargestellten
vier Profilabschnitte 4 im Wesentlichen jeweils dem in
den 3 bis 5 diskutierten Profilabschnitt 4 entsprechen,
so dass die Ausführungen
zu den 3 und 5 auch für die in 6 dargestellten
Profilabschnitte 4 gelten. Ferner beziehen sich die nachstehenden
Ausführungen hinsichtlich
der Widerstands- und Auftriebswirkung wiederum nur auf die Teilflächen 15 der
Profilabschnitte 4, da diese Teilflächen 15 für die Energiegewinnung
aus der Windströmung
hauptsächlich
verantwortlich sind.
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Bei
den in 6 dargestellten vier Profilabschnitten 4,
die entlang der Rotorblattachse 20 angeordnet sind, ist
jeweils die vom ersten ellipsenabschnittsförmigen Rand 10 umfasste
Fläche
größer als
die vom zweiten ellipsenabschnittsförmigen Rand 11 umfasste
Fläche.
Der jeweilige erste ellipsenabschnittsförmige Rand 10 ist
senkrecht zur durch den Pfeil 7 angedeuteten Windrichtung
angeordnet, so dass der jeweilige zweite ellipsenabschnittsförmigen Rand 11 parallel
zu dieser Windrichtung ausgebildet ist, da die von beiden ellipsenabschnittsförmigen Rändern 10 und 11 gebildeten
Flächen
in einem rechten Winkel zueinander stehen. Der Konstruktionswinkel α beträgt bei dieser
Ausführungsform
für jeden
der Profilabschnitte 4 weniger als 45°, insbesondere zwischen 10° und 30°, weshalb
die Teilflächen 15 der
Mantelflächen 14 der
jeweiligen Profilabschnitte 4 relativ steil zur Windrichtung
angestellt an dem Rotorblatt 3 ausgebildet sind. Demnach
verlaufen die jeweiligen Innenflächen 6 der
Profilabschnitte 4 fast senkrecht zur Windrichtung. Dadurch
ist es möglich,
dass das Rotorblatt 3 über
einen längeren Zeitraum
von der Anlaufphase der Windkraftanlage 1 an nach dem Prinzip
eines Widerstandsläufers
funktioniert und die Teilflächen 15 der
Innenflächen 6 der Profilabschnitte 4 Widerstandsflächen darstellen.
Dabei bilden sich im Bereich der jeweiligen Außenflächen 8 der vier Profilabschnitte 4 Wirbelgebiete
aus. Die Teilflächen 15 der
Mantelflächen 14 der
einzelnen Profilabschnitte 4 wirken erst dann als Auftriebsflächen, wenn
die Umfangsgeschwindigkeit U des Rotorblatts 3 um einen
bestimmten Faktor größer ist als
die relative Windgeschwindigkeit. Bei Erreichen dieser Umfangsgeschwindigkeit
U wird die jeweilige Teilfläche 15 der
Mantelfläche 14 nach
Art eines Flügels
umströmt,
wobei sich im Bereich der Teilflächen 15 der
jeweiligen Außenflächen 8 ein
Unterdruckgebiet und der jeweiligen Innenflächen 6 ein Überdruckgebiet
entwickelt, welches eine Auftriebskraft erzeugt, die das Rotorblatt 3 bewegt.
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Demgegenüber zeigt 7 vier
an der Rotorblattachse 20 ausgebildete Profilabschnitte 4,
bei denen die vom jeweiligen ersten ellipsenabschnittsförmigen Rand 10 umfassten
Flächen
gleich den vom jeweiligen zweiten ellipsenabschnittsförmigen Rand 11 umfassten
Flächen
sind. Die jeweiligen Flächen bilden
dabei einen rechten Winkel, so dass die jeweiligen beiden Flächen der
Profilabschnitte 4 deckungsgleich bzw. kongruent zueinander
sind. Der jeweilige Konstruktionswinkel α beträgt bei den dargestellten Profilabschnitten 4 ungefähr 45°, insbesondere
zwischen 10° und
30°, so
dass die jeweiligen Teilflächen 15 der
Mantelflächen 14 unter
einem Winkel von ungefähr
45° zur
durch den Pfeil 7 angedeuteten Windrichtung angestellt
an dem Rotorblatt 3 ausgebildet sind. Im Vergleich zu 6 sind
die Teilflächen 15 also
nicht nahezu senkrecht zur Windrichtung ausgerichtet. Daher wird
das Rotorblatt 3 über einen
kürzeren
Zeitraum von der Anlaufphase der Windkraftanlage 1 an nach
dem Prinzip eines Widerstandsläufers
funktionieren. In der Anlaufphase stellen die Teilflächen 15 der
Innenflächen 6 der
Profilabschnitte 4 jedoch auch eine Widerstandsfläche dar. Erst
wenn die Umfangsgeschwindigkeit des Rotorblatts 3 sich
der absoluten Windgeschwindigkeit C annähert, werden die Teilflächen 15 der
Mantelflächen 14 der
einzelnen Profilabschnitte 4 derart umströmt, dass
sich im Bereich der jeweiligen Außenflächen 8 ein Gebiet
mit geringerem Druck und im Bereich der jeweiligen Innenflächen 6 ein
Gebiet mit höheren
Druck einstellt, so dass die Teilflächen 15 der jeweiligen
Mantelfläche 14 als
Auftriebsflächen
wirken und eine Auftriebskraft an jedem Profilabschnitt 4 wirkt,
die das Rotorblatt 3 in Rotation versetzt.
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Nach
den 8 und 9 weist die Windkraftanlage 1 die
horizontale Achse 2 auf, an der die fünf Rotorblätter 3 gelagert sind,
die Verbindungselemente 5 in Form eines wider stands- und
auftriebsneutralen Flügelprofils 19 besitzen.
In das flächige Flügelprofil 19 sind
die Profilabschnitte 4 integriert, deren jeweilige Konstruktionswinkel α sich von
außen
nach innen vergrößern, um
einen relativ gleichzeitigen und gleichmäßigen Vortrieb zu erzielen.
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Wie
aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, sind der Konstruktionswinkel α, der Durchmesser
des Hohlzylinders, aus dem die Profilabschnitte 4 gefertigt
sind, und die Anzahl sowie der Abstand der entlang des Rotorblatts 3 angeordneten Profilabschnitte 4 die
Parameter, die die Energiegewinnung aus dem Wind beeinflussen, wobei
von einer identischen Ausgestaltung und Anordnung der einzelnen
Profilabschnitte 4 entlang eines Rotorblatts 3 ausgegangen
wird. Alternativ können
die einzelnen Profilabschnitte 4 entlang eines Rotorblatts 3 aber auch
unterschiedlich ausgebildet sein, um die Ausnutzung der Windströmung unter
Berücksichtigung der
für jeden
Profilabschnitt 4 unterschiedlichen Umfangsgeschwindigkeit
U noch weiter zu optimieren.
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Wenn
vorstehend Windrichtungen in Bezug auf die Profilabschnitte angegeben
sind, beispielsweise eine senkrecht stehende Windrichtung, so bezieht
sich dies auf an einem Turm angeordnete Rotorblätter in ihrer dortigen Arbeitsposition.