DK176317B1 - Vinge til en rotor på et vindenergianlæg - Google Patents

Description

DK 176317 B1

Den foreliggende opfindelse angår en vinge til en rotor på et vindenergianlæg, der har en i det væsentlige vandret rotoraksel, hvilken rotor har et nav, ud fra hvilket 5 vingen i monteret tilstand forløber i det væsentlige radialt, hvor vingen har et kordeplan, der strækker sig mellem vingens forkant og bagkant, og hvor vingen har et rodområde nærmest navet, et bæreplansområde fjernest navet og et overgangsområde mellem rodområdet og bæreplansområdet, og hvor vingen langs i hovedsagen hele bæreplansområdet har et enkelt bæreplan.

10

En vinge af bæreplanstypen vil ideelt have udformning som en typisk flyvinge, hvor bredden af vingens kordeplan samt den første afledte heraf bliver større og større jo tættere man kommer på navet. Dette medfører, at vingen ideelt set vil være forholdsvis bred i nærheden af navet. Dette vil atter medføre problemer i forhold til at 15 skulle montere vingen til navet og desuden vil det i monteret tilstand bevirke store laster, såsom stormlaster, på grund af vingens store overfladeareal.

Derfor har vingers konstruktion over årene udviklet sig hen mod en udformning, hvor vingen består af et rodområde nærmest navet, et bæreplansområde fjernest na-20 vet og et overgangsområde mellem rodområdet og bæreplansområdet. Bæreplansområdet har en ideel eller næsten ideel vingeform, mens rodområdet har et i det væsentlige cirkulært tværsnit, hvilket nedsætter stormlaster og gør det lettere og mere sikkert at forankre vingen til navet. Rodområdets diameter har fortrinsvis en konstant diameter langs hele rodområdet. På grund af det cirkulære tværsnit bidrager 25 rodområdet ikke til vindenergianlæggets produktion og vil rent faktisk nedsætte produktionen en lille smule på grund af vindmodstand. Overgangsområdet har som navnet antyder en form, der glidende ændrer sig fra rodområdets cirkulære form til bæreplansområdets bæreplansprofil. Overgangsområdets bredde vil typisk stige i det væsentlige lineært i voksende afstand fra navet.

30 2 DK 176317 B1

Fra flyindustrien er det velkendt, at fly, der er bygget med to vinger, en såkaldt todækker eller biplan, som regel kan bære mere end et fly med kun en vinge. Herved har man en mulighed for at øge den samlede opdrift på flyets vinger uden at gøre vingerne bredere.

5

Dette princip kendes også i forbindelse med vinger til vindenergianlæg, bl.a. ved at fremstille vindenergianlægget med to eller flere rotorer. CA 2 395 612 beskriver et vindenergianlæg med to koaksiale rotorer, hvor den ene rotor drejer hurtigere end den anden. GB 758 628 viser et vindenergianlæg med to koaksiale rotorer, der drejer 10 i modsatte retninger.

WO 98/31934 viser en vinge, som er udformet som et biplan. Vingen er opbygget ved hjælp af to parallelle bjælker, der er indbyrdes forbundet ved hjælp af tværstivere. Til hver bjælke er der fikseret to strømlinede elementer med henholdsvis en for-15 kant og en bagkant, som til sammen udgør et bæreplan.

US 5161952 beskriver en biplanskontruktion til rotorer på et vindenergianlæg. Vindenergianlægget er således udformet, at to lige vinger er forbundet med rotorens nav i afstand fra hinanden. Desuden er de to vingers tipper forbundet med hinanden.

20

Formålet med opfindelsen er at tilvejebringe en ny og forbedret konstruktion til vinger.

Dette opnås ifølge opfindelsen ved, at vingen langs i hovedsagen hele rodområdet 25 har mindst et første rodsegment og et andet rodsegment, som er beliggende med indbyrdes afstand set på tværs af kordeplanet, og at i det mindste et af rodsegmen-teme har et bæreplansprofil. På denne måde vil rodsegmentet med bæreplansprofil være med til at bidrage til vindenergianlæggets produktion.

30 Ifølge en foretrukken udførelsesform for vingen ifølge opfindelsen er vingens kordeplan vredet i vingens længderetning, hvor vriddet kan være op til 80 grader i vin- 3 DK 176317 B1 gens længderetning. Typisk vil vriddet være mellem 60 og 70 grader. Den første afledte af vriddet vil som regel være stigende med aftagende afstand fra navet, hvilket betyder, at kordeplanets Kl vrid i rodområdet 2 fortrinsvis vil være forholdsvis stort.

5 Ifølge en foretrukken udførelsesfonn for opfindelsen er kordeplanet af det i det mindste ene rodsegment med bæreplansprofil i det væsentlige parallel med selve vingens kordeplan i området nærmest navet. Vingens kordeplan vil fortrinsvis være vredet i vingens længderetning for at kompensere for at vingens lokale hastighed er stigende i voksende afstand fra navet, hvilket betyder, at vingen ”ser” vindretningen 10 forskelligt i afhængighed af radius fra navet. Dette betyder, at kordeplanets forløb i rodområdets længderetning i denne udførelsesform vil være en fortsættelse af kordeplanets forløb i bæreplansområdets og/eller overgangsområdets længderetning.

Ifølge en særlig udførelsesform for opfindelsen har både det første og det andet rod-15 segment et bæreplansprofil. På denne måde vil begge rodsegmenter bidrage til vindenergianlæggets produktion og vil kunne udformes, så at det samlede bidrag fra de to segmenter svarer til bidraget fra den brede del på den ideelle vinge.

Ifølge en foretrukken udførelsesform har kordeplanet af det i det mindste ene rod-20 segment med bæreplansprofil en i hovedsagen konstant bredde, overgangsområdets kordeplan bliver bredere med voksende afstand fra navet og bæreplansområdets kordeplan bliver smallere med voksende afstand fra navet. Herved har vingen ifølge opfindelsen en form, der svarer til konventionelle vinger, hvorfor eksisterende støbeforme til vinger på forholdsvis simpel vis kan modificeres til at kunne fremstille de 25 nye typer vinger.

Ifølge en særlig udførelsesform har overgangsområdet i det mindste et første overgangssegment og et andet overgangssegment, som er beliggende med indbyrdes afstand set på tværs af kordeplanet, hvor i det mindste et af overgangssegmenteme har 30 et bæreplansprofil. Fortrinsvis er kordeplanet af det i det mindste ene overgangssegment med bæreplansprofil i det væsentlige parallel med selve vingens kordeplan 4 DK 176317 B1 ved overgangen mellem overgangsområdet og bæreplansområdet, og fortrinsvis vil begge overgangssegmenter have et bæreplansprofil.

Rodområdets og overgangsområdets samlede længde vil typisk være mellem 5% og 5 35% af vingens samlede længde, og ofte mellem 5% og 25% af vingens samlede længde, eller endda mellem 5% og 15% af vingens samlede længde.

Ifølge en foretrukken udførelsesform for opfindelsen er det første og det andet rodsegment forenet ved den nærmest navet beliggende del af overgangsområdet. På 10 denne måde kan overgangsområdet have en form, der svarer til en konventionel vinge, mens kun rodområdet har det todelte profil.

Ifølge en anden udførelsesform for vingen forløber det første og det andet rodsegment over i det første og det andet overgangssegment, hvor det første og det andet 15 overgangssegment er forenet ved den fjernest navet beliggende del af overgangsområdet. På denne måde vil overgangsområdet også have et todelt struktur og herved en potentiel større opdrift.

Ifølge en foretrukken udførelsesform er det første og det andet rodsegment ved den 20 nærmest navet beliggende del af rodområdet forenet til et fælles monteringsområde.

Dette monteringsområde har fortrinsvis et i det væsentlige cirkulært tværsnit. På denne måde kan vingen ifølge opfindelsen have en monteringsflange, der svarer til konventionelle vinger, hvorved disse nye vinger passer til eksisterende nav.

25 Vingen er ifølge en foretrukken udførelsesform opbygget som et skalemne af glasfiber- og/eller kulfiberarmeret polymermateriale. Fortrinsvist er vingen udformet som et enkelt samlet skal emne.

Alternativt kan det i det mindste ene rodsegment med bæreplansprofil være et sepa-30 rat monteret segment. Denne udførelsesform har den fordel, at disse segmenter kan forsynes til eksisterende vindenergianlæg uden at skulle udskifte vingerne, f.eks. ved 5 DK 176317 B1 at montere segmenterne til rodstykket på de allerede installerede vinger. Heraf fremgår det også, at rodsegmenteme ikke nødvendigvis alle er forankret til navet

Opfindelsen vil i det følgende blive nærmere forklaret ved hjælp af udførelsesfor-5 mer, der er vist på tegningen, på hvilken fig. 1 viser en ideel vinge af bæreplanstypen, set ovenfra, fig. 2 en konventionel vinge af bæreplanstypen, set i perspektiv, og 10 fig. 3-9 forskellige udførelsesformer for vingen ifølge opfindelsen.

I fig. 1 ses udformningen af en ideel vinge 20 af bæreplanstypen. Vingen har et rodstykke 21, som er indrettet til at blive forankret til et nav på et vindenergianlæg.

15 Den ideelle vinge 20 er således udformet, at vingens 20 bredde bliver mindre i voksende afstand L fra navet. Desuden bliver den første afledte af vingens 20 bredde også mindre i voksende afstand fra navet 20, hvilket betyder, at vingen 20 ideelt set er meget bred ved rodområdet 21. Dette medfører problemer med hensyn til at forankre vingen 20 til navet. Desuden vil vingen 20 i monteret tilstand påvirke navet 20 med store stormlaster på grund af vingens 20 store overfladeareal.

Derfor har vingers konstruktion over årene udviklet sig hen mod en udformning, hvor kun vingens yderste del svarer til den ideelle vinge 20, mens rodområdets overfladeareal er væsentligt reduceret i forhold til den ideelle vinge. Denne udformning 25 er illustreret med den stiplede linje i fig. 1 og vist i perspektiv i fig. 2.

Som det ses i fig. 2, har den konventionelle vinge 1 et rodområde 2 nærmest navet, et bæreplansområde 4 fjernest navet og et overgangsområde 3 mellem rodområdet 2 og bæreplansområdet 4. Vingen 1 har en forkant 5, der vender i vingens 1 omdrej-30 ningsretning, når denne er monteret på navet, og en modsat af forkanten 5 vendende bagkant 6. Bæreplansområdet 4 har en ideel eller næsten ideel vingeform, mens ro- 6 DK 176317 B1 dområdet 2 har et i det væsentlige cirkulært tværsnit, hvilket reducerer stormlaster og gør det lettere og mere sikkert at forankre vingen 1 til navet. Rodområdets 2 diameter vil fortrinsvis være konstant langs hele rodområdet 2. Overgangsområdet 3 har en form, der glidende ændrer sig fra rodområdets 2 cirkulære form til bæreplan-5 sområdets 4 bæreplansprofil. Overgangsområdets 3 bredde vokser i det væsentlige lineært i stigende afstand L fra navet.

Bæreplans området 4 har et bæreplansprofil med et kordeplan K, der strækker sig mellem vingens 1 forkant 5 og bagkant 6. Kordeplanets bredde bliver mindre i vok-10 sende afstand L fra navet. Det skal bemærkes, at kordeplanet ikke nødvendigvis har et ret forløb over hele sin udstrækning, idet vingen kan være vredet og/eller krum, hvorved kordeplanet har et tilsvarende vredet og/eller krumt forløb, hvilket oftest vil være tilfældet med henblik på at kompensere for, at vingens lokale hastighed er afhængig af radius fra navet.

15 På grund af det cirkulære tværsnit bidrager rodområdet 2 ikke til vindenergianlæggets produktion og vil faktisk nedsætte produktionen en lille smule på grund af vindmodstand. Ideen bag opfindelsen er derfor, at rodområdet 2 og eventuelt også overgangsområdet 3 er opdelt i to eller flere segmenter, hvor i det mindste det ene af 20 disse segmenter har et profil, der giver en opdrift på denne del af vingen 1 og dermed bidrager til vindenergianlæggets produktion.

Fig. 3A viser en første udførelsesform for en vinge ifølge opfindelsen, hvor vingen er set mod forkanten 5, mens fig. 3B viser et snit efter linjen BB og Fig. 3C viser et 25 nit efter linjen CC i fig. 3A, hvor snitlinjen CC er beliggende ved overgangen mellem rodområdet 2 og overgangsområdet 3. Ifølge denne udførelsesform er rodområdet 2 opdelt i et første rodsegment 7 og et andet rodsegment 8, og overgangsområdet 3 er opdelt i et første overgangssegment 9 og et andet overgangssegment 10. De to overgangsssegmenter 9 og 10 forenes ved overgangen mellem overgangsområdet 3 30 og bæreplansområdet 4. Som en konsekvens heraf opstår der et mellemrum 17 mellem segmenterne. Segmenterne kan desuden være indbyrdes forbundet ved hjælp af 7 DK 176317 B1 afstivningsorganer, som er beliggende i mellemrummet 17 mellem segmenterne.

Disse afstivningsorganer kan eksempelvis være udformet som en gitterkonstruktion af f.eks. stål og kan desuden være udformet med f.eks. et såkaldt stræberprofil, hvor profilets tværsnit har en symmetrisk dråbeform. På denne måde reduceres afstiv-5 ningsorganemes vindmodstand, og støjgener kan mindskes.

Fig. 3B viser vingens monteringsområde. Profilerne af vingens segmenter er i dette område udformet, så at de ligger inden for en tilsvarende konventionel vinge med cirkulært rodstykke (vist med den stiplede linje 12). Det første rodsegment 7 har ved 10 monteringsområdet et bæreplansprofil med et kordeplan Kl, mens det andet rodsegment 8 har et profil, der nedsætter vindmodstanden på dette segment, men ikke nødvendigvis bidrager til vindenergianlæggets produktion. Det første rodsegment 7 forløber over i det første overgangssegment 9, der ligeledes har et bæreplansprofil med et kordeplan K3. Det andet rodsegment 8 forløber over i det andet overgangs-15 segment 10 og vil glidende skifte fra et profil med reduceret vindmodstand ved monteringsområdet til et decideret bæreplansprofil med et kordeplan K4 ved det andet overgangssegment 10. Vingens kordeplan K vil oftest være vredet langs vingens længderetning for at kompensere for vingens lokale hastighed. Derfor vil kordepla-nemes Kl, K3 og K4 forløb være en fortsættelse af vingens kordeplans K forløb i 20 bæreplansområdet 4.

J

Vingens kordeplan K kan være vredet så meget som 75-80 grader i vingens længderetning men vil typisk være mellem 60 og 70 grader. Den første afledte af vriddet vil som regel være stigende med aftagende afstand fra navet, hvilket betyder, at korde-25 planets Kl vrid i rodområdet 2 fortrinsvis vil være forholdsvis stort.

Det første rodsegment 7 og det andet rodsegment 8 har ved monteringsområdet et antal monteringshuller 11. Disse huller 11 har samme placering som ved en konventionel vinge med cirkulært rodstykke 12. Herved kan den nye vinge ifølge opfindel-30 sen monteres på konventionelle nav og dermed på enkelt vis erstatte eksisterende vinger ved udskiftning.

DK 176317 B1

S

Fig. 4 og 5 viser henholdsvis en anden og en tredje udførelsesform for opfindelsen, hvilke er modifikationer af den i fig. 3 viste udførelsesform, hvorfor kun afvigelser fra denne bliver omtalt. I den anden udførelsesfonn, som er vist i fig. 4, har det an-5 det rodsegment 81 også et bæreplanspro fil med et kordeplan K2 ved monteringsområdet. Yderligere strækker profilet af dette rodsegment 81 sig ud over det konventionelle rodstykkes cirkulære profil 12, således som det fremgår af fig. 4B. Figuren viser også, at de to segmenters kordeplaner kan være indbyrdes vinklede.

10 Ifølge den tredje udførelsesform, som er vist i fig. 5, har det første og det andet rodsegment 72, 82 samt det første og det andet overgangssegment 92, 102 symmetriske profiler. Profilerne er vist med kordeplaneme parallel med vingens omdrejningsretning, men profilerne vil fortrinsvis være vinklet i forhold til omdrejningsretningen, hvor vinklen er valgt med henblik på at maksimere opdriften, 15

Som der fremgår af fig, 5B strækker både det første rodsegment 72 og det andet rodsegment 82 sig ud over det konventionelle rodstykkes cirkulære profil 12. Endelig skal det bemærkes, at rodsegmenteme ved de i fig. 4 og 5 viste udførelsesformer lige som ved den i fig. 3 viste udførelsesform også forløber over i hvert sit overgangs- 20 segment (92, 93, 102, 103), som forenes til et fælles profil ved overgangen mellem overgangs området 3 og bæreplansområdet 4.

Fig. 6 viser en fjerde udførelsesform for vingen, hvor det første rodsegment 73 og det andet rodsegment 83 er forenet ved et monterings område 22. Som det ses i fig.

25 6B er monteringsområdet 22 ringformet med monteringshuller 11, ved hjælp af hvilke vingen kan boltes fast til navet. Vingen passer således til konventionelle nav og kan således på enkel vis ved udskiftning erstatte eksisterende vinger på allerede opstillede vindenergianlæg.

30 Fig. 7 viser en femte udførelsesform for vingen, hvor det første rodsegment 74 og det andet rodsegment 84 er forenet ved monteringsområdet 22, men hvor de to segmen 9 DK 176317 B1 ter ikke forenes i afstand fra navet, men i stedet fremstår som to separate vingedele med forskellig længde. Det ses også af fig. 7, at de forskellige rodsegmenter ikke nødvendigvis skal have samme tykkelse.

5 Fig. 8 viser en sjette udførelsesform for vingen, hvor vingen omfatter et første, et andet og et tredje rodsegment 75, 85, 13, der forløber over i et første, et andet og et tredje overgangssegment 95, 105, 14. Det første det andet rodsegment 75, 85 samt det første og det andet overgangssegment 95, 105 er her vist med en udformning, der reducerer vindmodstanden på disse segmenter, mens det tredje rodsegment 13 og det 10 tredje overgangssegment 14 er udformet med et decideret bæreplansprofil. Profilerne kan dog alle være udformet med profiler, der øger opdriften fra de tilhørende områder og dermed også vindenergianlæggets produktion. De tre rodsegmenter 75, 85, 13 kan naturligvis være forenet ved monterinsområdet ligesom ved de i fig. 6 og 7 viste udførelsesformer.

15

Fig. 9 viser en udførelsesform, der svarer til den i fig. 6 viste udførelsesform, men hvor vingen desuden har en første separat monteret vingedel 15 og anden separat monteret vingedel 16. De separat monterede vingedele 15, 16 er monteret på henholdsvis det første og det andet rodsegment 73, 83 ved hjælp af et antal holdeorganer 20 18. Vingedelene 15 og 16 strækker sig langs vingens rodområde 2 og valgfrit også langs vingens overgangsområde 3. Selve vingen behøver ikke nødvendigvis have to rodsegmenter og/eller overgangssegmenter, men kan have en form, hvor den ikke har mellemrummet 17, rodsegmenteme og/eller overgangssegmenteme, i hvilket tilfælde vingens rod- og overgangsområde svarer til en konventionel vinge. Denne ud-25 førelsesform har den fordel, at de separat monterede vingedele 15, 16 kan monteres uden at skulle udskifte vingerne på allerede opstillede vindenergianlæg. Holdeorga-neme kan være udformet med f.eks. et stræberprofil, så at vindmodstand og støjgener kan mindskes.

30 Opfindelsen er blevet beskrevet under henvisning til foretrukne udførelsesformer.

Der kan foretages mange ændringer uden, at man herved afviger fra opfindelsens 10 DK 176317 B1 idé. Modifikationer og variationer, der vil være indlysende for fagfolk, betragtes som faldende inden for den foreliggende opfindelses rækkevidde. Eksempelvis kan den i fig. 9 viste ud førelses form have kun en enkelt separat monteret vingedel. Man kunne også forestille sig udfør el sesformer, hvor de forskellige segmenter har en se-5 parat bladvinkelregulering.

Liste over henvisningstal I vinge 10 2 rodområde 3 overgangsområde 4 bæreplansområde 5 forkant 6 bagkant 15 7 første rodsegment 8 andet rodsegment 9 første overgangssegment 10 andet overgangssegment II monteringshuller 20 12 cirkulært rodstykke 13 tredje rodsegment 14 fj erde rodsegment 15 første separat monteret vingedel 16 anden separat monteret vingedel 25 17 mellemrum 18 holdeorgan 20 vinge 21 rodstykke 22 monteringsområde 30 Kx kordeplan L længderetning

Claims (11)

1. Vinge (1) til en rotor på et vindenergianlæg, der har en i det væsentlige vandret rotoraksel, hvilken rotor har et nav, ud fra hvilket vingen (1) i monteret tilstand for- 5 løber i det væsentlige radialt, hvor vingen (1) har et kordeplan (K), der strækker sig mellem vingens forkant (5) og bagkant (6), og hvor vingen (1) har et rodområde (2) nærmest navet, et bæreplansområde (4) fjernest navet og et overgangsområde (3) mellem rodområdet (2) og bæreplansområdet (5), og hvor vingen (1) langs i hovedsagen hele bæreplansområdet (4) har et enkelt bæreplan, kendetegnet ved, at vingen 10 (1) langs i hovedsagen hele rodområdet (2) har mindst et første rodsegment (7) og et andet rodsegment (8), som er beliggende med indbyrdes afstand set på tværs af kordeplanet (K), og at i det mindste et af rodsegmenteme (7, 8) har et bæreplansprofil.

2. Vinge (1) ifølge krav 1, kendetegnet ved, at vingens kordeplan (K) er vredet i 15 vingens længderetning (L), hvor vriddet kan være op til 80 grader i vingens længderetning (L).

3. Vinge (1) ifølge et af kravene 1 eller 2, kendetegnet ved, at kordeplanet (Kl, K2) af det i det mindste ene rodsegment (7, 8) med bæreplansprofil er i det væsent- 20 lige parallelt med selve vingens kordeplan (K) i området nærmest navet.

4. Vinge (1) ifølge et af de foregående krav, kendetegnet ved, at både det første og det andet rodsegment (7, 8) har et bæreplansprofil.

5. Vinge (1) ifølge et af de tidligere krav, kendetegnet ved, at kordeplanet (Kl, K2) af det i det mindste ene rodsegment (7, 8) med bæreplansprofil har en i hovedsagen konstant bredde, overgangsområdets (3) kordeplan (K3, K4) bliver bredere med voksende afstand (L) fra navet og bæreplansområdets (4) kordeplan (K) bliver smallere med voksende afstand fra navet. 30 12 DK 176317 B1

6. Vinge (1) ifølge et af de foregående krav, kendetegnet ved, at overgangsområdet (3) har i det mindste et første overgangssegment (9) og et andet overgangssegment (10), som er beliggende med indbyrdes afstand set på tværs af kordeplanet (K), og at i det mindste et af overgangssegmenteme (9, 10) har et bæreplansprofil. 5

7. Vinge (1) ifølge krav 6, kendetegnet ved, at kordeplanet (K3, K4) af det i det mindste ene overgangssegment (9, 10) med bæreplansprofil er i det væsentlige parallel med selve vingens kordeplan (K) ved overgangen mellem overgangsområdet (3) og bæreplansområdet (4). 10

8. Vinge (1) ifølge et af kravene 1-5, kendetegnet ved, at det første og det andet rodsegment (7, 8) er forenet ved den nærmest navet beliggende del af overgangsområdet (3).

9. Vinge (1) ifølge krav 6 eller 7, kendetegnet ved, at det første og det andet rod segment (7, 8) forløber over i det første og det andet overgangssegment (9, 10), hvor det første og det andet overgangs segment (9, 10) er forenet ved den fjernest navet beliggende del af overgangsområdet (3).

10. Vinge (1) ifølge et af de tidligere krav, kendetegnet ved, at det første og det andet rodsegment (7,. 8) ved den nærmest navet beliggende del af rodområdet (2) er forenet til et fælles monterings område, der fortrinsvis har et i det væsentlige cirkulært tværsnit.

11. Vinge (1) ifølge et af de tidligere krav, kendetegnet ved, at det i det mindste ene rodsegment (7, 8) med bæreplansprofil er et separat monteret segment (15, 16).