DE60110098T2

DE60110098T2 - Regelungsmethode für eine windturbine und regeleinrichtung dafür

Info

Publication number: DE60110098T2
Application number: DE60110098T
Authority: DE
Inventors: Henrik Stiesdal
Original assignee: Bonus Energy AS
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2000-09-29
Filing date: 2001-09-28
Publication date: 2006-05-18
Anticipated expiration: 2021-09-29
Also published as: US20030091436A1; EP1320680A1; DE60110098D1; DK1320680T3; AU2001291641A1; DK200001450A; EP1320680B1; ES2240519T3; ATE293213T1; WO2002029247A1; US7419356B2; DK174261B1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Regeln der Luftströmung um einen Windmühlenflügel, wobei das Verfahren einen Schritt umfasst, bei dem ein Spoiler, der an der Außenseite des Flügels angebracht ist, aktiviert und deaktiviert wird, um eine erste bzw. eine zweite Luftströmung um den Flügel zu erzeugen (z. B. EP-A-0 384 882).
Die Erfindung bezieht sich außerdem auf eine Vorrichtung, die dann verwendet wird, wenn die Luftströmung um einen Windmühlenflügel geregelt wird, wobei diese Vorrichtung wenigstens einen Spoiler umfasst, der aus einem flexiblen Material hergestellt ist und mit wenigstens einem Hohlraum versehen ist, wobei der Hohlraum in einer deaktivierten Form ein erstes Volumen und in einer aktivierten Form ein zweites Volumen besitzt, und wobei das Volumen des Hohlraums von der deaktivierten Form zu der aktivierten Form geändert werden kann, indem ein Fluid in den Hohlraum geleitet wird.
Es ist bekannt, dass die Leistungsabgabe jeder Windmühle bei starkem Wind begrenzt werden muss, da die Windmühle andernfalls überlastet werden kann. Die normalen Verfahren zum Begrenzen der Leistungsabgabe sind die Regelung durch Strömungsabriss und die Steigungsregelung.
Bei der gewöhnlichen Regelung durch Strömungsabriss sind die Flügel an der Nabe befestigt und können nicht um ihre Längsachsen gedreht werden. Der Einstellwinkel, den die Flügel auf der Nabe besitzen, wird einmalig während der Montage und der Inbetriebnahme der Windmühle eingestellt. Die Flügel sind so beschaffen, dass die Luftströmung über sie bei starkem Wind einen größeren Luftwiderstand erzeugt und dadurch die Leistungsabgabe begrenzt. Mit dieser passiven Ausnutzung der aerodynamischen Charakteristiken der Flügel ist diese Regelung unter allen Bedingungen einfach und robust, wobei lediglich geringe Spitzenbelastungen auftreten.
Die gewöhnliche Regelung durch Strömungsabriss hat den Nachteil, dass die maximale Leistungsabgabe von der Luftdichte und der Oberflächenrauigkeit des Flügels abhängt. Deswegen gibt es Unterschiede bei der Leistungsabgabe zwischen Sommer und Winter und bei Verschmutzung der Flügel. Der Effekt des Strömungsabrisses hängt außerdem stark von dem Design der Vorderkante des Flügels ab. Geringe Herstellungstoleranzen bei der Form der Vorderkanten können beträchtliche Unterschiede im Leistungsabgabepegel bewirken, bei dem ein Strömungsabriss der Windmühle geregelt wird.
Bei der Steigungsregelung sind die Flügel an Lagern an der Nabe der Windmühle angebracht, so dass sie um ihre Längsachse gedreht werden können. Bei starkem Wind wird der Einstellwinkel immer entfernt vom Strömungsabriss eingestellt, so dass der Auftrieb begrenzt ist, damit der genaue gewünschte Leistungsausgang bereitgestellt wird. Durch die aktive Regelung ist es möglich, die Luftdichte, die Oberflächenrauigkeit des Flügels und Auswirkungen von Herstellungstoleranzen zu kompensieren.
Die Steigungsregelung hat den Nachteil, dass sie eine verhältnismäßig komplizierte aktive Regelung erfordert, die bei starkem Wind auf Turbulenzen empfindlich sein kann. Deswegen setzt die Steigungsregelung in der Praxis einen speziellen Generator mit einer vollständig oder teilweise variablen Drehzahl voraus, so dass die Windmühle bei Windstößen geringfügig beschleunigt werden kann. Ansonsten kann die aktive Regelung Änderungen des Windes nicht nachregeln, was zu große Spitzenbelastungen zur Folge hat. Eine Steigungsregelung besitzt außerdem den Nachteil gegenüber der Regelung durch Strömungsabriss mit fest eingestellten Flügeln, dass die Flügel an der Nabe der Windmühle drehbar angebracht werden müssen und deswegen mit Lagern und Betätigungssystemen versehen sein müssen. Diese Komponenten müssen große Belastungen übertragen können und besitzen einen erhöhten Wartungsbedarf.
Eine neuere Regelungsform ist die aktive Regelung des Strömungsabrisses. Dabei sind die beiden normalen Verfahren zum Begrenzen der Leistungsabgabe kombiniert. Wie bei der Steigungsregelung gibt es Lager zwischen den Flügeln und der Nabe der Windmühle, so dass der Eintrittswinkel einstellbar ist, die tatsächliche Begrenzung der Leistungsabgabe bei starkem Wind wird jedoch durch Strömungsabriss bewirkt.
Im Vergleich mit der gewöhnlichen Regelung durch Strömungsabriss besitzt die aktive Regelung durch Strömungsabriss den Vorteil, dass die maximale Leistungsabgabe sicher auf dem gewünschten Pegel gehalten werden kann, unabhängig von der Luftdichte, von möglichen Verschmutzungen auf den Flügeln und von dem Einfluss von Herstellungstoleranzen. Im Vergleich zur Steigungsregelung besitzt die aktive Regelung durch Strömungsabriss den Vorteil, dass die eigentliche Regelung durch die Ausnutzung des Strömungsabrisses und demzufolge durch eine passive Nutzung der aerodynamischen Charakteristiken des Flügels bewirkt wird, deswegen bleibt die Empfindlichkeit auf Turbulenzen gering. Es ist deswegen nicht notwendig, spezielle Generatoren, eine variable Drehzahl oder dergleichen zu verwenden, um hohe Spitzenbelastungen zu vermeiden.
Trotzdem besitzt die aktive Regelung durch Strömungsabriss ihre eigenen Nachteile im Vergleich zur passiven Regelung durch Strömungsabriss mit fest eingestellten Flügeln. Wie bei der Steigungsregelung gibt es den Nachteil, dass die Flügel an der Nabe der Windmühle drehbar angebracht werden müssen und deswegen mit Lagern und Betätigungssystemen versehen sein müssen. Diese Komponenten müssen große Belastungen übertragen und besitzen einen erhöhten Wartungsbedarf. Bei der aktiven Regelung durch Strömungsabriss ist die Regelung langsamer als bei der Steigungsregelung und die Anforderungen an die Betätigungssysteme sind deswegen geringer, die Komplexität ist jedoch beträchtlich größer als bei der passiven Regelung durch Strömungsabriss.
Außer den Regelungssystemen, die auf der Drehung der gesamten Flügel basieren, sind außerdem Spoiler an fest eingestellten Flügeln bekannt, wobei die Regelung durch den Spoilereffekt erfolgt, der normalerweise durch den Strömungsabriss des Flügels vollständig oder teilweise unterstützt wird. Der Spoiler kann typischerweise als eine Schiene konstruiert sein, die über die Saugseite des Flügels angeordnet ist, und die durch Verlängerung einen stärkeren Luftwiderstand und Turbulenzen schafft und außerdem einen tatsächlichen Strömungsabriss auslösen kann. Derartige Spoiler wurden an den Windmühlen verwendet, die durch FL. Smith in Dänemark während des zweiten Weltkrieges errichtet wurden.
Spoilersysteme dieser Art besitzen normalerweise den Nachteil, dass sie mechanische Teile weit außen am Flügel enthalten. Erfahrungsgemäß ist es schwierig, bei derartigen Systemen einen hohen Verfügungsgrad aufrechtzuerhalten, da die Betriebsbedingungen sehr schwierig sind und weil die Betätigungsmechanismen für den Spoiler normalerweise schlecht geeignet sind, mehrere 100 Millionen von Beanspruchungen zu widerstehen, denen das System während des normalen Betriebs ausgesetzt ist. Außerdem erzeugen diese Spoiler, die über der Flügeloberfläche angeordnet sind, auch wenn sie nicht aktiviert sind, normalerweise einen bestimmten konstanten Spoilereffekt, der den aerodynamischen Wirkungsgrad des Flügels verringert. Die äußere Anbringung kann außerdem einen wesentlichen Beitrag zum Geräuschpegel zur Folge haben.
Es gibt andere Spoilersysteme, die Schienen oder Faltenbälge enthalten, die in der Flügeloberfläche angeordnet sind. Die Wirkung hängt wiederum vom erhöhten Luftwiderstand und Turbulenzen ab, im Vergleich zu äußeren Spoilern sind die Mechanismen jedoch etwas besser geschützt. Derartige Spoiler werden u. a. in den früheren Windmühlen des Typs WindMatic in Dänemark verwendet. Durch ihre Anordnung in der Flügeloberfläche besitzt dieser Typ von Spoilern den Vorteil, dass sie dann, wenn sie nicht ausgefahren sind, den aerodynamischen Wirkungsgrad des Flügels in keiner erkennbaren Weise verringern.
Eingelassene Spoiler besitzen normalerweise den Vorteil, dass sie spezielle Flügelstrukturen mit Ausnehmungen und Hohlräumen erfordern. Sie können ferner normalerweise nur schwer an der eigentlichen Vorderkante ausgeführt werden, wo die Luftkräfte gewaltig sind, sondern sie müssen weiter hinten an der Saugseite des Profils angeordnet werden. Hier sind die Betriebsbedingungen besser, die Wirkung des Spoilers ist dagegen stärker begrenzt und deswegen muss der Spoiler wesentlich größer sein. Geräuschprobleme können an den Trennflächen zwischen dem Hauptflügel und dem Spoiler entstehen und die Wirkung kann bei Vereisung und starker Verschmutzung durch Staub usw. unbestimmt sein, wenn das Ausfahren und Einfahren eingeschränkt sein kann.
Aus der europäischen Patentanmeldung EP 0 394 882 A1 ist ein Spoilertyp bekannt, der eine flexible Membran enthält, die radial längs eines Windmühlenflügels etwa in der Mitte der Saugseite des Flügels angeordnet ist und an diesen Abschnitten des Flügels, die mit diesen Spoiler versehen sind, durch Aufblasen einen Strömungsabriss auslöst. Spoilersysteme dieser Art besitzen den Nachteil, dass die Wirkung eines Strömungsabrisses, der in der Mitte der Saugseite ausgelöst wird, normalerweise nicht ausreicht, um eine wesentliche Regelung zu schaffen. Außerdem gibt es den Nachteil, dass dieser Spoilertyp einen eingelassenen Kanal auf dem Flügel in einem Bereich voraussetzt, in dem aus Festigkeitsgründen eine unversehrte und kontinuierliche Struktur erforderlich ist.
Aus der europäischen Patentanmeldung EP 0 283 730 A1 ist ein Strömungskörper bekannt, bei dem wenigstens eine Seite mit einer Membran bedeckt ist, die die Form in Abhängigkeit von einem inneren Druckmedium ändern kann. Durch Aufblasen kann dieser Körper vermutlich seine aerodynamischen Charakteristiken in einem solch starken Umfang ändern, dass eine sichere Regelung stattfinden kann. Ein Membransystem dieser Art hat den Nachteil, dass es große Abschnitte der Flügeloberfläche bedeckt und dass die Wirkung der Steuerung wegen der großen Oberflächen schwer zu steuern ist. Es ist bekannt, dass die Luftströmung über einen Windmühlenflügel mit Strömungsregeleinrichtungen geregelt werden kann. Beispiele derartiger Einrichtungen sind z. B. in der dänischen Gebrauchsmusteranmeldung DK 9 500 238 W beschrieben. Hier sind unter anderem Vortex-Generatoren dargestellt (5).
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Regeln der Leistungsabgabe einer Windmühle mit fest eingestellten Flügeln zu schaffen, die die Nachteile, die mit den bekannten Verfahren verbunden sind, verringern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Verwendung eines Verfahrens des oben erwähnten Typs, welches dadurch einzigartig ist, dass die erste Luftströmung verwendet wird, um eine Strömungsregelung zu unterdrücken, die durch eine Strömungsregeleinheit hergestellt wird, die in Verbindung mit dem Spoiler angeordnet ist, und dadurch, dass die Strömungsregelung einen unbeabsichtigten Spoilereffekt des Spoilers in seinem deaktivierten Zustand eliminiert.
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Spoiler an einer Oberfläche eines Flügels angebracht und eine Strömungsregeleinheit vorgesehen ist, die dem wenigstens einen Spoiler zugeordnet ist.
Die Erfindung basiert somit auf einem flexiblen Spoiler, der an der Saugseite des Flügels angeordnet ist, mit einem anderen Typ der Strömungsregeleinheit integriert oder zusammen mit diesem angeordnet ist, und der aktiviert wird, indem er mit einem flüssigen oder gasförmigen Medium gefüllt wird.
Dieses Verfahren ist überraschenderweise sehr wirkungsvoll und besitzt eine Reihe von Vorteilen im Vergleich zu den bekannten Systemen.
Durch eine aktive Regelung werden die Nachteile, die normalerweise mit der passiven Regelung des Strömungsabrisses mit fest eingestellten Flügeln verbunden sind, vermieden. Durch die aktive Regelung ist es möglich, die Luftdichte, die Oberflächenrauigkeit des Flügels und die Auswirkungen von Fertigungstoleranzen zu kompensieren.
Durch eine Spoilerwirkung werden die Nachteile, die normalerweise mit Systemen mit drehenden Flügeln verbunden sind, vermieden. Im Vergleich mit den Hauptkosten für die Lager und Betätigungssysteme des Flügels, die in der Lage sein müssen, große Belastungen zu übertragen, sind die Kosten des Spoilersystems vollständig unbedeutend, wobei der Wartungsbedarf gleichfalls stark verringert ist.
Durch einen flexiblen Spoilertyp, der auf der Oberfläche des Flügels angebracht wird, werden die Nachteile, die normalerweise mit Spoilern des bekannten Typs verbunden sind, vermieden.
Es gibt keinen Verlust des aerodynamischen Wirkungsgrads, wenn der Spoiler nicht ausgefahren ist, und durch geeignete Formung der Kanten kann die Gefahr des Geräuschproblems minimal gemacht werden, da die Höhe des Durchlasses zu der Oberfläche des Flügels klein ist im Vergleich zu der Grenzschicht. Bei dem Spoiler können, da er auf der Oberfläche des Flügels angebracht ist, diese Ausnehmungen und Hohlräume, die normalerweise mit eingelassenen Spoilern verbunden sind, vermieden werden. Da die Trennflächen zwischen dem Spoiler und dem Hauptflügel nicht vorhanden sind, bleibt die Funktion des Spoilers bei Vereisung und starker Verschmutzung durch Staub usw. zuverlässig.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung ergibt sich aus der Anbringung auf der Oberfläche des Flügels. Das hat die Wirkung, dass der Spoiler nachgerüstet werden kann, so dass das Verfahren zur Regelung bei vorhandenen Windmühlen eingeführt werden kann. Das ist normalerweise bei den bekannten Spoilertypen nicht möglich, möglicherweise mit Ausnahme des ursprünglichen Typs, der in geringem Abstand über der Oberfläche des Flügels angebracht ist.
Durch die Tatsache, dass der Spoiler in einen anderen Typ der Strömungsregeleinheit integriert ist oder in Verbindung mit dieser angeordnet ist, kann ein besonders vorteilhaftes Ergebnis der Wechselwirkung zwischen dem Spoiler und der Strömungsregeleinheit erreicht werden.
Diese besonders vorteilhafte Wechselwirkung tritt auf, wenn die Strömungsregeleinheit selbst von dem Typ ist, der den aerodynamischen Strömungsabriss des Flügelprofils vollständig oder teilweise verzögert und beispielsweise als Vortex-Generator ausgeführt ist.
Die Wechselwirkung kann dann auf zwei Arten ausgedrückt werden.
Erstens wird eine möglicherweise kleinere unerwünschte Spoilerwirkung des Spoilers in seinem nicht aktiven Zustand eliminiert, wenn der Spoiler in Verbindung mit der Strömungsregeleinheit angeordnet ist, solange diese eine ausreichende Kapazität besitzt, um eine derartige unerwünschte und bedauerliche Spoilerwirkung im nicht aktiven Zustand übersteuern kann.
Zweitens können der Spoiler und die Strömungsregeleinheit gegenseitig so dimensioniert sein, dass der Spoiler dann, wenn er aktiviert wird, die Wirkung der Strömungsregeleinheit vollständig oder teilweise eliminiert.
Wenn die Strömungsregeleinheit einen beträchtlichen Einfluss auf die aerodynamischen Charakteristiken des Flügels besitzt, kann mit dem Spoiler eine große Regelwirkung erreicht werden.
Gemäß einer speziellen Ausführungsform ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsregelung das aerodynamische Profil mit einem größeren Auftriebskoeffizienten versieht oder ansonsten zu der Tatsache führt, dass der Strömungsabriss erst bei einer höheren Windgeschwindigkeit auftritt. Dadurch wird die maximale Leistungsabgabe der Windmühle vergrößert im Vergleich zu der Leistungsabgabe, die dann auftritt, wenn die zweite Strömungsregeleinheit nicht auf der Außenseite des Flügels angebracht ist.
Das Verfahren ist gemäß weiteren Ausführungsformen dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung des Spoilers in der Luftströmung um den Flügel die Strömungsregulierung ändert, die durch einen Vortex-Generator bewirkt wird, und dass die Änderung der Strömung von Luft um den Flügel geregelt wird, so dass die Leistungsabgabe der Windmühle bei starkem Wind auf einem bestimmten Pegel gehalten wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auf verschiedene Arten hergestellt werden, so dass:

– der Spoiler eine Folie mit einer Außenseite, die so festgelegt ist, dass sie in Bezug auf die Oberfläche des Flügels nach außen weist, und einer Innenseite, die so festgelegt ist, dass sie in Bezug auf die Oberfläche des Flügels nach innen weist, enthält, wobei die Innenseite der Folie an der Oberfläche des Flügels befestigt ist und der Hohlraum zwischen der Außenseite und der Innenseite der Folie gebildet ist;
– die Folie einen Mittelbereich aufweist, in dem der Hohlraum gebildet ist und der eine Dicke T besitzt, wobei der Mittelbereich zu den Kantenbereichen konvergiert, die eine Dicke t aufweisen, wobei die Dicke t kleiner ist als die Dicke T;
– der Mittelbereich des Spoilers dann, wenn der Spoiler seine deaktivierte Form einnimmt, eine Außenseite besitzt, die kontinuierlich zu den Randbereichen konvergiert, und der Mittelbereich des Spoilers dann, wenn der Spoiler seine aktivierte Form einnimmt, wenigstens ein verändertes Profil für den Flügel schafft, das vorzugsweise eine Unstetigkeit in Bezug auf die Oberfläche des Flügels aufweist;
– durch den Hohlraum zwischen der Außenseite des Spoilers und der Innenseite des Spoilers Verstärkungsrippen ausgebildet sind, die eine vorgegebene minimale Distanz zwischen der Außenseite und der Innenseite des Spoilers aufrechterhalten können, wenn die Vorrichtung in ihrer deaktivierten Form ist;
– durch den Hohlraum Durchlässe ausgebildet sind, die sich in schmaleren Kanälen in dem Hohlraum erstrecken, die zwischen weiteren Kanälen in dem Hohlraum verlaufen, wobei die Durchlässe zusammengefaltet sind, wenn der Spoiler seine deaktivierte Form einnimmt, und die Durchlässe vergrößert sind, wenn der Spoiler seine aktivierte Form einnimmt;
– der Spoiler von seiner deaktivierten Form in seine aktivierte Form gebracht wird, indem der Hohlraum mit einem vorgegebenen Volumen von Fluid gefüllt wird, das vorzugsweise mit Druck beaufschlagte Luft oder ein anderes mit Druck beaufschlagtes Gas oder alternativ Hydrauliköl oder ein anderes Fluid ist;
– der Spoiler von seiner aktivierten Form wieder in seine deaktivierte Form gebracht wird, indem der Hohlraum des Fluids mit Hilfe der Luftströmung, die auf die Oberfläche des Flügels und die Außenseite der Folie wirkt und/oder mit Hilfe der Zentrifugalkraft, die auf das Fluid wirkt, geleert wird;
– der Spoiler an der Saugseite des Flügels an lediglich einem Abschnitt des Flügels angebracht ist;
– der Spoiler in radialen Positionen von den innersten 0–30% bis zu den äußersten 30–80% der Flügellänge angebracht ist;
– der Spoiler unmittelbar vor einer Reihe von Vortex-Generatoren mit einer Höhe im Bereich von 0–50 mm angeordnet ist; oder
– der Spoiler aus Gummi und alternativ aus Kunststoff hergestellt ist und hauptsächlich aus einem pressgeformten Profil aus Silikongummi und mit einer Breite von 50–250 mm hergestellt ist.

Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren genauer beschrieben.
1 zeigt einen Windmühlenflügel mit einem äußeren Spoiler des bekannten älteren Typs. Das Flügelprofil 1 ist mit einer Spoilerschiene 2 versehen, die durch eine Reihe von Halterungen 3 mit Gelenken 4 getragen wird. Der Spoiler ist in seiner normalen deaktivierten Position gezeigt, in der keine Spoilerwirkung erwünscht ist.
2 zeigt den gleichen Spoiler in einer aktivierten Position, in der der Spoiler für eine maximale Wirkung durch mechanische Mittel gedreht ist.
3 zeigt einen Windmühlenflügel mit einem eingebauten Spoiler des bekannten neueren Typs. Das Flügelprofil 5 ist mit einer Spoilerschiene 6 versehen, die in einem Hohlraum 7 in der Flügeloberfläche angeordnet ist und die sich um ein Gelenk 8 drehen kann. Der Spoiler ist in seiner normalen deaktivierten Position gezeigt, in der keine Spoilerwirkung erwünscht ist.
4 zeigt den gleichen Spoiler in einer aktivierten Position, in der der Spoiler für eine maximale Wirkung durch mechanische Mittel gedreht ist.
5 zeigt einen Windmühlenflügel mit einem eingebauten flexiblen Spoiler des bekannten neueren Typs. Das Flügelprofil 9 ist mit einem Hohlraum 10 versehen, der mit einer flexiblen Membran 11 abgedeckt ist. Der Hohlraum 10 erstreckt sich längs eines Abschnitts der Flügellänge und ist nach innen zur Basis des Flügels geschlossen und nach außen zur Spitze des Flügels mit Ventilen verschlossen, die in der Figur nicht gezeigt sind. Der Spoiler ist in seiner normalen deaktivierten Position gezeigt, in der keine Spoilerwirkung erwünscht ist.
6 zeigt den gleichen Spoiler in seiner aktivierten Position, in der die Spoilermembran für eine maximale Wirkung aufgeblasen ist. Die Aktivierung erfolgt durch Öffnen des innersten Ventils und Schließen des äußersten Ventils. Das Aufblasen wird dann durch den Überdruck bewirkt, der von der Zentrifugalkraft auf die Luftsäule stammt, die auf dem Flügelhohlraum steht. Das Deaktivieren erfolgt durch Schließen des innersten Ventils und Öffnen des äußersten Ventils.
7 zeigt eine Strömungsregeleinheit in der Form von Vortex-Generatoren, die auf der Saugseite eines Windmühlenflügels angebracht sind. Durch das Erzeugen von Wirbeln, die Energie in die Grenzschicht pumpen, verzögern die Vortex-Generatoren das Auftreten des Strömungsabrisses.
8 zeigt eine Kurve der Windmühlen-Leistungsabgabe bei passiv geregeltem Strömungsabriss mit und ohne Vortex-Generatoren. Es ist gezeigt, wie die Windgeschwindigkeit, bei der die Regelung tatsächlich das Ansteigen der Leistungsabgabe begrenzt, mit Vortex-Generatoren ansteigt und wie die maximale Leistungsabgabe dementsprechend ansteigt.
9 zeigt einen Windmühlenflügel, mit einem Spoiler gemäß der Erfindung. Das Flügelprofil 12 ist mit einem flexiblen Spoiler 13 versehen, der sich längs eines Abschnitts der Flügellänge erstreckt. Der Spoiler besitzt einen Querschnitt mit einem Hohlraum 14. Der Hohlraum 14 ist nach außen zur Spitze des Flügels teilweise verschlossen und ist nach innen zur Basis des Flügels mit einem Druckluftsystem verbunden, das einen größeren oder kleineren Druck auf den Spoilerhohlraum ausüben kann. Der Spoiler ist in seiner normalen deaktivierten Position gezeigt, in der keine Spoilerwirkung erwünscht ist. Dem Spoiler zugeordnet ist eine Strömungsregeleinheit 15 angeordnet, die hier als Vortex-Generatoren ausgeführt ist. Die Strömungsregeleinheit ist hier zwischen dem Spoiler und der Hinterkante des Flügels angeordnet, sie kann jedoch außerdem zwischen dem Spoiler und der Vorderkante des Flügels angeordnet sein. Es ist gezeigt, wie ein kleiner Wirbel von der Vorderkante des Spoilers durch die viel größeren Wirbel von den Vortex-Generatoren vollständig unterdrückt wird.
10 zeigt den gleichen Spoiler in seiner aktivierten Position, in der der Spoiler für die maximale Wirkung aufgeblasen ist. Die Aktivierung erfolgt normalerweise, indem der Hohlraum des Spoilers mit Druck beaufschlagt wird. Der Spoiler kann in Abhängigkeit von dem ausgeübten Druck stufenlos aufgeblasen werden. Das Deaktivieren erfolgt durch Verringern des Fülldrucks. Das Leeren wird durch die Zentrifugalwirkung auf die Luftsäule, die auf dem Spoilerhohlraum steht, verstärkt und möglicherweise gemeinsam mit der Absaugwirkung von der vorüberziehenden Luftströmung am äußersten Ende des Spoilers bewirkt. Der Spoiler ist hier in einem solchen Maße aktiviert, dass die Luftströmung um die Strömungsregeleinheit abgelenkt wird und dann unwirksam wird. Alle Zwischenstufen der Aktivierung sind möglich, deswegen kann die Wirkung der Strömungsregeleinheit auf ein größeres oder kleineres Maß eingestellt werden.
11 zeigt Beispiele der Querschnitte von Spoilern gemäß der Erfindung, bevor die Spoiler an dem Flügel angebracht werden. Die Spoiler können z. B. aus Silikongummi oder EPDM Shore 45 pressgeformt sein, wodurch sie an Saugseiten mit unterschiedlichen Krümmungen leicht angebracht werden können. Eine normale bevorzugte Ausführungsform 16 kann mehrere Rippen 17 enthalten, die die Form des Hohlraums während eines möglichen Unterdrucks wegen der Saugwirkung unter der Zentrifugalwirkung aufrechterhalten, die jedoch einen guten Zugang für Luft zum Aufblasen schaffen. Eine dritte bevorzugte Ausführungsform 18 kann einen ungleichmäßigen Querschnitt des Hohlraums aufweisen, wobei ein Abschnitt 19 eine große Materialdicke der Seite besitzt, die sich beim Aufblasen ausdehnt, während ein anderer Abschnitt 20 eine geringere Materialdicke besitzt. Dadurch kann die Form des aufgeblasenen Spoilers eingestellt werden, um die vorteilhafteste Verdrängung der Luftströmung zu schaffen. In einer vierten bevorzugten Ausführungsform kann der Hohlraum in zwei oder mehr parallele Kanäle unterteilt sein, die auf unterschiedliche Drücke aufgeblasen sein können. Dadurch wird die Form nochmals differenziert und ein größerer Abschnitt des Spoilers kann in eine Form gebracht werden, die für die Verdrängung vorteilhaft ist.
12 zeigt ein Beispiel einer Leistungsabgabekurve für eine Windmühle, die mit einem Spoiler gemäß der Erfindung versehen ist. Die beiden Darstellungen zeigen die Leistungsabgabekurve mit bzw. ohne aktive Spoilerregelung.

Claims

Verfahren zum Regeln der Luftströmung um einen Windmühlenflügel, wobei das Verfahren einen Schritt umfasst, bei dem ein Spoiler, der an der Außenseite des Flügels angebracht ist, aktiviert und deaktiviert wird, um eine erste bzw. zweite Luftströmung um den Flügel zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Luftströmung verwendet wird, um eine Strömungsregelung zu unterdrücken, die durch eine Strömungsregeleinheit bewirkt wird, die in Verbindung mit dem Spoiler angeordnet ist, und dass die Strömungsregelung eine unbeabsichtigte Spoilerwirkung des Spoilers in seinem deaktivierten Zustand eliminiert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsregelung das aerodynamische Profil mit einem größeren Auftriebskoeffizienten versieht oder andernfalls den Strömungsabriss verzögert, so dass er erst bei einer höheren Windgeschwindigkeit auftritt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Luftströmung um den Flügel durch den Spoiler die Strömungsregelung verändert, die durch einen Vortex-Generator bewirkt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Luftströmung um den Flügel so geregelt wird, dass die Leistungsabgabe von der Windmühle bei starkem Wind auf einem bestimmten Pegel gehalten wird.
Vorrichtung zum Regeln der Luftströmung um einen Windmühlenflügel, wobei die Vorrichtung wenigstens einen Spoiler (13) umfasst, der aus einem flexiblen Material hergestellt ist und mit wenigstens einem Hohlraum (14) versehen ist und wobei der Hohlraum in einer deaktivierten Form ein erstes Volumen und in einer aktivierten Form ein zweites Volumen besitzt und wobei das Volumen des Hohlraums von der deaktivierten Form zu der aktivierten Form geändert werden kann, indem ein Fluid in den Hohlraum geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Spoiler an einer Oberfläche des Flügels angebracht ist und dass eine Strömungsregeleinheit vorgesehen ist, die dem wenigstens einen Spoiler (13) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Spoiler eine Folie mit einer Außenseite, die so festgelegt ist, dass sie in Bezug auf die Oberfläche des Flügels nach außen weist, und eine Innenseite, die so festgelegt ist, dass sie in Bezug auf die Oberfläche des Flügels nach innen weist, aufweist, wobei die Innenseite der Folie an der Oberfläche des Flügels zu befestigen ist und der Hohlraum zwischen der Innenseite und der Außenseite der Folie ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie einen Mittelbereich besitzt, in dem der Hohlraum ausgebildet ist und der eine Dicke T besitzt, wobei der Mittelbereich zu den Randbereichen, die eine Dicke t besitzen, konvergiert, wobei die Dicke t kleiner ist als die Dicke T.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelbereich des Spoilers dann, wenn der Spoiler seine deaktivierte Form einnimmt, eine Außenseite aufweist, die kontinuierlich zu den Randbereichen konvergiert, und dass der Mittelbereich des Spoilers dann, wenn der Spoiler seine aktivierte Form einnimmt, wenigstens ein geändertes Profil für den Flügel schafft, das vorzugsweise eine Unstetigkeit in Bezug auf die Oberfläche des Flügels aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Hohlraum zwischen der Außenseite des Spoilers und der Innenseite des Spoilers Verstärkungsrippen ausgebildet sind, die einen vorgegebenen minimalen Abstand zwischen der Außenseite und der Innenseite des Spoilers aufrechterhalten können, wenn die Vorrichtung in ihrer deaktivierten Form ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Hohlraum Durchlässe ausgebildet sind, die sich in schmaleren Kanälen in dem Hohlraum erstrecken, und die zwischen breiteren Kanälen in dem Hohlraum verlaufen, dass die Durchlässe zusammengefaltet sind, wenn der Spoiler seine deaktivierte Form einnimmt, und dass die Durchlässe vergrößert sind, wenn der Spoiler seine aktivierte Form einnimmt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Spoiler von seiner deaktivierten Form in seine aktivierte Farm gebracht wird, indem der Hohlraum mit einem vorgegebenen Volumen eines Fluids gefüllt wird, das vorzugsweise mit Druck beaufschlagte Luft oder ein anderes mit Druck beaufschlagtes Gas oder alternativ Hydrauliköl oder ein anderes Fluid ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Spoiler von seiner aktivierten Form wieder in seine deaktivierte Form gebracht wird, indem das Fluid aus dem Hohlraum mit Hilfe der Luftströmung, die auf die Oberfläche des Flügels und an der Außenseite der Folie wirkt und/oder mit Hilfe der Zentrifugalkraft, die auf das Fluid wirkt, entleert wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Spoiler an der Saugseite des Flügels lediglich an einem Abschnitt des Flügels angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Spoiler in radialen Positionen von den innersten 0–30% bis zu den äußersten 30–80% der Flügellänge angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Spoiler unmittelbar vor einer Reihe von Vortex-Generatoren mit einer Höhe im Bereich von 3–50 mm angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Spoiler aus Gummi und alternativ aus Kunststoff hergestellt ist und vorzugsweise aus einem pressgeformten Profil aus Silikongummi und mit einer Breite von 50–250 mm hergestellt ist.