Forschungsthemen im Projekt SmartBlades
DLR
Im Projekt SmartBlades entwickelten und prüften Forscher aktive und passive Technologien, mit denen sich Rotorblätter an unterschiedliche Windstärken anpassen lassen.
Ein Rotorblatt einer Windenergieanlage ist inzwischen bis zu 85 Meter lang, die Anlagen reichen in Höhen von über 200 Metern. Das bedeutet, dass Rotorblätter aufgrund der ungleichmäßigen Windverteilung in Bodennähe und im oberen Teil der Anlage einer stark schwankenden Windlast ausgesetzt sind. Die Folge: hohe Belastungen für das Material des Rotorblattes und eine große Herausforderung bei der Regelung der Anlage. Vor allem bei stark böigem Wind kann die Windlast so groß sein, dass die Betreiber ihre Anlagen abschalten müssen, um Schäden zu vermeiden. Wirtschaftlich ist das schlecht, denn starker Wind sorgt für gute Stromerträge.
Im Projekt SmartBlades entwickelten und prüften deshalb die Forscher des Forschungsverbundes Windenergie (FVWE) neue Ideen für intelligente Rotorblätter, die sich dem Wind anpassen können. Möglich wird dies durch aktive und passive Technologien, mit denen sich die einzelnen Rotorblätter auf die lokalen Windgegebenheiten einstellen können - sogenannte Smart Blades. Zum Abschluss des dreijährigen Projektes, das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) mit rund zwölf Millionen Euro gefördert wurde, stellten die Forscher Anfang Februar 2016 in Stade ihre Ergebnisse vor.
Strukturen reagieren auf Windturbulenz
Wenn sich ein Rotorblatt bei starkem Wind verdreht, so dass es dem Wind weniger Angriffsfläche bietet, sprechen Ingenieure von einer Biege-Torsions-Kopplung – ein Verhalten, das etwa Springer-Autor Raymond Freymann im Kapitel Aeroelastische Stabilität des Buches „Strukturdynamik“ von diskutiert. Da diese Biegung allein durch die Kräfte des Windes hervorgerufen wird, handelt es sich um sogenannte passive Mechanismen. Dabei wurden im Forschungsprojekt zwei verschiedene Ansätze verfolgt, die diesen Effekt bewirken. Zum einen wurde eine sichelförmige Geometrie untersucht, zum anderen eine besondere Struktur der materiellen Bauweise des Rotorblattes.
Beim strukturellen Ansatz werden die Glasfasern, aus denen das Rotorblatt aufgebaut ist, so gelegt, dass es sich bei unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten verdreht und den Anstellwinkel somit lokal anpasst. „Die Vorteile der Mechanismen sind, dass die Blätter weniger massiv und damit leichter gebaut werden können. Beide Verfahren haben das Potenzial die Stromausbeute von Windenergieanlagen zu verbessern,“ fasst Alper Sevinc vom beteiligten Fraunhofer-Institut IWES die Entwicklungsergebnisse zusammen.
Aktive Steuerelemente im Rotorblatt
Ein anderer Ansatz, den die Wissenschaftler verfolgten, sind aktive Mechanismen, die die Hinterkanten eines Rotorblattes verändern, um die aerodynamischen Belastungen an einem Rotorblatt zu steuern. Untersucht haben die Wissenschaftler dabei in sich bewegliche (formvariable) Hinterkanten, und starre Hinterkantenklappen. Das Konzept kommt aus der Luftfahrt und lässt sich mit den Klappen an Tragflächen von Flugzeugen vergleichen. Die Untersuchungen ergaben, dass beide Verfahren die Last am Rotorblatt effektiv vermindern. Der Wartungsaufwand bei starren Hinterkantenklappen ist jedoch, durch die auftretende Verschmutzung der beweglichen Teile so erheblich, dass die Vorteile von beweglichen Hinterkanten nach Einschätzung der Projektteilnehmer klar überwiegen.
Bewegliche Flügel an der Vorderkante
Die Wissenschaftler untersuchten auch, ob ein beweglicher Vorflügel an einem Rotorblatt die Effizienz von Windenergieanlagen unter stark schwankenden turbulenten Windbedingungen verbessern kann. Dieser Mechanismus erlaubt es, ein Rotorblatt in einem großen Windgeschwindigkeitsbereich optimal zu nutzen. „Der Vorteil liegt hierbei in der Reaktionsgeschwindigkeit der Bewegung des Vorflügels, die eine schnelle Beeinflussung der wirkenden aerodynamischen Kräfte bei turbulenten Einströmbedingungen ermöglicht“, kommentiert Michael Hölling vom Projektteilnehmer Forwind das Potential des adaptiven Vorflügels.