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08.12.2017 | Hybride Werkstoffe | Nachricht | Onlineartikel

Rotorblatt aus GFK passt sich unterschiedlicher Windlast an

Autor:
Andreas Burkert

Forscher des DLR haben ein 20 Meter langes, leichtes Rotorblatt aus GFK, Holz und Kunststoffschaum entwickelt. Dieses passt sich dank Biege-Torsionskopplung passiv an variable Windbedingungen an. 

Wissenschaftler des DLR-Instituts für Faserverbundleichtbau und Adaptronik gelang die Fertigung eines Rotorblatts, welches sich den unterschiedlichen Windverhältnissen anpasst. Dazu haben sie im Zentrum für Leichtbauproduktionstechnologie (ZLP) am DLR-Standort Stade ein 20 Meter langes Rotorblatt mit einer strukturellen Biege-Torsionskopplung gefertigt. Rotorblätter mit solch einer Biege-Torsionskopplung sind in der Lage, ihre Geometrie selbstständig an die Windverhältnisse anzupassen. Bei höheren Windgeschwindigkeiten verwindet sich das Rotorblatt und bietet dem Wind somit weniger Angriffsfläche, wodurch die Belastungen auf die Anlage reduziert werden können.

Vor allem für große Windkraftanlage mit Rotorblättern von 80 Metern Länge und mehr sind die Erkenntnisse aus dem Projekt SmartBlades2 von großer Bedeutung. Bei solchen Abmessungen befindet sich ein Rotorblatt zeitweise fast in Bodennähe und kurze Zeit später in einer Höhe von zirka 200 Metern. Durch die ungleichmäßige Windverteilung zwischen Bodennähe und dem oberen Teil der Anlage sind Rotorblätter einer stark schwankenden Windlast ausgesetzt. Dadurch entstehen hohe Belastungen für das Material des Rotorblatts, insbesondere bei Erreichen der Nennleistung der Anlage. Zudem müssen Anlagenbetreiber die Windräder bei starkem Wind drosseln und können die Energie der Luftströmung nicht optimal ausnutzen. 

Intelligentes Rotorblatt aus glasfaserverstärktem Kunststoff

Um das Problem der unterschiedlichen Windlasten in den Griff zu bekommen, wurden die Materialien des Blatts (Glasfaserverstärkter Kunststoff, Holz und Kunststoffschaum) so gelegt, dass es sich bei Windlast nicht nur nach hinten biegt, sondern vor allem in sich rotiert. Durch diese Art der Bauweise „sind die Rotorblätter flexibler, sie können damit auch leichter und weniger massiv gebaut werden. Gerade bei sehr großen Windkraftanlagen ist weniger Gewicht ein großer Vorteil und erleichtert zudem den Transport und die Montage", erklärt Zhuzhell Montano Rejas, Projektmanagerin SmartBlades2 beim DLR-Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik.

Die Biege-Torsionskopplung ist eine von mehreren Technologien, die im Forschungsprojekt SmartBlades2 weiterentwickelt werden. Insgesamt arbeiten elf Partner aus dem Forschungsverbund Windenergie (DLR, ForWind Hannover und ForWind Oldenburg, Fraunhofer IWES) und der Industrie (GE Global Research, Henkel AG & Co. KGaA, Nordex Energy, SSB Wind Systems GmbH & Co. KG, Suzlon Energy Ltd. und WRD Wobben Research and Development GmbH) gemeinsam an innovativen Rotorblättern. Das Projekt wird vom BMWi mit 15,4 Millionen Euro gefördert. Ziel der Forschungsarbeiten sind größere und effizientere Rotoren, die eine höhere Ausbeute der Windenergie erlauben und die Wettbewerbsfähigkeit deutscher Unternehmen in der Windenergiebranche stärken.

Aerodynamisches Verhalten von Rotorblättern

Weitere im Projekt untersuchte Technologien sind im Übrigen Hinter- und Vorderkanten von Rotorblättern, die sich aktiv an die aktuelle Windstärke anpassen können. Beide Konzepte kommen aus der Luftfahrt und lassen sich mit den Klappen an Tragflächen von Flugzeugen vergleichen. Zudem arbeiten die Forscher an der Weiterentwicklung ausgewählter Methoden und Technologien sowie am aerodynamischen Verhalten der Rotorblätter und an der Regelung des Gesamtsystems.

Dem DLR zufolge werden noch in diesem Monat Belastungstests auf einem Rotorblattprüfstand beim Fraunhofer IWES in Bremerhaven durchgeführt. Dort wird für die Ermittlung der Blatteigenschaften und des Verformungsverhaltens die Belastbarkeit des Rotorblattes unter Extrem- und Betriebslasten geprüft. Ein besonderes Augenmerk haben die Wissenschaftler darauf, ob sich Biegung und Verwindung (Torsion) des Rotorblatts optimal ergänzen. Für eine genaue Datenerfassung bei den Belastungstests haben die Forscher Messsonden im Inneren des Rotorblatts integriert. 

Damit können sie die Struktur- und Materialverformungen beobachten. 
Nachdem eine ausreichende Belastbarkeit nachgewiesen ist, fertigen die Wissenschaftler im kommenden Jahr einen kompletten 3-Blatt-Rotor derselben Größe, den sie beim amerikanischen Energieforschungsinstitut NREL (National Renewable Energy Laboratory) an einer Freifeld-Windkraftanlage unter realen Belastungs- und Witterungsbedingungen testen.

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Die Hintergründe zu diesem Inhalt

2016 | OriginalPaper | Buchkapitel

Rotorblätter

Quelle:
Windkraftanlagen

2017 | OriginalPaper | Buchkapitel

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Quelle:
Werkstofftechnik für Wirtschaftsingenieure

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