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08.03.2018 | Konstruktion + Entwicklung | Im Fokus | Onlineartikel

Mit passiver Verdrehung zu höherer Windernte

Autor:
Dieter Beste

Rotorblätter sind der Schlüssel für die Leistungsfähigkeit von Windenergieanlagen. Forscher wollen nun zeigen, wie durch eine neuartige Biege-Torsions-Kopplung der Blätter auch große Windstärken effizient genutzt werden können.

Ein Rotorblatt mit einer Länge 85 Metern beschreibt eine Kreisfläche von 22.680 Quadratmetern – so groß wie vier Fußballfelder. Innerhalb dieser Fläche kann die Windstärke sehr unterschiedlich sein: So kann beispielsweise auf dem Blatt, das gerade nach oben zeigt, ein ganz anderer Druck wirken, als auf ein unteres Blatt. Bei starken, böigen Winden hat dann zwar möglicherweise nur eines der Blätter seine Belastungsgrenze erreicht, aber der Betreiber der Anlagen muss, so der Stand der Dinge, in solchen Situationen die Rotorblätter komplett aus den Wind nehmen – verbunden mit Standzeiten der Anlage, in denen kein Strom erzeugt wird.

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Im Projekt SmartBlades2, das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert wird, haben die beteiligten Partner aus Industrieunternehmen und Forschungseinrichtungen eine intelligente Lösung für dieses Problem gefunden: sogenannte Smartblades, die sich durch eine Biegung-Torsions-Kopplung (BTK) passiv – also völlig autonom – an variable Windbedingungen anpassen können. Dabei handelt es sich "zum einen um eine strukturelle Biegung-Torsions-Kopplung, in der entlang der Längsachse des Rotorblattes die eingebauten Laminate aufgrund der richtungsabhängigen Anordnung einen entsprechenden Effekt hervorrufen. Zum anderen um eine sogenannte geometrische BTK, in der durch eine Krümmung des Rotorblattes aus der Rotorebene heraus das Rotorblatt sich automatisch und passiv der Windströmung anpasst", erklärt Springer-Autor Björn Johnsen in „Meer – Wind – Strom“ (Seite 90).

Biegung-Torsions-Kopplung

Die Kopplung der Schubbelastung mit der Torsion der Struktur des Rotorblatts hat den Vorteil, dass ohne zusätzliche regelungstechnische Stellglieder eine sofortige Reaktion auf Böen erfolgen und damit die Anlagenstruktur entlastet werden kann. Die Herausforderung bei der BTK ist die genaue Vorhersage des dynamischen Verhaltens des Rotorblatts und die Vorhersage der strukturellen Umsetzung. Denn insbesondere bei sehr großen Blättern stoßen klassische Blattverstell-Systeme an Grenzen, weil sie zu langsam sind und lokale Böen nicht erfassen können. Inzwischen wurde vom Projektpartner Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) ein Technologiedemonstrator gefertigt: ein Rotorblatt von 20 Meter Länge, das sich durch eine inhärente Biege-Torsions-Kopplung (BTK) auszeichnet und nun in zahlreichen Testläufen auf seine Praxistauglichkeit geprüft wird.

BTK auch bei sehr großen Blättern?

"Das im Projekt entwickelte Demonstrator-BTK-Blatt verfügt über eine Vorkrümmung, die Blattspitze ist in Rotationsrichtung etwas nach hinten verschoben. Das 20 Meter lange Rotorblatt ist somit in der Lage, sich bei starken Böen ein Stück weit um die eigene Achse zu verdrehen und dem Winddruck gewissermaßen auszuweichen", erklärt Elia Daniele, Technologiekoordinator am Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) in Bremerhaven. Auf diese Weise werden die Kräfte verringert, die auf das Blatt und letztlich die ganze Anlage einwirken. Die Verwendung von BTK-Blättern an einer neu geplanten Windenergieanlage erlaubt daher, so die Überlegung der SmartBlades2-Forscher, ein geringeres Gesamtgewicht der Anlage, weil die Struktur insgesamt weniger stark belastet wird. Bei bestehenden Anlagen könne durch den nachträglichen Einsatz von BTK-Blättern der Rotordurchmesser erhöht werden, ohne dass weitere Anlagenkomponenten angepasst werden müssten – und dies würde durch eine höhere Windernte zu einer Ertragssteigerung führen.

Statische und dynamische Tests im Labor

Gegenwärtig wird der Technologiedemonstrator am IWES mit zahlreichen statischen und dynamischen Tests auf Herz und Nieren untersucht. Im statischen Tests wird die Haltbarkeit bei Extrembelastung geprüft. "Der Aufbau für den Torsionstest des Rotorblattes ähnelt zwar dem konventionellen Szenario der statischen Prüfung, erfordert aber einen höheren Aufwand für die exakte Messung der zusätzlichen Verformung", sagt IWES-Prüfingenieur Tobias Rissmann. Mithilfe eines optischen Messsystems wurde die Verformung entlang der drei Hauptachsen überwacht. Zusätzlich kamen Winkelsensoren zum Einsatz, um sicherzustellen, dass die Kraft auch wirklich senkrecht zur Blattachse eingeleitet wurde. Während der anschließenden dynamischen Tests (Ermüdungstests) werden die Belastungen eines kompletten Rotorblattlebens von 20 Betriebsjahren in einem stark verkürzten Zeitraum nachgebildet.

Tests unter realistischen Bedingungen

Nach Abschluss der Prüfstandtests wird das DLR drei baugleiche BTK-Rotorblätter fertigen und in die USA verschiffen. Dort, am Fuß der Rocky Mountains, werden sie für einen Feldtest an eine Forschungsturbine des Projektpartners National Renewable Energy Laboratory (NREL) montiert. Dann wird sich erweisen, ob die passive Verdrehung auch im praktischen Betrieb unter freiem Himmel so funktioniert wie von den Entwicklern erwartet.

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