Durch Klappen im Rotorblatt, die den Wind umlenken sowie bewegliche Hinterkanten und Vorflügel sollen sich Rotorblätter in Zukunft besser und schneller an die lokalen Windströmungen anpassen können. (Bild: DLR)
Ein Rotorblatt einer Windenergieanlage ist inzwischen bis zu 85 m lang, die Anlagen reichen in Höhen von über 200 m. 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 Schwierigkeiten beim Regeln 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 betrachtet ein Desaster. Ideal sind dagegen Rotorblätter, die ihre Geometrie an die lokalen Windeinwirkungen anpassen können: sogenannte Smart Blades. Wissenschaftler des FVWE haben in dem Projekt Smart Blades die Wirkung dieser Technologien untersucht.
Intelligente Strukturen reagieren auf die Windturbulenz
Wenn sich ein Rotorblatt bei starkem Wind verdreht, sodass es dem Wind weniger Angriffsfläche bietet, spricht man von einer Biege-Torsions-Kopplung. Da diese Biegung allein durch die Kräfte des Windes hervorgerufen wird, handelt es sich um passive Mechanismen. Dabei wurden zwei verschiedene Ansätze verfolgt, die diesen Effekt bewirken. Zum einen untersuchten die Forscher eine sichelförmige Geometrie, zum anderen eine spezielle 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“, sagt Alper Sevinc, vom Fraunhofer-Institut IWES. Beide Verfahren haben laut dem Wissenschaftler das Potenzial, die Stromausbeute von Windenergieanlagen zu verbessern. In einem zukünftigen Projekt sollen die in der Simulation getesteten Mechanismen an bereits entworfenen Demonstrations-Rotorblättern getestet werden.
Aktive Steuerelemente im Rotorblatt
Ein anderer Ansatz, den die Wissenschaftler verfolgten, sind aktive Mechanismen, die die Hinterkanten eines Rotorblattes verändern, womit Anlagenbetreiber die aerodynamischen Belastungen an einem Rotorblatt steuern können. 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 vermindern. Der Wartungsaufwand bei starren Hinterkantenklappen ist jedoch durch die auftretende Verschmutzung der beweglichen Teile so erheblich, dass die Vorteile von beweglichen Hinterkanten klar überwiegen. Perspektivisch ist auch für diesen Ansatz der Bau von Demonstrationsblättern geplant.
Optimales Profil durch 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. „Der Vorteil liegt hierbei in der Reaktionsgeschwindigkeit der Bewegung des Vorflügels, die eine schnelle Beeinflussung der wirkenden aerodynamischen Kräfte bei turbulenten Einströmbedingungen ermöglicht“, erläutert Michael Hölling von dem Zentrum für Windenergieforschung (Forwind). Zusätzlich haben die Forscher die Wirtschaftlichkeit der Technologieentwicklungen bewertet. In Simulationen haben sie alle Mechanismen mit einer State-of-the-Art-Referenz-anlage mit einem 80 Meter langen Rotorblatt verglichen, mit dem Ergebnis, dass viele der untersuchten Mechanismen Rotorblätter in Zukunft besser machen können. In einem nächsten Schritt hoffen die Forscher, ihre Ergebnisse an Full-Scale-Rotorblättern testen zu können.
(mns)
