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Im Bild zu sehen ist eine flexible, aktiv ansteuerbare Hinterkante, die den Auftrieb des Rotorblattes beeinflussen kann – vergleichbar mit dem Ruder am Flügel eines Flugzeuges.
© Leibniz Universität Hannover (TFD)

Optimale Geometrie: Der integrierte Vorflügel (oben) wurde in Windkanalversuchen experimentell getestet. Als zweite Variante wurde das Originalprofil des Referenzblattes beibehalten und der Vorflügel auf das Profil gesetzt (unten).
© Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR)
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Passive und aktive Steuerelemente am und im Rotorblatt

Die Idee der aktiven Smart Blades ist nicht neu. Ausfahrbare Vorflügel und Hinterkanten regulieren seit Jahrzehnten die Strömungsbedingungen an Flugzeugflügeln. Die Kosten stehen bisher allerdings in keinem ökonomischen Verhältnis zur Windenergie: Während bei Flugzeugen das Material 100 bis 1.000 Euro pro kg kostet, dürfen Rotorblätter nur ungefähr 10 bis 15 Euro pro kg kosten. Und das, obwohl sie ebenso hohen statischen Lasten und sogar höheren Ermüdungsansprüchen standhalten müssen. „Aktive Elemente müssen grundsätzlich intensiver gewartet werden, daher müssen die Mechanismen für Smart Blades robust und wirtschaftlich sein“, erklärt der Projektleiter.

Formvariable oder starre Hinterkanten-Klappen sowie bewegliche Vorflügel an der Blattvorderkante beeinflussen die Strömung aktiv und reduzieren Ermüdungsbeanspruchungen auf die Rotorblattstruktur. Im Gegensatz zu den passiven Elementen ist dafür allerdings Energie notwendig. Sensoren und Aktuatoren steuern die aktiven Elemente so, dass das Rotorblatt auf die sich ändernden Strömungsbedingungen reagiert und die aerodynamischen Belastungen regelt.

Die Wissenschaftler nahmen zunächst in sich bewegliche Hinterkanten und starre Hinterkanten-Klappen unter die Lupe. Klappen regulieren die Lasten an jedem Blatt einzeln und lokal. Flexible, aktiv ansteuerbare Hinterkanten können den Auftrieb des Rotorblattes – vergleichbar mit dem Ruder am Flügel eines Flugzeuges – beeinflussen. Das hat gegenüber der Verstellung des gesamten Rotorblattes den Vorteil, dass die aktive Hinterkante wesentlich weniger bewegte Masse besitzt. Beides ist für die Ausregelung von zyklischen Lasten von Vorteil. Das Ziel: die Lebensdauer steigern und die Strukturmasse verringern – bei gleicher Blattgröße.

Obwohl sich die aktiven Technologien in der Luftfahrt schon bewährt haben, müssen sie ihre Robustheit in der Windenergie erst noch unter Beweis stellen. Die Untersuchungen haben aber ergeben, dass beide Verfahren die Last am Rotorblatt effektiv reduzieren. Teßmer zieht Bilanz: „Der Wartungsaufwand bei starren Hinterkanten-Klappen ist wegen auftretender Verschmutzung so erheblich, dass die Vorteile von beweglichen Hinterkanten klar überwiegen.“

Ablenkungsmanöver beweglicher Vorflügel

Als dritte Technologie wurden integrierte Vorflügel in Windkanalversuchen experimentell getestet. Dazu erfassten Messgeräte die Reaktionsdynamik bezüglich der wirkenden Kräfte auf das Windkanalmodell und gaben Rückschlüsse auf die Grenzbereiche der Beeinflussbarkeit dieser Kräfte. Daraus resultierten charakteristische Turbulenzen, denen das Modell im Windkanal ausgesetzt wurde, um Änderungen der aerodynamischen Werte zu messen. Die optimale Geometrie zeigt die letzte Abbildung (oben).

Die Wissenschaftler untersuchten auch, ob ein beweglicher Vorflügel an einem Rotorblatt die Effizienz von Windenergieanlagen unter stark schwankenden, turbulenten Windbedingungen verbessern kann. Dieser bewegliche Mechanismus sorgt dafür, dass das Rotorblatt auch Windgeschwindigkeiten mit hohen Turbolenzanteilen optimal ausnutzt. Der Vorteil liegt in der Reaktionsgeschwindigkeit des Vorflügels: Sie können die wirkenden aerodynamischen Kräfte bei turbulenten Einströmbedingungen schnell beeinflussen. Im Unterschied zur integrierten Variante wurde das originale Profil des Referenzblattes beibehalten und der Vorflügel auf das Profil gesetzt.

Die Ergebnisse sind vielversprechend: „Wir hoffen, mit diesen Technologien Ertragssteigerungen im mittleren, einstelligen Prozentbereich erreichen zu können“, ist der Projektleiter optimistisch. In Simulationen verglichen sie alle Mechanismen mit einer State-of-the-Art-Referenzanlage eines 80 m langen Rotorblattes. In einem nächsten Schritt wollen die Forscher ihre Konzepte im Feld demonstrieren und erproben.

Demoblatt und Weiterentwicklung

Im Sommer 2016 startete das Projekt SmartBlades2, welches sich mit der Weiterentwicklung der oben vorgestellten intelligenten Rotorblatt-Technologien befasst. Ziel ist es, die technologische Reife der neuen Methoden zu erhöhen. Die Wissenschaftler wollen nun gemeinsam mit mehreren Industriepartnern vier Rotorblätter mit geometrisch induzierter BTK für einen Rotordurchmesser von rund 40 m herstellen. Das Rotorblattsegment mit einer beweglichen, aktiven Hinterkante soll dann unter Zentrifugalkräften an einem Schleuderprüfstand unter Ermüdungslasten in einem Dauerfestigkeitsversuch und unter kontrollierten Bedingungen in einem Windkanal getestet werden. Die Entwurfs- und Simulationsmethoden können dann mit den Messdaten validiert werden. Zusätzlich werden drei verschiedene Vorflügel-Konzepte in diversen Windkanaltests untersucht und für eine starre Konzeptvariante schließlich auch bis zu einem Full-Scale-Test fortgeführt. Die Wissenschaftler entwickeln daneben weitere, intelligente Regelungsmethoden für aktive Mechanismen, die dann im Windkanal getestet werden.

Projektinfo 16/2016:
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Adressen

Projektkoordination, Entwurfs- und Fertigungsmethoden für adaptive Blatttechnologien
DLR, Standort Braunschweig

Vorarbeiten für die industrielle Einführung
Leibniz Universität Hannover, ISD

Aeroelastische und strukturelle Modelle
Fraunhofer IWES

Turbulenzbeschreibung, Aerodynamik, Aeroelastik, Anlagendynamik sowie Sensorik und Regelung
ForWind

Service

BINE-Projektinfo 16/2016
(PDF, 4 Seiten, 442 kB)

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