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Projektinfos  – Energieforschung konkret

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Forscher optimieren Rotorblätter, die sich schnell und flexibel an wechselnde Windbedingungen anpassen können.
© Nordex SE
Smarte Rotorblätter
Projektinfo 16/2016

Die Übersicht zeigt die drei untersuchten und entwickelten Technologien: passive Smart Blades (Technologie 1), Smart Blades mit aktiven Hinterkanten (Technologie 2) und mit aktivem Vorflügel (Technologie 3).
© Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR)

Im Bild ist der Vergleich mit einer gängigen Blattform (blau) und einem sichelförmigen Rotorblatt mit struktureller Biege-Torsions-Kopplung (rot) zu sehen.
© Fraunhofer IWES
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Das Klügere gibt nach

Im Binnenland und auf See müssen Rotorblätter rasch wechselnden Windrichtungen und variablen Windstärken standhalten. Aber wie lassen sich Rotorblätter für solche Situationen besser rüsten als bisher? Forscher entwarfen dafür sogenannte Smart Blades, die sich passiv oder mit aktiven Bauteilen an wechselnde Windbedingungen anpassen können – und gleichzeitig den Energieertrag der Windenergieanlage maximieren.

Inzwischen messen Rotorblätter bis zu 85 Meter, die Türme reichen in Höhen von über 200 Meter – Tendenz steigend. Mit steigendem Rotordurchmesser steigt auch der Energieertrag. Allerdings setzen Windböen und Windscherung in Bodennähe und im oberen Teil der Anlage den Blättern zu. Die Folge sind hohe Materialbelastungen. Dabei stoßen Anlagenhersteller an die Grenzen der Skalierbarkeit, denn mit steigender Blattlänge wachsen auch die aerodynamischen Schwingungslasten. Bisherige Regelungssysteme können die Lasten längerer Blätter kaum noch kompensieren. Bei größeren Anlagen wird das Eigengewicht dann zum entscheidenden Faktor. Rechnerisch würde sich bei doppelter Rotorblattlänge die Leistung zwar vervierfachen, das Gewicht dagegen verachtfachen – was auch zu höheren Kosten führt. Daher müssen Werkstoffverbrauch, Eigengewicht und Kosten reduziert sowie die Windenergieanlagen leistungsfähiger und wirtschaftlicher werden. Erreichen ließe sich ein höherer Energieertrag, wenn die aerodynamischen Extrem- und Ermüdungslasten sinken; dann könnten längere Rotorblätter bei gleichem Gewicht konstruiert werden. Besonders gefordert sind hier Anlagen in Schwachwindgebieten, die mit längeren Blättern ausgerüstet werden sollen. Nur so lässt sich ein hoher Ertrag sicherstellen, der im Endeffekt wesentlich wichtiger ist als eine höhere Nennleistung.

Ideal wären also Rotorblätter, die alles auf einmal vereinen: Sie sollen leicht, belastbar aber auch kosteneffizient und flexibel sein. Daran arbeiteten Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), des Fraunhofer-Instituts für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES sowie des Zentrums für Windenergieforschung (ForWind). Die Forscher entwickelten intelligente Rotorblätter, Smart Blades genannt. Diese können ihre Geometrie besser an lokale Windeinwirkungen anpassen als bisherige Blattkonzepte. Innerhalb des Forschungsprojektes Smart Blades untersuchte der Forschungsverbund dafür drei verschiedene Technologien. Dazu gehören passive und aktive Konzepte, die sich anpassen und die aerodynamischen Verhältnisse verändern, um die Struktur zu entlasten.

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Geometrisch und strukturell Lasten reduzieren

Wenn sich ein Rotorblatt bei starkem Wind nicht nur durchbiegt sondern auch axial verdreht, sprechen Fachleute von einer Biege-Torsions-Kopplung (BTK). Um die Windlasten zu minimieren, untersuchten die Forscher zwei verschiedene Ansätze dieses Konzepts: die geometrische und die strukturelle BTK. Die Wissenschaftler analysierten dazu konventionelle Rotorblätter und verglichen sie mit sogenannten Sichelblättern.

Die Untersuchungen ergaben, dass flexible 80 m lange Blätter mit geometrischer BTK gegenüber konventionellen Blättern die Lasten verringern. Es zeigte sich auch, dass die Torsionsverformungen der Sichelblätter im äußeren Blattbereich bereits ab Nennwindgeschwindigkeit einen signifikanten Einfluss auf die Leistung und Lasten der Anlage haben. Bei großen Windgeschwindigkeiten tritt bei ihnen zudem die Strömungsablösung später ein.

Beim strukturellen Ansatz sorgt eine besondere materielle Bauweise des Rotorblattes für diesen Effekt. Die Faserlagen werden nicht nur in Längsrichtung gelegt, sondern anisotrop, diagonal von der Blattvorder- zur Blatthinterkante. Auch diese Blätter biegen sich bei Laständerungen nicht nur durch, sondern verdrillen sich auch um ihre Achse. Die Blätter ändern so ihren Anströmwinkel und wirken passiv der Laständerung entgegen. „Mit dem geometrischen biege-torsions-gekoppelten Ansatz lassen sich die Lasten weitaus mehr reduzieren“, fasst der Projektleiter, Dr. Jan Teßmer vom DLR, die bisherigen Ergebnisse für den passiven Ansatz zusammen. Die methodischen Effekte der Smart Blades will der Forschungsverbund mit einem 20 m langen Demonstrationsblatt noch an einer realen Anlage testen.

Merkzettel

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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Links

Smart Blades
Website des Projekts

Forschungsförderung

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