Intelligentes Rotorblatt optimiert Windenergienutzung

  • 02. March 2018

Biegetorsions-Kopplung kann hohe Schwan­kungen der Wind­stärken effi­zienter nutzen.

Im Rahmen des Verbundprojekts SmartBlades2 unter­suchen Forscher des Fraun­hofer-Insti­tuts für Wind­energie­systeme das Konzept der Biege­torsions-Kopp­lung, kurz BTK, für Rotor­blätter. Die passiv arbei­tende Kopp­lung passt sich jeder­zeit an die Wind­kräfte an, die auf das Rotor­blatt ein­wirken. Wenn der Wind­druck zu stark wird, redu­ziert sie die ein­wir­kenden Kräfte durch Ver­dre­hung. Rotor­blätter her­kömm­licher Wind­energie­anlagen reagieren nur sehr lang­sam auf wech­selnde Wind­stärken.

Rotorblatt

Abb.: Das smarte Blatt im Extrem­last­test: Über drei Hydraulik­zylinder werden die Lasten auf­ge­tragen. (Bild: P. Hancz, Fh.-IWES)

Ein Rotorblatt mit einer Länge von 85 Metern beschreibt eine Kreis­fläche von 22.670 Quadrat­metern. 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 das untere Blatt. Eine ein­zelne Böe lässt sich inner­halb der Rotor­blätter nicht aus­gleichen, da konven­tio­nelle Blätter zu starr sind, um sich zu ver­drehen. Falls eine Böe bei zu starkem Wind auf­tritt, drehen daher die Betreiber der Anlagen die Rotor­blätter komplett aus dem Wind heraus. Das führt zu langen Stand­zeiten, in denen kein Strom erzeugt wird.

„Das im Projekt entwickelte Demonstrator-BTK-Blatt verfügt über eine Vor­krümmung, die Blatt­spitze ist in Rota­tions­rich­tung etwas nach hinten ver­schoben. Das zwanzig 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 für BTK-Blätter des Fraun­hofer-IWES. Das redu­ziert die Kräfte, die auf das Blatt und letzt­lich die ganze Anlage ein­wirken. Die Ver­wen­dung von BTK-Blättern an einer neu geplanten Wind­energie­anlage erlaubt daher ein gerin­geres Gesamt­ge­wicht der Anlage, weil die Struktur weniger stark belastet wird. Bei beste­henden Anlagen kann durch den nach­träg­lichen Ein­satz von BTK-Blättern der Rotor­durch­messer erhöht werden, ohne dass weitere Anlagen­kompo­nenten ange­passt werden müssen. Das führt durch eine höhere Wind­aus­beute zu einer Ertrags­steige­rung.

Um das neuartige Design zu testen, werden mehrere Wochen lang statische und dyna­mische Tests im Rotor­blatt­prüf­stand des Fraun­hofer-IWES in Bremer­haven durch­ge­führt. Erst­mals haben die Prüf­inge­nieure dort ein BTK-Blatt montiert. Das Blatt wurde vom Fraun­hofer-IWES aus­ge­legt und vom Projekt­partner DLR gefertigt. Im statischen Test wird die Halt­bar­keit bei Extrem­belas­tung geprüft. „Der Auf­bau für den Torsions­test des Rotor­blatts ähnelt zwar dem konven­tio­nellen Szenario der statischen Prüfung, erfordert aber einen höheren Auf­wand für die exakte Messung der zusätz­lichen Ver­for­mung“, so Prüf­inge­nieur Tobias Riss­mann zur beson­deren Heraus­forde­rung dieses Tests. 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 werden die Belas­tungen eines kom­pletten Rotor­blatt­lebens von zwanzig Betriebs­jahren in einem stark ver­kürzten Zeit­raum nach­ge­bildet.

Nach Abschluss der Prüfstandtests werden drei baugleiche BTK-Rotor­blätter in die USA ver­schifft. Dort, am Fuß der Rocky Mountains, werden sie für einen Feld­test an eine Forschungs­turbine des Projekt­partners National Renew­able Energy Labo­ra­tory montiert. Die dann folgenden Messungen sollen zeigen, ob die passive Ver­dre­hung auch im prak­tischen Betrieb unter freiem Himmel funktio­niert wie erwartet. Für diese Tests kommt auch ein im Projekt neu ent­wickeltes „Aero­probe System“ zum Ein­satz. Dabei messen zwei Druck­sonden an der Blatt­ober­fläche die Um­strömung der Rotor­blätter. Zudem wird die Strömung am Rotor­blatt durch Woll­fäden sicht­bar gemacht. Auf diese Weise können die Forscher die aero­dyna­mischen Ver­hält­nisse exakt ermit­teln. Inner­halb des Blattes messen weitere Sensoren die Beschleu­ni­gung an den Blatt­spitzen, während Kamera-Reflektor-Systeme Ver­for­mungen detekt­ieren.

Das Fraunhofer-IWES plant nicht, selbst Rotorblätter zu konstru­ieren. Viel­mehr soll Know-how auf­ge­baut und den Industrie­partnern zugäng­lich gemacht werden. Das BTK-Blatt dient als Techno­lo­gie­demon­strator und soll die Nutz­bar­keit dieser Techno­logie an kommer­ziellen Blättern unter­suchen. Das Bundes­minis­terium für Wirt­schaft und Energie fördert das Projekt SmartBlades2 mit 15,4 Milli­onen Euro Gesamt­projekt­volumen. Auf Industrie­seite sind ver­schie­dene Blatt- und Anlagen­her­steller beteiligt, um das Poten­ial für den indus­tri­ellen Ein­satz zu unter­suchen.

FG / RK

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