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Windenergieanlagen Höhere Windausbeute durch intelligente Rotorblätter

| Redakteur: Beate Christmann

Im Forschungsprojekt Smart Blades 2 arbeiten Wissenschaftler an der Entwicklung einer neuen Kopplung für Rotorblätter von Windenergieanlagen. Mit dieser soll sich jedes einzelne Rotorblätter durch leichtes Drehen um die eigene Achse an unterschiedlich starke Winddrücke anpassen können und die gesamte Anlage damit effizienter werden.

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In der Fläche, die ein Windrad durch seine Bewegung bildet, können unterschiedliche Windstärken auf die einzelnen Rotorblätter wirken. Fraunhofer-Forscher arbeiten an der Entwicklung von Rotorblättern, die sich zum Schutz unabhängig voneinander aus dem Wind drehen können.
In der Fläche, die ein Windrad durch seine Bewegung bildet, können unterschiedliche Windstärken auf die einzelnen Rotorblätter wirken. Fraunhofer-Forscher arbeiten an der Entwicklung von Rotorblättern, die sich zum Schutz unabhängig voneinander aus dem Wind drehen können.
(Bild: gemeinfrei / CC0 )

Bereits im ersten Teil des Forschungsprojekts Smart Blades arbeitete das Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme IWES gemeinsam mit Partnern an der Entwicklung eines Rotorblattes für Windenergieanlagen, das durch eine passiv arbeitende Biegetorsionskopplung (BTK) in der Lage sein soll, sich jederzeit verschiedenen Windkräften anzupassen. Wird der Wind zu stark, soll eine Verdrehung des Blattes die auf es einwirkenden Kräfte reduzieren. Ziel ist es zum einen, schwankende Windstärken effizienter zu nutzen, zum anderen die Lebensdauer der Anlagen zu verlängern. Im Rahmen des Folgeprojekts Smart Blades 2 wird das Konzept bis November 2019 mithilfe eines Demonstrators überprüft.

Belastung der Windräder reduzieren

„Unser Rotorblatt verfügt über eine Vorkrümmung, die Blattspitze ist in Rotationsrichtung etwas nach hinten verschoben. Das 20 m lange Rotorblatt kann sich damit bei starken Böen ein Stück weit um die eigene Achse zu verdrehen und dem Winddruck gewissermaßen auszuweichen, was die Kräfte, die auf die gesamte Anlage einwirken, deutlich reduziert“, erklärt Dr. Elia Daniele, der IWES-Technologiekoordinator für BTK-Blätter.

Innerhalb der Fläche, die Windrad beschreibt, ist Windstärke nicht gleich Windstärke: Ein Rotorblatt mit einer Länge von bis zu 85 m bewegt sich auf einer Kreisfläche von 22.670 m2. Auf solch einer großen Fläche, die beispielsweise dem Petersplatz in Rom entspricht, kann der Winddruck an verschiedenen Stellen unterschiedlich stark sein: Beispielsweise könnte auf dem Blatt, das nach oben zeigt ein ganz anderer Winddruck einwirken als auf das, das gerade nach unten zeigt. Konventionelle Rotorblätter sind starr. Falls eine Böe bei zu starkem Wind auftritt, drehen die Anlagenbetreiber die Windräder in der Regel komplett aus dem Wind heraus, um sie vor Schäden zu schützen. Dies führt wiederum zu langen Standzeiten, in denen folglich kein Strom erzeugt werden kann.

Vorteile für geplante und bereits eingesetzte Anlagen

Nach Ansicht der Forscher bringen BTK-Blätter sowohl für in Planung als auch bereits im Einsatz befindliche Windenergieanlagen Vorteile mit: Die Verwendung an einer neu geplanten Windenergieanlage erlaube ein geringeres Gesamtgewicht der Anlage, weil die Struktur weniger stark belastet werde. Bei bestehenden Anlagen könne durch den nachträglichen Einsatz von BTK-Blättern der Rotordurchmesser erhöht werden, ohne dass weitere Anlagenkomponenten angepasst werden müssten. Dies führe durch eine höhere Windausbeute zu einer Ertragssteigerung.

Labor- und Feldtests vorgesehen

Im Rotorblattprüfstand des Fraunhofer-IWES in Bremerhaven wird das neue Design zunächst über mehrere Wochen hinweg verschiedenen Belastungen ausgesetzt. In statischen Tests wird die Haltbarkeit bei Extrembelastung geprüft. Während der anschließenden dynamischen Tests (Ermüdungstests) wird die Beanspruchung eines kompletten Rotorblattlebens von 20 Betriebsjahren in einem stark verkürzten Zeitraum nachgebildet.

Dann sollen drei baugleiche BTK-Rotorblätter in die USA verschifft werden, wo sie am Fuß der Rocky Mountains für einen Feldtest an eine Forschungsturbine montiert werden. Die dann folgenden Messungen sollen zeigen, ob die passive Verdrehung auch im praktischen Betrieb unter freiem Himmel funktioniert wie erwartet. Für diese Tests ist unter anderem auch der Einsatz eines im Projekt neu entwickelten Systems, das so genannte Aeroprobe System, vorgesehen. Dabei messen zwei Drucksonden an der Blattoberfläche die Umströmung der Rotorblätter.

Das Fraunhofer-IWES plant nicht, selbst Rotorblätter zu konstruieren. Vielmehr soll Know-how aufgebaut und den Industriepartnern zugänglich gemacht werden.

Projektpartner in Smart Blades 2

  • Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
  • Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES
  • For Wind – Zentrum für Windenergieforschung
  • GE Global Research
  • Henkel AG
  • Nordex Acciona Windpower
  • Senvion
  • SSB Wind Systems – Nidec
  • Suzlon Energy
  • WRD Wobben Research and Development

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