Teststand für Windenergieanlagen Wetter- und Klimaeinflüsse auf Rotorblätter simulieren und analysieren

Rotorblätter von Windenergieanlagen besser vor äußeren Einflüssen wie Witterung, Klima und UV-Licht zu schützen und langlebiger zu machen, ist das Ziel des Forschungsprojekts Regenerosion an Rotorblättern. Dazu haben Wissenschaftler aus Bremerhaven nach eigenen Angaben einen Teststand entwickelt, auf dem sie einen Probenkörper realen Wetter- und Klimabedingungen aussetzen können.

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Mit Witterung, Klima und UV-Licht müssen Rotorblätter von Windrädern täglich extremen äußeren Einflüssen trotzen. Spezielle Schutzschichten, die auf das gesamte Blatt oder insbesondere auf die Vorderkanten aufgetragen werden, sollen die Lebensdauer der Blätter verlängern. Doch auch diese Kantenschutzsysteme (LEP, Leading Edge Protection System) können beispielsweise durch Kollisionen mit Regentropfen, Sand- oder Hagelkörnern, die mit hohen Geschwindigkeiten auf die Oberflächen auftreffen, Eisansatz, UV-Einstrahlung oder auch Temperaturschwankungen schleichend beschädigt werden.

Grundlegende Mechanismen der Regenerosion untersuchen

Welche Faktoren mit welchem Ausmaß an dieser sogenannten Regenerosion beteiligt sind, das untersuchen Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) in Bremerhaven. Kern des Forschungsprojekts Regenerosion an Rotorblättern war die Entwicklung eines geeigneten Teststands, auf dem realistische Wetter- und Klimabedingungen erzeugt werden. Ziel ist es, grundlegende Mechanismen und Schadensverläufe dieses nicht linearen Erosionsprozesses nachzuvollziehen und Empfehlungen für Materialien und Beschichtungen abgeben zu können, um den Schutz für die Rotorblätter zu erhöhen und die Wirtschaftlichkeit der Anlagen zu verbessern.

Analyse mit hochauflösenden Scannern und Photoelektronenspektroskopie

Der Teststand nun ist 4,5 m hoch und besteht aus einer stahlverstärkten Betonhülle. Oben erzeugt ein Regengenerator Wassertropfen in der Größe zwischen 1 und 5 mm und mit einer Wassermenge zwischen 6 und 24 l/min. In der Anlage rotiert ein Probenkörper mit einem Durchmesser von 2,8 m bei variablen Geschwindigkeiten bis 600 km/h. Das Wasser wird nach dem Aufprall auf den Probenkörper gesammelt, von der Probe erodiertes Material wird ausgefiltert. Für die Schadensanalyse kommen verschiedenen hochauflösende Scanner mit automatischer Bildauswertung sowie die Photoelektronenspektroskopie zum Einsatz

Die Wetter- und Klimasimulationen beruhen auf Daten, die über sechs Jahre lang an drei ausgewählten Standorten erhoben wurden. Damit sollen reale Jahreszyklen und charakteristische Bedingungen für Standorte offshore, an der Küste und im Mittelgebirge nachgestellt werden können, zu denen auch die Auswirkungen einer Vereisung oder, und das ist nach Aussage der Wissenschaftler weltweit einmalig, die Lasten im Wechsel Eis-Regen-Eis gehören.

Erste Ergebnisse erkennbar

Erste Untersuchungen lieferten bereits erste zu beobachtende Tendenzen, wie die BINE-Projektinfo 14/2017 des BINE Informationsdiensts berichtet: Bei gleicher Wassermenge verursachen größere Tropfen stärkere Schäden als kleinere und die Auswirkungen verstärken sich bei höheren Geschwindigkeiten. Je länger die Proben vorab UV-Licht ausgesetzt sind, umso schneller breiten sich die Schäden aus. Zudem waren bei härteren Materialien größere Schadensbilder als bei weicheren zu beobachten. Diese Differenz nimmt mit wachsender Geschwindigkeit zu.

Messverfahren und Bewertungsmethoden sollen in den kommenden Jahren weiterentwickelt werden.

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