Windenergieanlagen

Intelligentes Rotorblatt reagiert auf Windstärken

| Redakteur: Katharina Juschkat

Gewöhnliche Rotorblätter reagieren sehr langsam auf wechselnde Windstärken. Bei zu starkem Wind drehen Anlagenbetriebter deshalb die Rotorblätter komplett aus dem Wind heraus.
Gewöhnliche Rotorblätter reagieren sehr langsam auf wechselnde Windstärken. Bei zu starkem Wind drehen Anlagenbetriebter deshalb die Rotorblätter komplett aus dem Wind heraus. (Bild: gemeinfrei / CC0)

Das Fraunhofer IWES hat im Projekt „Smart Blades“ Rotorblätter entwickelt, die durch eine neue Biegetorsions-Kopplung in der Lage sind, auf hohe Schwankungen der Windstärken besser zu reagieren. Damit sollen unter anderem Stillstände bei starkem Wind verhindert werden.

Der Anteil der Windenergie am Gesamtstrom steigt: Mehr als 28.000 Windenergieanlagen mit einer Gesamtleistung von 50 GW sind derzeit in Deutschland in Betrieb. Das entspricht einem Anteil von 12,3 Prozent an der gesamten deutschen Stromproduktion im Jahr 2016. Mit diesen Leistungsdaten steht die deutsche Windenergiebranche auf Platz eins in Europa, wie die Zahlen des Bundesverbands Windenergie belegen.

Probleme haben Windenergieanlagen aber noch bei schwankendem Winddruck. Damit sie effizienter laufen, forscht das Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme IWES in Bremerhaven derzeit an verbesserten Rotorblättern. Im Verbundprojekt „Smart Blades“ untersuchen die Wissenschaftler am Konzept der Biegetorsions-Kopplung (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.

Neues Rotorblatt kann starken Böen „ausweichen“

Die Rotorblätter aktueller Windenergieanlagen reagieren sehr langsam auf wechselnde Windstärken. Ein Rotorblatt mit einer Länge von bis zu 85 Metern beschreibt eine Kreisfläche von 22.670 m² – so groß wie der Petersplatz in Rom. 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 wiederum führt zu langen Standzeiten, in denen kein Strom erzeugt wird.

Das im Projekt entwickelte Rotor-Blatt verfügt über eine Vorkrümmung, die Blattspitze ist in Rotationsrichtung etwas nach hinten verschoben. Der IWES-Technologiekoordinator Dr. Elia Daniele erklärt: „Das 20 m 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.“ Das reduziert die Kräfte, die auf das Blatt und letztlich die ganze Anlage einwirken. Damit kann das Gesamtgewicht einer neuen Windenergieanlage verringert werden, 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.

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Ermüdungstests prüfen Tauglichkeit nach 20 Betriebsjahren

Um das neue Design zu testen, werden mehrere Wochen lang statische und dynamische Tests im Rotorblattprüfstand des Fraunhofer IWES in Bremerhaven durchgeführt. Der Prüfingenieur Dipl.-Ing. Tobias Rissmann erklärt die Herausforderung der Tests: „Der Aufbau für den Torsionstest des Rotorblattes ähnelt zwar dem konventionellen Szenario der statischen Prüfung, erfordert aber einen höheren Aufwand für die exakte Messung der zusätzlichen Verformung.“ 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, sogenannter Ermüdungstests, werden die Belastungen eines kompletten Rotorblattlebens von 20 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 (NREL) montiert. Die dann folgenden Messungen, durchgeführt von Fraunhofer-Forschern, sollen zeigen, ob die passive Verdrehung auch im praktischen Betrieb unter freiem Himmel funktioniert wie erwartet.

Das Fraunhofer IWES plant nach erfolgreichen Tests 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.

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