Smarte Rotorblätter für Windkraft

Windkraft Smartblades

Rotorblätter von Windenergieanlagen werden vielfältig und stark belastet – sie verschleißen entsprechend. Techniker suchen nach Wegen, die Blätter größer, leichter und haltbarer machen. Eine Lösung: Smarte Rotorblätter, die sich lokalen Gegebenheiten anpassen.  

Bis zu 85 Meter lang sind die Rotorblätter und drehen sich in über 200 Metern Höhe. Durchmesser und Einsatzhöhe ermöglichen eine größere Energiegewinnung. Der Nachteil: Das überproportional steigende Eigengewicht der Rotorblätter beansprucht einen großen Teil ihrer Festigkeit. Wiederkehrende Belastungen wie Windböen wirken dadurch stärker auf die Lebensdauer der Blätter, die früher ersetzt werden müssen. Forscher suchen nach Wegen, diese Belastungen zu reduzieren.

Eine Lösung wären Rotorblätter, die ihre Geometrie bezüglich Lastreduktion und Ertragssteigerung an die lokalen Windeinwirkungen anpassen können – Smart Blades. Gemeinsam mit dem Fraunhofer IWES und ForWind, dem Zentrum für Windenergieforschung der Universitäten Oldenburg, Hannover und Bremen, hat das DLR-Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik im Projekt Smart Blades die Wirkung dieser Technologien im Forschungsverband Windenergie (FVWE) untersucht.

Drei Schlüsseltechnologien für Rotorblätter

Das Ergebnis waren drei Schlüsseltechnologien für neuartige Rotorblätter, die nun weiter untersucht und entwickelt werden. Die Smart Blades arbeiten mit aktiven oder passiven Technologien. Einzelne Rotorblätter können sich dadurch auf die jeweiligen Windgegebenheiten einstellen.

Der passive Ansatz arbeitet allein mit den Windkräften. So verdreht sich bspw. ein Rotorblatt bei starkem Wind und bietet dem Wind weniger Angriffsfläche – die sog. Biege-Torsionskopplung.

Als eine der aktiven Lösungen untersuchten die Wissenschaftler einen beweglichen Vorflügel am Rotorblatt. Der Flügel kann die Effizienz von Windenergieanlagen unter stark schwankenden turbulenten Windbedingungen verbessern. Mit dem Mechanismus kann ein Rotorblatt in einem größeren Windgeschwindigkeitsbereich optimal genutzt werden, indem er besser auf die jeweiligen Strömungsverhältnisse reagieren kann.

Aerodynamische Steuerung aus der Luftfahrt

Bei der zweiten aktiven Technologie liegt das Augenmerk der DLR-Forscher auf den Mechanismen, die die Hinterkanten eines Rotorblattes verändern. Die Hinterkante verfügt über eigene Antriebe und Motoren, die durch mehrfache Ausschläge pro Sekunde direkt auf Böen reagieren und so Schwingungen ausgleichen können. Unterschiedlichen Belastungen und Biegemomente der Blätter werden dadurch reduziert. Die Idee der aerodynamischen Steuerung an der Hinterkante kommt aus der Luftfahrt, wo sie bei Rudern zur Steuerung von Flugzeugen verwendet wird.

Die Forscher haben ein Modell eines Rotorblattes mit einer aktiven Hinterklappenkante von zwei Metern Spannweite gebaut. Es besteht aus einer flexiblen Glasfaserstruktur, die durch Servomotoren in verschiedene Positionen gebracht werden kann. Die nötige Spaltfreiheit wurde erreicht, indem Gummiabdeckungen sowohl große Verformungen zulassen, als auch das Bauteil abdichten. Andernfalls könnten Wasser, Staub, Dreck und Insekten eindringen und die Klappe beschädigen.

Im September 2017 soll dieses Rotorblatt in einer Testanlage in Dänemark Schleuderversuchen ausgesetzt werden. Die Funktion des Mechanismus werden im Betrieb und bei einer Fliehkraft bis zum Dreißigfachen der Erdanziehung (30G) getestet. Außerdem wollen die Forscher überprüfen, inwieweit die Aerodynamik des Rotorblattsegmentes und die Schwingungsdynamik der Versuchsanlage beeinflusst werden können. Dafür ist das Versuchsmodell mit einer Vielzahl an Messsensorik ausgestattet.

Bild: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)