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SmartBlades - Entwicklung und Konstruktion intelligenter Rotorblätter

 

Um den Ausbau der Windenergie zu fördern und die Wettbewerbsfähigkeit dieser Branche sicherzustellen, müssen die Energieerzeugungskosten gesenkt und innovative Konzepte in die Windbranche eingeführt werden. Daher werden WEA mit immer größeren Rotoren ausgerüstet, um einerseits Offshore möglichst viel Energie erwirtschaften zu können und andererseits Onshore bei kleineren Windgeschwindigkeiten in den Nennleistungsbereich zu kommen.

 

Große Rotoren führen jedoch zu neuen technischen Herausforderungen: So steigt die Leistung einer WEA mit der zweiten Potenz der Rotorblattlänge, die Masse eines Rotorblatts aber mit der dritten Potenz seiner Länge. Die Folge ist ein Ungleichgewicht aus Last- und Leistungs-Steigerung. Außerdem sind große Rotoren höheren lokalen Turbulenzen ausgesetzt, das höhere lokale und globale Lasten in den Rotorblättern bewirkt. Klassische Pitch-Systeme sind bei sehr langen Rotorblättern zu träge und zu unpräzise, um einerseits schnell und robust genug auf globale Veränderungen, und andererseits überhaupt auf lokale Veränderungen reagieren zu können.

Abhilfe versprechen dafür Technologien, die es den einzelnen Blättern ermöglichen, sich selbst auf die lokalen Windgegebenheiten einzustellen - sogenannten Smart Blades. Dabei sind drei grundlegende Konzepte zu unterscheiden:

 

1. Passive Smartblades

Die passiven Smartblades können sich bei einer Änderung der dynamischen Last nicht nur biegen, sondern sich auch um ihre eigene Achse verdrillen. Durch diese Eigenschaft kann der Anströmwinkel verändert und der Laständerung entgegengewirkt werden. Diese Technologie ist einer kommerziellen Nutzung am nächsten und soll im Forschungsprojekt bis zur Erstellung kompletter Konstruktionsunterlagen für die Blattherstellung entwickelt werden. In einem Folgeprojekt soll dann die Demonstration an einer Forschungswindenergieanlage erfolgen.

 

2. Aktive Smartblades mit aktiven Hinterkanten

Bei dieser Technologie besteht vor allem im Bereich der Aktuatorik und der Ankopplung der aktiven Systeme an das Blatt noch hoher Forschungsbedarf. Ziel auch für diese Technologie ist es, einen Blattsatz bauen und testen zu können. Dafür werden im Rahmen des laufenden Projektes Komponententests und Arbeiten zur Blattauslegung durchgeführt.

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Die SmartBlades2-Rotorblätter werden an der Testanlage in Colorado installiert. (Bild: L. J. Fingersh, NREL 54225)

SmartBlades2-Projekt: Feldmesskampagne in Colorado

Die Federführung der Messkampagne lag beim Fraunhofer IWES. Um die Verformungen, Beschleunigungen und Beanspruchungen der Blätter zu erfassen, setze das IWES mehrere spezielle Messsysteme ein, welche Messungen über die gesamte Blattlänge erlauben. Die Umströmung der Rotorblätter an der Oberfläche wurde z. B. mit einem aerodynamischen Messsystem erfasst. Dies berichtete Dr. Christian Kress vom Fraunhofer IWES als Leiter der Messkampagne.

Im Inneren der Rotorblätter wurde mit unterschiedlichen Systemen von DLR, IWES und SSB Wind Systems gemessen, wie stark sich die Blätter bei Windlast verbiegen und verwinden. Auch die von NREL zur Verfügung gestellte Testturbine war mit umfangreicher Messtechnik ausgestattet.

Im Nachgang werden die Messergebnisse mit Daten zu den Windverhältnissen korreliert, die NREL-Systeme und ein Spinner-LIDAR (LIght Detection And Ranging)-Messgerät des Zentrums für Windenergieforschung (ForWind) der Universität Oldenburg erfasst wurden. Mit einem Laser scannte das Spinner-LIDAR einen Ausschnitt des Windfeldes vor oder hinter der Testanlage. Wie ForWind-Wissenschaftler Prof. Dr. Martin Kühn dazu berichtete kann das Spinner-LIDAR in einem solchen Ausschnitt jede Sekunde über 300 Punkten messen. Dadurch können sowohl die Windgeschwindigkeiten, die Windrichtungen, die vertikalen Windscherungen als auch die lokalen Turbulenzen erfasst werden - und das in einer so hohen räumlichen Auflösung, wie es mit herkömmlichen Lidar-Messgeräten nicht möglich ist.

 

Unterschiedliche Belastungsszenarien

Der Abgleich des von den Sensoren gemessenen Strukturverhaltens mit den Winddaten wird zeigen, ob die entwickelten Rotorblätter das gewünschte Verhalten aufweisen. Zu Anfang der Messkampagne wurde das einströmende Windfeld gemessen, am Ende die Nachlaufströmung hinter der WEA, um den Einfluss der Anlage auf die Strömung besser verstehen zu können. Bei der dreiblättrigen Controls Advanced Research Turbine (CART3) von NREL, anders als bei einer für die kommerzielle Stromerzeugung genutzten Anlage, konnten die Wissenschaftler verschiedene Untersuchungsszenarien durchführen, zum Beispiel abrupte Abbremsvorgänge des Rotors.

Die Windbedingungen am Standort am Rande der Rocky Mountains reichen im Winter von sehr niedrigen bis zu sehr hohen und böigen Windgeschwindigkeiten. Somit konnten die Forscher die SmartBlades2-Rotorblätter unter vielfältigen Umgebungsbedingungen erproben. Auch die US-Projektpartner begrüßten es daher, die neuen Rotorblätter an unserer Forschungsturbine am NWTC validieren zu können. Auch diese für die SmartBlades2-Messkampagne verantwortlichen NREL-Partner waren sehr daran interessiert herauszufinden, wie sich diese mit Biege-Torsionskopplung ausgelegten Rotorblätter in der Praxis unter realen Bedingungen verhalten.

 

Quelle: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR, www.dlr.de

Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme IWES, www.iwes.fraunhofer.de

Bearbeitung: Wolfgang Klinker. Klinker@industry-focus.info

Die Fertigung von Rotorblättern mit Biege-Torsionskopplung

 

• DLR-Energieforscher haben ein erstes innovatives Rotorblatt (SmartBlade) gebaut, das sich durch eine Biege-Torsionskopplung (BTK) an die Windverhältnisse anpassen kann.

• Das Rotorblatt wurde beim Fraunhofer Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) in Bremerhaven auf die Belastbarkeit getestet.

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Feldmesskampagne für SmartBlades2 an Windkraftanlage in Colorado: Drei innovative, zwanzig m lange Rotorblätter des SmartBlades2-Projekts wurden im US-Bundesstaat Colorado bei Wind und Wetter untersucht. Dafür wurden die vom Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme entworfenen und vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt gebauten Rotorblätter erfolgreich an einer Testanlage des National Renewable Energy Laboratory des amerikanischen Energieministeriums installiert. 

© DLR / IWES

3. Aktive Vorflügel bzw. Smartblades mit aktiven Vorderkanten

Fundamentale Forschungsaktivitäten sind im Bereich der adaptiven Vorflügel oder aktiven Vorderkanten nötig. Allerdings wird für diese Technologie ein hohes Potenzial angegeben, so dass sich die Aktivitäten lohnen. Im Gegensatz zu den vorherigen Technologien wird diese nur bis zum Windkanalversuch erforscht.

Rotorblätter mit Biege-Torsionskopplung

Drei innovative 20 m lange Rotorblätter des SmartBlades2-Projekts wurden vier Monate in Boulder, Colorado (USA), bei Wind und Wetter untersucht. Dafür wurden die vom Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme (IWES) entworfenen und vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) gebauten Rotorblätter erfolgreich an einer Testanlage des US-Forschungsinstitutes National Renewable Energy Laboratory (NREL) des Amerikanischen Energieministeriums (DOE) im National Wind Technology Center (NWTC) installiert.

Die Messkampagne sollte unter anderem klären, wie gut die mit einer Biege-Torsionskopplung konstruierten Rotorblätter in der Lage sind, Spitzenlasten bei stark wechselhafter Windstärke effektiv zu reduzieren. Die Messergebnisse dienen als Grundlage für die Weiterentwicklung von intelligenten Rotorblättern. Das Projekt SmartBlades2 wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert und vom Forschungsverbund Windenergie mit den Partnern DLR, IWES und ForWind sowie den Industriepartnern GE, Henkel, Nordex Acciona, SSB Wind Systems, Suzlon, Senvion und WRD Wobben Research and Development durchgeführt.

 

Erste Bewährungsprobe bei Wind und Wetter

Mit einer Biege-Torsionskopplung ausgestattete Rotorblätter können sich selbstständig an die Windverhältnisse anpassen: Bei höheren Windgeschwindigkeiten verwindet sich das Rotorblatt und bietet dem Wind somit weniger Angriffsfläche. Dadurch werden die Belastungen auf die Anlage reduziert und die Lebensdauer der Rotorblätter erhöht. Um das aeroelastische Verhalten der neu entwickelten Blätter in der Messkampagne vollständig zu erfassen, wurde bereits bei der Fertigung im DLR-Zentrum für Leichtbauproduktionstechnologie (ZLP) in Stade von den Partnern speziell entwickelte Messtechnik in die Blätter integriert.

Diese Messkampagne wurde zur ersten Bewährungsprobe der Entwicklungen. Die Forscher und Entwickler waren sehr gespannt, wie sich die Rotorblätter in diesem Freifeldtest verhalten werden. Das berichtete das SmartBlades2-Projektmanagement vom DLR-Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik. Die im Projekttest gewonnenen Erkenntnisse sollen in die Verbesserung von Simulationsmodellen für WEA der nächsten Generation eingehen.

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Projekt SmartBlades2

Durch die Messkampagne erwarten die Partner des BMWi- geförderten Projektes SmartBlades2 aussagekräftige Ergebnisse zum Verhalten der neuen Rotorblätter. Die Validierungsaufgaben begannen mit der Datenauswertung bereits während der Messungen und werden bis zum Projektende im Herbst 2019 fortgeführt. Das Projekt unterstützt die Industrie bei der Weiterentwicklung von Rotorblättern mit Biege-Torsionskopplung und soll den Weg für die Einführung dieser Technologie ebnen.

Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) fördert das Projekt SmartBlades2 mit 15,4 Mio. € Gesamtprojektvolumen. Die beteiligten Partner sind:

• Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

• Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES

• ForWind – Zentrum für Windenergieforschung

• GE Global Research

• Henkel AG & Co. KGaA

• Nordex Acciona Windpower

• Senvion

• SSB Wind Systems GmbH & Co. KG – Nidec

• Suzlon Energy Ltd.

• WRD Wobben Research and Development GmbH

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