Veränderung des Anstellwinkels des Rotorblattes an der Modellwindturbine
Foto: Janneke Mertens-Fabian

Vom Winde verweht

TLDR:

Ich war zu Gast im großen Oldenburger Windkanal und habe mich mit wissenschaftlichen Mitarbeitern von ForWind getroffen. Mit den Erkenntnissen aus ihren Forschungen wollen sie dazu beitragen, Windenergieanlagen so zu optimieren, dass die Belastungen vor allem auf die Blätter verringert werden. Dies verlängert die Lebensdauer und lässt die Kosten für Windstrom sinken.

Lesedauer: 7 min Kategorie: Windenergie Datum: 15. April 2020

Heute durfte ich mir mal ein bisschen frischen Wind um die Nase wehen lassen, denn ich war zu Gast im großen Oldenburger Windkanal. Getroffen habe ich mich mit Dr. Vlaho Petrović, Apostolos Langidis und Lars Neuhaus von ForWind, dem Zentrum für Windenergieforschung der Universitäten Oldenburg, Hannover und Bremen, sowie Michael Sinner, Doktorand an der University of Colorado Boulder, USA, der gerade über einen DAAD geförderten Austausch für gemeinsame Experimente in Oldenburg war. Vlaho und Apostolos haben mir im Detail von ihren Forschungen erzählt. Vlaho ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Physik und beschäftigt sich im Rahmen seiner Forschung mit der Steuerung von Windenergieanlagen. Apostolos entwickelt und testet im Rahmen seiner Doktorarbeit innovative Rotorblätter für Windenergieanlagen. Mit den Erkenntnissen aus ihren Forschungen wollen die beiden dazu beitragen, die Anlagen so zu optimieren, dass die Belastungen vor allem auf die Blätter verringert werden. Dies verlängert die Lebensdauer der einzelnen Komponenten und somit der gesamten Windenergieranlage und macht Windstrom kostengünstiger.

Als Erstes bekam ich eine Führung durch den Windkanal:

Oldenburger Windkanal revolutioniert die Windenergieforschung

Das WindLab in Oldenburg wurde 2017 als Labor für Turbulenz- und Windenergiesystem-Forschung eröffnet. Ziel ist die Sicherstellung einer nachhaltigen Energieversorgung, durch eine Effizienzsteigerung der Anlagen sowie eine technische und finanzielle Risikominimierung. Im WindLab befindet sich neben Büro-, Seminar- und Laborräumen auch der große Oldenburger Windkanal mit einer Messstrecke von 30 Metern. Der Vorteil des Windkanals besteht darin, dass dort Windfelder simuliert werden können, wie sie auch in der Natur vorkommen, und sie unter kontrollierten Bedingungen reproduzierbar sind. Vier Ventilatoren erzeugen Windgeschwindigkeiten bis zu 150 Stundenkilometer. Mit dem sogenannten „aktiven Gitter“ können Wissenschaftler_innen turbulente Strömungen erzeugen: Auf 80 einzeln ansteuerbaren Wellen sind insgesamt knapp 1.000 rautenförmige Aluminiumflügel angebracht. Die Metallplättchen versperren gezielt begrenzte Bereiche der Windkanaldüse und erzeugen so Turbulenzen. Die Kombination des aktiven Gitters mit einem Windkanal dieser Größe macht den ForWind-Kanal einzigartig. Mit Hilfe des Gitters können die Wissenschaftler_innen komplexe atmosphärische Windfelder auf die Dimensionen des Windkanals herunterskalieren (eine Minute draußen entspricht etwa einer Sekunde im Windkanal) und so charakteristische Eigenschaften eines realen Windfeldes im Windkanal nachbilden, wie zum Beispiel verschiedene Arten von turbulenten Strömungen, Windscherung und Böen. Ziel der Forschenden ist es, diese Strömungen und ihre Auswirkungen auf Komponenten von Windenergieanlagen besser zu verstehen. Zudem entwickeln und prüfen sie neuartige Regelungskonzepte, um Turbulenzeffekte besser kompensieren zu können.

Geschlossene Messstrecke im Windkanal bei ForWind
Foto: J. Puczylowski, ForWind, Universität Oldenburg

Kurz notiert: Das Gitter wird über einen Computer gesteuert – für jedes Windprofil gibt es ein anderes Protokoll. So können Experimente unter immer wieder gleichen Bedingungen ablaufen, um unterschiedliche Einstellungen an der Windenergieanlage zu testen.

Das Video zeigt das aktive Gitter, mit dem sich im großen Oldenburg Windkanal turbulente Strömungen erzeugen lassen.

Video: ForWind, Universität Oldenburg

Auch Vlaho Petrović geht es in seiner Forschung um die Lastreduzierung und Entwicklung neuer Regelungskonzepte der Windenergieanlage, speziell durch die Einstellung der Rotorblätter, fachlich auch die individuelle Pitch-Control genannt. Damit ich das überhaupt verstehen konnte, musste ich erst einmal lernen, wie so eine Windenergieanlage funktioniert. Das hat mir Apostolos Langidis erklärt:

Warum drehen sich die Blätter der Windenergieanlage überhaupt?

Der Antrieb eines Windrades funktioniert ähnlich wie das Fliegen eines Flugzeuges anhand des Auftriebsprinzip, dem sogenannten Bernoulli-Effekt. Der Schweizer Arzt, Physiker und Mathematiker Daniel Bernoulli entdeckte dieses Prinzip schon 1738. In seinem damals erschienen Buch „Hydrodynamica“ geht es um die Strömungsforschung (vor allem um die Strömung in Flüssigkeiten, aber die Strömungen in der Luft verhalten sich entsprechend). Die Rotorblätter der Windenergieanlage sind ähnlich wie die Flügel eines Flugzeuges geformt. Sie haben auf der oberen Seite eine stärkere Wölbung als auf der unteren Seite. Die Luft auf der Oberseite muss dadurch einen weiteren Weg zurücklegen und strömt schneller als auf der Unterseite, dadurch herrscht unter dem Flügel ein höherer Druck. Aus diesen Druckunterschieden auf den beiden Flügelseiten resultiert dann eine nach oben gerichtete Auftriebskraft. Sobald sich der Rotor der Anlage dreht, sind die Flügel zusätzlichen Luftverwirbelungen und damit enormen Lasten ausgesetzt, die durch die vorlaufenden Flügel entstehen. Für eine Optimierung und Entlastung der Rotorblätter können deren Winkeleinstellungen individuell (Individual Pitch Control) verändert werden.

Weitreichendere Informationen zum Bernoulli-Effekt und der Physik des Fliegens:

https://www.dlr.de/next/desktopdefault.aspx/tabid-6621/10878_read-24681/

https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/lift1.html

Aus Druckunterschieden auf beiden Flügelseiten resultiert eine nach oben gerichtete Auftriebskraft
Foto: Janneke Mertens-Fabian

Entlastung der Turbine durch individuelle Veränderung des Anstellwinkels

Heutige Windenergieanlagen sind aufgrund ihrer zunehmenden Größe immer größeren mechanischen Belastungen ausgesetzt, was zu häufigen Wartungs- und Reparaturarbeiten führen und ihre Lebensdauer verringern kann. Daher ist die Verringerung dieser Belastungen eines der Hauptziele in der Forschung zu modernen Steuerungssystemen. Vlaho Petrović möchte das Standard-Steuerungssystem um neue Algorithmen erweitern und dadurch das Regelungssystem des individuellen Pitchens der Blätter verbessern. Dazu untersucht er die Belastung einzelner Punkte auf den Blättern. Ihn interessiert, wo die Kraft am stärksten wirkt und was mit den Lasten passiert, wenn wir den Anstellwinkel verändern. Entscheidend dafür ist nicht nur die Windgeschwindigkeit, sondern er berechnet und berücksichtigt auch erstmals die Verwirbelungen am Blatt, verursacht durch den vorlaufenden Flügel. In dem Projekt arbeiten Physiker und Ingenieure zusammen.

Neben der individuellen Pitch-Kontrolle implementiert und validiert Vlaho auch die sogenannte „Vorsteuerung“. Das bedeutet, dass die Anlage ergänzend zu bisherigen Konstruktionen besser auf Änderungen von Windrichtung und -geschwindigkeiten reagieren kann und so die Lasten reduziert und die Leistung maximiert. Derzeitige Anlagen messen die Windbedingungen normalerweise hinter dem Rotor. Nachteil ist, dass dort die Messungen schon durch den Rotor beeinflusst werden und mit einer Zeitverzögerung einhergehen. Somit können diese Werte nur begrenzt vom Regler verwendet werden. Die Anlage reagiert also nicht direkt auf Änderungen von der Windgeschwindigkeit, sondern auf die durch den Wind verursachten Änderungen, wie zum Beispiel Änderungen von Rotordrehzahl, Leistung oder Lasten. Im Windkanal hat das Forschungsteam einen Weg gefunden, Windgeschwindigkeiten schon vor dem Rotor zu messen und diese Information an die Regelung zu senden. So können bei Windveränderungen die Pitchwinkel eingestellt werden, bevor der Wind auf die Blätter trifft. Das nennt man Vorsteuerung – man reagiert also schon vor der Störung und kann sie dadurch besser kompensieren. Dies reduziert natürlich die Lasten am Rotorblatt selbst.

Lastreduktion der Rotorblätter für höhere Lebensdauer

Auch Apostolos beschäftigt sich mit der Entlastung der Windenergieanlage, durch Veränderung des Designs oder neuen Materialien. Sein Forschungsthema ist die Wechselwirkung zwischen turbulenter Strömung und den rotierenden Windturbinenblättern. Er misst die Lasten an unterschiedlichen Stellen des Blattes und interessiert sich dafür, wie sich die Strömung des Windes am Blatt verhält und dieses möglicherweise sogar verformt. Um diese Phänomene zu untersuchen, führt er Experimente mit der Modellwindturbine MoWiTO 1.8 (siehe Bild) im großen Windkanal durch. Mit diesem Wissen lassen sich Maßnahmen zur Reduktion der Lasten oder auch zum Neudesign der Rotorblätter ableiten. Ein Satz neuartiger aeroelastischer Rotorblätter ist derzeit im Bau. Sie sind für MoWiTO skaliert und werden in naher Zukunft angebracht, um das Verhalten der Blätter unter turbulenten Bedingungen im Experiment testen zu können. Dies geschieht in einem gemeinsamen Forschungsprojekt der Universität Oldenburg und der Jade Hochschule, „TurbuMetric“, über das wir hier auf ForschungsNotizen.de noch berichten werden.

Apostolos Langidis erklärt mir seine aktuelle Forschung am Modell
Foto: Innovative Hochschule Jade-Oldenburg

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