Fachhochschule Kiel Windkraftanlagen: Optimierte Rotorblätter steigern Leistung um bis zu 4 Prozent

Forscher an der FH Kiel optimierten die aerodynamischen Profile von Rotorblättern von Windkraftanlagen. Hierfür analysierte das Team den Übergangsbereich von Rotorblättern direkt an der Rotornabe.

Beim Design einer Windenergieanlage gilt den Rotorblättern besondere Aufmerksamkeit: Sie wandeln die kinetische Energie des Windes in Rotation um und Generatoren transformieren diese Bewegung dann in Strom. Damit dies optimal funktioniert, erhalten die Rotorblätter ein aerodynamisches Profil – mit Ausnahme der ersten 20 Prozent nahe der Rotornabe. Ihn haben Ingenieure bisher ohne die Berücksichtigung aerodynamischer Gesichtspunkte entwickelt.

Es wäre wirklich bedauerlich, wenn Anlagenhersteller diese Chance zur Ertragssteigerung nicht nutzen würden.

Prof. Dr. Alois Schaffarczyk, Professor für Technische Mechanik und Mathematik an der Fachhochschule Kiel

Ein internationales Forschungsteam an der Fachhochschule Kiel hat nun mit dem Projekt „Entwicklung und Vermessung von sehr dicken aerodynamischen Profilen für Windturbinenblätter“  die aerodynamischen Profile von Rotorblättern optimiert. Hierfür analysierte das Team den Übergangsbereich von Rotorblättern direkt an der Rotornabe. „In diesem Bereich ist der Flügel vergleichsweise dick, was eine kompliziertere Umströmung mit sich bringt“, erklärt Prof. Dr. Alois Schaffarczyk, Professor für Technische Mechanik und Mathematik an der FH Kiel und Projektleiter.

Die Ergebnisse des von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) geförderten Projekts sind vielversprechend: Der Stromertrag von Anlagen der 10-Megawatt-Klasse, die speziell für den Offshore-Bereich konzipiert wurden, könnte um bis zu vier Prozent gesteigert werden.

10-MW-Windkraftanlagen

Ihr Forschungsprojekt führten die Wissenschaftler an einem Blatt der 10-Megawatt-Klasse durch. Diese Windkraftanlagen sind speziell für den Offshore-Einsatz konzipiert und zeichnen sich durch beeindruckende Abmessungen aus: Die Nabenhöhe beträgt über 140 Meter, der Rotordurchmesser liegt bei rund 200 Metern, die Rotorblätter sind über 90 Meter lang. Der vom Team ins Visier genommene Bereich umfasst die inneren 15 Meter des Rotors, und damit eine Fläche von circa 750 Quadratmetern.

Die Forscher entwarfen mehrere geeignete Profile, identifizierten die Vielversprechendsten und simulierten ihr Strömungsverhalten mit sogenannten CFD-Modellen (Computational Fluid Dynamics). Auf Basis dieser Berechnungen verfeinerte das Projektteam das Profil und baute das Blattprofil mit den besten Eigenschaften als reales Modell. Im Großwindkanal der Deutschen WindGuard in Bremerhaven führte das Team aerodynamische Messungen durch.

Die Ergebnisse der Tests sind vielversprechend: Das im Projekt entwickelte aerodynamische Profil ermöglicht einen bis zu vier Prozent höheren Stromertrag. „Das wäre extrem viel“, betont Prof. Dr. Alois Schaffarczyk, „damit könnte der Gewinn maßgeblich gesteigert werden.“

Windenergie

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Aerodynamische Hilfsmittel für weitere weitere Ertragssteigerungen

Zusätzlich berücksichtigte das Projektteam aerodynamische Hilfsmittel wie sogenannte Vortex-Generatoren und Splitterplatten. Beide können im Nachhinein an Rotorblätter angebracht werden, zum Beispiel im Rahmen regulärer Wartungsarbeiten. Sie helfen, den aerodynamischen Wirkungsgrad der Rotorblätter zu optimieren und Strömungsabrisse zu reduzieren.

„Beim Einsatz dieser aerodynamischen Hilfsmittel konnten wir sogar zusätzliche signifikante Veränderungen der Auftriebs- und Widerstandseigenschaften beobachten und damit eine weitere Leistungssteigerung“, erklärt Nicholas Balaresque, Geschäftsführer der Deutschen WindGuard Engineering GmbH in Bremerhaven. „Wir sind überzeugt davon, mit unserem Forschungsprojekt eine wichtige technologische Lücke geschlossen zu haben“, ergänzt Prof. Schaffarczyk. „Es wäre wirklich bedauerlich, wenn Anlagenhersteller diese Chance zur Ertragssteigerung nicht nutzen würden.“