Mehr Ausbeute bei Windparks durch nachträglich optimierte Rotorblätter

Windräder verschenken immer noch viel Energie. Durch Optimierung der Rotorblätter im Bereich der Nabe lässt sich die Ausbeute um bis zu 4 % steigern. Bei Wartungsarbeiten könnten entsprechende Vorrichtungen installiert werden.

Es ist eine Frage der Aerodynamik: Ein Team der FH Kiel hat die Gestaltung von Rotorblättern genauer untersucht. Ergebnis: Speziell im Übergangsbereich nahe der Nabe wurden die Rotoren bisher kaum optimiert. Die Forschenden entwickelten daraufhin neue Profile, die sich nachträglich an den Rotorblättern anbringen lassen. Diese verbessern den Wirkungsgrad – bei Anlagen der 10-MW-Klasse seien Ertragssteigerungen von bis zu 4 % möglich, heißt es aus Kiel. Für die Betreiber von Offshore-Windkraftanlagen könnte sich das also richtig lohnen.

Beim Design der Rotorblätter geht es vor allem um ein aerodynamisches Profil, mit Ausnahme der ersten 20 % nahe der Rotornabe. Diesen Bereich haben Ingenieurinnen und Ingenieure bisher ohne die Berücksichtigung aerodynamischer Gesichtspunkte entwickelt. „In diesem Bereich ist der Flügel vergleichsweise dick, was eine kompliziertere Umströmung mit sich bringt“, erklärt Projektleiter Alois Schaffarczyk von der FH Kiel. Im Forschungsprojekt „Entwicklung und Vermessung von sehr dicken aerodynamischen Profilen für Windturbinenblätter“ experimentierte er mit Änderungen des Profils im sogenannten Übergangsbereich von Rotorblättern. Mit von der Partie waren Zhong-Xia Wang, Gastwissenschaftler aus Beijing, und Brandon Lobo, Doktorand aus Indien.

Pro 10-MW-Anlage geht es um ca. 750 m² umstrichene Fläche

Sie forschten gemeinsam an einem Blatt der 10-MW-Klasse. Solche speziell für Offshore-Anwendungen konzipierte Windkraftanlagen haben eine Nabenhöhe von über 140 m. Der Rotordurchmesser liegt bei rund 200 m, die Rotorblätter sind über 90 m lang. Genauer unter die Lupe genommen haben die Kieler Forschenden den Bereich der an der Nabe anliegenden 15 m des Rotors, und damit eine umstrichene Fläche von rund 750 m².

Die Forscher entwarfen mehrere Profile und simulierten ihr Strömungsverhalten. Das Modell mit den besten Eigenschaften wurde dann tatsächlich gebaut, mit Unterstützung der Rendsburger Aerovide GmbH. Die Deutsche Windguard Engineering GmbH begleitete den Prozess und brachte ihr Know-how aus Untersuchungen an Rotorblättern im Freifeld und im Windkanal ein. Messungen wurden in deren Großwindkanal in Bremerhaven durchgeführt.

Verschiedene Modelle für die Strömungssimulation entworfen

Zusätzlich berücksichtigte das Projektteam aerodynamische Hilfsmittel wie sogenannte Vortex-Generatoren und Splitterplatten. Diese lassen sich nachträglich an den Rotoren anbringen. „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 Alois Schaffarczyk. „Es wäre wirklich bedauerlich, wenn Anlagenhersteller diese Chance zur Ertragssteigerung nicht nutzen würden.“