Im Forschungsprojekt Smartblades 2 entwickeln Industrie und Forschungseinrichtungen innovative Technologien für grössere und leistungsstärkere Windkraftanlagen.

Anpassung an die Windverhältnisse
Dreht sich eine grosse Windkraftanlage mit Rotorblättern von 80 Metern Länge und mehr, befindet sich ein Rotorblatt zeitweise fast in Bodennähe und kurze Zeit später in einer Höhe von zirka 200 Metern. Durch die ungleichmässige Windverteilung zwischen Bodennähe und dem oberen Teil der Anlage sind Rotorblätter einer stark schwankenden Windlast ausgesetzt. Dadurch entstehen hohe Belastungen für das Material des Rotorblatts, insbesondere bei Erreichen der Nennleistung der Anlage. Zudem müssen Anlagenbetreiber die Windräder bei starkem Wind drosseln und können die Energie der Luftströmung nicht optimal ausnutzen. Rotorblätter mit einer Biege-Torsionskopplung sind in der Lage, ihre Geometrie selbstständig an die Windverhältnisse anzupassen. Bei höheren Windgeschwindigkeiten verwindet sich das Rotorblatt und bietet dem Wind somit weniger Angriffsfläche, wodurch die Belastungen auf die Anlage reduziert werden können.

Wissenschaftler des DLR-Instituts für Faserverbundleichtbau und Adaptronik haben im Zentrum für Leichtbauproduktionstechnologie (ZLP) am DLR-Standort Stade ein 20 Meter langes Rotorblatt mit einer strukturellen Biege-Torsionskopplung gefertigt. Dabei wurden die Materialien des Blatts (Glasfaserverstärkter Kunststoff, Holz und Kunststoffschaum) so gelegt, dass es sich bei Windlast nicht nur nach hinten biegt, sondern vor allem in sich rotiert. "Durch die innovative Bauweise sind die Rotorblätter flexibler, sie können damit auch leichter und weniger massiv gebaut werden. Gerade bei sehr grossen Windkraftanlagen ist weniger Gewicht ein grosser Vorteil und erleichtert zudem den Transport und die Montage", betont Zhuzhell Montano Rejas, Projektmanagerin Smartblades2 beim DLR-Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik.

Tests unter Extremlast
Die Belastungstests erfolgen ab Dezember auf einem Rotorblattprüfstand beim Fraunhofer IWES in Bremerhaven. Dort wird für die Ermittlung der Blatteigenschaften und des Verformungsverhaltens die Belastbarkeit des Rotorblattes unter Extrem- und Betriebslasten geprüft. Ein besonderes Augenmerk haben die Wissenschaftler darauf, ob sich Biegung und Verwindung (Torsion) des Rotorblatts optimal ergänzen. Für eine genaue Datenerfassung bei den Belastungstests haben die Forscher Messsonden im Inneren des Rotorblatts integriert. Damit können sie die Struktur- und Materialverformungen beobachten. Nachdem eine ausreichende Belastbarkeit nachgewiesen ist, fertigen die Wissenschaftler im kommenden Jahr einen kompletten 3-Blatt-Rotor derselben Grösse, den sie beim amerikanischen Energieforschungsinstitut NREL (National Renewable Energy Laboratory) an einer Freifeld-Windkraftanlage unter realen Belastungs- und Witterungsbedingungen testen.

Projekt Smartblades 2 – Intelligente Rotorblätter
Die Biege-Torsionskopplung ist eine von mehreren Technologien, die im Forschungsprojekt Smartblades 2 weiterentwickelt werden. Insgesamt arbeiten elf Partner aus dem Forschungsverbund Windenergie und der Industrie gemeinsam an innovativen Rotorblättern. Ziel der Forschungsarbeiten sind grössere und effizientere Rotoren, die eine höhere Ausbeute der Windenergie erlauben und die Wettbewerbsfähigkeit deutscher Unternehmen in der Windenergiebranche stärken. Weitere im Projekt untersuchte Technologien sind Hinter- und Vorderkanten von Rotorblättern, die sich aktiv an die aktuelle Windstärke anpassen können. Beide Konzepte kommen aus der Luftfahrt und lassen sich mit den Klappen an Tragflächen von Flugzeugen vergleichen. Zudem arbeiten die Forscher an der Weiterentwicklung ausgewählter Methoden und Technologien sowie am aerodynamischen Verhalten der Rotorblätter und an der Regelung des Gesamtsystems.

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