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Göttinger DLR-Forscher arbeiten an Windkraftanlagen der Zukunft

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Von: Thomas Kopietz

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Wissenschaftler vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) aus Göttingen und Braunschweig arbeiten am „Rotorblatt der Zukunft“.
Wissenschaftler vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) aus Göttingen und Braunschweig arbeiten am „Rotorblatt der Zukunft“ für Windkraftanlagen. Die Flügel haben sie zu Forschungszwecken – auch innen – mit 1500 Sensoren bestückt. Am Ende sollen die Anlagen leistungsfähiger und sicherer sein. © DLR/nh

An Windkraftanlagen der Zukunft arbeiten Göttinger DLR-Forscher. Die Rotorblätter sollen mit Sensoren ausgestattet werden.

Göttingen – Die Windkraft ist einer der Energieträger der Zukunft. Forscher am Deutschen Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR) in Göttingen arbeiten daran, die bis zu 70 Meter langen und 15 bis 20 Tonnen schweren Flügel größer und doch leichter, die Anlagen somit effizienter im Betrieb zu machen.

Nervensystem für Sensoren für Windräder

Bald werden sie erstmals auch an stehenden Anlagen forschen. Ziel ist das „Rotorblatt der Zukunft“, das auch noch weitaus sicherer sein soll. Und: Die Windräder sollen auch wetterfühlig werden, auf Änderungen, wie Böen reagieren können. Dafür sorgt ein Nervensystem aus Sensoren.

Die Messungen sollen im DLR-Forschungspark Windenergie WiValdi in Krummendeich ab Herbst 2022 laufen. Jüngst haben auch Wissenschaftler der DLR-Institute für Aeroelastik (Göttingen) sowie Faserverbundleichtbau und Adaptronik (Braunschweig) die Produktion von sechs Rotorblättern für zwei Windenergieanlagen des Forschungsparks begleitet.

1500 Sensoren für die 57 Meter langen Rotorblätter

Im portugiesischen Werk des Industriepartners Enercon rüstete das 30-köpfige Team die 57 Meter langen Blätter mit 1500 Sensoren aus, implementierten quasi das Nervensystem des Blattes. Das wird Daten und Infos sammeln – von der Blattspitze bis zur Blattwurzel. Erstmals können das Schwingungs- und Belastungsverhalten sowie die Aerodynamik und Statik im Realmaßstab und Betrieb untersucht werden.

Das ist notwendig, wie Dr. Yves Govers vom DLR und Leiter des Arbeitpaketes sagt: „Wenn man große und leichte Blätter hat, werden diese sehr elastisch und flexibel. Sie biegen sich unter Windlast durch. Damit sind neue technische Herausforderungen verbunden, die man sich genau anschauen muss.“ Die Blätter können sich mehrere Meter durchbiegen und sich zudem dabei verdrehen.

Sensoren melden die Probleme

Die Sensoren überwachen auch das gesamte System Rotorblatt und geben Hinweise, wo ein Problem auftreten könnte. Im Inneren der Rotorblätter sind elektrische und optische Sensoren verbaut. Sie messen auch die Beschleunigung an unterschiedlichen Stellen und ermöglichen Aussagen über das Schwingungsverhalten. Faseroptische Dehnungssensoren, die mit Lasertechnologie arbeiten, zeichnen die wirkenden Belastungen auf.

Ein Netzwerk aus piezoelektrischen Wandlern empfängt und sendet Ultraschallsignale und kann entstehende Schäden im Rotorblatt erkennen.

Weitere Kameras im Umfeld der Windenergieanlagen blicken von außen auf die Blätter, die mit Punkten lackiert wurden.

Ein Schiff liefert die mit Sensoren gespickten Rotorblätter.
Werden in Forschungswindpark montiert: Die mit Sensoren gespickten Rotorblätter für Windkraftanlagen wurden per Schiff von Portugal nach Bremerhaven gebracht. © DLR/nh

Diese aufwändige Technik und Erforschung ist unerlässlich. Denn mit immer längeren Blättern und Anlagen entstehen laut DLR-Forscher auch neue Effekte: So können sich Schwingungen der Rotorblätter gegenseitig verstärken und die Stabilität der Anlage beeinflussen. Das Sensoren-Nervensystem wird auch diesbezüglich neue, wertvolle Daten sammeln.

„Dieses Wissen hilft Forschung und Industrie dabei, genauere Vorhersagen zu treffen sowie noch leichter und stabiler zu bauen“, sagtGovers. Die Daten helfen auch, die Regelung der Daten zu verbessern. Deshalb sollen die Anlagen sensibler werden, sich abhängig von Belastungen, wie bei starken Böen, regeln, reagieren: Spezielle Motoren drehen an der Blattwurzel das Rotorblatt und diese aus dem Wind, verkleinern so den Winkel, in dem der Wind auf das Blatt trifft. Folge: Es wird weniger belastet. Ziel ist, dass die Anlagen sehr kurzfristig und flexibel auf lokale Wetterbedingungen reagieren können.

Auch zwei hintereinanderstehende Windenergieanlagen – wie im Forschungspark des DLR – sind eine Herausforderung für die Regelungstechnik. Yves Govers: „Die zweite Anlage steht im Nachlauf der ersten. Das heißt, sie bekommt die verwirbelte Luft der ersten Anlage ab.

Deshalb wollen wir herausfinden, wie die zweite Anlage gesteuert werden muss, damit sie trotzdem möglichst viel Strom produziert und materialschonend betrieben werden kann.“ Wie bedeutend diese Steuerung ist, zeigt, dass in Parks bis zu 100 Windräder stehen, die sich gegenseitig beeinflussen.

Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Göttingen und Institut für Aeroelastik

Das Wissensgebiet der Aeroelastik umfasst die physikalischen Vorgänge, die an umströmten, elastischen Strukturen aufgrund der Wechselwirkung von aerodynamischen und elastomechanischen Kräften entstehen.

Insbesondere bei hochelastischen Strukturen und hohen Strömungsgeschwindigkeiten wie zum Beispiel bei Flugzeugen kann diese Wechselwirkung zu Flattern und Lastüberschreitungen und damit zu gefährlichen Konsequenzen führen.

Die wichtigste Aufgabenstellung in der Aeroelastik besteht darin, diese Strukturen durch Verwendung geeigneter Methoden und Technologien betriebssicher zu gestalten. Das DLR-Institut für Aeroelastik forscht auf den Gebieten Strukturdynamik, instationäre Aerodynamik, aeroelastische Stabilität und dynamische Lasten.

Das heutige DLR-Institut geht auf die AVA Abteilung für Instationäre Vorgänge und das 1939 gegründete gleichnamige Institut in Göttingen zurück. Es wurde 1957 als Abteilung für Aeroelastizität wieder gegründet und nach Übergang der AVA in die DFVLR 1972 zum Institut für Aeroelastik.

(Thomas Kopietz)

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