Prof. Dr. Alois Schaffarczyk in seinem Büro an der FH Kiel.  © N. Be­cker
Prof. Schaf­f­ar­c­zyk hat in sei­nem letz­ten For­schungs­pro­jekt an der FH Kiel die ae­ro­dy­na­mi­schen Pro­fi­le von Ro­tor­blätt­tern op­ti­miert.

FH Kiel op­ti­miert Ro­tor­blät­ter für Mega-Wind­kraft­an­la­gen

von Frau­ke Schä­fer

Ein in­ter­na­tio­na­les For­schungs­team an der Fach­hoch­schu­le (FH) Kiel hat die ae­ro­dy­na­mi­schen Pro­fi­le von Ro­tor­blät­tern von Mega-Wind­kraft­an­la­gen op­ti­miert. Hier­für ana­ly­sier­te das Team den Über­gangs­be­reich von Ro­tor­blät­tern di­rekt an der Ro­torna­be, der bis­lang nicht nach ae­ro­dy­na­mi­schen Ge­sichts­punk­ten ent­wor­fen wird. Die Er­geb­nis­se des von der Deut­schen Bun­des­stif­tung Um­welt (DBU) mit rund 230.000 Euro ge­för­der­ten Pro­jekts sind viel­ver­spre­chend: Der Stromertrag von An­la­gen der 10-Me­ga­wat­klas­se, die spe­zi­ell für den Off­shore-Be­reich kon­zi­piert wur­den, könn­te um bis zu vier Pro­zent ge­stei­gert wer­den.

Die Wind­kraft ist eine wich­ti­ge Säule der En­er­gie­wen­de. Mit 32 Pro­zent des pro­du­zier­ten Stroms im Jahr 2023 leis­tet sie einen wich­ti­gen Bei­trag zur Si­che­rung der Strom­ver­sor­gung. Beim De­sign der Wind­ener­gie­an­la­gen gilt den Ro­tor­blät­tern be­son­de­re Auf­merk­sam­keit: Sie wan­deln die ki­ne­ti­sche En­er­gie des Win­des in Ro­ta­ti­on um; Ge­ne­ra­to­ren trans­for­mie­ren diese Be­we­gung in Strom. Damit dies op­ti­mal funk­tio­niert, er­hal­ten die Ro­tor­blät­ter ein ae­ro­dy­na­mi­sches Pro­fil, mit Aus­nah­me der ers­ten 20 Pro­zent nahe der Ro­torna­be. Ihn haben In­ge­nieur*innen bis­her ohne die Be­rück­sich­ti­gung ae­ro­dy­na­mi­scher Ge­sichts­punk­te ent­wi­ckelt. „In die­sem Be­reich ist der Flü­gel ver­gleichs­wei­se dick, was eine kom­pli­zier­te­re Um­strö­mung mit sich bringt“, er­klärt Pro­jekt­lei­ter Prof. Dr. Alois Schaf­f­ar­c­zyk.

Ansicht mehrerer Windkraftanlagen©J. Oel­ker
Wind­kraft­an­la­gen wer­den immer grö­ßer und leis­tungs­stär­ker: Diese Wind­kraft­an­la­gen auf dem Test­ge­län­de Øste­rild in Nord­jüt­land haben eine Nenn­leis­tung von bis zu 15 Me­ga­watt, der Rotor einen Durch­mes­ser von 222 Me­tern. Die An­la­ge hat 2022 einen Welt­re­kord

Ae­ro­dy­na­mi­sche Her­aus­for­de­run­gen im Über­gangs­be­reich

Schaf­f­ar­c­zyk hat sich als Pro­fes­sor für Tech­ni­sche Me­cha­nik und Ma­the­ma­tik drei Jahr­zehn­te lang an der FH Kiel mit Wind­kraft­an­la­gen und deren Op­ti­mie­rung be­fasst. Das For­schungs­pro­jekt „Ent­wick­lung und Ver­mes­sung von sehr di­cken ae­ro­dy­na­mi­schen Pro­fi­len für Wind­tur­bi­nen­blät­ter“ war sein letz­tes Pro­jekt als FH-Pro­fes­sor. Schaf­f­ar­c­zyk woll­te her­aus­fin­den, was pas­siert, wenn man das Pro­fil des so­ge­nann­ten Über­gangs­be­reichs des Ro­tor­blat­tes ae­ro­dy­na­misch aus­legt. Un­ter­stützt wurde er dabei von Zhong-Xia Wang (Gast­wis­sen­schaft­ler aus Bei­jing, China) und Bran­don Lobo (Dok­to­rand aus In­di­en).

Ihr For­schungs­pro­jekt führ­ten die Wis­sen­schaft­ler an einem ge­ne­ri­schen Blatt der 10-Me­ga­watt­klas­se 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 um­stri­che­ne Flä­che von ca. 750 Qua­drat­me­tern.

Viel­ver­spre­chen­de Er­geb­nis­se für Off­shore-Wind­kraft­an­la­gen

Die For­scher ent­war­fen meh­re­re ge­eig­ne­te Pro­fi­le, iden­ti­fi­zier­ten die Viel­ver­spre­chends­ten und si­mu­lier­ten ihr Strö­mungs­ver­hal­ten mit so­ge­nann­ten CFD-Mo­del­len. Auf Basis die­ser Be­rech­nun­gen ver­fei­ner­te das Pro­jekt­team das Pro­fil und baute das Blatt­pro­fil mit den bes­ten Ei­gen­schaf­ten als rea­les Mo­dell. Beim Bau des Mo­dells un­ter­stütz­te die Rends­bur­ger AE­RO­VI­DE GmbH. Die Deut­sche Wind­Guard En­gi­nee­ring GmbH be­glei­te­te die ge­sam­ten Ent­wick­lungs­pro­zes­se und brach­te ihr Know-how aus Un­ter­su­chun­gen an Ro­tor­blät­tern im Frei­feld und im Wind­ka­nal ein. 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.“

Wei­te­re Er­trags­stei­ge­rung durch ae­ro­dy­na­mi­sche Hilfs­mit­tel

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.“

Die Er­geb­nis­se des For­schungs­pro­jekts sind open-ac­cess in einer wis­sen­schaft­li­chen Pu­bli­ka­ti­on https://​www.​mdpi.​com/​2674-​032X/​4/​3/​10 ein­seh­bar.

Hin­ter­grund

Das For­schungs­pro­jekt „Ent­wick­lung und Ver­mes­sung von sehr di­cken ae­ro­dy­na­mi­schen Pro­fi­len für Wind­tur­bi­nen­blät­ter“ wurde von der Deut­schen Bun­des­stif­tung Um­welt mit einer
För­der­sum­me von 234.699 Euro fi­nan­ziert.
Pro­jekt­lei­ter: Prof. Dr. Alois Schaf­f­ar­c­zyk (FH Kiel)
Ko­or­di­na­tor: For­schungs- und Ent­wick­lungs­zen­trum Fach­hoch­schu­le Kiel GmbH
Ko­ope­ra­ti­ons­part­ner: Fach­hoch­schu­le Kiel | Deut­sche Wind­guard GmbH | AE­RO­VI­DE GmbH

 

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