Projekt 27118/01

Untersuchung von Möglichkeiten zur Verbesserung der Energieproduktion bestehender Windenergieanlagen durch Rotorblattmodifizierungen – Phase 1: Grundlagenuntersuchunge

Projektträger

Deutsche WindGuard Engineering GmbH
Oldenburger Str. 65
26316 Varel
Telefon: 0 44 51/95 15-12

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Zurzeit sind in Deutschland etwa 20.000 MW an Windenergieanlagen älterer Bauweise installiert. Diese Anlagen haben Rotorblattprofile aus der Flugzeugindustrie. Die Optimierung dieser Profile wurde lange Zeit vernachlässigt. Dieses Projekt will auf Basis von Untersuchungen im Windkanal Methoden entwickeln, um diese Rotorblätter im Rahmen von Reparaturen zu optimieren. Durch eine solche aerodynamische Optimierung können im Idealfall Ertragsverbesserungen von 5% erreicht werden. Entsprechend erhöht sich der Beitrag jeder einzelnen Windenergieanlage zum Klimaschutz. Vor allem für ältere Anlagen, die nicht für ein Repowering in Frage kommen, wäre eine solche Optimierung sehr sinnvoll. Es besteht hier ein deutliches Potenzial für eine Steigerung der Stromerträge aus Windenergie ohne einen Neuzubau zu generieren.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZunächst wurde ein gebrauchtes Rotorblatt im Windkanal der Deutschen WindGuard Engineering aerodynamisch vermessen, um den Ist-Zustand zu ermitteln. Anschließend wurde eine Dynamic Stall Vermessung im Windkanal der Universität Oldenburg vorgenommen, der für diese Untersuchungen besonders geeignet ist. Damit wurde das Potenzial für eine Optimierung im Bereich der Stall-Effekte bestimmt. Im Windkanal der Deutschen WindGuard wurde im Anschluss der Ist-Zustand der akustischen Eigenschaften des Profils festgestellt. Nachdem der Ist-Zustand von der Universität Oldenburg und der Deutschen WindGuard ermittelt wurde, wurden nun verschiedene Möglichkeiten zur Optimierung der Profile entwickelt. Die entsprechenden Überlegungen wurden dann durch CFD-Simulationen von der FH Kiel überprüft. Die Ergebnisse dieser aerodynamischen Berechnungen wurden in Zusammenarbeit mit Deutsche WindGuard Offshore im Hinblick auf die veränderten Baulasten geprüft. In Kombination mit einer kurzen Wirtschaftlichkeitsschätzung wurde geprüft, welche Maßnahmen sinnvoll umsetzbar sind. In einer zu beantragenden zweiten Projektphase sollen sie weiter entwickelt werden.


Ergebnisse und Diskussion

Nach der Geometrievermessung an fünf Stellen eines gebrauchten LM 37.3p Rotorblatts im Ist-Zustand, wurden Modelle für die aerodynamische Optimierung erstellt. Insgesamt wurden sieben Profile für Wind-kanaluntersuchungen gebaut. Parallel wurde ein numerisches 3D-Modell des gesamten Rotorblattes er-stellt. Die ersten Windkanalmessungen zeigten sehr gute Werte, was eine Grund-Modifikation der Profil-geometrie unnötig machte. Es wurde daher beschlossen, mittels aerodynamischer Hilfsmittel die aerody-namischen Eigenschaften der Rotorblattsegmente zu verbessern. Die Windkanalmessungen zeigten, dass die vorhandenen aerodynamischen Hilfsmittel nicht optimal platziert sind. Die numerische Simulati-on zeigte, dass es speziell im Rottorblattinnenbereich noch Optimierungspotenzial gibt. Auch im mittleren Rotorblattbereich sowie im Transitionsbereich ist Potenzial für Ertragssteigerungen vorhanden. Im Rahmen einer Lasten- und Kostenabschätzung wurden diejenigen Maßnahmen zur Weiterentwicklung im Rahmen einer zweiten Projektphase ausgewählt, die diesbezüglich am Erfolgversprechendsten erscheinen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

- Woche der Umwelt (05.-06.06.2012)
- Vortrag „vorbildlicher Umweltschutz“ (22.11.2011)
- Vortrag innerhalb der Vortragsreihe „Bionik“ der Hochschule Bremen (11.06.2013)
- Vortrag auf der DFMRS Tagung „Windenergie“ (07.11.2013)


Fazit

Die erste Phase des Projektes zeigt, dass die ausgewählten Arbeitsmethoden geeignet sind, um unbe-kannte, gebrauchte Rotorblätter im Hinblick auf eine Ertragssteigerung zu optimieren. Die gewählten Mo-difikationen sind direkt vor Ort im Rahmen von Reparaturarbeiten implementierbar, mit entsprechender Kostenersparnis im Vergleich zu Abbau und Remontage von Rotorblättern. Damit bietet sich Betreibern älterer Windenergieanlagen ein Anreiz zur Optimierung ihrer Anlagen, die durch ihre verbesserte Effizienz wiederum den individuellen Beitrag zum Klimaschutz erhöhen.

In einer zweiten Projektphase müssten die Effekte der ausgewählten aerodynamischen Hilfsmittel detail-liert analysiert werden. Dafür wird zur Ertragssteigerung der Transitions- und Mittelbereich sowie der Ro-torblattinnenbereich in den Fokus genommen, der Rotorblattaußenbereich wiederum bietet das größte Potenzial für eine akustische Optimierung. Zur besseren Determination der Auswirkungen von aerody-namischen Hilfsmitteln in den äußeren 2/3 des Rotorblattes werden hauptsächlich Windkanalmessungen genutzt. Für die Simulation des Rotorblattes als Ganzes – mit speziellem Fokus auf den Rotorblattinnen-bereich (z.B. Spoiler oder Grenzschichtzäune) – werden erneut CFD-Simulationen notwendig sein, da hier die Windkanalmessungen nicht genügend Informationen liefern können.