Promotionsstipendium: Dr. Ulf-Carsten Ehlert

Steigerung der aerodynamischen Effizienz von Windkraftanlagen durch den Einsatz adaptiver Struktursysteme

Steigerung der aerodynamischen Effizienz von Windkraftanlagen durch den Einsatz adaptiver StruktursyDie Arbeit fĂŒhrt zwei junge Zweige der Ingenieurwissenschaften zusammen, die sich beide durch ein hohes Maß an InterdisziplinaritĂ€t auszeichnen: die Adaptronik einerseits und die Technik der Windenergienutzung andererseits. Gegenstand der Untersuchung ist die Frage, inwieweit eine Steigerung der JahresenergieertrĂ€ge von Windkraftanlagen bei gegebenem Standort und Rotordurchmesser mit den Mitteln der Adaptronik erreicht werden kann. Dazu werden zwei Konzepte betrachtet, die durch eine aktive elastische Verformung die adaptive Gestaltkontrolle fĂŒr die RotorblĂ€tter ermöglichen. WĂ€hrend die adaptive Verwindung eine Anpassung der Blattgestalt ohne Änderung der Querschnittsform erlaubt, ist die adaptive Verwölbung gerade durch die Anpassung der Profile des Rotorblattes gekennzeichnet.ZunĂ€chst wird ein strukturmechanisches Konzept fĂŒr die adaptive Verwindung entwickelt und auf den Rotor des gewĂ€hlten Anlagentyps angepasst. Der resultierende axiale Verwindungsverlauf wird an einem vereinfachten Rotorblattmodell experimentell ermittelt. ZusĂ€tzlich werden Kriterien fĂŒr die optimale Anströmung des Rotors entwickelt. Daraus werden zusammen mit dem axialen Verwindungsverlauf die aerodynamischen Anforderungen an die adaptive Verwindung hergeleitet. Selbst unter idealen Bedingungen bewirkt die adaptive Verwindung nur eine geringfĂŒgige Steigerung der EnergieertrĂ€ge, welche die technische Realisierung des Konzeptes nicht rechtfertigen kann. Die Ergebnisse zeigen jedoch deutlich dessen Potential zur weitreichenden Beeinflussung der axialen Rotorlasten.Das Konzept der adaptiven Verwölbung zielt auf eine VerĂ€nderung der aerodynamischen Profile des Rotors wĂ€hrend der Anlagenbetriebes ab. Dieses Konzept wird zunĂ€chst aus strukturmechanischer Sicht in einer Parameterstudie auf seine wesentlichen EinflussgrĂ¶ĂŸen untersucht. Die rechnerischen Ergebnisse werden mittels eines Rotorblattmodells experimentell verifiziert. Auf Basis der qualitativen Messergebnisse werden anschließend in aerodynamischen Berechnungen die quantitativen Anforderungen an die adaptive Verwölbung hergeleitet. Diese können jedoch mit den heute verfĂŒgbaren multifunktionalen Werkstoffen nicht erfĂŒllt werden. Dennoch zeigt auch dieses Konzept einen erheblichen Einfluss auf die axialen Lasten des Rotors.Die Ergebnisse können fĂŒr beide Konzepte nicht die in sie gesetzten Erwartungen erfĂŒllen. Die gewonnenen Erkenntnisse können jedoch ĂŒber die hier betrachtete Zielsetzung hinaus weiterfĂŒhrend zur Reduzierung der axialen Lasten genutzt werden, welche fĂŒr alle wesentlichen Anlagenkomponenten auslegungsrelevant sind. Entsprechend wird im Ausblick diese Möglichkeit zur FortfĂŒhrung der Arbeit diskutiert.

AZ: 06000/312

Zeitraum

01.12.1996 - 30.11.1999

Institut

Deutsche Forschungsanstalt fĂŒr Luft- und Raumfahrt e. V. Institut fĂŒr Strukturmechanik

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Betreuer

Prof. Dr. Elmar Breitbach