Steigerung der aerodynamischen Effizienz von Windkraftanlagen durch den Einsatz adaptiver Struktursysteme

Stipendiatin/Stipendiat: Dr. Ulf-Carsten Ehlert

Die Arbeit führt zwei junge Zweige der Ingenieurwissenschaften zusammen, die sich beide durch ein hohes Maß an Interdisziplinarität auszeichnen: die Adaptronik einerseits und die Technik der Windenergienutzung andererseits. Gegenstand der Untersuchung ist die Frage, inwieweit eine Steigerung der Jahresenergieerträge 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 für die Rotorblätter ermöglichen. Während 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.Zunächst wird ein strukturmechanisches Konzept für die adaptive Verwindung entwickelt und auf den Rotor des gewählten Anlagentyps angepasst. Der resultierende axiale Verwindungsverlauf wird an einem vereinfachten Rotorblattmodell experimentell ermittelt. Zusätzlich werden Kriterien für 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 geringfügige Steigerung der Energieerträge, 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 Veränderung der aerodynamischen Profile des Rotors während der Anlagenbetriebes ab. Dieses Konzept wird zunächst aus strukturmechanischer Sicht in einer Parameterstudie auf seine wesentlichen Einflussgrößen 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 verfügbaren multifunktionalen Werkstoffen nicht erfüllt werden. Dennoch zeigt auch dieses Konzept einen erheblichen Einfluss auf die axialen Lasten des Rotors.Die Ergebnisse können für beide Konzepte nicht die in sie gesetzten Erwartungen erfüllen. Die gewonnenen Erkenntnisse können jedoch über die hier betrachtete Zielsetzung hinaus weiterführend zur Reduzierung der axialen Lasten genutzt werden, welche für alle wesentlichen Anlagenkomponenten auslegungsrelevant sind. Entsprechend wird im Ausblick diese Möglichkeit zur Fortführung der Arbeit diskutiert.

Förderzeitraum:
01.12.1996 - 30.11.1999

Institut:
Deutsche Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt e.V. Institut für Strukturmechanik

Betreuer:
Prof. Dr.-Ing. Elmar Breitbach

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