Wie wirken Turbulenzen auf Windturbinen?

Ein Forschungsteam der Universität Oldenburg, des ICM – Institut Chemnitzer Maschinen- und Anlagenbau und des Herstellers Nordex hat ein neues Modell zur realistischeren Beschreibung von Belastungen auf Windenergieanlagen entwickelt. Das teilt die Universität Oldenburg mit. 

Rotoren von Offshore-Windkraftanlagen können heute Durchmesser von mehr als 200 Metern erreichen. Mit der Größe aber steigen die mechanischen Belastungen: inhomogene Windfelder und Turbulenzen wirken auf die Bauteile. Die dadurch verursachten Verformungen lassen das Material ermüden, wodurch Risse oder sogar Brüche entstehen können.

Bisherige Modelle gehen vereinfachend davon aus, dass Windböen gleichmäßig auf die gesamte Rotorfläche wirken. Diese Annahme erweist sich den Forschenden zufolge aber insbesondere für große Anlagen als unzureichend. Sie gehen davon aus, dass kleinräumige Turbulenzen entscheidend für Verformungen und daraus resultierende Schäden sind und schlagen in drei Publikationen ein neues Maß für die Wirkung lokaler Böen vor.

Belastungsmessung anhand des Druckschwerpunktes

Die Belastung beschreiben sie anhand des sogenannten Druckschwerpunktes. „Ist die Windströmung gleichmäßig, liegt der Druckschwerpunkt genau in der Mitte der Rotorfläche“, erklärt Prof. Dr. Joachim Peinke vom Zentrum für Windenergieforschung – Forwind, dem gemeinsamen Zentrum für Windenergieforschung der Universitäten Oldenburg, Hannover und Bremen. Erfasse jedoch eine Windböe nur einen Teil der Rotorfläche, bewege sich der Druckschwerpunkt vom Zentrum weg, wodurch sich die Rotorblätter dort stärker verbiegen und ein Drehmoment auf die Gondel der Anlage entstehe.

Die neu entwickelte Methode basiert auf der Kombination historischer Messdaten aus dem in den 1980er Jahren durchgeführten „GROWIAN“-Projekt mit aktuellen Betriebsdaten moderner Anlagen. Daraus rekonstruierten die Forschenden Windfelder und führten aeroelastische Simulationen durch, die Strömung und Strukturverformung gekoppelt abbilden. Ergänzend validierten sie den Ansatz mit numerischen Strömungssimulationen. 

Da hochaufgelöste Simulationen nur begrenzte Zeiträume abdecken können, entwickelten die Forschenden zusätzlich ein stochastisches Modell des Druckschwerpunkts. Dieses soll Langzeitsimulationen über mehrere Jahre ermöglichen und damit die Auslegung von Anlagen verbessern. 

Die Ergebnisse zeigen auch Defizite bestehender Steuerungssysteme: Starke Belastungsereignisse bei Verschiebung des Druckschwerpunkts in den äußeren Rotorbereich werden derzeit nicht erfasst. Künftige Regelstrategien könnten hier ansetzen, um Lastspitzen zu reduzieren. Auch für die Auslegung von Windenergieanlagen können die Erkenntnisse relevant sein, da sie Unsicherheiten in der Lebensdauerabschätzung verringern können. 

Die Arbeiten entstanden im Projekt PASTA (Präzise Auslegungsmethoden von komplex gekoppelten Schwingungssystemen moderner WEA in turbulenter Anregung), das über dreieinhalb Jahre vom Bundeswirtschaftsministerium gefördert wurde.