Wissenschaftler*innen der Jade Hochschule und der Universität Oldenburg untersuchen das Verhalten von Windkraftanlagen in turbulenten Windströmungen. Um die Verformungen von rotierenden Rotorblättern zu untersuchen, wurden nun verschiedene Messtechniken erfolgreich miteinander kombiniert. Das Projekt TurbuMetric wird vom Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) gefördert.
Durch turbulente Windströmungen wirken permanent unterschiedlichste Kräfte auf Windkraftanlagen. Diese führen zu häufigen Lastwechseln und damit zu ungewollten Materialermüdungen und Beschädigungen, die zu einer Verkürzung der Laufzeit oder ungeplanten Wartungsarbeiten führen. Um ein besseres Verständnis über das Zusammenspiel von Blattverformungen und Windströmungen im laufenden Betrieb zu gewinnen, wurden nun erstmals kombinierte Experimente im Turbulenzwindkanal durchgeführt. „Bei dieser interdisziplinären Forschungsarbeit im Turbulenzwindkanal werden Strömungsmesstechniken und optische Deformationsmesstechniken miteinander fusioniert, woraus sich umfassende Informationen über die Kopplungen ergeben“ erklärt Prof. Dr. Thomas Luhmann.
Die Experimente fanden im Turbulenzwindkanal der Universität Oldenburg statt, der das kontrollierte Erzeugen von unterschiedlichen turbulenten Windsituationen ermöglicht. Als Windenergieanlagemodell wird eine dreiblättrige Modellanlage verwendet, die eine Blattlänge von 90 cm aufweist. Damit die aerodynamischen Eigenschaften mit denen realer Anlagen übereinstimmen, rotiert die Anlage mit bis zu 480 Umdrehungen pro Minute. Daher können nur hochdynamische Messsysteme für die Beobachtung eingesetzt werden, erläutert Dr. Gerd Gülker von ForWind am Institut für Physik, der das Teilprojekt auf der Universitätsseite leitet. Des Weiteren dürfen während der Experimente sowohl die Windströmung als auch die Blattgeometrie nicht durch taktile Messsysteme verändert werden, da dies sonst die Ergebnisse verfälscht, ergänzt Gülker.
Die Wissenschaftler*innen setzen daher ein Highspeed-Stereo PIV (Particle Imaging Velocimetry) System für die berührungslose Erfassung der blattumliegenden Windströmung ein. Durch den Abgleich dieser Daten mit der Einströmung, welche mittels Laser-Doppler-Anemometrie (LDA) gewonnen wurde, können die Auswirkungen der turbulenten Windströmung auf die Anlage ermittelt werden. Diese Informationen werden mit den Daten eines Highspeed-Photogrammetrie-Systems kombiniert, welches flächenhafte Informationen über die auftretenden Verformungen ermittelt. Hierfür wurde ein Messkonzept entwickelt, welches die Oberfläche hochgenau und mit einer Objektauflösung von bis zu 0.5 mm dreidimensional rekonstruiert.
Durch die räumlich und zeitlich kombinierte Betrachtung der Einzelergebnisse können die Forscher*innen neue Erkenntnisse über das komplexe Zusammenspiel von Wind und Rotorblatt gewinnen und damit neue Strategien zur Lastenminimierung in turbulenten Windströmungen vorschlagen. Weitere Informationen sind unter www.turbumetric.de zu finden.
Bildquelle: Lars Kröger, ForWind, Universität Oldenburg; Text: Jade Hochschule Wilhelmshaven/Oldenburg/Elsfleth