Steigerung der Jahresenergieausbeute von Windkraftanlagen durch den Einsatz adaptiver Struktursysteme

Kurzfassung

Die Adaptronik als interdisziplinäres Forschungs- und Entwicklungsgebiet eröffnet völlig neuartige Möglichkeiten, Leichtbaustrukturen den jeweiligen Randbedingungen aktiv anzupassen. Dafür werden multifunktionale Materialien wie z.B. Piezoelektrika, Magnetostriktiva und Formgedächtnislegierungen als hochintegrierte Werkstoffsysteme strukturkonform in Leichtbaukomponenten integriert und mittels einer adaptiven digitalen Signalverarbeitung zu einem adaptiven Struktursystem vereint. Diese Technologie erlaubt u.a. - aktive Gestaltänderung und Positionsregelung sowie - aktive Schwingungs- und Lärmunterdrückung. Im Flugzeug- und Helikopterbau sind bereits adaptive Systeme in der Entwicklung, die durch Anpassung der Profilgeometrie eine gezielte Änderung der aerodynamischen Eigenschaften gestatten. Angewendet auf WKA erlauben diese Konzepte die Realisierung von Rotorblättern, deren Verwindung entlang der Blattachse differenziert werden kann, um so erheblich besser auf Windgeschwindigkeitsänderungen reagieren zu können, als dies bisher durch eine Pitchregelung allein möglich ist. Eine solche adaptive Verwindung ermöglicht zusammen mit einer starren Verwindung und einer Pitchregelung - die Erhöhung der abgegebenen Leistung unterhalb der Nennwindgeschwindigkeit und gleichzeitig - die Herabsetzung der Anfahrwindgeschwindigkeit. Erste überschlägige Berechnungen versprechen eine Steigerung des Jahresenergieertrages in der Größenordnung von 10%. Um dieses ehrgeiziges Ziel zu verwirklichen, muß bei vorgegebener Aerodynamik und Länge eines Rotorblattes - eine leistungsfähige Verwindungsaktuatorik in dessen Struktur integriert und zusammen mit - der vorhandenen Sensorik für Rotordrehzahl, Windgeschwindigkeit und -richtung sowie - einer der Betriebsführung unterstellten adaptiven Regelung zu einem autarken, selbstoptimierenden System vereint werden. Das Hauptaugenmerk dieser Arbeiten liegt auf der Entwicklung der Verwindungsaktuatorik, die die nötigen Verwindungsänderungen ermöglicht und dabei gleichzeitig die lasttragende Funktion übernimmt. Im Rahmen dieses Beitrages werden zunächst adaptive Struktursysteme allgemein vorgestellt. Darauf aufbauend werden der Nutzen und die Umsetzung dieser Technologie für WKA mit Schwerpunkt auf der Steigerung der Jahresenergieausbeute durch eine adaptive Verwindung dargestellt. Abschließend werden als weitere Einsatzgebiete die Entlastung der Struktur sowie die Minimierung der Lärmabstrahlung von WKA präsentiert.