Aerofoils, der Querschnitt von Windturbinenblättern, bilden die Grundlage für das Design der Turbinenblätter. Durch die Erzeugung von Auftrieb und Widerstand während der Bewegung durch die Luft spielen Aerofoils eine Schlüsselrolle bei der Verbesserung der Aerodynamik und der strukturellen Haltbarkeit der Turbinenblätter.
Aerofoils haben sich seit den Anfängen der Windkraftindustrie erheblich weiterentwickelt. In den 1970er Jahren wählten die Konstrukteure Blattformen aus einer Bibliothek von Standard-Aerodynamikflügeln aus der Zeit vor dem Zweiten Weltkrieg, die vom National Advisory Committee for Aeronautics, dem Vorgänger der NASA, für Flugzeugflügel entworfen worden waren.
Anfangs konzentrierten sich die Konstrukteure von Windturbinenblättern auf Schlüsselmerkmale wie Verdrehung und Verjüngung, um die Aerodynamik zu optimieren, die Geschwindigkeit und Effizienz zu erhöhen und gleichzeitig den Luftwiderstand zu verringern. In den 1980er und 1990er Jahren entdeckten die Ingenieure jedoch, dass dies nicht ausreichte und dass Defizite in der Betriebsleistung mit der Effizienz der Tragflächen zusammenhängen könnten.
So stellten die Ingenieure beispielsweise fest, dass die Oberfläche der Flügelvorderkante (die Vorderkante, die zuerst mit der Luft in Berührung kommt) mit der Zeit rauer wurde. Dies war auf Verunreinigungen durch die Ansammlung von Schmutz und Insekten zurückzuführen (ähnlich wie bei einer Autoscheibe ohne Scheibenwischer), aber auch auf kleinere Schäden durch allgemeine Abnutzung und Verschleiß. In den 1980er Jahren führte die Verschmutzung in den ersten Windparks in Kalifornien (Altamont Pass und Palm Springs) dazu, dass die Energieproduktion um bis zu 30 Prozent sank, bis die Techniker die Rotorblätter wuschen – ein erheblicher Arbeitsaufwand in den windreichen und daher profitableren Jahreszeiten.
Windböen übten zusätzlichen Druck auf die Rotorblätter aus, was zu Belastungen führte, die über die vorhergesagten Werte hinausgingen. Dies führte dazu, dass die Blätter ihre Drehung stoppten oder verlangsamten, was wiederum die Effizienz und die Energieproduktion der Windturbine verringerte.
Den Forschern des National Renewable Energy Laboratory (NREL, früher bekannt als Solar Energy Research Institute) wurde klar, dass für eine bessere und zuverlässigere Leistung die Entwicklung neuer, speziell auf Windturbinen zugeschnittener Tragflächen erforderlich war. 1984 gingen die NREL-Forscher mit finanzieller Unterstützung des US-Energieministeriums (DOE) eine Partnerschaft mit Airfoils Inc ein, einem kleinen Unternehmen, das sich auf die Entwicklung von Tragflächen spezialisiert hatte, um diese Probleme zu lösen.
Geschichte der Tragflächen.
1975 Gemeinsames Design.
1970s: Die Konstrukteure wählten die Form der Windturbinenblätter aus einer Bibliothek von Standardflügeln aus der Zeit vor dem Zweiten Weltkrieg aus, die für Flugzeugflügel entworfen worden waren.
1982: Eine neue Vision für Tragflächen.
1980er Jahre: Forscher kommen zu dem Schluss, dass für eine bessere und zuverlässigere Leistung von Windturbinen die Entwicklung neuer, speziell auf diese Anwendungen zugeschnittener Tragflächen erforderlich ist.
1984: Das NREL beginnt mit der Forschung.
NREL-Forscher arbeiten mit Airfoils Inc. zusammen, um die Auswirkungen von Verunreinigungen an der Vorderkante auf die Leistung von Tragflächen zu verringern und ihre aerodynamischen Eigenschaften zu verbessern.
1991 Preisgekrönte Forschung.
Das NREL erhält eine R&D 100 Auszeichnung für seine Arbeit an Tragflächen für Windturbinen.
1994 – 1995 NREL-Patente.
Das NREL erhält in den USA und Europa Patente für seine Tragflächen, was zu 12 kommerziellen Lizenzen zwischen Unternehmen der Branche und dem NREL führt.
1998 Grundlegende Veröffentlichung.
Das NREL veröffentlicht ‘Advanced Airfoils for Wind Turbines’, in dem die entwickelten Tragflächenfamilien vorgestellt werden.
2023 Kontinuierliche Fortschritte.
Die Tragflächenfamilien des NREL sind immer noch im kommerziellen Einsatz. Ihre grundlegenden Entwürfe haben zu vielen anderen Tragflächenfamilien beigetragen.
Die Veränderung der Form der Flügel hat die Effizienz von Windturbinen verbessert.
Die vom DOE unterstützten Designbemühungen zielten darauf ab:
- Verringerung der Auswirkungen von Ablagerungen an der Vorderkante auf die Leistung von Tragflächen.
- Die aerodynamische Leistung von Tragflächen zu verbessern.
NREL und Airfoils Inc. setzten bei der Entwicklung sowohl experimentelle als auch rechnerische Methoden ein. Die experimentelle Methode ermöglichte die Verifizierung der neuen Tragflügeldesigns in sauberen und verschmutzten Versionen. Tests in einem turbulenzarmen Windkanal an der Universität von Delphi in den Niederlanden zeigten, welche Modelle optimiert werden mussten. Auf digitalem Wege erstellten die Forscher zwei- und dreidimensionale Tragflächendesigns, um mögliche funktionale Verbesserungen zu simulieren.
Die experimentellen Messungen und die Entwurfsarbeit zeigten den Forschern, dass:
- Die Vorderkanten der Tragflächen können so eingestellt werden, dass sie weniger empfindlich gegenüber Trümmern sind.
- Die Teile der Flügel, die sich näher an den Enden befinden, erzeugen den größten Teil der Leistung. In diesen Bereichen sollten die Tragflächen so dünn wie möglich sein, um die aerodynamische Effizienz und den Widerstand gegen Verschmutzung zu erhöhen.
- Eine Verbesserung des Designs in der Nähe der Schaufelspitze verbessert die Leistung der Turbine angesichts von Verschmutzung und Rauheit.
Diese Ergebnisse zeigen deutlich, dass für jeden Abschnitt des Windturbinenblattes neue, maßgeschneiderte Tragflächen benötigt werden.
Alle in einer Familie von Tragflächen.
Das Ergebnis dieser Forschung war die erste ‘Tragflächenfamilie’ für Windkraftanlagen. Bei diesen Familien wurden Aspekte des Tragflächendesigns priorisiert, um aerodynamische und strukturelle Anforderungen zu erfüllen.
Mit finanzieller Unterstützung des DOE wurden insgesamt sieben Tragflächenfamilien geschaffen, die Mitte der 1990er Jahre in einer Reihe von Berichten und Patenten überprüft und veröffentlicht wurden. Gemeinsam setzten sie den Standard für die Effizienz bei der Konstruktion von Windturbinenblättern.
Eine Familie von dünnen Tragflächen für mittelgroße Blätter.
Eine Familie von dicken Tragflächen für große Flügel.
Zwei Beispiele für ‘Familien’ von Tragflächen, die vom NREL entwickelt wurden und auf die Aerodynamik und die Bedürfnisse von Windkraftanlagen zugeschnitten sind. Quelle: NREL. 1998. Revidierte 2000 Advanced Airfoils for Wind Turbines.
Seit ihrer Einführung in den frühen 1990er Jahren haben diese vom DOE entwickelten Tragflächen den weltweiten Standard für die Effizienz von Turbinenblättern gesetzt.
Die standardisierten Designs haben zu Auszeichnungen geführt.
Die Windkraftindustrie erkannte schnell die Vorteile der vom NREL entwickelten Tragflächenfamilien. Verunreinigungen beeinträchtigten die aerodynamische Leistung nicht mehr und die Lastanforderungen wurden besser angepasst. Die jährliche Energieproduktion stieg im Vergleich zu den Standardflügeln der 1970er Jahre um 10%-35%.
Diese Erfolge brachten dem Projekt 1991 die prestigeträchtige Auszeichnung R&D World R&D 100 ein.
Das NREL erhielt außerdem fünf Patente in den Vereinigten Staaten für diese Tragflächen sowie zahlreiche entsprechende europäische Patente. Diese Patente haben zu 12 kommerziellen Lizenzen zwischen Unternehmen aus der Industrie und dem NREL geführt.
Aerofoil-Familien noch im Einsatz.
Obwohl die in den frühen 1990er Jahren entworfenen NREL-Flügelfamilien noch immer kommerziell genutzt werden und aktive Industrielizenzen besitzen, haben Fortschritte in der aerodynamischen Modellierung, bei Optimierungsmethoden und anderen Computerdesigntechniken zur Entwicklung neuer Flügelfamilien geführt.
Diese neueren Tragflächen haben von dem Wissen profitiert, das durch das vom DOE finanzierte NREL-Forschungsprogramm gewonnen wurde. Insgesamt haben die Investitionen des DOE in auf Windturbinen zugeschnittene Tragflächen deren Leistung erheblich verbessert und die Kosten für Windenergie in der gesamten Branche gesenkt.
Quellen:
https://www.energy.gov/eere/wind/articles/airfoils-where-turbine-meets-wind
https://pl.wikipedia.org/wiki/Turbina_wiatrowa
https://pl.wikipedia.org/wiki/Elektrownia_wiatrowa
https://pl.wikipedia.org/wiki/Energia_wiatru