Forschung zielt darauf ab, die Effizienz von Windkraftanlagen zu steigern

Ein Meilenstein in der Geschichte der erneuerbaren Energien war das Jahr 2008, als in den Vereinigten Staaten mehr neue Windkraftanlagen als neue Kohlekraftwerke hinzukamen. Die Kosten für die Stromerzeugung mit Windturbinen sinken weiter, aber viele Ingenieure sind der Meinung, dass das Gesamtdesign der Turbinen noch lange nicht optimal ist.

Neue Ideen zur Steigerung der Effizienz von Windkraftanlagen wurden kürzlich auf dem Treffen der American Physical Society Division of Fluid Dynamics in Long Beach, Kalifornien, vorgestellt.

Ein Thema bei der Effizienz der Windenergie ist der Wind selbst – insbesondere seine Wandelbarkeit. Die aerodynamische Leistung einer Windkraftanlage ist bei konstanter Windströmung am besten, und die Effizienz der Rotorblätter verschlechtert sich, wenn sie Bedingungen wie Windböen, turbulenter Strömung, stromaufwärts gelegenen Turbinennachlauf und Windscherung ausgesetzt ist.

Jetzt kann eine neuartige Luftströmungstechnologie bald die Effizienz großer Windkraftanlagen bei vielen verschiedenen Windbedingungen erhöhen.

Die Forscher der Syracuse University, Guannan Wang, Basman El Hadidi, Jakub Walczak, Mark Glauser und Hiroshi Higuchi, testen mit Unterstützung des U.S. Department of Energy durch das University of Minnesota Wind Energy Consortium neue, auf intelligenten Systemen basierende aktive Strömungssteuerungsmethoden. Der Ansatz schätzt die Strömungsbedingungen über den Rotorblattoberflächen aus Oberflächenmessungen und speist diese Informationen dann an eine intelligente Steuerung ein, um eine Echtzeitbetätigung an den Rotorblättern zu implementieren, um den Luftstrom zu steuern und die Gesamteffizienz des Windturbinensystems zu erhöhen. Die Arbeit kann auch übermäßige Geräusche und Vibrationen aufgrund von Strömungsablösungen reduzieren.

Erste Simulationsergebnisse deuten darauf hin, dass eine Strömungssteuerung, die auf der Außenbordseite des Rotorblatts über den halben Radius hinaus angewendet wird, den Gesamtbetriebsbereich der Windkraftanlage bei gleicher Nennleistung erheblich vergrößern oder die Nennausgangsleistung bei gleichem Betriebsbereich erheblich erhöhen könnte . Das Team untersucht auch ein charakteristisches Profil in einer neuen reflexionsarmen Windkanalanlage der Syracuse University, um die Auftriebs- und Widerstandseigenschaften des Profils mit geeigneter Strömungssteuerung zu bestimmen, während es großen Strömungsunsicherheiten ausgesetzt ist. Darüber hinaus werden auch die Auswirkungen der Strömungssteuerung auf das Geräuschspektrum der Windenergieanlage bewertet und in der reflexionsarmen Kammer gemessen.

Ein weiteres Problem bei der Windenergie ist der Widerstand, der Widerstand der Turbinenschaufeln, wenn sie gegen die Luft schlagen. Wissenschaftler der University of Minnesota haben sich mit dem widerstandsreduzierenden Effekt des Anbringens winziger Rillen an Turbinenschaufeln beschäftigt. Die Rillen haben die Form von dreieckigen Rippen, die in eine Beschichtung auf der Klingenoberfläche eingekerbt sind. Sie sind so flach (zwischen 40 und 225 Mikrometer), dass sie vom menschlichen Auge nicht gesehen werden können, wodurch die Klingen perfekt glatt aussehen.

Mit Windkanaltests von 2,5-Megawatt-Turbinentragflächen (die zu einem der beliebtesten Industriestandards werden) und Computersimulationen untersuchen sie die Wirksamkeit verschiedener Rillengeometrien und Anstellwinkel (wie die Rotorblätter relativ zum Luftstrom positioniert sind). ).

Riblets wie diese wurden schon früher in den Segeln der Segelboote der letzten America’s Cup-Regatta und des Airbus-Verkehrsflugzeugs eingesetzt, wo sie eine Luftwiderstandsreduzierung von etwa 6 Prozent bewirkten. Das Design von Windturbinenblättern war zunächst dem von Flugzeugflügeln sehr ähnlich. Aufgrund unterschiedlicher technischer Bedenken, wie zum Beispiel Turbinenschaufeln mit einem viel dickeren Querschnitt in der Nähe der Nabe und Windturbinen, die mit besonderen Turbulenzen in Bodennähe zurechtkommen, wird die Widerstandsreduzierung bei Windturbinen nicht ganz dieselbe sein.

Die Forscher Roger Arndt, Leonardo P. Chamorro und Fotis Sotiropoulos von der University of Minnesota glauben, dass Riblets den Wirkungsgrad von Windturbinen um etwa 3 Prozent steigern werden.