Die Anforderungen an Windkraftanlagen wachsen stetig, insbesondere durch die zunehmende Größe dieser Anlagen. Ein Forschungsteam der Universität Oldenburg hat nun eine innovative Methode entwickelt, um die Belastungen, die durch Turbulenzen und plötzliche Windböen entstehen, genauer zu beschreiben. Dies ist besonders relevant, da solche Belastungen maßgeblich zur vorzeitigen Materialermüdung beitragen können, vor allem bei den immer größeren Windturbinen.
Die Rotorflächen moderner Offshore-Windkraftanlagen erreichen mittlerweile Durchmesser von über 200 Metern und können Leistungen von bis zu 20 Megawatt erzeugen, was ausreicht, um etwa 200.000 Haushalte mit Strom zu versorgen. Dies bringt jedoch auch Herausforderungen mit sich. Die ständige Verformung der Anlagen durch wechselnde Windkräfte belasten die Materialien und können zu Rissen oder sogar Brüchen führen. Bisherige Modelle zur Berechnung dieser Belastungen gingen oft von der Annahme aus, dass Windböen gleichmäßig auf die gesamte Rotorfläche wirken. Diese Annahme war für kleinere Anlagen ausreichend, ist jedoch für größere Windkraftanlagen nicht mehr zutreffend.
In ihren aktuellen Studien zeigen die Wissenschaftler, dass plötzliche, lokal begrenzte Windböen einen entscheidenden Einfluss auf die Materialermüdung haben. Um diese komplexen Windverhältnisse besser zu verstehen, entwickelten die Forscher ein neues Konzept zur mathematischen Beschreibung der Windströmungen über der Rotorfläche. Hierbei nutzen sie Messdaten moderner Windkraftanlagen sowie historische Winddaten aus den 1980er-Jahren, die im Rahmen des GROWIAN-Projekts in Schleswig-Holstein erfasst wurden.
Durch diese Daten konnten die Forscher Windfelder über den Rotorflächen rekonstruieren und sogenannte aeroelastische Simulationen durchführen. Diese Simulationen ermöglichen es, die Wechselwirkungen zwischen Windströmungen und den Verformungen der Windkraftanlagen simultan zu berechnen. Ein zentrales Ergebnis dieser Studien ist das Konzept des „Druckschwerpunkts“. Dieser Punkt gibt an, wo der Winddruck auf die Rotorblätter wirkt. Bei gleichmäßiger Windströmung liegt der Druckschwerpunkt in der Mitte der Rotorfläche, während er sich bei unregelmäßigen Windböen verschiebt und somit unterschiedliche Verformungen in den Rotorblättern verursacht.
Das Forschungsteam, unter der Leitung von Professor Dr. Joachim Peinke, hat dieses neue Maß zur Beschreibung der lokalen Windböen in drei Fachartikeln veröffentlicht. Diese Artikel bieten eine umfassende Grundlage für die Planung und Auslegung von Windkraftanlagen, um die mechanischen Kräfte, die auf die Rotoren wirken, präziser abzuschätzen.
Die Ergebnisse dieser Studien sind nicht nur für die Hersteller von Windkraftanlagen von Bedeutung, sondern auch für die gesamte Branche. Die besseren Berechnungen könnten dazu beitragen, die Unsicherheiten, die bislang bei der Einschätzung der Materialbelastungen bestanden, erheblich zu reduzieren. Dies ist besonders wichtig, da frühzeitige Materialausfälle für die Betreiber von Windkraftanlagen hohe Kosten verursachen können.
Ein weiterer Aspekt der Forschung ist die Entwicklung eines stochastischen Modells für den Druckschwerpunkt, das die Berechnungen vereinfacht und es ermöglicht, Langzeitsimulationen über mehrere Jahre durchzuführen. Dies könnte die Planung und den Betrieb von Windkraftanlagen erheblich verbessern, indem es eine genauere Prognose der Belastungen ermöglicht.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die neuen Erkenntnisse aus der Forschung der Universität Oldenburg einen bedeutenden Fortschritt im Verständnis der Belastungen von Windkraftanlagen darstellen. Durch die präzisere Beschreibung der Turbulenzen und Windverhältnisse können Hersteller zukünftig sicherere und langlebigere Windturbinen entwickeln, was letztlich auch der Effizienz der Windenergienutzung zugutekommt.
