Bis 2030 soll die installierte Leistung von Offshore-Windkraftanlagen in Deutschland von aktuell acht auf mindestens 30 GW steigen. Dieses Ziel ist nur zu schaffen, wenn neue Offshore-Windenergieanlagen deutlich größer werden: Gesamthöhen von über 300 Meter und Rotoren von mehr als 280 Meter Durchmesser sind dazu notwendig.
Wenn Offshore-Windkraftanlagen leistungsfähiger werden sollen, so geht dies zwangsläufig einher mit immer größeren Anlagen mit längeren Rotorblättern. Würde man nun die Anlagendesigns geometrisch Skalieren, dann stiegen Rotorblattmasse und Kosten mit zunehmender Rotorblattlänge in der dritten Potenz.
„Für alle Körper gilt: Vervielfacht man alle Längen an dem Körper um den Faktor n, dann wird sich die Oberfläche des Körper um den Faktor n² vergrößern und sein Volumen (seine Masse) um den Faktor n³ zunehmen.“
(Quelle: Rhetos – Lexikon der Mathematik)
Im Sonderforschungsbereich SFB1463 der DFG hat das DLR deshalb zusammen mit dem Zentrum für Windenergieforschung ForWind Universität Oldenburg einen zweistufigen Designprozess entwickelt, der Rotorblätter mittels Last-Struktur-Kopplung optimiert.
Der erste schnelle Schritt findet mit vereinfachten Annahmen für die Lasten und Auslegungskriterien einen Kompromiss zwischen aerodynamischer Effizienz und struktureller Integrität als Startlösung für die erweiterte Optimierung. Ein statischer Lastfall dient dabei als Input für die vereinfachte Strukturanalyse und Optimierung mit Hilfe eines Festigkeitsnachweises auf Basis der Spannungen in den Gurten.
Die zweite Stufe besteht aus einer aero-servo-elastisch gekoppelten Lastsimulation und einer Strukturoptimierung mit dem Framework Lightworks. Aus den Lastzeitreihen lassen sich statische Ersatzlasten für die gradientenbasierte Optimierung des Rotorblattentwurfs der ersten Designstufe in Lightworks generieren. Das Framework stellt nun verschiedene Faserverbundparametrisierungen als Designvariablen zur Verfügung. Hier kommen alle Einzellagendicken zur Verwendung. Der Solver PreDoCS ermittelt aus den äußeren statischen Ersatzlasten die Spannungen und Verformungen des Rotorblattes mit Hilfe von Balkenmodellen und stellt diese für die Optimierung bereit. Die Versagensgrenzen für Festigkeit und Stabilität in allen Bereichen des Blattes bilden die Randbedingungen.
Mit den verwendeten Methoden und einer aero-strukturellen Optimierung lässt das Gesetz vom Flächen- und Volumenwachstum aushebeln: Die Masse lässt sich um 35 Prozent reduzieren. Die Stromgestehungskosten verringerten sich um 1,7 Prozent bei konstant gehaltenem Energieertrag im Vergleich zur geometrisch hochskalierten Version und der IEA 15 MW Referenzanlage.
Bild oben: Offshore-Windpark am Ijsselmeer in den Niederlanden (Quelle: Depositphotos)
Quelle und weitere Infos: Blogbeitrag DLR
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