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Druckexperimente sollen Windparks helfen, mehr Strom zu erzeugen
Windräder stehen nicht immer exakt im Wind. Laborversuche unter extrem hohem Luftdruck zeigen nun, dass die optimale Drehzahl von der Schrägstellung zum Wind abhängt. Eine angepasste Regelung könnte deshalb mehr Leistung aus bestehenden Anlagen holen, während ein neues Modell die nötigen Einstellungen schnell vorausberechnen soll.
Cambridge (U.S.A.). Moderne Windkraftanlagen richten ihre Gondel zwar laufend nach dem Wind aus, doch die Windrichtung schwankt schneller, als große Rotoren nachgeführt werden können. Dadurch trifft die Strömung häufig schräg auf die Rotoren. Wie stark solche Fehlstellungen die optimale Betriebsweise verändern, lässt sich im Freiland nur schwer isoliert untersuchen, weil Turbulenz, Böen und Wetterbedingungen gleichzeitig wechseln.
In gewöhnlichen Windkanälen entsteht ein weiteres Problem. Kleine Modellrotoren arbeiten bei anderen Reynolds-Zahlen als große Anlagen, also bei einem anderen Verhältnis von Trägheits- zu Reibungskräften in der Luft. Dadurch können Messwerte aus dem Modellmaßstab die Aerodynamik einer realen Windkraftanlage nur eingeschränkt abbilden.
Forscher der Queen’s University um John W. Kurelek haben nun einen 15 Zentimeter großen Modellrotor in einer stark komprimierten Strömung untersucht. Die Studie nennt Drücke bis zum 220-Fachen des Atmosphärendrucks. Die dichtere Luft erhöht die Trägheitskräfte im kleinen Aufbau und ermöglicht Reynolds-Zahlen sowie Betriebszustände, die für kommerzielle Windräder relevant sind.
Das Team variierte sowohl den Gierwinkel, also die seitliche Fehlstellung des Rotors zur Windrichtung, als auch die Schnelllaufzahl. Diese setzt die Geschwindigkeit der Blattspitze ins Verhältnis zur anströmenden Luft. Auf diese Weise konnten die Forscher untersuchen, welche Kombinationen aus Fehlstellung und Drehzahl die Leistung und die aerodynamischen Kräfte bestimmen.
Das Ergebnis widerspricht einer verbreiteten Vereinfachung in der Regelung. Viele Strategien werden für den idealen Fall ausgelegt, in dem die Rotorebene senkrecht zur Windrichtung steht. Die Versuche zeigen dagegen, dass die Schnelllaufzahl mit der höchsten Leistung vom Gierwinkel abhängt. Zugleich veränderten sich Leistung und Belastung mit der Fehlstellung unterschiedlich stark, je nachdem, wie schnell sich der Rotor im Verhältnis zum Wind bewegte.
Damit reicht es nicht, bei schräg einfallendem Wind nur die Gondel nachzuführen. Auch die Rotordrehzahl kann angepasst werden, um einen anderen Leistungspunkt anzusteuern. Laut der begleitenden Mitteilung des Massachusetts Institute of Technology (MIT) wird diese Art der Regelung in Windparks bislang nur selten genutzt. Für bestehende Anlagen wäre sie prinzipiell attraktiv, weil sich ein Teil des Potenzials über die Steuerung statt über neue Turbinen erschließen ließe.
Parallel zu den Experimenten prüfte das Team ein vereinheitlichtes Windturbinen-Modell, das aerodynamische Kräfte und Leistung über unterschiedliche Betriebszustände berechnen soll. Nach Angaben der Studie reproduzierte das Unified Wind Turbine Model (UWT) die kontrollierten Messungen genau. Weil es rechnerisch leichtgewichtig ist, soll es auch auf gewöhnlichen Laptops laufen und damit für Entwurf und Regelung von Windkraftanlagen nutzbar sein.
Besonders wichtig ist die gekoppelte Wirkung von Gierwinkel und Schnelllaufzahl. Ein Modell, das beide Größen gemeinsam abbildet, könnte Steuerungen nicht nur auf den ideal ausgerichteten Rotor, sondern auf realistischere Fehlstellungen optimieren. Die Autoren sehen darin eine Grundlage, um Windparkregelungen schneller zu testen, bevor aufwendige Feldversuche beginnen.
Die Methode schließt eine Lücke zwischen kleinen Standard-Windkanälen und monatelangen Tests an realen Windparks. Sie kontrolliert die aerodynamischen Randbedingungen und erreicht zugleich eine dynamische Ähnlichkeit, die bisher in diesem Maßstab schwer zugänglich war. Die Studie hat aber keinen kompletten Windpark im wechselnden Wetter nachgebildet und belegt daher noch nicht,