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Forscher optimieren Leistung von Windparks

Modell Windpark: Im Windkanal lassen sich die Wechselwirkungen zwischen Windkraftanlagen mit Hilfe von Modellen erforschen. (Foto: ©  Carlo L. Botasso / TUM, Januar 2017)
Modell Windpark: Im Windkanal lassen sich die Wechselwirkungen zwischen Windkraftanlagen mit Hilfe von Modellen erforschen. (Foto: © Carlo L. Botasso / TUM, Januar 2017)

Kann ein Windrad egoistisch sein? Ja, sagen Forscher – Turbulenzen, die Windräder durch ihre Bewegung erzeugen, beeinträchtigen die Leistung benachbarter Anlagen. Neue Steuerungsmodelle optimieren Windparks, mit mehr Strom und weniger Verschleiß.

17.02.2017 – In einem Windpark drehen sich oft Hunderte von Rotoren. „Bisher sind Windkraftanlagen Egoisten", sagt Johannes Schreiber, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Windenergie. Jedes einzelne Anlage sei darauf ausgelegt, erläutert der Forscher, über einen möglichst langen Zeitraum maximale Leistung zu erbringen. Für die Gesamtperformance sei das nachteilig, da jede Anlage Windabschattungen erzeuge und Turbulenzen, die benachbarte Anlagen negativ beeinflussen können. Um möglichst hohe Effizienz und damit Energieausbeute zu erreichen, müsse man auch hier ganzheitlich denken – und die Windkraftanlagen zu einem Kollektiv machen, das zusammen arbeitet.

In einem EU-Projekt untersuchen Forscher der Technischen Universität München (TUM) daher nun solche Wechselwirkungen im Windkanal und entwickeln ein Computermodell, das die Effizienz von Windparks steigert.

Das Phänomen ist lange bekannt, weltweit tüfteln Wissenschaftler seit Jahren daran, die sogenannten Abschattungseffekte zu minimieren. Denn das komplexe Wechselspiel der Kräfte ist schwer zu erfassen und zu steuern. „Jeder einzelne Rotor beeinflusst die Bewegung der Luft, die an ihm vorbeiströmt, bremst sie ab und sorgt so für Verwirbelungen“, erläutern die Wissenschaftler. Dieser Abschattungseffekt verringere die Leistung der im Lee (der vom Wind abgewandten Seite) stehenden Anlagen und belastet das Material – Masten, Rotorblätter und Generatoren, die ständig turbulenten Strömungen ausgesetzt sind, ermüden so schneller. Es geht also nicht nur um Leistungssteigerung, sondern auch um Nachhaltigkeit im Bestand.

Den Forschern der TUM ist nun ein kleiner Durchbruch gelungen: In Experimenten konnten sie zeigen, dass sich die Abschattungseffekte durch eine intelligente Steuerungstechnik reduzieren lassen: „Der Ansatz besteht darin, den Nachlauf – also den von einer Anlage verursachten Windschatten – so abzulenken, dass er an den im Lee stehenden Anlagen vorbeiströmt“, erläutert Professor Carlo Bottasso, Inhaber des Lehrstuhls für Windenergie an der TUM, das Experiment. „Der Nachlauf lässt sich durch Gieren des Rotors ablenken – beim Gieren trifft der Wind nicht mehr frontal, sondern leicht von der Seite auf den Rotor“, erklärt Schreiber weiter. Für das Experiment haben die Wissenschaftler Miniatur-Modelle gebaut, die wie echte Windkraftanlagen funktionieren.

Mehr Erneuerbare Energie für weniger Geld

Das neu erworbene Wissen wird das Team jetzt einbringen, um im EU-Projekt Closed Loop Wind Farm Control zusammen mit 13 weiteren Partnern aus sechs Ländern ein intelligentes Steuersystem für Windparks zu entwickeln. In den nächsten drei Jahren wollen die Wissenschaftler die automatisierte Windparkregelung optimieren und durch Feldversuche auch im großen Maßstab testen. Erklärtes Ziel: mehr Strom für weniger Geld. In den effizienten Windparks der Zukunft sollen alle Anlagen so gesteuert werden, dass das Kollektiv möglichst viel Leistung erbringt geringe Wartungskosten erzeugt und möglichst lange Bestand hat. na

Weitere Infos in der Publikation: Journal of Physics: Conference Series, Volume 753 B. Wind, wakes, turbulence and wind farms

Das Projekt erhielt den Bayerischen Energiepreis 2016


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