Wissenswertes rund ums Rotorblatt

Rotorblatt

Rotorblätter sind eine der Hauptkomponenten moderner Windenergieanlagen. Sie besitzen aufgrund ihrer Dimensionen, dem Gewicht, der verwendeten Materialien und der aufwendigen Fertigung eine der höchsten Baugruppenkosten der gesamten Anlage. Das größte bisher gefertigte Rotorblatt besitzt eine Länge von 107 Metern und ein Gewicht von 55 Tonnen (Stand: März 2020) [1].

Durch Rotorblätter wird dem Wind kinetische Energie (Bewegungsenergie) entzogen und in die Drehung des Rotors umgewandelt. Die Bewegung des Rotors treibt einen Generator an, welche elektrische Energie erzeugt [2].

Aufbau und Struktur

Moderne Rotorblätter sind aus faserverstärkten Kunststoffen aufgebaut. Sie bieten sehr gute mechanische Eigenschaften bei einem relativ geringen Gewicht. Als Fasermaterialien kommen Glasfasern und teilweise Kohlenstofffasern zum Einsatz. Die Kunststoffmatrix bildet ein Duroplast, meist Epoxidharz [3].

Im Folgenden wird die häufigste Bauweise von Rotorblättern für Windenergieanlagen beschrieben. Dabei werden zwei separat gefertigte Halbschalen miteinander verklebt. Diese Halbschalen bilden die aerodynamische Form des Blattes und wirken Torsion entgegen.

Längs werden die Schalen des Rotorblattes durch faserverstärkte Gurte aus vielen Schichten (etwa 30 bis 60) von unidirektionalen Fasergelege verstärkt. Diese Gurte nehmen Zug- und Druckkräfte auf und wirken einer Biegung des Rotorblattes entgegen. Sie sind im Bereich der größten Profildicke sowie an der Hinterkante positioniert (siehe Abbildung 1) [3].

Senkrecht auf den Flächen der Gurte steht bei dieser Bauform jeweils ein in Sandwichbauweise ausgeführter Steg. Er dient der Aufnahme von Schubkräften und bildet zusammen mit den Gurten der beiden Blattschalen einen biegesteifen Holm, ähnlich einem I-Träger. Dies ist die primäre, tragende Struktur des Rotorblattes [4].

Die Schalen eines Rotorblattes sind ebenfalls in Sandwichbauweise gefertigt und an der Vorderkante und Hinterkante miteinander verklebt. In Abbildung 1 sieht man links das Längsprofil eines Rotorblattes. Rechts ist ein beispielhafter Querschnitt dargestellt.

Funktionsweise

Rotorblätter besitzen ein aerodynamisches Profil. Im Prinzip funktionieren sie ähnlich wie die Tragflächen eines Flugzeugs.

Strömt Luft um das Rotorblatt entstehen an dessen „Ober- und Unterseite“ unterschiedliche Druckverhältnisse. Man spricht daher von der „Saugseite“ und der „Druckseite“. Durch diese Druckverhältnisse entsteht eine Auftriebskraft, welche senkrecht zur anströmenden Luft steht.

Konstruktionsbedingt ist es bei den aktuellen Windenergieanlagen nicht möglich die Auftriebskraft komplett in Drehrichtung des Rotors wirken zu lassen. Der Auftrieb bewirkt daher vor allem eine Durchbiegung der Rotorblätter in Richtung des Anlagenturms. Nur ein kleiner Teil der Auftriebskraft kann genutzt werden um den Rotor anzutreiben [2].

Aerodynamischer Leistungsbeiwert (cp)

Der aerodynamische Leistungsbeiwert ist quasi der Wirkungsgrad des Rotors. Er beschreibt welcher Teil der Bewegungsenergie des Windes in die Rotordrehbewegung umgewandelt werden kann.

Wissenschaftlich wurde dieses Thema erstmals in den 1920er Jahren vom deutschen Physiker Albert Betz beschrieben. Durch ein einfaches Gedankenexperiment lassen sich die Grundlagen seiner Forschung leicht verstehen: Würde ein Windrad dem Wind 100 % seiner Energie entziehen, so würde die Luft hinter dem Rotor stillstehen. Dann könnte aber kein frischer Wind durch den Rotor wehen, da die Luft hinter dem Rotor nicht abtransportiert wird. Das Windrad wäre aerodynamisch blockiert. Dies bedeutet: wenn eine Windenergieanlage versucht dem Wind zu viel Energie zu entziehen, dann sabotiert sich die Anlage selbst.

Welchen Teil der Energie des Windes ein Rotor umwandelt, wird durch den „Leistungsbeiwert“ des Rotors angegeben. Dieser wird in Formeln und Datenblättern mit den Buchstaben „cp“ bezeichnet.

Albert Betz berechnete erstmalig den maximalen Anteil der Energie, welchen man dem Wind mit den bekannten, turbinenartigen Windrädern entnehmen kann. Er beträgt etwa 59 %.

Ein ideales Windrad kann also aus aerodynamischer Sicht maximal 59 % der Windenergie umwandeln. Und genau dieser maximal erreichbare aerodynamische Wirkungsgrad wird mit cp.max bezeichnet. Hinter diesen unverständlichen Buchstaben verbirgt sich also die Maxime unserer Firma: die optimale Einstellung der Rotorblätter zur Maximierung des Ertrags.

 

Sandwichbauweise

Bei der Sandwichbauweise werden Werkstoffe mit verschiedenen Eigenschaften in Schichten zu einem Bauteil oder Halbzeug zusammengesetzt. Die Bezeichnung stammt von dem ebenfalls aus mehreren Schichten bestehenden Imbiss namens Sandwich. Typisch ist die Abfolge Deckschicht-Kern-Deckschicht [6].

Fast das gesamte Rotorblatt ist in Sandwichbauweise ausgeführt. Die Deckschichten bestehen hier aus faserverstärkten Kunststoff. Den Kern bildet leichtes Balsaholz oder ein Schaumstoff. Auf diese Weise wird ein stabiles aber relativ leichtes Bauteil erreicht.

Die faserverstärkten Schichten im Rotorblatt sind zwar sehr Zugfest, durch ihre Schlankheit aber auch anfällig gegen Biegen und Beulen. Durch das Einbringen des Kernmaterials wird die Wandstärke vergrößert und damit die Wände des Rotorblattes stabilisiert.

QUELLEN

[1] https://www.windpowermonthly.com/article/1669245/turbines-year-2019-rotor-blades; Abruf: 14.03.2020

[2] Hau, Erich: Windkraftanlagen; 4. Auflage; Springer-Verlag; Berlin, Heidelberg; 2008

[3] Gasch, Robert; Twele, Jochen: Windkraftanlagen; 4. Auflage; Teubner Verlag, Wiesbaden; 2005

[4] Dr.-Ing. Eva Bittmann; www.werkstoff-und-struktur.de/information/kunststoffe1102.pdf; Abruf: 25.03.2015

[5] https://de.wikipedia.org/wiki/Dynamischer_Auftrieb; Abruf: 14.03.2020

[6] https://de.wikipedia.org/wiki/Sandwichbauweise; Abruf: 17.03.2020