Lasermessung sorgt für effizienter Windkraftwerke

Die Universität Stuttgart hat eine dreidimensionale Lasermessmethode für Windkraftwerke entwickelt. Mithilfe der gewonnenen Messdaten können die Rotorblätter besser auf die Windverhältnisse eingestellt werden.

Wissenschaftler des Stiftungslehrstuhls Windenergie (SWE) der Universität Stuttgart haben gemeinsam mit Forschern vom National Renewable Energy Laboratory (NREL) in Boulder/USA weltweit erstmalig eine Windenergieanlage mit Hilfe eines auf der Gondel angebrachten Lidar-Systems geregelt.

Dies macht es möglich, die Rotorgeschwindigkeit und andere Regelungsparameter der Betriebsführung auf den Wind einzustellen, bevor das Windfeld die Anlage erreicht. Dadurch können windinduzierte Lasten reduziert, Windkraftanlagen materialsparender gebaut und die Energieausbeute erhöht werden.
Die Lidar-Technologie (Light detection and ranging) ist ein laser-optisches Fernerkundungsverfahren, das Windgeschwindigkeiten auf die Distanz ermittelt. Während konventionelle Lidar-Messungen vom Boden aus durchgeführt wurden, ermöglicht eine Entwicklung des Stiftungslehrstuhls Windenergie der Universität Stuttgart seit dem Jahr 2009 auch komplexere Messungen von der Gondel aus.

Bisher wurden die ermittelten Daten für die Leistungskurvenbestimmung und für die Validierung und Beurteilung von Simulationsergebnissen eingesetzt. Die eigentliche Steuerung der Rotorblätter dagegen erfolgte als Reaktion auf das Verhalten der Anlage und nicht als Reaktion auf den Windstoß selbst.
Um Messdaten zu erhalten, die eine frühzeitige Vorhersage des einströmenden Windfeldes erlauben, wurde ein kommerzielles Lidar-System mit einer von den Stuttgarter Windforschern eigens entwickelten Scanner-Einheit kombiniert. Der Scanner kann den Laserstrahl in verschiedene Richtungen lenken um somit das gesamte Windfeld vor einer Windkraftanlage in beliebigen Punkten abtasten und dessen dreidimensionale Wirkung rekonstruieren. Das System wurde auf der Gondel einer zwei-blättrigen Windkraftanlage installiert, die auf dem Forschungsgelände des National Wind Technology Centers in Boulder steht.

Durch das frühzeitige Drehen der Rotorblätter in bzw. aus dem Wind wird die Rotordrehzahl auch bei auftretenden Böen nahezu konstant gehalten, was über die 20-jährige Betriebszeit hinweg sowohl die Ermüdungs- als auch die Extremlasten deutlich senkt. Windkraftanlagen können dann leichter dimensioniert und gebaut werden, was sowohl Material und Kosten spart. Zudem kann eine höhere Energieausbeute erzielt werden.

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