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Haifischhautlack verbessert Effizienz von Windenergieanlagen

© Fraunhofer IFAM© Fraunhofer IFAMBremen – Ein Team aus 7 Projektpartnern hat sich in einem EU-Projekt mit der Verbesserung der aerodynamischen Eigenschaften von Rotorblättern befasst. Dabei haben sich die Forscher von Haien inspirieren lassen.

Beim Thema Aerodynamik von Windenergieanlagen richtet sich der Fokus vor allem auf Optimierungen der Form von Bauteilen und Komponenten. In dem im Juni 2015 gestarteten und im Februar 2019 zu Ende gegangenen EU-Projekt „Riblet-Surfaces for Improvement of Efficiency of Wind Turbines“ (Riblet4Wind) ging es allerdings weniger um die Form, sondern vielmehr um die Art der Oberflächenbeschaffenheit.

Struktur der Haifischhaut als Vorbild für Lackstrukturen
Innerhalb des EU-Projekts „Riblet4Wind“ stellte sich ein Team aus sieben Projektpartnern der Herausforderung, die Aerodynamik der Rotorblätter von Windenergieanlagen effizienter zu gestalten. Ein Ansatz dabei war die Verringerung des Luftwiderstandes. Dabei haben die Projektpartner auf ein Prinzip zurückgegriffen, das aus der Tierwelt bekannt ist. Von Haien weiß man, dass sie bedingt durch mikroskopisch kleine Rillen (Riblets) auf ihrer Haut in der Lage sind, mit hohen Geschwindigkeiten und wenig Kraftaufwand durch das Wasser gleiten können. Dafür verantwortlich ist die reibungsminimierende Eigenschaft dieser Mikrostruktur, die die hydrodynamischen Eigenschaften des Fischkörpers optimiert.

Beim Flugzeugbau konnte bereits gezeigt werden, dass eine am Fraunhofer IFAM entwickelte funktionelle Beschichtung mit mikroskopisch kleinen Rillen den Luftwiderstand reduziert und Treibstoff einspart. Dieses Know-how haben sich die Wissenschaftler in dem Projekt „Riblet4Wind“ zunutze gemacht und die Technologie an die Rotorblätter einer Windkraftanlage angepasst. Dabei mussten u.a. auch die Frage beantwortet werden, wie die lacktechnische Lösung sowohl bei Neuanlagen, als auch nachträglich an Bestandsanlagen aufgebracht werden kann?

Nach erfolgreichen Windkanalversuchen an einem Modell eines Rotorblattes im Projektvorfeld wurden im ersten Schritt des Projekts weitere umfangreiche Windkanal-Testreihen an einem 2D-Profil mit Riblet-Strukturen durchgeführt. Im Ergebnis wurde eine signifikante aerodynamische Effizienzsteigerung von 10 Prozent gemessen.

Neue Beschichtung verbessert Effizienz von AN-Bonus Bestandsanlage
Zur Demonstration des Lacks wurde zwei bestehende AN Bonus-Windenergieanlage mit einer Nennleistung von 450 kW und einem Rotordurchmesser von 37 Metern verwendet. Um die Veränderungen der Leistungscharakteristik beurteilen zu können, wurden die Windkraftanlagen für einen Zeitraum von zwölf Wochen im Originalzustand betrieben und die entsprechenden Leistungsdaten ermittelt. Anschließend wurden die Rotorblätter einer Anlage demontiert und mit der Riblet-Beschichtung versehen. Hier konnte erstmals der automatisierte Auftrag des Riblet-Lacks auf ein Großbauteil demonstriert werden. Nach erfolgter Montage der behandelten Rotorblätter wurde die Leistungscharakteristik der Anlagen über fünf Monate nach einem standardisierten Verfahren gemessen. Weiterhin wurden Parameter wie Verschleiß und Verschmutzung ermittelt.

Obwohl es sich bei den Anlagen um ältere Turbinen (ca. 20 Jahre) mit entsprechenden Abnutzungserscheinungen handelte, die zudem keine Rotorblätter mit verstellbarem Anstellwinkel haben, konnte eine Verbesserung der Leistungscharakteristik durch die Beschichtung gezeigt werden. Aufgrund außergewöhnlicher Wetterbedingungen, gekennzeichnet durch größere Zeiträume mit wenig Wind und daraus resultierender großer Streuung der Messdaten, lässt sich die Verbesserung jedoch nicht mit Sicherheit quantifizieren.

Industrielle Reife im Blick
Nach Einschätzung von Fraunhofer IFAM ist zu erwarten, dass die Riblet-Technologie in den nächsten Jahren zur industriellen Reife gebracht wird und eine flächendeckende Anwendung findet. Ein sinnvoller nächster Schritt wäre die Demonstration auf einer dem heutigen Standard entsprechenden Anlage (> 2MW Leistung mit verstellbaren Rotorblättern), um das wirtschaftliche Potenzial weiter quantifizieren zu können.


© IWR, 2019


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02.05.2019

 



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