Windkraftanlagen - Grundlagen, Technik, Einsatz, Wirtschaftlichkeit

Kapitel 5

Aerodynamik des Rotors (S. 89-90)

Der Rotor steht am Anfang der Wirkungskette einer Windkraftanlage. Seine aerodynamischen und dynamischen Eigenschaften sind deshalb in mehrfacher Hinsicht prägend für das gesamte System. Die Fähigkeit des Rotors, einen möglichst hohen Anteil der die Rotorkreisfläche durchströmenden Windenergie in mechanische Arbeit umzusetzen, ist offensichtlich eine direkte Folge seiner aerodynamischen Eigenschaften. Der damit weitgehend festgelegte Gesamtwirkungsgrad der Energiewandlung ist für die Windkraftanlage wie für jedes andere regenerative Energieerzeugungssystem von nicht zu unterschätzender Bedeutung im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit.

Weniger augenscheinlich, aber kaum weniger von Bedeutung, sind die aerodynamischen Eigenschaften des Rotors im Hinblick auf seine Fähigkeit, das unstete Energieangebot des Windes in ein möglichst gleichförmiges Drehmoment umzusetzen und dabei die unvermeidlichen dynamischen Belastungen für die Anlage so niedrig wie möglich zu halten. Je besser er dieser Aufgabe gerecht wird, umso unproblematischer ist die Belastungssituation für die nachgeordneten mechanischen und elektrischen Komponenten.

Weitere Gesichtspunkte, unter denen die aerodynamischen Rotoreigenschaften gesehen werden müssen, sind die Regelung und Betriebsführung der Windkraftanlage und das aerodynamisch bedingte Geräusch. Ein ungünstiges Drehmomentenverhalten oder ein kritisches Strömungsablöseverhalten der Rotorblätter können die Betriebsweise außerordentlich erschweren. Die Betriebsführung und Regelung der Anlage muß deshalb den aerodynamischen Qualitäten des Rotors angepaßt werden. Rotoren mit hohen Blattspitzengeschwindigkeiten verursachen aerodynamische Geräusch die an vielen Standorten nicht toleriert werden können.

Die Rotoraerodynamik erhält vor diesem Hintergrund ihre systemdurchdringende Bedeutung. Ohne ein Mindestmaß an Kenntnissen des aerodynamischen Verhaltens des Rotors ist ein Gesamtverständnis der Funktion einer Windkraftanlage nicht möglich. Hinzu kommt, das der Rotor einer Windkraftanlage bis zu einem gewissen Grade die ,,windkraft- anlagenspezifische“ Komponente bildet und deshalb ohne Beispiel aus anderen Bereichen der Technik berechnet und konstruiert werden muß.

Aus den genannten Gründen räumt dieses Buch den aerodynamischen Eigenschaften des Rotors einen vergleichsweise breiten Raum ein. Die Absicht liegt dabei weniger in einer detaillierten Beschreibung der aerodynamischen Theorie, sondern vielmehr in der Darstellung der Zusammenhänge der wesentlichen Auslegungsparameter des Rotors und seiner Eigenschaften als Energiewandler.

5.1 Physikalisch-mathematische Modelle und Berechnungsverfahren

Die aerodynamische Auslegung von Windrotoren verlangt mehr als die Kenntnis elementarer physikalischer Gesetzmaßigkeiten der Energiewandlung. Auf der einen Seite stellt sich das Problem, ausgehend von der konkreten Gestalt des Rotors, zum Beispiel der Anzahl der Form der Rotorblätter und des aerodynamischen Profils, die aerodynamischen Eigenschaften des Rotors zu finden.

Die ,,Entwurfsaerodynamik“ ist noch komplexer, sie erfordert die Berücksichtigung zahlreicher weiterer Aspekte insbesondere der Festigkeit und Steifigkeit der Rotorblätter und der aerodynamisch bedingten Geräuscherzeugung des Rotors. Im praktischen Entwurfsverfahren geschieht dies, wie in den meisten technischen Entwurfsaufgaben, auf iterative Weise. Zu Beginn existiert die Vorstellung von einer Rotorform, die gewisse gewünschte Eigenschaften zu haben verspricht. Für diese Konfiguration wird eine Berechnung durchgeführt und geprüft, inwieweit das erwartete Ergebnis eintrifft . Im Regelfall werden die Ergebnisse im ersten Anlauf nicht voll befriedigen.Das physikalisch-mathematische Berechnungsmodell vermittelt die Einsichten, in welcher Weise die vorgegebenen Parameter des Rotorentwurfes das Endergebnis beeinflussen. Damit ist die Moglichkeit gegeben, durch entsprechend zielgerichtete Korrekturen den Entwurf zu verbessern. Die heute angewandten Berechnungsmodelle zur aerodynamischen Auslegung von Windrotoren zu beschreiben hieße, den Rahmen dieses Buches zu sprengen. Dennoch werden die wesentlichen Ansätze der aerodynamischen Rotortheorie erläutert, da sie für dasVerständnis der Berechnungsergebnisse und damit der Gestalt von Windrotoren nützlich sind.