Die Aerodynamik von Windturbinen-Blättern verstehen

Einleitung

Windturbinen nutzen die Kraft des Windes, um Elektrizität zu erzeugen. Das Schlüsselelement bei dieser Umwandlung ist das Rotorblatt der Windturbine, dessen Design und Aerodynamik eine entscheidende Rolle für die Effizienz und Leistung einer Windturbine spielen. Die grundlegende Wissenschaft hinter der Aerodynamik von Windturbinen basiert auf dem Bernoulli-Prinzip und den Gesetzen der Strömungsdynamik und ist eng mit den Prinzipien verwandt, die Flugzeuge fliegen lassen.

Design

Windturbinen-Blätter sind speziell dafür konzipiert, die maximale Energie aus dem Wind zu gewinnen und gleichzeitig einer Vielzahl von Umweltkräften standzuhalten. Sie haben typischerweise eine Tragflächenform ähnlich einem Flugzeugflügel, jedoch mit bestimmten Modifikationen. Die Tragflächenform ist typischerweise an der Basis dicker und breiter und verjüngt sich zur Spitze hin. Diese Form ist darauf ausgelegt, Auftrieb zu erzeugen, Widerstand zu reduzieren und dadurch die Rotationskraft zu maximieren.

Aerodynamik

Die Aerodynamik eines Windturbinen-Blatts basiert auf den Prinzipien von Auftrieb und Widerstand. Der Auftrieb ist die Kraft, die das Blatt von der Windrichtung wegdrückt, und wird durch den Druckunterschied zwischen den Seiten des Blatts erzeugt. Der Wind bewegt sich schneller über die gekrümmte, längere Seite (obere Seite bei vertikaler Ausrichtung) des Tragflächenprofils und erzeugt einen Bereich mit niedrigerem Druck. Im Gegensatz dazu bewegt er sich langsamer unter der kürzeren, flachen Seite, was zu einem Bereich mit höherem Druck führt. Dieser Druckunterschied führt zum Auftrieb.

Der Widerstand hingegen ist die Kraft, die entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung des Blatts wirkt. Er wird durch die Reibung des Windes gegen die Blattoberfläche und durch die Turbulenzen verursacht, die an der Hinterkante des Blatts entstehen.

Effizienz

Das Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand, auch bekannt als Auftrieb-zu-Widerstand-Verhältnis (L/D), ist entscheidend für die Effizienz einer Windturbine. Idealerweise sollte das Blattdesign den Auftrieb maximieren und gleichzeitig den Widerstand minimieren, um die effizienteste Umwandlung von Windenergie in Rotationsenergie zu erreichen.

Pitch- und Giersteuerung

Um die Leistung unter verschiedenen Windbedingungen zu optimieren, verwenden moderne Windturbinen Pitch- und Giersteuerungen. Die Neigung des Blatts (der Winkel zwischen der Sehnenlinie des Blatts und der Rotationsebene) kann angepasst werden, um die Interaktion des Blatts mit dem Wind zu optimieren. Bei hohen Windgeschwindigkeiten werden die Blätter so eingestellt, dass die effektive Fläche, die dem Wind zugewandt ist, reduziert wird, wodurch das Risiko von Schäden durch übermäßige Kräfte verringert wird.

In ähnlicher Weise passt der Giermechanismus die Ausrichtung des gesamten Turbinenrotors zum einfallenden Wind an. Eine ordnungsgemäße Giersteuerung stellt sicher, dass der Rotor optimal zum Wind ausgerichtet ist und so die verfügbaren Windressourcen am effizientesten nutzt.

Wie stellt man sicher, dass die Blätter in Ordnung sind?

Mit der KI-gestützten Überwachung von Turbit können alle oben genannten Auswirkungen auf die Effizienz der Turbine überwacht werden. Selbst die geringsten Veränderungen in der Leistungsabgabe können erkannt werden, und die potenziellen Ursachen werden automatisch analysiert. Die Hauptursachen, die wir bei einer Minderleistung sehen, sind auf falsche Pitch-Steuerung zurückzuführen. Leider hat jemand häufig vergessen, ein Pitch-Limit zurückzusetzen oder eine falsche Schallkurve eingestellt. Mit Turbit können Sie jedoch auch allgemeine Probleme wie eine mehrjährige Erosion der Vorderkante, Fehlausrichtung des Pitchwinkels, Fehlausrichtung des Gierwinkels oder andere Probleme erkennen.