idw – Informationsdienst Wissenschaft
Nachrichten, Termine, Experten
Nachrichten, Termine, Experten
idw - Informationsdienst
Wissenschaft
Eine neue Methode beschreibt Belastungen für große Windkraftanlagen realistischer als bisher: Einem Team unter Beteiligung von Forschenden der Universität Oldenburg ist es gelungen, den Wind und seine Schwankungen über der Rotorfläche besser mathematisch zu beschreiben. Das ermöglicht es, plötzliche, kleinräumige Windböen besser zu erfassen. Diese kleinräumigen Belastungen sind der entscheidende Faktor für vorzeitige Materialermüdung insbesondere bei größeren Windkraftanlagen.
Windturbinen werden immer größer. Als Folge werden ihre Bauteile immer stärker belastet, etwa durch plötzliche Windböen und andere Turbulenzen. Einen wichtigen Fortschritt bei der Beschreibung dieser Lasten hat nun ein Team der Universität Oldenburg gemeinsam mit Partnern vom ICM – Institut Chemnitzer Maschinen- und Anlagenbau e.V. und vom Hersteller Nordex erzielt. Die Forschenden um den Turbulenzexperten Prof. Dr. Joachim Peinke vom Zentrum für Windenergieforschung – Forwind beschreiben in drei Artikeln in der Fachzeitschrift Wind Energy Science ein neues Konzept, mit dem sich die mechanischen Kräfte auf Rotoren besser als mit bisherigen Standardmodellen beschreiben lassen. „Wir stellen damit ein potenzielles Werkzeug für Belastungsabschätzungen zur Verfügung, das bei der Planung und Auslegung von Windkraftanlagen zum Einsatz kommen kann“, erklärt Peinke.
Die Rotorfläche einer Offshore-Windenergieanlage – also die kreisförmige Fläche, die von den Rotorblättern bei ihrer Umdrehung überstrichen wird – kann mittlerweile einen Durchmesser von mehr als 200 Metern erreichen. Bei Volllast erzeugen solche Windräder eine Leistung von 20 Megawatt – genug um 200.000 Personen mit Strom zu versorgen.
Eine besondere Herausforderung des Größenwachstums besteht darin, dass sich die Anlagen und ihre Teile durch wechselnde Windkräfte ständig verbiegen. Diese Verformungen lassen das Material ermüden, wodurch Risse oder sogar Brüche entstehen können. „Bislang nehmen Hersteller der Einfachheit halber an, dass Böen immer gleichmäßig auf die gesamte Rotorfläche treffen“, erläutert Ko-Autor Jörg Schwarte von Nordex.
Für kleinere Anlagen war diese Annahme ausreichend, doch bei größeren Windrädern spielen turbulente Windverhältnisse eine stärkere Rolle für den Verschleiß. Die neue Erkenntnis der aktuellen Kooperationsstudie: Plötzliche und auf kleine räumliche Bereiche konzentrierte Windböen sind der entscheidende Faktor für die Materialermüdung. Um Windkraftanlagen besser an diese Belastungen anpassen zu können, benötigen die Hersteller daher eine bessere mathematische Beschreibung des Windes und seiner Schwankungen über dem Rotor.
Das Team schlägt nun in drei Publikationen ein neues Maß für die Wirkung lokaler Böen vor. Die Forschenden entwickelten eine Methode, um aus den aktuellen Windverhältnissen – Fachleute sprechen vom Windfeld – die Kraft auf die Rotorblätter zu errechnen. Die Belastung beschreiben sie anhand einer einfachen Größe, die sie als Druckschwerpunkt bezeichnen. „Ist die Windströmung gleichmäßig, liegt der Druckschwerpunkt genau in der Mitte der Rotorfläche“, erläutert Peinke. Wenn jedoch eine Windböe nur einen Teil der Rotorfläche erfasst, bewegt sich der Druckschwerpunkt vom Zentrum weg, wodurch sich die Rotorblätter dort stärker verbiegen und ein Drehmoment auf die Gondel der Anlage entsteht.
Um das neue Lastkonzept zu entwickeln, nutzte das Team Messdaten von modernen Anlagen sowie detaillierte Winddaten aus den 1980er-Jahren, die damals von mehreren Messmasten im Zuge des GROWIAN-Projekts in Schleswig-Holstein aufgenommen worden waren. Anhand dieser Daten rekonstruierte Dr. Jan Friedrich von der Universität Oldenburg Windfelder über der Rotorfläche. Damit führten die Forschenden sogenannte aeroelastische Simulationen durch, bei denen sie die Windströmungen und die sich verbiegenden Windanlagen gleichzeitig berechneten.
Anschließend belegten die Forschenden mit aufwendigen Strömungssimulationen, dass das Konstrukt des Druckschwerpunkts die tatsächlichen Belastungen der Anlage gut beschreibt. „Obwohl wir dafür den Hochleistungsrechencluster der Universität einsetzen konnten, lassen sich die Simulationen für große Anlagen nur für wenige Minuten detailliert berechnen“, berichtet Marcel Bock, Doktorand an der Universität Oldenburg und Erstautor eines der Fachartikel. In der dritten Arbeit erstellte ein Team um Peinke und die Doktorandin Daniela Moreno ein stochastisches Modell für den Druckschwerpunkt, das die Berechnungen vereinfacht und es Herstellern in Zukunft ermöglichen könnte, Langzeitsimulationen über mehrere Jahre durchzuführen.
„Besonders starke Verbiegungen entstehen, wenn der Druckschwerpunkt in den Außenbereich der Rotorfläche kommt“, erklärt Dr. Carsten Schubert vom ICM. Solche heftigen Ereignisse, berichtet das Team, werden von den Kontrollsystemen aktueller Anlagen nicht erfasst und somit auch nicht abgemildert. Dies könnte dank der neuen Studien nun möglich werden. Auch für die Auslegung von Windkraftanlagen sind die Ergebnisse hilfreich, berichtet der Oldenburger Windforscher Dr. Matthias Wächter: „Die Hersteller schätzen alle zu erwarteten Verbiegungen des Materials während einer etwa 20- jährigen Laufzeit ab und planen dementsprechend das Material und die Materialstärke der Bauteile.“ Bislang bestanden dabei große Unsicherheiten – vor allem, weil sich die Windverhältnisse nicht genügend genau berechnen ließen. „Diese Unsicherheiten zu reduzieren, wäre ein großer Gewinn, da frühzeitige Ausfälle von Bauteilen einen großen Kostenfaktor der Windenergie darstellen“, sagt Ko-Autorin Gritt Pokriefke von Nordex. Neue, detaillierte Windmessungen finden aktuell im Forschungswindpark WiValdi an der Elbe statt, an dem ForWind beteiligt ist.
Die Veröffentlichungen sind größtenteils ein Ergebnis des Projekts PASTA (Präzise Auslegungsmethoden von komplex gekoppelten Schwingungssystemen moderner WEA in turbulenter Anregung), das vom Bundeswirtschaftsministerium über dreieinhalb Jahre gefördert und von Nordex koordiniert wurde.
Prof. Dr. Joachim Peinke, E-Mail: peinke@uol.de
Carsten Schubert et al.: “Introduction of the Virtual Center of Wind Pressure for correlating large-scale turbulent structures and wind turbine loads”, Wind Energy Science, https://doi.org/10.5194/wes-11-1267-2026
Daniela Moreno et al.: “From the center of wind pressure to loads on the wind turbine: a stochastic approach for the reconstruction of load signals”, Wind Energy Science 10, 2729–2754, 2025, https://doi.org/10.5194/wes-10-2729-2025
Marcel Bock et al.: “Comparison of different simulation methods regarding loads, considering the centre of wind pressure”, Wind Energy Science, 11, 103–126, 2026, https://doi.org/10.5194/wes-11-103-2026
https://uol.de/twist
https://forwind.de/
Die Rotoren von Windkraftanlagen verbiegen sich ständig, wodurch das Material ermüdet.
Copyright: Jaroslaw Puczylowski
Criteria of this press release:
Business and commerce, Journalists, Scientists and scholars, Students, Teachers and pupils, all interested persons
Energy, Geosciences, Materials sciences, Mechanical engineering, Physics / astronomy
transregional, national
Research results, Scientific Publications
German
You can combine search terms with and, or and/or not, e.g. Philo not logy.
You can use brackets to separate combinations from each other, e.g. (Philo not logy) or (Psycho and logy).
Coherent groups of words will be located as complete phrases if you put them into quotation marks, e.g. “Federal Republic of Germany”.
You can also use the advanced search without entering search terms. It will then follow the criteria you have selected (e.g. country or subject area).
If you have not selected any criteria in a given category, the entire category will be searched (e.g. all subject areas or all countries).
