Intelligente Steuerungsmodelle Die Energieausbeute von Windparks optimieren

Damit Windparkd möglichst effizient arbeiten, ist es nötig, nicht ein Windrad alleine, sondern den Windpark als Ganzes zu betrachten.
Damit Windparkd möglichst effizient arbeiten, ist es nötig, nicht ein Windrad alleine, sondern den Windpark als Ganzes zu betrachten.

Windparks bestehen oft aus Hunderten von Windrädern. Ein Problem: Turbulenzen, die durch die Bewegung der Rotoren erzeugt werden, beeinträchtigen die Leistung und Lebenserwartung benachbarter Anlagen. Nun wurden diese Wechselwirkungen im Windkanal untersucht.

Jede einzelne Windkraftanlage ist darauf ausgelegt, über einen möglichst langen Zeitraum die maximale Leistung zu erbringen. Jedoch erzeugt jede Anlage Windabschattungen und Turbulenzen, die benachbarte Anlagen negativ beeinflussen können. Es wäre also sinnvoll, den Windpark als Ganzes zu betrachten, um die Gesamteffizienz zu steigern.

Dies stellt eine wissenschaftliche Herausforderung dar, denn das komplexe Wechselspiel der Kräfte ist schwierig erfassbar und noch schwieriger zu steuern: Jeder einzelne Rotor beeinflusst die Bewegung der Luft, die an ihm vorbeiströmt, bremst sie ab und sorgt dadurch für Verwirbelungen. Der Abschattungseffekt verringert die Leistung der im Lee, also der vom Wind abgewandt stehenden Anlagen und belastet das Material. Masten, Rotorblätter und Generatoren, die ständig turbulenten Strömungen ausgesetzt sind, ermüden schneller.

Bereits seit Jahren versuchen Wissenschaftler auf der ganzen Welt, die Abschattungseffekte zu minimieren, um die Effizienz von Windparks zu steigern. Forscher vom Lehrstuhl für Windenergie an der TU München konnten jetzt experimentell zeigen, dass sich die Abschattungseffekte durch eine intelligente Steuerungstechnik reduzieren lassen. Der Ansatz besteht darin, den Nachlauf – d.h. den von einer Anlage verursachten Windschatten – so abzulenken, dass er an den im Lee stehenden Anlagen vorbeiströmt.

Die Luftbewegung optimieren

Der Nachlauf lässt sich durch so genanntes Gieren des Rotors ablenken. Beim Gieren findet eine Drehung um die Gierachse, auch Hoch- oder Vertikalachse genannt, statt, so dass der Wind nicht mehr frontal, sondern leicht von der Seite auf den Rotor trifft.

Um herauszufinden, wie sich verschiedene Einstellungen einzelner Anlagen auf die Energieausbeute ganzer Windparks auswirken, haben die Wissenschaftler Modelle gebaut. Wie echte Windkraftanlagen verfügen die 1,5 Meter hohen Modelle über Generatoren, Antriebe und sogar Motoren zum Verstellen der einzelnen Blätter. Jedes Modell ist zudem mit Sensoren ausgestattet, die ermitteln, welche Kräfte auf die verschiedenen Komponenten einwirken.

Drei dieser Modelle brachten die Münchner Forscher ans Politecnico in Mailand. Dort befindet sich in Windkanal, der die Strömungsverhältnisse in den unteren Atmosphärenschichten maßstabsgetreu erzeugen kann. So konnte wissenschaftlich gezeigt werden, dass der Abschattungseffekt die Stromausbeute verringert.
Im nächsten Schritt gingen die Ingenieure daran, die Energiebereitstellung zu optimieren. Die drei Modelle wurden mit einer zentralen Steuerungseinheit verbunden, die als „Gehirn“ des Windparks agiert. Die Steuerung sorgt dafür, dass das Kollektiv der Windkraftanlagen ein möglichst gutes Ergebnis erzielt.

In den Experimenten wurden die Rotoren, auf die der Wind als erstes trifft, automatisch gegiert und somit deren Nachläufe abgelenkt. Dabei sinkt zwar die Leistung der gegierten Anlagen, der Verlust wird jedoch mehr als ausgeglichen durch die erhöhte Stromerzeugung der im Lee stehenden Anlagen. Auch die Lebensdauer der Anlagen wird dadurch erhöht.

Das erarbeitete Know-how wird das Team nun in EU-Projekt CL-WINDCON (Closed Loop Wind Farm Control) einbringen. Im Rahmen dieses Projekts soll zusammen mit 13 weiteren Partnern aus sechs Ländern ein intelligentes Steuerungssystem für Windparks entwickelt und getestet werden. In den nächsten drei Jahren planen die Wissenschaftler, die automatisierte Windparkregelung zu optimieren und in Feldversuchen auch im großen Maßstab zu testen.