Erneuerbare Energien: Druck im Windkanal verrät, wie Windräder mehr Strom liefern

Ein Windrad dreht sich selten so, wie es die Lehrbuchskizze zeigt. Der Wind wechselt die Richtung schneller, als die schwere Gondel hinterherkommt, und so trifft die Strömung den Rotor meist schräg. Viele Regelstrategien gehen trotzdem vom Idealfall aus, in dem der Rotor senkrecht zum Wind steht. Ein Team um Michael Howland vom MIT und John Kurelek von der Queen’s University hat nun im Labor gezeigt, was diese Vereinfachung kostet.

Warum sich Windräder so schwer testen lassen

Wer eine neue Regelung prüfen will, steckt in einem Dilemma. Im Freiland wechseln Böen, Turbulenz und Wetter gleichzeitig, sodass sich der Effekt einer einzelnen Änderung kaum isolieren lässt. Für eine frühere Studie stellte Howlands Team Turbinen monatelang absichtlich schräg zum Wind und nahm Ertragseinbußen in Kauf. Kleine Modellrotoren im gewöhnlichen Windkanal helfen nur bedingt, denn sie arbeiten bei anderen Reynolds-Zahlen als große Anlagen. Diese Kennzahl beschreibt das Verhältnis von Trägheits- zu Reibungskräften in der Luft.

Ein Miniaturrotor in extrem verdichteter Luft

Das Team löst das Problem mit Druck. Es setzte einen Modellrotor mit 15 Zentimetern Durchmesser in einen Windkanal, wie ihn Marcus Hultmarks Labor an der Princeton University nutzt, und erhöhte die Luftdichte um das 100- bis 220-Fache. Dichtere Luft verstärkt die Trägheitskräfte im kleinen Aufbau. Der Winzling verhält sich dadurch wie eine Anlage mit 15 bis 20 Metern Durchmesser, maximal 35 Metern. Mehrere Wochen lang variierte das Team zwei Größen: den Gierwinkel, also die seitliche Fehlstellung zur Windrichtung, und die Schnelllaufzahl, die die Geschwindigkeit der Blattspitze ins Verhältnis zur Windgeschwindigkeit setzt.

Bei schrägem Wind verschiebt sich die ideale Drehzahl

Die Messungen zeigen: Die Schnelllaufzahl mit der höchsten Leistung hängt vom Gierwinkel ab. Wer nur die Gondel nachführt und die Drehzahl unverändert lässt, verschenkt Leistung. Laut MIT setzen Windparks diese Regelung bisher selten ein. Die Forscher:innen schätzen, dass optimierte Ausrichtung, Blattwinkel und Drehzahl pro Turbine und Jahr zusätzliche Erlöse von mehreren zehntausend Dollar bringen könnten.

Ein Rechenmodell für den Laptop und offene Fragen

Parallel prüfte das Team Howlands Unified Wind Turbine Model. Es berechnet Kräfte und Leistung ohne empirische Korrekturfaktoren und läuft auf einem gewöhnlichen Laptop. Die Laborwerte stimmten mit den Vorhersagen überein. Ingenieur:innen können damit Regelstrategien testen, bevor sie aufwendige Feldversuche starten. Offen bleibt, ob die Vorteile auch bei Böen, Richtungswechseln und der gegenseitigen Beeinflussung mehrerer Turbinen bestehen. Die Studie bildete keinen ganzen Windpark nach und belegt den realen Jahresertrag daher noch nicht.

via MIT