1500 sensoren voor de rotorbladen van de toekomst

Rotorbladen zijn een van de belangrijkste onderdelen van een windturbine. Ze kunnen tot 70 meter lang zijn en tussen 15 en 20 ton wegen. Om windturbines in de toekomst efficiënter te laten werken en ze ook te kunnen gebruiken op locaties waar het minder waait, zijn nog grotere en tegelijk lichtere wieken nodig. Het Duitse lucht- en ruimtevaartcentrum DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) werkt samen met partners uit onderzoek en industrie om uit te zoeken hoe dit kan worden bereikt en welke technische uitdagingen hiermee gepaard gaan.

DLR's WiValdi (Wind Validation) Wind Energy Research Farm in Krummendeich is op dit moment in aanbouw. Gedurende een aantal weken in maart en april 2022 hebben onderzoekers van het DLR-instituut voor Aero-elasticiteit en het DLR-instituut voor Composietstructuren en Adaptieve Systemen de productie van zes rotorbladen voor twee windturbines op het onderzoekspark ondersteund. Dit gebeurde in samenwerking met de Leibniz University Hannover, die deel uitmaakt van het ForWind Center for Wind Energy Research. In de Portugese fabriek van de industriële partner Enercon heeft het 30-koppige team de rotorbladen uitgerust met ongeveer 1500 sensoren, waardoor state-of-the-art meettechnologie van de tip tot de bevestigingl beschikbaar is. Dit is de eerste keer dat trillings- en belastingsgedrag, alsook de aërodynamica en statica van een windturbine, uitvoerig kunnen worden onderzocht op een apparaat op ware grootte en tijdens de werkelijke werking.

'Zenuwstelsel'

"Als je grote en lichte wieken hebt, worden ze heel elastisch en flexibel. Ze verbuigen onder windbelasting. Dit brengt nieuwe technische uitdagingen met zich mee die nauwkeurig moeten worden onderzocht", legt Yves Govers van het DLR-instituut voor Aero-elastiticiteit en leider van het werkpakket instrumentatie uit. De rotorbladen van twee van de windturbines in het onderzoekspark zijn 57 meter lang en kunnen enkele meters doorbuigen.
"Je kunt de sensoren zien als het menselijk zenuwstelsel. Ze verzamelen informatie, monitoren en geven aanwijzingen over waar een probleem zou kunnen ontstaan", illustreert Govers. In de rotorbladen zijn elektrische en optische sensoren aangebracht. Ze meten bijvoorbeeld de versnelling op verschillende punten op de bladen en maken zo uitspraken mogelijk over het trillingsgedrag. Vezeloptische reksensoren die met lasertechnologie werken, registreren de op de materialen werkende belastingen. Een netwerk van piëzo-elektrische transducers ontvangt en zendt ultrasone signalen uit en kan rechtstreeks schade detecteren die zich in de rotorbladen ontwikkelt. Andere camera's in de nabijheid van de windturbines meten veranderingen in de rotorbladen van buitenaf. Als referentie voor hun metingen wordt een patroon van stippen geschilderd op verschillende secties van de wieken.

Betere simulatie en ontwerp

Als de bladen steeds langer worden en de turbines groter, ontstaan er nieuwe effecten. Zo kunnen bijvoorbeeld trillingen van de rotorbladen elkaar versterken en de stabiliteit van de turbine beïnvloeden. "Tot nu toe was het bijna onmogelijk om het trillingsgedrag en dus ook de materiaalspanning tijdens bedrijf te registreren. Met onze uitgebreide sensortechnologie zullen we waardevolle gegevens kunnen verzamelen en de simulaties verder kunnen verbeteren. Deze kennis zal onderzoek en industrie helpen om nauwkeuriger voorspellingen te doen en nog lichtere en stabielere turbines te bouwen", legt Govers uit. Vandaag combineren rotorbladen al een lichte constructie met stabiliteit. Ze bestaan uit twee op elkaar gelijmde schalen, die aan de binnenkant grotendeels hol zijn en met ribben zijn verbonden. Er worden sandwichmaterialen gebruikt; deze hebben een boven- en onderlaag van met glasvezels versterkte hightech-kunststoffen, met daartussen kunststofschuim of zeer licht balsahout.

Besturingstechnologie

Onder belasting buigen de rotorbladen niet alleen, maar verdraaien ze ook. De sensoren in de bladen registreren dit ook. Deze gegevens kunnen helpen bij de ontwikkeling van nieuwe benaderingen voor de besturing van windturbines, zodat deze efficiënter en langer werken. Daartoe werkt het DLR aan concepten voor een lastafhankelijke regeling van turbines. Als een windvlaag optreedt, draaien speciale motoren aan de wortel van het blad het rotorblad uit de wind. Zo verkleinen ze de hoek waaronder de wind het blad raakt en verminderen ze de belasting. In combinatie met sensoren in de nabijheid van de windturbines moet dit het mogelijk maken om flexibel en op zeer korte termijn te reageren op de plaatselijke weersomstandigheden ter plaatse.
Twee windturbines achter elkaar - zoals in het DLR-onderzoekspark - zijn ook een uitdaging voor de regeltechniek. Yves Govers legt uit waarom: "De tweede turbine staat in het zog van de eerste. Dat betekent dat hij de turbulente lucht van de eerste turbine opvangt. Daarom willen we uitzoeken hoe de tweede turbine moet worden geregeld, zodat hij toch zoveel mogelijk elektriciteit produceert en materiaalvriendelijk kan worden bediend." Ook hier baseren de onderzoekers zich op de grote hoeveelheid gegevens van de vele sensoren. De vraag naar dergelijke nieuwe besturingsconcepten is groot. Nu al zijn windmolenparken, waarvan sommige meer dan honderd turbines hebben, zo dicht op elkaar gerangschikt dat de turbines elkaar allemaal beïnvloeden.

Buigen en oscilleren

Na hun reis per schip van Portugal naar Duitsland medio mei 2022, moeten de zes rotorbladen nog één stop maken. Voordat ze op de onderzoeksboerderij in Krummendeich worden geassembleerd, maken ze een tussenstop van twee maanden in Bremerhaven. In het Fraunhofer Institute for Wind Energy Systems (IWES) zullen ze worden onderworpen aan intensieve tests op testbanken. Daartoe zal het team de rotorbladen met elastische kabels aan een kraan ophangen en in trilling brengen. Dit is in de eerste plaats om de vele sensoren op te stellen en te testen. In een tweede grote test zullen de onderzoekers de bladen op een proefbank monteren en ze onderwerpen aan trekproeven om de statica, de vervorming en de interne spanningen te meten. Na afloop van deze tests is de installatie van de hoogtechnologische rotorbladen gepland voor het najaar van 2022.