Hightech in der Windindustrie

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    10-Jul-2016

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<ul><li><p>Hightech in der Windindustrie Neue Mater ia l ien und neues Design n e h m e n Einzug in die Windindustr ie . H6here Ertr~ge, Ge- wichtsredukt ion und hohe Qualit i i t sind die Ziele, die sich die Entwick ler gesetz t haben. Die LiJ- becker Firma DeWind, Herste l ler von Windenerg iean langen, setzt Kohlenstof f fasern im Blattbau ein und erziel t dami t ( iberzeugende Ergebnisse. </p><p>S. VULLRIEDE </p><p>Bl&amp;tter gehSren zu den Schl0sselkomponenten yon Windenergieanlagen: Design, Auslegung und Fertigung ha- ben jeweils weit reichende Auswirkungen. Ihr aerodyna- misches Design ist ein we- sentlicher Faktor for die Er- tragsst&amp;rke der Gesamtanla- ge. Ihre Auslegung und die verwendeten Matedalien ent- scheiden L~ber die Auslegung der Gesamtanlage und ha- ben damit Auswirkungen auf Gewicht, Betriebsfestigkeit und Kosten. </p><p>0.7 </p><p>O6 </p><p>05 </p><p>04 </p><p>~ 0,3 ~ 0 2 </p><p>J1 i O! </p><p>09 </p><p>08 </p><p>HS Carbon I Epoxy </p><p>, - , , i , ' ~ ' i " " - Atamkl / Epoxy i ~ E Glass I Epoxy </p><p> ~ ! -~_ E G ~ , ~ : - ~ - Carbon I Polyester </p><p>.[ Very good fatigue properties J~~i </p><p>1E+01 1.E,02 115,.03 1 E*O4 l e t 0 5 I , E ~ </p><p>Cycle= (N) </p><p>1. Kohlenstofffaser im Blattbau Der Einsatz yon Kohlenstoff- fasem beim Blattbau wird seit einiger Zeit intensiv in der Windindustrie diskutiert. Kriterien wie Materialeigenschaften, Materialverf0g- barkeit, Kosten, Verarbeitung, Dauerfe- stigkeit, Verhalten im Betrieb spielen fQr die Diskussion eine zentrale Rolle. Die besonderen Materialeigenschaften der Kohlenstofffaser, insbesondere ihre sehr hohe gewichtsspezifische Steifigkeit so- wie die 0berragende Dauerfestigkeit, ma- chen ihren Einsatz attraktiv. Immerhin geh6rt der Rotor zu den mechanisch am st&amp;rksten belasteten Komponenten der Windenergieanlage. Allerdings werden unter anderem die hohen Materialkosten gegen den Einsatz von Kohlenstofffasern ins Feld gefQhrt. </p><p>Die Unternehmen der Branche haben unterschiedliche Konsequenzen aus die- ser Sachlage gezogen. Kohlenstofffasern kommen bislang selten zum Einsatz. Das DeWind D8-Blatt war schlieBlich das erste Blatt, in dem Kohlenstofffasern im Serien- bau eingesetzt wurden. Die imponieren- den Kenndaten, die hervorragenden aero- dynamischen Eigenschaften und das hohe Ertragspotenzial sprechen for das Konzept. Damit aber nicht genug hat die DeWind D8 ein geringes Gewicht und ver- gleichsweise kompakte Abmessungen. </p><p>Diese Kerndaten wurden durch die Kombination yon neuen Materialien und </p><p>Abb. 1. Vergleich Glasfasern und Kohlenstofffasern hinsichtlich Dauerfe- stigkeit; Kohlenstofffasern weisen hier deutliche Vorteile auf </p><p>neuem Designkonzept erreicht, in Schlagworten durch die Wahl einer stei- fen Auslegung, vor allem durch den Ein- satz yon Kohlenstofffasern ftir die biege- steifen Gurte des Blattes. </p><p>2. Gewicht senken, Kosten senken Die ,,Eliminierung von Gewicht" stand bereits f~Jr Henry Ford zu Beginn des 20. Jahrhunderts im Zentrum der Aufmerk- samkeit, denn Gewichtseinsparung senkt Kosten radikal - durch geringeren Mate- rial-/Verarbeitungsaufwand sinken die Materialkosten und die Betriebskosten. Am Beispiel des DeWind D8-Blattes wird dies sichtbar. Das geringere Gewicht des Rotors und die steife Auslegung des Blattes haben es ermSglicht, den Turm- vorbau der DeWind D8 vergleichsweise kurz zu halten. </p><p>Die Gesamtl&amp;nge der Anlage konnte daher klein gehalten werden. Aus dem niedrigen Gewicht resultieren zudem geringere Lasten, die vom Blatt auf die Anlage, Turm und schliei31ich Funda- ment Qbertragen werden. Das spart in allen Komponenten - insbesondere bei den mechanisch hoch belasteten Kom- ponenten wie Triebstrang, Lager, Ge- triebe und Generator - Material und da- mit Kosten, ohne dass es hier zu Qua- </p><p>lit&amp;tseinbui3en kommen werde. </p><p>Kohlenstofffasern haben in den vergangenen Jahren in der Sportartikelindustrie, aber auch in der Automobil- und Luftfahrtindustrie enorm an Bedeutung gewonnen. Ursache ist das &amp;uBerst ge- ringe Gewicht des Materials bei seinen gleichzeitig sehr hohen Steifigkeiten- und Dauerfestigkeitskennwerten. </p><p>Kohlenstofffasern haben eine au6ergew6hnlich hohe Restfestigkeit nach einer de- finierten Anzahl Betriebslas- tenwechseln und werden h6chsten von Edelmetallen oder Titan 0bertroffen. Im direkten Vergleich zur heute meist eingesetzten Glasfa- </p><p>ser wird dies deutlich (Abb. 1). h, hnlich deutlich sind die spezifischen Steifheits- und Belastungswerte, die Kohlenstofffa- sern im Vergleich vor allem zur Glasfaser aufweisen (Abb. 2). In allen drei Anforde- rungsbereichen sind die Kohlenstofffa- sern den Glasfasern ~berlegen. </p><p>Seitdem die Windindustrie Anlagen im Multimegawattspektrum entwirft und realisiert, sind Kohlenstofffasern deshalb im Gespr&amp;ch. Bei kleineren Bl~ttern ist das Lastniveau vor allem durch die Aero- dynamik bestimmt, das heiBt yon den Einwirkungen, die die Windanstr6mung auf das Blatt ausebt. Mit der GrSI3e der BlOtter w&amp;chst der Anteil, den das Eigen- gewicht des Blattes an den Lasten hat. Je gr61]ere die Anlage und damit auch das Blatt, desto gr5Ser ist der Anteil des Blattgewichts an den GesamUasten der Windenergieanlage. </p><p>Ziel der konstruktiven Arbeiten ist deshalb nicht allein die Anpassung s~mt- licher Komponenten an die neuen Lei- stungsstufen, sondern auch die Senkung des Gewichts der BlOtter. Das Ziel mOs- sen leichte, hochsteife und feste Bl&amp;tter sein. Zugleich muss freilich die aerody- namisch beste L6sung realisiert werden. Die erste LSsung, mit cler das Gewicht gesenkt werden kann, ist der Einsatz von </p><p>heft 4 April 2004 a 19 </p></li><li><p>praxis&amp;wissen </p><p>Suction Side Shell </p><p>I Suction Side Girder I </p><p>Suction Side Shell I </p><p>Shear Web i i I 2nd Shear Web L I Trailing E._dge girder </p><p>Pressure Side Shell V ___ il Pressure Side Shell ! </p><p>I Pressure Side Girder I CFRE UD i i Sandwich: PVC + GFRE +-45 = </p><p>Abb. 3. Querschnitt durch das Blatt einer DeWind D8. Es kommen beide Werkstoffe - Glas- und Kohlenstofffasern - zum Einsatz. Die Werkstoffe werden zudem in spezifischen Bauweisen ein- gesetzt. Glasfasern kombiniert mit PVC in Sandwichbauweise werden for die gesamte &amp;ul3ere Oberfl~che und for die Stege verwendet, Kohlenstofffasern hingegen ffir die Gurte, die vor al- lem Zug- und Druckkr&amp;fte auffangen sollen und fLir die Biegesteifigkeit des Blattes sorgen </p><p>Leichtbauweisen, das heil3t der Einsatz von leichteren Materialien und von Kon- struktionen, in denen Gewicht ohne Qua- lit&amp;tseinbui3en gespart werden kann. </p><p>3. Kombination y o n Glas- und Kohlensto f f fasern Bei Projektstart f0r die Entwicklung des Blatts der DeWind D8 lagen den DeWind-lngenieuren bereits die Erfah- rungen aus der Konstruktion und dem Betrieb des DeWind D6-Blattes zur Aus- wertung vor. Bereits rnit diesem Glasfa- ser-Venylesther-Blatt, das auf den Ein- satz yon Kohlenstofffasern verzichtete, war es m6glich, das Gewicht des Blattes im Vergleich zum Wettbewerbsblatt deut- lich zu senken. Die MSglichkeiten, durch Leichtbauweise in der Struktur des Blattes Gewicht zu sparen, sind freilich begrenzt, da die Geometrie des Blattes aufgrund der aerodynamischen Bedin- gungen den Ertrag der Anlage bestimmt. In den Dimensionen des gr6Beren 2-MW- Blattes musste also nach welter gehen- den L6sungsans&amp;tzen gesucht werden. Damit rOckte dann die Materialfrage wieder starker ins Zentrum der Aufmerksamkeit. </p><p>Im Vorfeld starteten die De- Wind-Entwickler Untersuchungs- reihen for den Einsatz von Glasfa- sern und Kohlenstofffasern. Dabei arbeiteten sie eng mit Forschern der VIRO Engineering (Niederlan- de) und Entwicklern der renom- mierten Netherlands Energy Re- search Foundation ECN in Petten (Niederlande) zusammen. Das Er- gebnis sprach for die Verwendung von Glas- und Kohlenstofffasern in Kombination als Hybridbau- weise. </p><p>Bis zu einer Gr613enordnung von 40 Metern Blattl&amp;nge sind yon technischer und von der Kostenseite her beide Werk- stoffe einsetzbar. Denkbar w~ire f0r den Einsatz der 2-MW-Anlage auch ein ,,kon- ventionelles" Glasfaser-Blatt gewesen. DeWind entschied sich im Jahre 2001, nach Abschluss der Voruntersuchungen, dazu, im Blatt der DeWind D8 beide Werkstoffe einzusetzen. DafLir sprachen zum einen KostengrLinde. Kohlenstofffa- sern sind trotz der gesteigerten Lieferka- pazit&amp;ten, die Liber den Einsatz in der Sportartikelindustrie aufgebaut wurden, noch immer vergleichsweise teuer. AIs optimaler Kompromiss erwies sich des- halb der Einsatz von Kohlenstofffasern an strategischen Stellen des Blattes. </p><p>4. Funk t ion ie rendes B l i t zschutz - k o n z e p t Carbonfasern sind im Gegensatz zu Glasfasern leitf&amp;hig - wenn auch nur ge- ringfCigig. Gelangt der Strom in die Car- bonfasergurte, werden diese durch den </p><p>Mild steel Alurrunium "r"daniurn Carbon / Glass I Kevlar I alloy 2024 alloy Epoxy Epoxy Epoxy </p><p>Vf=0,6 Vf=-0,6 Vf=0,6 </p><p>Abb. 2. Spezifische Steifigkeitswerte unterschiedlicher Materia- lien; auch hier sind die Vorteile von Kohlenstofffasern schlagend </p><p>hohen Widerstand erheblich aufgeheizt, so dass das die Fasern verbindende Epoxydharz verbrennen k6nnte. F0r die Anforderung an ein funktionierendes Blitzschutzkonzept kommt erschwerend hinzu, das bei sehr langen Rotorbl~ittern von L~ber 30 Metern L&amp;nge die Blitze nicht immer sicher mit dem Rezeptor in der Blattspitze eingefangen werden k6n- nen, zum Tell schlagen sie dann auch in Bereiche bis Radius R=20 Metern ein. </p><p>Die Auslegung des Blitzschutzkon- zepts des DeWind D8-Carbonfaserblat- tea erfolgte daher in Anlehnung und auf der Basis der Erfahrungen insbesondere des milit&amp;rischen Flugzeugbaus, wo ein sehr groSes Know-how zu diesem The- ma existiert: Alle Carbonfasergurte wer- den durch spezielle Kupferdrahtgitter ab- gedeckt, die so dimensioniert sind, dass sie alle Blitzeinschl~.ge (Jblicher Gr613en- ordnungen sicher ableiten k6nnen, ohne dass es zu Besch&amp;digungen an der Car- bonfaserstruktur kommt. Die Erfahrun- gen nach fast zwei Jahren Betriebszeit der ersten DeWind D8-Anlagen best~ti- gen das Designkonzept. </p><p>5. K o m p a k t e r e B a u w e i s e mSgl ich Mit zu der Entscheidung, Kohlenstofffa- sern beim DeWind D8-Blatt einzusetzen, hat zudem die 0berlegung gefiJhrt, dass damit die Weichen ffJr die zu erwarten- den Anlagendimensionen der kommen- den Jahre gestellt werden kSnnen, da mit den Blattl&amp;ngen die Vorteile beim Einsatz von Kohlenstofffasern wachsen. Insbe- sondere die Folgekosten for die Konzep- tion der gesamten Windenergieanlage fallen durch die reduzierten Lasten. </p><p>Ein exemplarischer Wert kann das il- lustrieren: Die maximale Durchbiegung des DeWind D8-Blattes liegt bei unter 3 Metern - ein Wert, der auf die spezifi- schen Steifheitswerte der Kohlenstofffa- sern zuri~ckzufLihren ist. Glasfaserbl&amp;tter dieser Gr613e anderer Hersteller weisen hier Werte auf, die ca. um 50 % h6her </p><p>sind. Das bedeutet, dass der ge- samte Vorbau der DeWind D8 kLirzer ausgelegt werden konnte. Der Rotor konnte n~her an den Turm platziert werden. Bereits bei der Auslegung der Nabe konnte Material eingespart wer- den. </p><p>Aus dem kCirzeren Vorbau er- gab sich eine kompaktere Bau- weise der gesamten Gondel. Maschinentr&amp;ger und Rotorwelle konnten kLirzer ausgelegt wer- den - mit entsprechenden Ein- sparungen beim Material. Das niedrige Gewicht der DeWind D8 von ca. 90 Tonnen (Gondel plus Rotor) und eine Gesamtl&amp;nge </p><p>a 2 0 e&amp;i elektrotechnik und informationstechnik </p></li><li><p>von lediglich 12 Metern ist im Wesentli- chert das Resultat des optimierten und leichten Rotorbiatts. Damit liegt das Gondel- und Nabengewicht der DeWind D8 nur unwesentlich [3ber den Werten der DeWind D6. Bei der Gesamtl&amp;nge konnte das Niveau der kleineren Anlage gehalten werden, und das bei einem um 50 % hOheren Ertrag. </p><p>Daraus ergibt sich eine f0r das Unter- nehmen strategisch entscheidende und weit reichende Konsequenz: Hersteller m0ssen die Blattkonstruktion ins Haus holen, denn das Rotorblatt muss, gerade wenn Kohlenstofffasern zum Einsatz kommen, mit der gesamten Anlage zu- sammen entwickelt werden. Bei der nicht abgestimmten Entwicklung von Blatt und Gondel k5nnen die Materialvorteile des Werkstoffs Kohlenstofffaser nicht voll wirksam werden. Der Einsatz von Stan- dard-Bl&amp;ttern f0hrt zu suboptimalen Er- tr&amp;gen und zu einer vSIlig anderen Ausle- gung tier Anlage insgesamt. </p><p>~ lJfische Masse kg/ICW 4,5 </p><p>4,0 </p><p>3,5 Jr w _ _ _ </p><p>ow-=~ </p><p>(3,s) </p><p>62m </p><p>DW62m (S,8) </p><p>(8,4) </p><p>' i </p><p>Abb. 4. Das Gewicht des Blattes der DeWind D8 liegt ca. 2 Tonnen unter dem Gewicht eines herk6mmlichen Blattes mit 80 Meter Rotordurchmesser </p><p>6 . A u f b a u in S a n d w i c h - B a u w e i s e Ein Schnitt durch das DeWind D8-Blatt zeigt die LSsungen, die for das Aufga- benprofil gefunden wurden (Abb. 3). Die Rotorbl&amp;tter werden in einer beulsteifen Sandwich-Konstruktion mit einem leith- ten PVC-Schaumkern gefertigt, um Ge- wicht zu sparen. Zwischen 2 und 130 Schichten befinden sich je nach Position in den Wandungen des Blattes 0berein- ander - das Blatt wird in Richtung Ver- bindungsstelle zur Gondel immer dicker. Im Wurzelbereich bilden Glasfaser- und Kohlenstofffaserlagen eine spezielle ent- wickelte Hybridstruktur. </p><p>Insbesondere im Blattwurzelbereich treten extreme Belastungen auf. Die Las- ten, die 0ber das Gewicht des Blattes, die aerodynamischen Einfl0sse und den Betrieb auf das Blatt wirken, werden Qber die Blattwurzel zur Nabe und auf den Triebstrang 0bertragen. Die Blatt- wurzel muss diesen Belastungen auch im Langzeitbetrieb standhalten k6nnen. </p><p>Wie die Vergleichsgrafik zeigt (Abb. 4), liegt das DeWind D8-Blatt ca. 25 % unter den Werten eines Standardbiattes, alas auf dem freien Markt erh~.ltlich ist und das gegebenenfalls auf der DeWind D8 einsetzbar w&amp;re. Die Entwicklung wird aber weiter fortgesetzt, bis zu einer Zielmarke von 5,2 Tonnen. </p><p>7. Q u a l i t ~ t in d e r F e r t i g u n g Die Fertigungsverfahren und die Qualit&amp;t der Fertigung spielen insbesondere bei der Haltbarkeit der BlOtter eine zentrale Rolle. Qualit&amp;tsm&amp;ngel in der Blattferti- gung fQhren zu ErtragseinbuBen und Re- paraturaufwendungen. Die Aufwendun- gen fL~r den Rotor liegen etwa bei 20 % </p><p>IF ' - -J </p><p>Abb. 5. Die schematische Ubersicht zeigt de- tailliert die Fertigungsstufen des DeWind D8- Blattes </p><p>der Gesamtkosten der Anlage. Bei Ersatz sind neben diesen Kosten und den Er- tragsausf~llen zudem Lohn-, Transport und Krankosten zu ber0cksichtigen. Qualit~t in der Fertigung ist ein zentraler Faktor for die Wirtschaftlichkeit der Windenergieprojekte. Bei der Neuent- wicklung yon Bl~.ttern sind also gleicher- maSen die Ertragsseite, die Lastseite und die Qualit&amp;tsseite zu ber0cksichtigen. </p><p>Kohlenstofffasern erfordern bei der Produktion eine hohe Aufmerksamkeit. Kohlenstofffaser-Bauteile streuen mitun- </p><p>ter sehr stark in der Qualit&amp;t, denn erst im Fertigungsprozess for das Bauteil wird auch der Werkstoff im Aush&amp;rtungs- prozess unter Druck und Temperatur her- gestellt. Fehler haben aber groBe Auswir- kungen in der maximalen Festigkeit des Blattes und damit for die gesamte Be- triebssicherheit. Daher ist for die Pr0duk- tion eine akkurate Qualit&amp;tssicherung er- fordedich. </p><p>Generell werden Rotorbl&amp;tter in nur wenigen Arbeitsschritten ausgeh&amp;rtet. Das macht e...</p></li></ul>

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