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Rotorblatt-Entwurf für Windenergieanlagen (RBE)

Dem Entwurf von Rotorblättern kommt bei der Entwicklung von Windenergieanlagen (WEA) eine besondere Bedeutung zu, da die Effizienz von WEA maßgeblich von der Beschaffenheit ihrer Rotorblätter abhängt. Dabei kommen dem Rotorblatt zwei wesentliche Funktionen zu: Es muss die kinetische Energie des Rotorblatts in Rotation umwandeln, dabei optimale aerodynamische Kräfte generieren, die entstehenden mechanischen Belastungen abtragen und an die Nabe und den Turm weitergeben. Das Rotorblatt muss also möglichst leicht und aeroynamisch hoch-performant sein und gleichzeitig strukturell ausreichend Steifigkeit und Festigkeit gewährleisten. In dem Modul RBE werden die Kerngebiete des Rotorblattentwurfs behandelt.

Das Modul wird mit 6 LP bewertet und wird im Sommersemester angeboten.


Highlight: CompLAB (s.u., Quelle: Fraunhofer, 2016)

 

Lernziele

Die Studierenden erwerben durch dieses Modul vielfältige Kompetenzen im Bereich des Entwurfs von Rotorblättern für Windenergieanlagen. Nach erfolgreichem Abschluss können die Studierenden

  • die physikalischen Eigenschaften klassischer Materialien für den Einsatz bei Rotorblättern von WEA erläutern,
  • die strukturellen Bauteile eines Rotorblatts benennen und ihre Funktionsweise erklären,
  • geeignete Materialien für die einzelnen strukturellen Bauteile auswählen,
  • die klassische Laminattheorie und Versagensmodelle für Faserverbundwerkstoffe erklären,
  • das mechanische Verhalten von Rotorblättern auf Basis von Balkenmodellen berechnen und analysieren,
  • eine aerodynamische und strukturelle Auslegung im Hinblick auf Ertrags- oder Lastoptimierung durchführen und den Zusammenhang dieser beiden Entwurfszielgrößen einordnen,
  • die Performanz von Rotorblättern einordnen,
  • gängige Technologien für die Fertigung von Rotorblättern unterscheiden und
  • Methoden der experimentellen Verifikation im Labor und im Freifeld erläutern.

Vorlesung

Die Vorlesung des Moduls RBE findet im Frontalunterricht statt. Sie besteht aus folgenden Themenkomplexen:

  • Historie der Rotorblattkonstruktion
  • Eigenschaften verwendeter Materialien
  • Mechanisches Verhalten von Faserverbundwerkstoffen
  • Klassische Laminattheorie und Balkenmodell für Rotorblätter
  • Aerodynamische und strukturelle Auslegung
  • Fertigungs- und Prüfverfahren
  • CompLAB: Labor zur Fertigung von Faserverbund-Bauteilen bis hin zu einem Modellrotorblatt von ca. 2 m Länge

Übung

In der Übungsveranstaltung des Moduls RBE werden die Inhalte der Vorlesungen durch Rechenbeispiele vertieft. Die Übung ist in klassischen Frontalunterricht und interaktive Einheiten unterteilt. Daneben sind auch Übungsteile in das CompLAB integriert.

CompLAB

Das CompLAB findet an vier Tagen in Gruppen zu jeweils 6 Studierenden am Fraunhofer IWES in Bremerhaven statt. Das Fraunhofer IWES stellt dafür Teilnahme-Zertifikate aus. Eine Unterkunft in Bremerhaven wird institutsseitig zur Verfügung gestellt. Im CompLAB werden folgende Inhalte behandelt:

  • Sicherheitseinweisung
  • Theorie Materialkunde (Harzsysteme, Faserverstärkungen, Kernwerkstoffe)
  • Theorie Herstellungsverfahren
  • Fertigen von Faserverbundplatten mittels Vakuuminfusion
  • Schneiden von Coupon-Proben
  • Berechnung des Coupon-Verhaltens mittels Mischungsregel und klassischer Laminattheorie
  • Testen der Coupons und Validierung der Berechnungsergebnisse
  • Fertigen von Halbschalen eines Rotorblattmodells aus Faserverbundmaterial mittels Vakuuminfusion
  • Verklebung und Finishing der Rotorblatthalbschalen

Prüfung

Zum erfolgreichen Abschluss des Moduls RBE ist eine zusammengesetzte Prüfungsleistung zu erbringen. Der erste Teil besteht aus der Bearbeitung einer Hausarbeit, in der selbstständig die gelernten Inhalte angewendet werden. Zu diesem Zweck führen die Studierenden einen aerodynamischen und strukturellen Entwurf eines Rotorblatts für vorgegebene Randbedingungen durch. Teil 2 besteht aus einer mündlichen Prüfung am Semesterende mit einer Dauer von ca. 20 Minuten. Die Gesamtnote wird als arithmetisches Mittel aus beiden Prüfungsteilen ermittelt.

Studierende müssen sich für die Teilnahme am Prüfungsverfahren rechtzeitig zu diesem anmelden. Das Prüfungsverfahren gilt mit Aushändigung der Aufgabenstellung der Hausarbeit als eröffnet.