MMaterialNews vom 11.05.2009

'Smart turbine blades' to improve wind power

Researchers have developed a technique that uses sensors and computational software to constantly monitor forces exerted on wind turbine blades, a step toward improving efficiency by adjusting for rapidly changing wind conditions.
The research by engineers at Purdue University and Sandia National Laboratories is part of an effort to develop a smarter wind turbine structure

"The ultimate goal is to feed information from sensors into an active control system that precisely adjusts components to optimize efficiency," said Purdue doctoral student Jonathan White, who is leading the research with Douglas Adams, a professor of mechanical engineering and director of Purdue's Center for Systems Integrity.

The system also could help improve wind turbine reliability by providing critical real-time information to the control system to prevent catastrophic wind turbine damage from high winds.

"Wind energy is playing an increasing role in providing electrical power," Adams said. "The United States is now the largest harvester of wind energy in the world. The question is, what can be done to wind turbines to make them more efficient, more cost effective and more reliable?"

The engineers embedded sensors called uniaxial and triaxial accelerometers inside a wind turbine blade as the blade was being built. The blade is now being tested on a research wind turbine at the U.S. Department of Agriculture's Agriculture Research Service laboratory in Bushland, Texas. Personnel from Sandia and the USDA operate the research wind turbines at the Texas site.

Such sensors could be instrumental in future turbine blades that have "control surfaces" and simple flaps like those on an airplane's wings to change the aerodynamic characteristics of the blades for better control. Because these flaps would be changed in real time to respond to changing winds, constant sensor data would be critical.

"This is a perfect example of a partnership between a national lab and an academic institution to develop innovations by leveraging the expertise of both," said Jose R. Zayas, manager of Sandia's Wind Energy Technology Department.

Research findings show that using a trio of sensors and "estimator model" software developed by White accurately reveals how much force is being exerted on the blades. Purdue and Sandia have applied for a provisional patent on the technique.

Findings are detailed in a paper being presented Monday (May 4) during the Windpower 2009 Conference & Exhibition in Chicago. The paper was written by White, Adams and Sandia engineer Mark A. Rumsey and Zayas. The four-day conference, organized by the American Wind Energy Association, attracts thousands of attendees and is geared toward industry.

"Industry is most interested in identifying loads, or forces, exerted on turbine blades and predicting fatigue, and this work is a step toward accomplishing that," White said.

A wind turbine's major components include rotor blades, a gearbox and generator. The wind turbine blades are made primarily of fiberglass and balsa wood and occasionally are strengthened with carbon fiber.

"The aim is to operate the generator and the turbine in the most efficient way, but this is difficult because wind speeds fluctuate," Adams said. "You want to be able to control the generator or the pitch of the blades to optimize energy capture by reducing forces on the components in the wind turbine during excessively high winds and increase the loads during low winds. In addition to improving efficiency, this should help improve reliability. The wind turbine towers can be 200 feet tall or more, so it is very expensive to service and repair damaged components."

Sensor data in a smart system might be used to better control the turbine speed by automatically adjusting the blade pitch while also commanding the generator to take corrective steps.

"We envision smart systems being a potentially huge step forward for turbines," said Sandia's Rumsey. "There is still a lot of work to be done, but we believe the payoff will be great. Our goal is to provide the electric utility industry with a reliable and efficient product. We are laying the groundwork for the wind turbine of the future."

Sensor data also will be used to design more resilient blades.

The sensors are capable of measuring acceleration occurring in various directions, which is necessary to accurately characterize the blade's bending and twisting and small vibrations near the tip that eventually cause fatigue and possible failure.

The sensors also measure two types of acceleration. One type, the dynamic acceleration, results from gusting winds, while the other, called static acceleration, results from gravity and the steady background winds. It is essential to accurately measure both forms of acceleration to estimate forces exerted on the blades. The sensor data reveal precisely how much a blade bends and twists from winds.

The research is ongoing, and the engineers are now pursuing the application of their system to advanced, next-generation turbine blades that are more curved than conventional blades. This more complex shape makes it more challenging to apply the technique.

In 2008 the United States added 8,358 megawatts of new wind-power capacity, which equates to thousands of new turbines since the average wind turbine generates 1.5 megawatts. The new capacity increased the total U.S. installed wind power to 25,170 megawatts, surpassing Germany's capacity as the world's largest harvester of wind power.

"Our aim is to do two things - improve reliability and prevent failure - and the most direct way to enable those two capabilities is by monitoring forces exerted on the blades by winds," Adams said.

The research is funded by the U.S. Department of Energy through Sandia National Laboratories. Sandia is a multiprogram laboratory operated by Sandia Corp., a Lockheed Martin Co., for the U.S. Department of Energy's National Nuclear Security Administration under contract DE-AC04-94AL85000.

Source: Purdue University.

Recherchiert und dokumentiert von:

Dr.-Ing. Christoph Konetschny, Materialberater, Inhaber Materialsgate
Die Recherche und Aufbereitung der in diesem Dokument genannten Daten erfolgte mit größter Sorgfalt.
Für die Richtigkeit, Gültigkeit, Verfügbarkeit und Anwendbarkeit der genannten Daten übernehmen wir zu keinem Zeitpunkt die Haftung.
Bitte diskutieren Sie die Verwendung und Eignung für Ihren konkreten Anwendungsfall mit den Experten der genannten Institution.

Sie wünschen Material- und Technologierecherchen zu diesem Thema?

Materialsgate steht für hochwertige Werkstoffberatung und innovative Materialrecherchen.
Nutzen Sie unseren Beratungsservice

MMehr zu diesem Thema

Das Material von Windkraftanlagen muss starken Kräften standhalten. Gibt es Schäden an den Rotorblättern? Ein neuer Roboter überprüft die Anlagen genauer, als ein Mensch es könnte. Er erfasst jeden noch so kleinen Schaden – sogar unterhalb der Oberfläche.
Er kommt zuverlässig und er kommt allein. Flink und schnell zieht er sich am Seil nach oben. Meter für Meter, bis er die riesigen Rotorblätter der Windkraftanlage erreicht hat. Dann macht er sich an die Arbeit. Jeden Zentimeter Fläche auf den Rotorblättern nimmt er gründlich ins Visier, nichts entgeht ihm. Jeden Riss, jede Delamination im Material registriert er und leitet deren genaue Positionen weiter. Bei diesem Job ist er dem Menschen überlegen: der Roboter. Die Forscher am Fraunhofer... mehr
Rattern und pfeifen Windräder zu laut, dürfen sie zum Schutz der Anwohner nur unter Teillast arbeiten: Sie produzieren dann allerdings weniger Strom. Eine aktive Dämpfung löscht den Lärm durch Gegenschwingungen aus.
Stehen Windkraftanlagen in der Nähe einer Siedlung, dürfen sie auch bei starkem Wind nicht zu laut werden. Die meisten Anlagen schonen Nachbars Ohren, dennoch kann es trotz sorgfältigster Konstruktion immer wieder vorkommen, dass Lärm entsteht: zum einen durch die Bewegung der Rotorblätter, zum anderen durch Zahnräder, die Schwingungen im Getriebe hervorrufen. Diese werden an den Turm des Windrads weitergeleitet und dort großflächig abgestrahlt – die Anwohner nehmen sie als Brummgeräusche... mehr
Zusammen mit dem norwegischen Konzern StatoilHydro entwickelt Siemens das erste schwimmende Windkraftrad der Welt.
Statt das Windrad wie bisher mit einem massiven Pfeiler im Meeresgrund zu befestigen, solle ein spezieller Schwimmkörper samt Anker die Anlage stabilisieren, berichtet das Forschungs-magazin Pictures of the Future über Details des Projekts. Damit könnten erstmals auf hoher See Windparks errichtet werden. Die Windausbeute wäre ertragreicher, und die Fauna an den Küsten würde nicht gefährdet. Ab 2009 soll ein Prototyp vor der norwegischen Küste in Betrieb gehen. Windparks auf offener See... mehr
Blade’s most distinctive characteristic is gently curved tip.
A new wind turbine blade design that researchers at Sandia National Laboratories developed in partnership with Knight & Carver (K&C) of San Diego promises to be more efficient than current designs. It should significantly reduce the cost-of-energy (COE) of wind turbines at low-wind-speed sites. Named “STAR” for Sweep Twist Adaptive Rotor, the blade is the first of its kind produced at a utility-grade size. Its most distinctive characteristic is a gently curved tip, termed “sweep... mehr
RSS
facebook
xing
twitter
linkedin

MaterialCards Weekly

Ihr persönlicher und kostenfreier Material-Reminder - wöchentlich per E-Mail

Service:
Material­cha­rak­teri­sierung und Werkstoffprüfung

Sie benötigen leistungsfähigste Methoden der Material­cha­rak­teri­sierung und Werk­stoff­prü­fung zur Optimierung Ihrer Produkte?
Charakterisierung von Katalysatoren
Charakterisierung von Composites
Element-Mapping
Barriere-Eigenschaften
Korrosionstests
Thermographie
Charakterisierung von Coatings
Bruchmechanik
Medizintechnische Untersuchungen
Automotive Testing
Schadensanalyse von Produkten
Keramographie
Charakterisierung von Nanobeschichtungen
Schadensanalyse von Bauteilen
Untersuchung von Diffusionsschichten
Gefüge-Analytik
Prüfung von Kunststoffen
Prüfung von Werkstoffen der Elektrotechnik
Metallographie
Charakterisierung von Fügetechnologien
Charakterisierung von Katalysatoren
Charakterisierung von Composites
Element-Mapping
Barriere-Eigenschaften
Korrosionstests
Thermographie
Charakterisierung von Coatings
Bruchmechanik
Medizintechnische Untersuchungen
Automotive Testing
Schadensanalyse von Produkten
Keramographie
Charakterisierung von Nanobeschichtungen
Schadensanalyse von Bauteilen
Untersuchung von Diffusionsschichten
Gefüge-Analytik
Prüfung von Kunststoffen
Prüfung von Werkstoffen der Elektrotechnik
Metallographie
Charakterisierung von Fügetechnologien
Kontaktieren Sie uns – Wir leiten Ihre Fragestellung an einen unserer Kooperationspartner weiter, die alle anerkannte und zertifizierte Prüf­la­bore mit modernster Ausstattung be­treiben.

Empfohlene Literatur

David A. Grewell et al
Hanser Gardner
Bhagwan D. Agarwal et al.
John Wiley & Sons
Lawrence C. Bank
John Wiley & Sons

Empfohlene MaterialCards

Materialsgate Glossar

Carbon
Umgangssprachlicher Begriff zur Kennzeichnung von Materialien und Werkstoffen auf der Basis von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK).
Sensor
Sensoren sind Systeme, die auf physikalische oder chemische Signale reagieren, diese erfassen und in ein elektrisches Signal umwandeln, das beispielsweise zur qualitativen oder quantitativen Auswertung herangezogen werden kann.