Schallreduzierende Konzepte können essentiell zur Steigerung der Akzeptanz von Windenergieanlagen in der Bevölkerung beitragen. Akustische schwarze Löcher konzentrieren die Vibrationsenergie an lokalen Punkten auf der Gondelverkleidung und dissipieren diese mithilfe von Dämpfungsmaterialien, bevor eine Schallabstrahlung in die Umgebung stattfindet. Die akustisch angepassten Sandwichstrukturen nutzen eine Hohlraumvariation im Kernmaterial der Verkleidung, um die Schallabstrahlung frequenzabhängig zu beeinflussen. Beide Konzepte zählen zu den passiven Schallreduktionsmaßnahmen und beeinflussen bei richtiger Auslegung weder den Wartungsaufwand noch die Lebensdauer der Anlage.
Schall gefangen im schwarzen Loch
Akustische schwarze Löcher sind lokale Wandstärkenreduktionen, die sich in Verkleidungskomponenten einbringen lassen, weil diese Verkleidungselemente nicht hochbelastet sind. Die Gondelverkleidung einer Windenergieanlage ist daher ein geeignetes Anwendungsbeispiel für akustische schwarze Löcher. Die Simulation einer solch modifizierten Verkleidung erfolgte mithilfe einer Finite Elemente Analyse, wobei die Verkleidung mit gleichmäßig verteilten kreisrunden Löchern gleichmäßig versehen wurde. Aufgrund der Lochdurchmesser von mindestens 1,3 m und der gleichmäßigen Verteilung auf der Gondelverkleidung erinnert der Aufbau an einen Golfball. Je nach Position der Löcher reduziert sich die Wandstärke von 20 mm bzw. 5 mm auf 1 mm, wobei sich die geringste Wandstärke im Mittelpunkt des Lochs befindet. In der Lochmitte ist auch das Dämpfungsmaterial aufgebracht, um die Schwingungsenergie zu dissipieren. Der gewählte Aufbau ermöglicht die Beeinflussung der Schwingungen im niedrigen Frequenzbereich. Weil die Verkleidung aus Glasfaserverbundmaterial besteht, ist im Vergleich zu einer metallischen Verkleidung die Dämpfung schon erhöht. Alle akustischen schwarzen Löcher zusammen reduzieren die Schwingungsenergie weiter um bis zu 3 dB.
Mit großen Hohlräumen dem Schall begegnen
Der Einsatz von akustisch angepassten Sandwichstrukturen in der Gondelverkleidung wird ebenfalls in numerischen Untersuchungen betrachtet. Sandwichstrukturen mit rechteckigen Wabenkernen ersetzen dabei die Glasfaserverkleidung. Die hohe Biegesteifigkeit von Sandwichplatten ist durch die Decklagen begründet, weshalb zur akustischen Anpassung der Strukturen nur eine Kernvariation in Frage kommt. Die Größe der Hohlräume der Wabenkerne entscheidet dabei über die Frequenz, ab der die Sandwichstruktur die Schallabstrahlung reduziert.
Bei niedrigen Frequenzen sind quadratische Hohlräume mit einer Größe von ca. 400 mm notwendig, wenn die Dicke des Sandwichs 20 mm beträgt. Die Wandstärke der Kerne beträgt nur 40 mm, weshalb die Kerne nur wie eine Stützstruktur wirken. Darum ist diese passive Lösung nur für Leichtbaustrukturen geeignet, die nicht bis an ihre Grenzen belastet sind. Die in der Simulation erwartete Reduktion der Schwingungsenergie beträgt im Schnitt 2 dB und kann bei einzelnen Frequenzen bis zu 5 dB aufweisen.
Leise Windenergieanlage der Zukunft
Die Konzeptuntersuchungen finden im Projekt DampedWEA statt (BMWi Kennzeichen 03EE2008C). Im direkten Vergleich der vorgestellten Konzepte versprechen die akustisch angepassten Sandwichstrukturen ein höheres Potenzial, deshalb besteht der nächste Validierungsschritt aus experimentellen Plattenversuchen im akustischen Transmissionsprüfstand des Instituts. Anschließend erfolgt der Bau repräsentativer Gondelverkleidungsteile und der Test diese einsatznah in Prüfständen. Mithilfe des Sandwichkonzeptes können zukünftige Anlagen unter Berücksichtigung aktueller Fertigungsmethoden deutlich leiser werden.
