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AVATAR - AdVanced Aerodynamic Tools for lArge Rotors

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Eva Jost, Dr.-Ing. Thorsten Lutz

Hintergrund und Problemstellung

Die Motivation für das EU-Forschungsprojekt AVATAR liegt in den Entwicklungsherausforderungen, die sich aus immer größer werdenden Windenergieanlagen ergeben. Um Anlagen mit einer Leistung von 10-20 MW möglich zu machen, müssen neue Designmethoden untersucht und angewandt werden. Dies sind beispielsweise lange, schlanke Blätter mit definierten aeroelastischen Eigenschaften, große Profildicken, hohe Schnellaufzahlen und die geziehlte Verwendung von Flow Control Devices. Sie ermöglichen noch größere Rotordurchmesser und somit eine Steigerung der Energieertrags. Allerdings erfordern diese Innovationen eine Überarbeitung der aktuell angewandten Entwicklungswerkzeuge (z.B. der Blattelement-Methode), da sie aus aerodynamischer und aerelastischer Sicht außerhalb des validierten Bereichs liegen. Durch höhere Gechwindigkeiten treten Kompressibilitäts- und Turbulenzeffekte auf, die bisher vernachlässigt werden konnten. Zusätzlich sind die Annahmen bezüglich Transitions- und Ablöseverhalten nicht mehr gültig und das Verhalten des Rotorblattes wird stark durch aeroelastische Interaktionen bestimmt. Das Ziel des AVATAR-Projekts ist daher die Evaluation, Verbesserung und Validierung der bisher verwendeten Entwicklungsmethoden hinsichtlich dieser neuen Effekte und Herausforderungen. Das Projekt wird im Rahmen der EERA (European Energy Research Alliance) durchgeführt und besteht aus zahlreichen europäischen Projektpartnern. EERA Homepage | AVATAR Homepage

Arbeiten am IAG

Am IAG sollen auf Basis der CFD-CSD Berechnungskette hochgenaue Simulationen durchgeführt werden um die auftretenden Effekte zu identifizieren und charakterisieren. Der Fokus liegt hierbei auf der Interaktion der Anlage mit atmosphärischer Turbulenz. Zusätzlich sollen die Möglichkeiten zur Lastreduktion durch Hinterkantenklappen untersucht werden, im speziellen mit Hinblick auf großer, elastische Rotoren.

DFG PAK 780

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Annette Fischer, Dr.-Ing. Thorsten Lutz

Hintergrund und Problemstellung

Um die Energieausbeute zu erhöhen wurden in den vergangenen Jahren Windenergieanlagen mit zunehmend größerem Rotordurchmesser entwickelt. Eine weitere signifikante Vergrößerung der Rotoren erfordert die Entwicklung neuer Konzepte und Technologien, um einen überproportionalen Anstieg von Gewicht und Herstellungskosten zu vermeiden und die Energie-Erzeugungskosten zu senken. Das gemeinsame Ziel des Forschungsschwerpunktes besteht in der Entwicklung und Bewertung innovativer Konzepte zur Lastenkontrolle. An dem Projekt sind neben der Universität Stuttgart die TU Berlin, die RWTH Aachen, die TU Darmstadt und die Carl von Ossietzky Universität Oldenburg beteiligt.

Arbeiten am IAG

Am IAG soll eine hochgenaue CFD-basierte Berechnungskette weiterentwickelt und zur Berechnung der instationären Lasten einer Windenergieanlage mit bzw. ohne aktivierter Lastenkontrolle angewendet werden. Dabei soll eine realitätsnahe atmosphärische Zuströmung mit zeitlich aufgelöster Turbulenz betrachtet werden. Die Komplexität der betrachteten Konfiguration sowie der Zuströmung wird dabei sukzessive erhöht, um spezifische Einflüsse gezielt untersuchen zu können, Vergleiche mit Windkanalversuchen der Universität Oldenburg und der TU Darmstadt zu ermöglichen und schließlich Daten zur Verbesserung vereinfachter Berechnungsverfahren der TU Berlin und der TU Darmstadt zu liefern. Da sich die Windkanalversuche nur im Modellmaßstab durchführen lassen wird das entwickelte numerische Verfahren zur Bewertung der Wirksamkeit des Lastenkontrollkonzepts für eine generische Anlage im Original-Maßstab unter atmosphärischen Bedingungen genutzt.

Entwicklung von Lidar-Technologien zur Erfassung von Windfeldstrukturen hinsichtlich der Optimierung der Windenergienutzung im bergigen, komplexen Gelände

Lidar Complex

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Christoph Schulz, Dr.-Ing. Thorsten Lutz

Hintergrund und Problemstellung

Dieses Projekt des süddeutschen Forschungsnetzwerksi "WindForS" hat folgende Ziele: Die Entwicklung von Lidar-Messverfahren für topographisch komplexe Standorte; Entwicklung und Validierung von Windfeldmodellen im komplexen Gelände und ein vertieftes Verständnis des Verhalten von Windenergieanlagen (WEA) im komplexen Gelände. Dazu werden Messungen im flachen und komplexen Gelände durchgeführt, um den Einfluss der Topographie zu bestimmen sowie den Einfluss von tages- und jahreszeitlichen Schwankungen im komplexen Gelände. Des Weiteren werden verschiedene Messmethoden (Windmessmast, meteorologische Messungen mit UAV und Lidar-Systemen) miteinander verglichen. Da Lidar-Systeme eine große Ungenauigkeit im komplexen Gelände aufweisen, sollen Algorithmen entwickelt werden, um die Messgenauigkeit zu erhöhen.

Ziele in den Arbeitspaketen des IAG

  • Modellierung und Vermessung des komplexen Gelädes im Windkanal
  • Simualation einer realen Windenergieanlage im IEC konformen Gelände
  • Simulation einer generischen Windenergieanlage im komplexen Gelände
  • Vergleich verschiedener Simulationsmethodiken
  • Bewertung des Lasten- und Leistungsverhaltens von Windenergieanlagen im komplexen Gelände
  • Verbesserung der Leistungs- bzw. Ertragsprognose

Links

Offizielle Seite des Projektes

OFFWINDTECH
Next Wing

LARS - LAst Reductions System

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Levin Klein, Dr.-Ing. Thorsten Lutz

Hintergrund und Problemstellung

Das nationale Forschungsprojekt LARS (Gefördert vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages) ist Teil des Verbundforschungsvorhabes OpTiWi (OpTimierung von Windenergieanlagen). Dieses verfolgt den Ansatz, aus dem Blickwinkel von Betreibern von Windenergieanlagen konkrete Konzepte für Windenergieanlagen mit dem Ziel zu entwickeln, die Kosten der Windenergienutzung weiter zu reduzieren und die Verfügbarkeit von Windenergieanlagen sowie deren Ertrag zu maximieren und diese dann exemplarisch umzusetzen. Die einzelnen Teilprojekte des Vorhabens fokussieren dabei auf die Optimierung von Windenergieanlagen hinsichtlich eines lastarmen Betriebs - Teilprojekt LARS und die Reduktion der Kosten für Montage, Errichtung und Wartung von Windenergieanlagen - Teilprojekt KALOS. Die Teilprojekte sind angeschlossen an den Bau und die Nutzung einer Forschungsplattform in Form einer 3,4 MW Windenergieanlage - Teilprojekt Technologieträger WETEC an der, bzw. mit der die entwickelten Konzepte exemplarisch umgesetzt und getestet werden.
Die Besonderheit der entwickelten Windkraftanlage ist, dass sie im Gegensatz zu den meisten heutzutage errichteten Multimegawatt Anlagen über einen 2-Blatt Rotor verfügt. Dieser bietet wesentliche Vorteile hinsichtlich der Kosten, des Transports und der Errichtung der Windkraftanlage, speziell im komplexen Gelände und in Waldgebieten. Ziel des Projektes ist die Reduktion der erhöhten Fatigue Lasten und Lastschwankungen durch eine gezielte Gestaltung bzw. aktive Regelung neu eingeführter Elastizitäten zwischen Nabenträger und Turbinenträger. Am Projekt sind neben dem IAG der Stiftungslehrstuhl für Windenergie (SWE) der Universität Stuttgart, das DLR Braunschweig und das Unternehmen SkyWind GmbH beteiligt.

Arbeiten am IAG

Die bestehende CFD-basierte Berechnungskette für Windenergieanlagen soll so weiterentwickelt werden, dass der Einfluss der elastischen Kopplung auf die Lasten der Windenergieanlage numerisch untersucht werden kann. Außerdem dienen die durchzuführenden hochaufgelösten Strömungssimulationen der Validierung einfacher im Projekt eingesetzter Aerodynamikcodes (z.B. BEM). Des weiteren werden 2D Strömungssimulationen zur Validierung der in diesen Aerodynamikcodes implementierten Dynamik Stall Vorhersagemodellen durchgeführt.