Aerodynamik für Windenergieanlagen

Die Aerodynamik von Windenergieanlagen ist stark von turbulenten Bedingungen im Windfeld geprägt. Sie werden für diese Betriebsbedingungen optimiert, indem eine möglichst realitätsnahe Beschreibung des Windfeldes zugrunde gelegt wird. Diese Beschreibung auch für die Standortbewertung nutzbar zu machen, ist ein erklärtes Ziel der Forschung. Es werden verstärkt numerische Strömungssimulationen (Computational Fluid Dynamics – CFD) eingesetzt. Am Fraunhofer IWES wird dazu hauptsächlich der offene Code OpenFOAM genutzt.

Windenergieanlagen sind aerodynamisch getriebene Maschinen. Von der Aerodynamik der Anlagen hängen direkt Lasten, Leistung und auch größtenteils die Lärmentwicklung ab. Die permanente Verbesserung der Aerodynamik von Windenergieanlagen ist daher sowohl für den wirtschaftlichen Betrieb als auch für die Akzeptanz ein zentraler Punkt.

Abbildung der Vortizität einer 2MW-WEA

Im Fraunhofer IWES liegt der Hauptschwerpunkt auf der Weiterentwicklung numerischer Methoden zur verbesserten Berechnung der Aerodynamik mit CFD-Methoden mit OpenFOAM. Die wichtigen Wirbelstrukturen lassen sich bereits mit der RANS Methode bei hoher Genauigkeit darstellen (s. Abb. links).

Analogie von Simulationen und Experimenten

Dagegen können DDES-Rechnungen (engl. „Delayed-Detached-Eddy-Simulation“) die turbulenten Strukturen besser darstellen und  viel detaillierte Ergebnisse liefern als kostspielige Experimente. Die Videosequenz (links) zeigt die Analogie von Simulationen und Experimenten: Geschwindigkeitsfeld wie bei PIV (engl. „Particle Image Velocimetry), Ablöseverhalten wie bei Visualisierungen mittels UV-Ölfilm und flexible Druckverteilungen wie bei vielen Drucksensoren.

Regelungsverhalten kann mittels Aero-Servo-Simulationen umfassend untersucht werden. Dies liefert genauere Aussagen zu Ergebnissen von zertifizierten Lastberechnungs-Codes. Das Bild zeigt das Verhalten einer Windenergieanlage bei einer Extrem-Bö (engl. „Extreme Operating Gust“, EOG) bei Nennwindgeschwindigkeit.

Add-Ons wie beispielsweise Vortex-Generatoren (VG) werden heutzutage oft auf Rotorblättern installiert. In OpenFOAM können die VGs über das BAY[1]-Modell (nach Bender, Anderson und Yagle) oder auch voll-vernetzt simuliert werden. Das Bild zeigt die Ergebnisse der Anwendung des BAY-Modells beim Profil NACA 63-415.

 

[1]  Nach Bender, Anderson, und Yagle

Profile lassen sich sehr gut mit der adjungierten Methode optimieren, da hier die Optimierung unabhängig von der Anzahl der Designparameter ist. Damit können praktisch alle Profilpunkte als unabhängige Freiheitsgrade betrachtet werden. Beispielhaft ist die Auftriebsoptimierung dargestellt, in der ein definierter Auftriebsbeiwert erreicht werden soll.

 

Validierte CFD-Werkzeuge werden für den Entwurf und die Optimierung der aerodynamischen Geometrie genutzt. Dabei werden 3D-Strömungseffekte vollständig berücksichtigt. Zur individuellen Auslegung der Blätter können aerodynamische Profile mit validierten Simulationsmethoden genau analysiert und verbessert werden. Hierbei werden Methoden verwendet, die speziell die für Windenergieanlagen relevanten Turbulenzbedingungen im aerodynamischen Blattdesign berücksichtigen. Damit können Rotorblätter auch für ungewöhnliche Einsatzgebiete, wie z.B. Vertikalachser oder Lee-Läufer, ausgelegt und weiter verbessert werden.

 

 

Effizientes Leistungsmonitoring mit der dynamischen Kennlinie

Stochastische Methoden ermöglichen in der durch Turbulenz gekennzeichneten Umgebung von Windenergieanlagen eine Vielzahl von Analysemöglichkeiten. In Kooperation mit ForWind an der Universität Oldenburg, fördert das Fraunhofer IWES die Verbreitung von Modellen wie dem CTRW-Windfeldmodell (engl. „continuous time random walk“) und den Einsatz der sogenannten dynamischen Kennlinie für das Leistungsmonitoring.

Eine der wichtigsten Methoden setzt dabei auf die Analyse von verrauschten Daten. Dabei werden verschiedene Rauscheinflüsse und deterministische Dynamiken voneinander getrennt. Dieser Prozess lässt sich auf alle möglichen Datenmengen anwenden, welche sich aus deterministischen und zufälligen Einflüssen zusammensetzen.

Die dynamische Leistungskennlinie bietet eine schnelle und kostengünstige Möglichkeit zur Online-Überwachung der Leistungsabgabe von Windenergieanlagen und ganzer Windparks. Um diese speziellen Leistungskennlinien von WEA innerhalb weniger Tage anhand von Gondelanemometer- und Leistungsdaten bestimmen zu können, kommt eine auf stochastischen Analysen basierende Software zu Einsatz. Hersteller, Betreiber, Serviceunternehmen und Energieversorger erhalten dadurch einen verbesserten Einblick in die aktuelle Performance der Anlage(n).

Ein abweichendes Betriebsverhalten von Anlagen desselben Typs wird zuverlässig detektiert, sodass einzelne Anlagen sowie ganze Windparks online überwacht und optimiert bzw. Ertragsverluste bemerkt und gegebenenfalls reduziert werden können.

Broschüre

Das CTRW-Windfeldmodell

Die Basis für eine realistische Lastsimulation einer Windenergieanlage ist eine gute Modellierung des eingehenden Windfelds. Allerdings stellen Windfeldgeneratoren, die auf Gauss-Verteilungen basieren, die Wechsel in der Windgeschwindigkeit im Vergleich zu realen Windfeldern nicht korrekt dar. Reale Windfelder weisen deutlich mehr kleine Schwankungen auf als das standardisierte Modell vermuten lässt; und bezüglich der starken Schwankungen übersteigen sie deren Annahmen um ein Vielfaches.

Das CTRW-Windfeldmodell basiert auf der „continuous time random walk“-Methode, die in der Lage ist, korrelierte Windfelder zu erzeugen, deren Windgeschwindigkeitswechsel denen realer Windfelder entspricht. Das Fraunhofer IWES bietet in Kooperation mit ForWind an der Universität Oldenburg einen Windfeldgenerator basierend auf dem CTRW-Modell an.

Das Fraunhofer IWES nutzt primär den offenen Code OpenFOAM® oder die Ableitung FOAM extended für die Berechnung numerischer Simulationen. Auch wenn der Programm-Code offen ist, verlangt er Nutzern eine steile Lernkurve ab. Das Fraunhofer IWES bietet OpenFOAM-Schulungen auf verschiedenen Leveln an:

Einführungskurse in OpenFOAM
Kurse für die Nutzung von OpenFOAM in der Standortbewertung oder Aerodynamik
Schulungen zur Programmierung in OpenFOAM