Forschungsprojekt ReliaBlade2

Projekttitel: ReliaBlade2 – Entwicklung neuer Auslegungsmethoden für Rotorblätter

Zusammenfassung:

Die Zuverlässigkeit von Rotorblättern hat eine besondere Bedeutung für einen sicheren und wirtschaftlichen Betrieb von Windenergieanlagen. Jedoch kommt es trotz langjähriger Erfahrung der Windenergieindustrie im Entwurf und Betrieb von Rotorblättern noch immer zu Rissbildungen in der Rotorblattstruktur, die Ursache für kostspielige Reparaturen und Betriebsausfälle sind. Das deutet auf Wissenslücken in der Schadensentstehung durch Ermüdung hin. Wichtige physikalische Zusammenhänge wurden noch nicht vollständig verstanden, was insbesondere die Materialmodellierung und eine umfassende Validierung erweiterter Modelle einschließt. Digitale Zwillinge können darüber hinaus zukünftig helfen, Rotorblätter noch sicherer und kosteneffizienter zu betreiben. Jedoch stehen noch nicht alle Methoden zur Verfügung, um probabilistische Unschärfen in einem Digitalen Zwilling abbilden zu können. Um die genannten Wissenslücken zu schließen, hat sich ein Konsortium aus Forschungsinstitutionen und Industriepartnern zusammengefunden.

Das Teilvorhaben von ForWind Hannover verfolgt das allumfassende Ziel, die Strukturzuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit von Rotorblättern zu erhöhen. Dazu soll eine neue Auslegungsphilosophie für die Ermüdung von Rotorblättern in der Industrie etabliert werden, die progressive Matrixschäden einbezieht. Dabei wird auf selbst entwickelte und teilwiese in der Industrie verwendete Ermüdungsschädigungsmodelle zurückgegriffen. Charakterisierungs- und Validierungsversuche auf Couponebene sind integraler Bestandteil des Teilvorhabens. Außerdem sollen Methoden für das Erstellen probabilistischer digitaler Zwillinge entwickelt werden, die räumlich und statistisch verteilte Fertigungsimperfektionen mit Hilfe eines KI-basierten Model Updatings einbeziehen. Die entwickelten Modelle und Methoden sollen erstmalig an einem industriell gefertigten Rotorblatt angewendet und durch Ganzblattversuche validiert werden.

Forschungsprojekt ElMaR

Projekttitel: ElMaR – Zerstörungsfreie Ermittlung lokaler Materialparameter in Rotorblattkomponenten

Zusammenfassung:

Faserverbundmaterialien werden in der Auslegung von Rotorblättern als ideal verschmierte, homogene Materialien betrachtet. Die erforderlichen Materialkennwerte werden in Materialtests auf Coupon-Ebene ermittelt. Dabei ist bekannt, dass die Materialeigenschaften von Faserverbunden Schwankungen unterliegen. Die Unsicherheiten der Materialkennwerte finden in der Blattauslegung ihre Berücksichtigung durch Teilsicherheitsbeiwerte. Eine räumliche Variation der Materialparameter und ihre möglichen Folgen werden nicht berücksichtigt. Bei genauerer Betrachtung zeigt sich allerdings, dass die Annahme eines homogenen Materials bereits auf der Coupon-Ebene fehlerhaft ist. Es ist zu erwarten, dass auf der Strukturebene eines Rotorblatts die räumliche Variation von Materialparametern durch die manuellen Arbeitsschritte noch deutlich höher ausfällt. Damit nehmen Ungenauigkeiten in der Prognose der Ermüdungslebensdauer und Tragfähigkeit ebenfalls zu, was zu einer unnötigen Reduktion der Strukturzuverlässigkeit führt. Um probabilistische Modelle zu entwickeln, Teilsicherheitsbeiwerte zu präzisieren und damit die Strukturzuverlässigkeit von Rotorblättern zu erhöhen, verfolgt das Vorhaben die folgenden spezifischen Ziele: – Es soll eine Methode zur zerstörungsfreien Ermittlung räumlich schwankender Materialparameter in Rotorblattkomponenten entwickelt werden. Dabei wird die Forschungshypothese aufgestellt, dass eine Kombination aus etablierten bildgebenden Verfahren, modernen Algorithmen des maschinellen Lernens und hochaufgelösten Simulationsmethoden dazu geeignet ist, eine sehr hohe Genauigkeit mit geringen Rechenzeiten zu verbinden. – Die Methode soll im Labor auf der Strukturebene validiert werden. – Nach Projektabschluss soll ein Konsortium mit Industriebeteiligung organsiert werden, um ein gefördertes Verbundforschungsvorhaben mit dem Ziel der Weiterentwicklung der Methode hin zur industriellen Anwendbarkeit anzuschließen.

Forschungsprojekt EuroWindWakes

Projekttitel: EuroWindWakes: Multiscale Modelling of European Wind Energy Wake Effects

Zusammenfassung:

• Durch die geplante dichte Bebauung der Nordsee mit Offshore-Windparks werden Nachlaufeffekte und der Global-Blockage-Effekt wichtiger für die Berechnung der Stromerträge. Aktuelle Modelle bilden diese nur mit großen Unsicherheiten ab.
• Das internationale Forschungsprojekt EuroWindWakes will diese Unsicherheiten durch Verbesserung und Validierung der Methoden signifikant senken und so eine optimierte maritime Raumplanung sowie eine zuverlässige Vorhersage der Stromerzeugung ermöglichen. Dazu werden die Nachlaufeffekte für die gesamte Nordsee mit einbezogen.

Inhalte und Methodik:

Nachlaufeffekte (engl. Wakes) und der Global-Blockage-Effekt können die Stromerträge durch verstärkte Turbulenzen und verringerte Windgeschwindigkeiten deutlich senken.

Die derzeit zumeist verwendeten Modellierungen zur Berechnung der Stromerträge können diese Effekte nur mit großen Unsicherheiten abbilden. Diese Unsicherheiten können sowohl den volkswirtschaftlichen Nutzen durch eine insgesamt geringere Stromerzeugung als auch die wirtschaftliche Rentabilität aufgrund zu optimistischer Gebote in den Ausschreibungen von Offshore-Flächen erheblich beeinflussen.

Ziel ist es, die Vorhersageunsicherheit von 20 bis 30 Prozent auf weniger als 10 Prozent zu reduzieren. Um dieses Ziel zu erreichen, werden die Kooperationspartner aus Deutschland, Dänemark und den Niederlanden Modellierungsansätze für Nachlaufeffekte auf europäischer Skala verbessern und validieren. Aus den Ergebnissen abgeleitete Handlungsempfehlungen werden über die im Projekt beteiligten Industriepartner allen relevanten Stakeholdern zugänglich gemacht.

Darüber hinaus wird EuroWindWakes dazu beitragen, einen wichtigen Knotenpunkt des entstehenden European Center of Excellence for Wind Energy zu schaffen, eine Initiative der European Energy Research Alliance (EERA JP Wind).

Promovierenden-Netzwerk AptWind

Projekttitel: AptWind – Atmospheric Physics and Turbulence for Wind Energy Doctoral Network

Zusammenfassung:

Ziel ist, eine neue akademische Generation auszubilden, die einerseits ein tiefes Verständnis für das Zusammenspiel von atmosphärischer Strömungsphysik und Turbulenzen besitzt, und gleichzeitig in der Lage ist, aus den wissenschaftlichen Erkenntnissen innovative industrielle Anwendungen und Produkte zu entwickeln. Dafür werden die Doktoranden gezielt mit Stipendien gefördert. AptWind verfolgt konkrete wissenschaftliche Fragestellungen: Vier Forschungsleitfragen adressieren unter anderem die Auswirkungen relevanter Strömungsereignisse auf Rotoren von Windenergieanlagen mit einer Leistung von mehr als 15 MW oder die Verbesserung numerischer Simulationen.

AptWind sorgt dafür, dass eine neue Generation von wissenschaftlichen Fachkräften nicht nur gut im für das Verständnis der Windenergie wichtigen Bereich der atmosphärischen Strömungsphysik ausgebildet wird, sondern sorgt auch für eine gute Vernetzung der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler untereinander und mit der Industrie. In der Folge werden wissenschaftliche Erkenntnisse schnell in der Industrie Anwendung finden.

Forschungsprojekt FLORIDA

Projekttitel: FLORIDA – Interaktion und Dynamiken von Nachlaufströmungen schwimmender Windenergieanlagen

Zusammenfassung:

Mit dem Übergang zu schwimmenden Offshore-Windparks ergeben sich neue Herausforderungen bei der Untersuchung der turbulenten Nachläufe von Windenergieanlagen (WEA). Die zusätzliche schwimmende Bewegung der Plattformen wirkt sich auf die Wechselwirkung der WEA mit dem vorherrschenden Windfeld und damit auf die Entstehung der Nachläufe aus, die in ihrer Entwicklung und Struktur bereits bei bodenfesten WEA komplex sind. Die verschiedenen Plattformtypen weisen eine bauartspezifische Dämpfung ihrer Bewegung auf, die durch die umgebenden Meereswellen und die Wechselwirkung der WEA mit dem turbulenten einströmenden Windfeld hervorgerufen wird. Dies führt zu periodischen Bewegungsmustern, die sich auch auf die Dynamik der Nachläufe (Nachlaufzentrum) auswirken und sogar eine schnellere Erholung des Nachlaufs auslösen. In jedem Fall treffen diese Nachläufe in Windparkkonfigurationen auf andere schwimmende WEA und haben Auswirkungen auf deren Leistung und Schwimmdynamik.

Für die Optimierung des Parklayouts und zur Verringerung von Ermüdungslasten ist es daher wichtig, die Nachlaufdynamik schwimmender WEA zu verstehen. Bei der Untersuchung der Nachlaufdynamik von WEA ist die Bedeutung von Windkanalexperimenten weithin anerkannt. Im Projekt FLORIDA schlagen wir daher vor, die Untersuchungen auf schwimmende WEA auszudehnen, indem Anlagenmodelle mit vordefinierten Bewegungen sowohl unter realistischen als auch unter benutzerdefinierten turbulenten Anströmbedingungen untersucht werden. Ziel ist es, die Auswirkungen der schwimmenden Bewegung in verschiedenen Freiheitsgraden auf die Nachlaufdynamik zu ermitteln, wobei der Schwerpunkt auf dem Mäandern des Nachlaufs liegt. Zusätzlich werden spezielle turbulente Anströmbedingungen verwendet, um den Einfluss verschiedener Längenskalen auf das Mäandern selektiv zu untersuchen. Basierend auf den experimentellen Daten werden neue Nachlaufmodelle für schwimmende WEA entwickelt, das die Dynamik des Nachlaufmäanderns erfassen.

Der Ansatz umfasst sowohl die Weiterentwicklung bestehender dynamischer Modelle als auch die Erweiterung mit stochastischen Methoden. Die Modelle werden zur Erzeugung von dynamischen Windfeldern mit realistischen Nachlaufeigenschaften schwimmender Anlagen als Input für voll gekoppelte Simulationen und Software-in-the-Loop-Experimente im Wellentank verwendet, bei denen (1) eine Software die auf die schwimmende WEA wirkenden aerodynamischen Lasten mit solchen dynamischen Windfeldern berechnet und (2) die aerodynamischen Lasten mit Aktoren mit 6 Freiheitsgraden nachgestellt werden. Zusätzlich wird der Einfluss dieser Windfelder auf das Verhalten des Schwimmkörpers der WEA untersucht.

Forschungsprojekt optDIC

Projekttitel: optDIC – Optimierung des DIC-Messsystems zur Erfassung von Deformationen an Windenergieanlagen

Zusammenfassung:

Die Auslegung moderner Windenergieanlagen (WEA) wird stark durch aeroelastischer und strukturdynamischer Aspekte beeinflusst und limitiert. Zur Validierung dieser Auslegungsmethoden werden umfangreiche Langzeit-Deformationsmessungen an WEA benötigt, die aktuell nicht verfügbar sind. Im Projekt „optDIC“ wird die optische Messtechnik Digital Image Correlation (DIC) weiterentwickelt, um flächige Langzeit-Deformationsmessungen an WEA zu ermöglichen und somit den Mangel an experimentellen Validierungsdaten zu verringern. Durch die Nutzung geeigneter Methoden der künstlichen Intelligenz oder konventioneller Bildverarbeitungsalgorithmen sollen dazu die Rotorblätter in Echtzeit detektiert und die aufgenommenen Datenmengen dadurch signifikant reduziert werden. Zusätzlich soll die aktuell verwendete Messmethode erweitert werden, sodass Windrichtungsänderungen kompensiert werden können. Eine automatisierte Auswertung der aufgenommenen Messdaten soll außerdem die industrielle und wissenschaftliche Attraktivität von DIC erhöhen. Das aktuelle DIC-Messsystem soll im Rahmen dieses Projektes hinsichtlich Langzeitmessungen witterungsbeständig aufgebaut werden. Durch Langzeit-Feldmessungen von instationären Verformungen an einer WEA sollen abschließend die entwickelten Datenverarbeitungs- und -analyseverfahren erprobt und bewertet werden.

Forschungsprojekt WindRamp II

Projekttitel: WindRamp II – Beobachtergestützte Kürzestfrist-Leistungsprognose großer Offshore Windpark-Cluster für die Systemintegration und Netzstabilisierung

Zusammenfassung:

Mit dem Vorhaben „WindRamp II“ knüpft ForWind (AG WESys an der Carl von Ossietzky Universität Oldenburg) an die erfolgreichen Arbeiten des im Dezember 2023 abgeschlossenen Vorhaben WindRamp an, bei dem eine beobachtergestützte Kürzestfristvorhersage für die Windgeschwindigkeit und -leistung erforscht wurde. In WindRamp II zielt das Teilvorheben von ForWind auf die Erweiterung der beobachtergestützten Prognose auf heterogene WindparkCluster mit sehr großen Anlagen, die Entwicklung neuer Methoden für erhöhte Prognosegenauigkeit und einen erweiterten Prognosehorizont. Durch die verbesserten Leistungsprognosen soll eine zuverlässigere Systemintegration der Windenergie mit weniger erforderlichem Ausgleichsenergieeinsatz sowie Warnungen bei erwarteten Rampenereignissen erreicht werden. Die im Projekt WindRamp entwickelte neuartige Technologie von langreichweitigen Scanning-Lidar-Geräten soll in WindRamp II zur Erweiterung des Vorhersagehorizonts sowie der Verbesserung der Qualität beitragen.

Das vom BMWK geförderte Projekt wird von ForWind koordiniert und gemeinsam mit den Verbundpartnern energy & meteo Systems, DLRVE und RWE sowie METEK und Abacus Laser als assoziierte Partner durchgeführt.

Forschungsprojekt WindDyS

Projekttitel: WindDyS – Entwicklung und Untersuchung eines neuartigen Dynamic-Stall-Modells für den Vorentwurf von Windkraftanlagen-Rotorblättern

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens:

Im Projekt WindDyS wurde das dynamische Verhalten aerodynamischer Querschnittprofile von Rotorblättern für Windenergieanlagen untersucht. Bei dynamischer Veränderung des Anstellwinkels über den die Profile angeströmt werden, kann es durch die Dynamik zu einer Veränderung des Verhaltens im Bereich des Strömungsabrisses (Stall) kommen – dem sogenannten dynamischen Strömungsabriss (Dynamic Stall). Das Projekt WindDyS hat sich damit beschäftigt, dieses Verhalten genau mit numerischen Strömungsberechnungen zu simulieren und ein zuverlässiges Modell zu entwickeln, mit dem diese Berechnungen in industrielle Lastrechnungen übertragen werden können. Bisher werden hierbei angepasste Modelle eingesetzt, die ursprünglich für die Helikopter-Aerodynamik entwickelt wurden. Das Ziel des Projekts ist es, durch ein verbessertes windenergiespezifisches Modell, die Entwicklung längerer, leichterer und damit auch flexiblerer Rotorblätter zu befördern, um den Bau von weniger aber größerer Windenergieanlagen in Zukunft zu ermöglichen und so die notwendigen Ressourcen für die Energiewende zu schonen.

Methoden und Arbeitsschritte

In dem Projekt wurden für verschiedene, vor allem dicke Profilgeometrien, umfangreiche numerische Strömungssimulationen durchgeführt, welche deren Eigenschaften unter verschiedenen Bedingungen abbilden. Die Ergebnisse der hochaufgelösten Strömungssimulationen sollten verwendet werden, um ein verbessertes Modell für das Auftreten von Dynamic Stall an Windenergie-Profilen zu erfassen. Auf Grundlage des Onera-Modells wurde dazu ein Ansatz implementiert, welcher es mit Korrekturen des Onera-Modells erlaubt, die Ergebnisse von solchen Rechnungen in einem vereinfachten und schnellen Modell abzubilden. Damit steht ein notwendiger Ansatz zweiter Ordnung zur Verfügung, um die dynamischen Eigenschaften des dynamischen Strömungsabrisses abzubilden. Eine Umsetzung des Modells zweiter Ordnung in die Open Souce Software OpenFAST erfordert wesentliche Anpassungen im Kern-Code, die zukünftig gemeinsam mit dem Code- Entwickler umgesetzt werden können.

Forschungsprojekt MeTuSA

Projekttitel: MeTuSA – Methoden zur Simulation von wirbelerregten Turmschwingungen und zur standortspezifischen Auslegung von hohen Windenergieanlagentürmen

Zusammenfassung:

Durch die steigende Größe von Windenergieanlagen steigt auch die Flexibilität von Komponenten und die Gefahr von aeroelastischen Instabilitäten. Hierbei sind insbesondere wirbelinduzierte Schwingungen des Turms im Aufbau der Anlage zu nennen (engl. Vortex induced Vibrations, ViV). Bei dieser Instabilität kommt es durch eine Resonanz zwischen Turmeigenfrequenz und zyklisch ablösenden, instationären Wirbelstraßen im Turm-Nachlauf zu einem kritischen Aufschwingen. Dies kann sowohl zu strukturellen Schäden an der WEA als auch zu Belastungen für das Aufbau- und Wartungspersonal führen. Da zu diesem Effekt in der Literatur und Wissenschaft keine geeigneten Berechnungsverfahren zur standortscharfen Simulation vorliegen, wird im Projekt MeTuSA ein neues semi-empirisches Verfahren entwickelt, das die Einbindung von Turmschwingungen in transiente Lastensimulationen ermöglicht. Zusätzlich werden die Einflüsse standortspezifischer meteorologischer Bedingungen und Gegenmaßnahmen im Projekt untersucht.

Das Teilvorhaben der Universität Oldenburg trägt in diesem Projekt neben der Entwicklung des semi-empirischen Modells vor allem mit Windkanalexperimenten zur Bildung der Datenbasis der Modellbildung sowie zur Validierung der Simulationen bei. Hierzu wird der zur Verfügung stehende Windkanal sowie ein aktives Gitter zur individuellen Gestaltung der benutzerdefinierten Einströmung genutzt, um vereinfachte Turmmodelle in verschiedenen Strömungssituationen wie z.B. Turbulenzintensitäten und Scherung zu untersuchen.

Forschungsprojekt NearWake

Projekttitel: NearWake – Modellbildung für den nahen Nachlauf

Zusammenfassung:

Inhalte und Methodik:

Das Teilvorhaben der Universität Oldenburg widmet sich der Erforschung eines vereinfachten stochastischen Modells für die nahe Nachlaufströmung. Windfeldmessungen werden dazu aufbereitet und klassifiziert und gemeinsam mit numerischen Daten aus Large-Eddy-Simulationen für die Modellbildung und -validierung verwendet.