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 WindRamp

Projekttitel: WindRamp – Beobachtergestützte Vorhersage von Netzengpässen und möglicher Einspeisung von Offshore-Windenergie für die operative Netzbetriebsführung und Handelsprozesse

Zusammenfassung:

Inhalte und Methodik:

Die Ziele des Projekts WindRamp sind eine verbesserte Netzbetriebsführung und eine Optimierung von Strom-Handelsprozessen durch i) die Erforschung und Erprobung einer beobachtergestützten Kürzestfristprognose der Windparkleistung auf Basis von Lidar-Windmessungen, ii) die praktische Anwendung dieser Kürzestfristprognose in Netzbetriebsführung und Stromhandel sowie Analyse und Bewertung der erzielten Verbesserungen und iii) die parallele Konzeptentwicklung und -demonstration eines kompakten Lidars mit deutlich gesteigerter Messreichweite und besserer Datenverfügbarkeit zur Erweiterung des zeitlichen Vorhersagehorizonts. Im Teilprojekt Kürzestfristvorhersage und Offshore-Messprogramm führt ForWind ‚ Universität Oldenburg eine Offshore-Messkampagne mit Lidar durch, um Daten für die Kürzestfristprognose bereitzustellen. Messszenarien und Analysemethoden werden an die angestrebten hohen Reichweiten angepasst. Auf Basis dieser Daten werden Methoden zur Vorhersage von insb. Rampenereignissen mit Zeithorizonten bis 30 Minuten erforscht, getestet und validiert. Gemeinsam mit den Projektpartnern werden die Verbesserungen in der Anwendung der neuen Methoden für die Netzbetriebsführung und im Stromhandel überprüft. Der im Projekt entwickelte XXL-Lidar-Demonstrator wird mit einem kommerziellen Lidar verglichen.

Forschungsprojekt PASTA

Projekttitel: PASTA – Präzise Auslegungsmethoden von komplex gekoppelten Schwingungssystemen moderner WEA in turbulenter Anregung

Zusammenfassung:

Mit zunehmenden Rotordurchmessern und Nabenhöhen werden Windenergieanlagen schwingungsanfälliger. Dies führt dazu, dass Lasten aus den Simulationen oft nicht präzise vorhergesagt werden und im Auslegungsprozess der WEA folglich nicht korrekt berücksichtigt werden können. Diese Ungenauigkeiten im Anlagenentwurf können einerseits in einer Überdimensionierung einzelner Komponenten resultieren und damit die Herstellungskosten nach oben treiben oder andererseits zu einer zu schwachen Auslegung bestimmter Komponenten der WEA führen, die sich wiederum in erhöhten Kosten für Wartung und Instandhaltung niederschlägt. Um den nächsten Schritt in Richtung einer Präzisionssteigerung im Anlagenentwurf zu erzielen, ist daher ein verbessertes Verständnis der Auswirkung des Windfeldes auf die Lastdynamik essentiell.

Inhalte und Methodik:

Dieses Projekt ist dem zeitlich begrenzten Aufschwingen von Anlagenteilen, einem oft beobachteten, aber bislang kaum behandelten Phänomen von Windenergieanlagen, gewidmet. Dieses Phänomen betrifft typischerweise schwach gedämpfte Anlagenmoden, wie zum Beispiel höhere Turmmoden oder Blattmoden. Dabei wirkt häufig eine periodische, vom Windfeld stark geprägte Anregung. Innerhalb des Projektes werden neue Ansätze für die Kombination aus Windfeldbeschreibungen und einer detaillierten Beschreibung des dynamischen Verhaltens der Windenergieanlage in einer modernen MKS-Umgebung untersucht und neue Simulationsmethoden für die robuste und genaue Auslegung erforscht.

Forschungsprojekt WiSAbigdata

Projekttitel: WiSAbigdata – Wind farm virtual Site Assistant for O&M decision support – advanced methods for big data analysis

Zusammenfassung:

Inhalte und Methodik:

Ziel des Projektes ‚WiSA big data‘ ist es, mittels der Analyse von zeitlich hochaufgelösten Betriebsdaten zur Fehlerfrüherkennung und -diagnose an WEA beizutragen und damit Entscheidungen in der Instandhaltungsplanung und -durchführung zu unterstützen. Dazu werden einerseits Methoden, die sich auf Basis von 10-minütlich gemittelten Betriebsdaten bewährt haben, zur Anwendung auf zeitlich hochaufgelöste Daten ausgearbeitet und erprobt. Andererseits werden neuartige Methoden zur Fehlerfrüherkennung in die Windenergieanwendung überführt. Die erarbeiteten und erprobten Methoden werden einer praxisorientierten quantitativen vergleichenden Bewertung unterzogen. Darauf aufbauend wird eine automatische Auswahl der geeignetsten Methoden für den jeweiligen Anwendungsfall angestrebt. Für die gemeinsame Datenverwaltung, Analyse und Bewertung soll eine allgemeine Soft- und Hardwareplattform als Kernsystem für WiSA aufgebaut werden. Leistungsfähige Methoden sollen für die industrielle Nutzung in einen WiSA-Demonstrator umgesetzt werden, um eine vorausschauende Instandhaltung und detaillierte Analyse von Betriebsereignissen zu ermöglichen. Durch die Anbindung an das Kernsystem für WiSA soll ermöglicht werden, auch zukünftig weitere innovative Methoden zur Fehlerfrüherkennung in den WiSA-Demonstrator zu integrieren und dadurch eine langfristige Nutzbarkeit zu erlauben.

Forschungsprojekt YawDyn

Projekttitel: YawDyn – Validierung von Ertragssteigerungen und Lastreduktionen in Offshore-Windparks durch angepasste dynamische Windrichtungsnachführung

Zusammenfassung:

Inhalte und Methodik:

Für die erste Methode entwickelt ForWind auf Basis von SCADA-Daten eine stabilitätsabhängige Gierregelung. Hierbei werden die Schwellenwerte der Gierregelung dynamisch an die momentanen Strömungsbedingungen angepasst. Ziel ist es, die Windrichtungsnachführung hinsichtlich der Belastung des Gierantriebs und Leistung der WEA für die jeweilige Umgebungsbedingung zu optimieren. Die zweite Methode basiert auf dem von ForWind entwickelten Konzept der »passiven Nachlaufablenkung«. Dieses wird durch ForWind weiterentwickelt und für die Implementation in der WEA Regelung im Offshore-Windpark BO1 vorbereitet und parametriert. Die Methode reduziert die Anzahl der Giervorgänge einer stromaufwärts gelegenen WEA und bewirkt dadurch eine bewusste Schräganströmung, wodurch die Nachlaufströmung abgelenkt wird und somit Turbulenz und Abschattungseffekte an einer stromabwärts gelegenen WEA reduziert werden. ForWind wird die methodischen und wissenschaftlichen Ergebnisse publizieren und somit zur Risikominimierung in der Anwendung von neuartigen Verfahren zur aerodynamischen Windparkregelung bei der Nutzung der Offshore-Windenergie beitragen.

Forschungsprojekt X-Wakes

Projekttitel: X-Wakes – Interaktion der Nachläufe großer Offshore-Windparks und Windparkcluster mit der marinen atmosphärischen Grenzschicht

Zusammenfassung:

Wesentliches Ziel des Projekts X-Wakes ist eine Erfassung der Veränderungen der Windbedingungen für den Betrieb von Offshore-Windparkclustern beim großflächigen Ausbau der Offshore-Windenergienutzung. Dies geschieht sowohl durch ein umfangreiches Messprogramm mit fluggestützten und satellitenbasierten Messungen als auch durch LiDAR-Messungen an verschiedenen Orten innerhalb der Deutschen Bucht. Die Interaktionen von Windparkclustern untereinander, die in Ergänzung zu den Messungen auch sehr detailliert mit dem numerischen Werkzeug der Large-Eddy-Simulation untersucht werden sollen, werden in Industriemodelle und in ein mesoskaliges Wettermodell implementiert, um mit diesen eine realistische Ertragsprognose für künftige Ausbauszenarien zu ermöglichen.

Forschungsprojekt WinConFat

Projekttitel: WinConFat – Materialermüdung von On- und Offshore Windenergieanlagen aus Stahlbeton und Spannbeton unter hochzyklischer Beanspruchung

Zusammenfassung:

Das Gesamtforschungsvorhaben WinConFat will die Einflüsse auf die Beton-, Betonstahl- und Verbundermüdung versuchstechnisch ermitteln und wissenschaftlich beschreiben. Diese Untersuchungen werden im Verbund von sechs Universitäten sowie der Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung durchgeführt und durch das Institut für Massivbau der Leibniz Universität Hannover zentral koordiniert.

Die Ergebnisse der vom Institut für Massivbau bearbeiteten Teilvorhabens ermöglichen, zusammen mit den Ergebnissen des Gesamtforschungsvorhabens WinConFat, die Weiterentwicklung der aktuell gültigen Normung und damit eine deutlich wirtschaftlichere Bemessung von WEA aus Stahlbeton und Spannbeton im Grenzzustand der Ermüdung. Dies erfolgt zunächst durch die Erstellung einer „Richtlinie zur Bemessung von WEA aus Stahlbeton und Spannbeton gegen Ermüdung“ durch den DAfStb. Durch die Autorisierung des DAfStb als regelgebendes Gremium ist die Umsetzung der Ergebnisse in eine technische Regel und deren bauaufsichtliche Einführung unmittelbar nach Projektende zu erwarten. Im Weiteren ist davon auszugehen, dass die Erkenntnisse mittelfristig auch in europäische Normen und Regelwerke einfließen werden. Zudem wird eine realere Bewertung der Restlebensdauer bestehender Tragstrukturen möglich.

Forschungsprojekt Ho-Pile

Projekttitel: Ho-Pile – Untersuchungen zum horizontalen Tragverhalten von XL-Monopiles unter zyklischer Beanspruchung

Zusammenfassung:

Bei einer OWEA Monopilegründung hängt seine Stahlmasse stark von der geotechnischen Bemessung ab. Diese basiert im Wesentlichen auf p-y-Ansätzen. Aufgrund fehlender abgesicherter Kenntnisse sind hierzu in den Regelwerken keine klaren bzw. nur unzureichende Vorgaben vorhanden. Weiterhin stehen bisher keine allgemein anerkannten und experimentell abgesicherten p-y-Ansätze für die geotechnische MP-Bemessung zur Verfügung. Dadurch entstehen Projektunsicherheiten sowie häufig ein unnötiger Stahlmassenmehrverbrauch. Das Forschungsprojekt Ho-Pile validiert und erweitert einen bestehenden p-y-Ansatz. Dafür sind aufwendige numerische FE-Berechnungen sowie experimentelle Untersuchungen im Maßstab 1:5 erforderlich. Grundlage des Projektes ist ein in den letzten Jahren entwickelter p-y Ansatz für Sand. Dieser Ansatz wird durch Versuche in der Grundbauversuchsgrube des TTH experimentell abgesichert.

Forschungsprojekt HiPE-WiND

Projekttitel: HiPE-WiND – Multidimensionale Belastungen der Hochleistungselektronik von Windenergieanlagen

Zusammenfassung:

Ziel des Vorhabens ist es, die Hochleistungselektronik für Windenergieanlagen unter realen multimodalen Umwelt- und Lastbedingungen zu untersuchen, ihre Ausfallursachen zu erforschen und Konzepte für eine Optimierung ihrer Robustheit zu entwickeln und experimentell zu verifizieren. Dazu sind umfangreiche experimentelle Untersuchungen erforderlich, bei denen ganze Umrichtersysteme den multimodalen Belastungen reproduzierbar ausgesetzt sind. Ziel dieser Untersuchungen ist es, durch eine beschleunigte Alterung Hinweise auf Schwachstellen in der Systemhardware zu erhalten und zu analysieren, wie durch die gezielte Beeinflussung der elektrischen Belastungen eine Optimierung der Umrichterlebensdauer zu erreichen ist.

Forschungsprojekt PreciWind

Projekttitel: PreciWind – Präzises Messsystem zur berührungslosen Erfassung und Analyse des dynamischen Strömungsverhaltens von WEA-Rotorblättern

Zusammenfassung: