Förderprojekt WEAkustik

 

Modellbasierte Regelung von Windenergieanlagen zur adaptiven Optimierung von Ertrag und Rotorblattlärm

 

Motivation

Die Windenergie stellt in der Klimapolitik Deutschlands einen wichtigen strategischen Baustein der Energiewende dar. Im Gegensatz zu konventionellen Energieträgern ist die Leistungsdichte der Windenergie deutlich niedriger, was sich in einem hohen Flächenbedarf äußert. Neue gesetzliche Vorgaben, wie zum Beispiel die Erhöhung des Mindestabstands von Windenergieanlagen, kurz WEA, zu bewohnten Gebieten, führen dazu, dass die für die Windenergie wirtschaftlich nutzbare Fläche schrumpft. Der Ausbau dieser Schlüsseltechnologie der Energiewende gestaltet sich somit zunehmend schwieriger.

Ein Grund für die Erhöhung des Mindestabstands ist die Lärmemission von Windenergieanlagen. Um den berechtigten Interessen der Anlieger von WEA Rechnung zu tragen, unterliegt die Lärmemission einer WEA strikten Regularien, deren Einhaltung durch den Betreiber sichergestellt werden muss. Aus Sicht des Anlagenentwicklers, der für die ausgewiesenen akustischen Eigenschaften in Regress genommen werden kann, ist es somit essenziell, bereits in der Auslegung die Lärmemission möglichst genau zu charakterisieren und im Betrieb gering zu halten. Die steigenden Lärmschutzanforderungen an den Betrieb von Windenergieanlagen stellen somit die Betreiber als auch die Hersteller gleichermaßen vor große Herausforderungen.

 

Projektziele und Methoden

Das primäre Ziel des Vorhabens WEAkustik ist es, Unsicherheiten in der aeroakustischen Auslegung der Rotorblätter zu identifizieren und die Lärmemissionen von WEA im Betrieb zu reduzieren. Da der wesentliche Teil des Rotorlärms aus unterschiedlichen strömungsmechanischen Phänomenen am Rotorblatt, zum Beipiel Blattspitzenwirbel, Hinterkantenlärm und so weiter, resultiert, muss die Unsicherheit in den zur Berechnung der Strömung um die Rotorblätter genutzten Methoden gesenkt werden.

Gelingt es, die aeroakustische Lärmemission vorherzusagen, können die entwickelten aeroakustischen Verfahren nicht nur Anwendung in der Auslegung von Rotorblättern und Gesamtanlagen finden, sondern liefern ebenfalls wertvolle Informationen für die Entwicklung von fortschrittlichen modellbasierten Regelungsverfahren. Bei diesen stellt der Zielkonflikt der Ertragsmaximierung bei gleichzeitiger Lärm- und Lastreduktion, den es sowohl mathematisch zu beschreiben als auch bezüglich der praktischen Umsetzung zu analysieren und zu lösen gilt, eine wesentliche Herausforderung dar.

Die durch modellbasierte Regelungskonzepte gewonnene Flexibilität zur Beschreibung der betriebs-punktabhängigen Belastungs- und Aeroakustiksituation eröffnet neues Potenzial zur Optimierung des Betriebs von WEA. Um die auftretenden Belastungen und den Rotorblattlärm zu reduzieren, soll das gewonnene aeroakustische Systemwissen durch die Herleitung regelungsorientierter, ordnungsreduzierter Modelle der Regelung zugeführt werden. So sollen regelungstechnische Eingriffe in Form der Stellgrößen derart gewählt werden, dass ein sicherer – im Sinne der auftretenden mechanischen Belastungen der Systemkomponenten – und effizienter Anlagenbetrieb mit möglichst geringer Lärmemission garantiert ist und bedarfsgerecht gesteuert wird.

 

Innovationen und Perspektiven

Urheberrecht: © BMWK

Bezogen auf das Themengebiet Aerodynamik und Aeroakustik liegt die Neuheit des hier vorgeschlagenen Ansatzes in einer industrienahen Lösung zur aeroakustischen Auslegung von Rotorblättern durch den Einsatz von Vortex-Lattice Methoden und Panelverfahren. Diese Verfahren benötigen im Gegensatz zur Blattelementenmethode, genannt BEM, deutlich weniger Korrekturmodelle und bilden die dreidimensionale instationäre Strömung ab. Hierdurch kann die verfahrensinhärente Unsicherheit in der Berechnung der Anströmung der Rotorblätter gegenüber der BEM gesenkt werden.

Die Neuheit auf dem Gebiet der Regelungstechnik wird dadurch erreicht, dass das Modellwissen, welches wie zuvor beschrieben zur Rekonstruktion der aeroakustischen Lärmemission genutzt wird, ebenfalls in einer modellbasierten prädiktiven Regelung berücksichtigt wird. Diese Modelle erweitern bereits etablierte aerodynamische Rotorkennfelder um die Information des Schallpegels und gehen über den aktuellen Stand regelungsorientierter Modellierungen von WEA hinaus. In Abgrenzung zu anderen Arbeiten und Projekten, die mit modellbasierten prädiktiven Regelungen für WEA arbeiten, liegt der Fokus in diesem Vorhaben in der Entwicklung eines Regelungskonzepts zur Lösung des Zielkonflikts von Ertragsmaximierung, Lastreduktion und Lärmreduktion.

 

Projektpartner	Assoziierte Partner
RWTH Aachen, AIA - Lehrstuhl für Strömungslehre und Aerodynamisches Institut AiF-Forschungsvereinigung DFMRS Deutsche Forschungsvereinigung für Meß-, Regelungs- und Systemtechnik e.V.	AEROVIDE GmbH Bachmann electronic GmbH Deutschland conatys GmbH Deutsche Windguard Engineering GmbH Eovent GmbH insys GmbH The MathWorks GmbH W2E Wind to Energy GmbH Windtest Grevenbroich GmbH