Förderprojekt VAeroWind

  Urheberrecht: © FVA

Verbesserte aerodynamische und strukturmechanische Lastvorhersage an Rotorblättern von Windenergieanlagen und deren Anwendung in einer Online-Lastschätzung.

 

Motivation

Die Auslegung und der Betrieb moderner Windenergieanlagen erfordert die genaue Kenntnis der systemrelevanten Parameter in jedem Betriebszustand, um eine optimale Abstimmung der einzelnen Komponenten aufeinander zu erzielen. Diese Abstimmung der Komponenten aufeinander gestaltet sich nicht nur aus ingenieurstechnischer Sicht als schwierig, sondern auch aufgrund der strukturellen Zusammensetzung der Windenergiebranche, in welcher viele kleine und mittelständische Unternehmen, kurz KMU, als Zulieferer vergleichsweise wenigen großen Unternehmen gegenüberstehen. Um die Position dieser KMUs nachhaltig zu stärken, ist die Entwicklung maßgeschneiderter Lösungen erforderlich, die diesen ein tieferes Verständnis des komplexen Komponentenverbunds einer Windenergieanlage, genannt WEA, ermöglichen. Bis jetzt ist dieser umfassende Einblick meistens den großen Anlagenherstellern vorbehalten, da nur diese über die benötigten Ressourcen verfügen.

 

Projektziele und Methoden

Das erste Ziel dieses Vorhabens ist darauf ausgerichtet, die am Rotor auftretenden Lasten in Ihrer Entstehung durch die Aerodynamik und Übertragung durch die Strukturdynamik qualitativ und quantitativ exakter zu beschreiben. Hierfür muss die Anzahl der modellexogenen Parameter in allen Komponenten der Lastrechnung durch Modellierungsansätze reduziert werden. Dabei ist darauf zu achten, dass die gewünschte Reduktion der Unschärfe nicht mit einem unverhältnismäßig hohen Anstieg des Rechenaufwandes erkauft wird. Erst hierdurch wird vor allem kleinen und mittelständischen Unternehmen der Zugang zu einer genaueren Lastvorhersage und effizienteren Auslegung ermöglicht.

Die zweite Zielsetzung sieht die Bewertung des Nutzens dieser verbesserten Beschreibung hinsichtlich ihres Mehrwertes gegenüber den etablierten Methoden sowohl in der Auslegung als auch im Betrieb vor. Hierfür soll die verbesserte aerodynamische Lastrechnung als Grundlage für eine effizientere Auslegung der Blattstruktur dienen. Weiterhin soll die exaktere strukturmechanische Modellierung der Rotorblätter zu einer verbesserten echtzeitfähigen Lastschätzung führen, welche beispielsweise in einer lastreduzierenden Regelung oder einem Condition Monitoring System genutzt werden kann. Beide Teilaspekte führen dazu, dass die heute in der Dimensionierung von Windenergieanlagen üblichen Sicherheitsfaktoren reduziert und somit Materialkosten eingespart werden können.

 

Innovationen und Perspektiven

Durch eine Modellierung der Rotorblätter mittels Schubfeldträgern innerhalb des Zustandsbeobachters können, anders als bei Ansätzen mit Mehrkörpersystemen, im Sinne einer modalen Zerlegung, nicht nur die Eigenfrequenzen, sondern auch die Eigenmoden der Rotorblattdynamik abgebildet werden. Dabei ist insbesondere eine Kopplung der Schlag- und Schwenkbewegung mit der Torsionsmode möglich, was eine deutliche Erweiterung des oben skizzierten Stands der Technik darstellt. Anders als bei FEM-basierten Modellierungsansätzen ist dieser Ansatz rechenärmer und erwartungsgemäß als reduziertes Modell in Echtzeit in einem Zustandsbeobachter nutzbar.

 

Projektpartner
RWTH Aachen, AIA - Lehrstuhl für Strömungslehre und Aerodynamisches Institut RWTH Aachen, SLA - Institut für Strukturmechanik und Leichtbau AiF-Forschungsvereinigung DFMRS Deutsche Forschungsvereinigung für Meß-, Regelungs- und Systemtechnik e.V.