Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Im Rahmen des Forschungsprojekts \u201eRessourceneffizienz in der Windenergie\u201c verfolgt das Institut f\u00fcr Windenergietechnik (WETI) an der Hochschule Flensburg in Kooperation mit AEROVIDE GmbH und HYDAC Technology GmbH das Ziel, ein System zu entwickeln, um haupts\u00e4chlich die mechanischen Lasten auf Windenergieanlagen zu verringern. Somit werden Material und Energie eingespart, was wie-derum zur Senkung des CO2-Fu\u00dfabdrucks der Windenergieanlagen f\u00fchrt. Das zu erforschende System ist ein hydropneumatischer Schwungradspeicher, welcher in die Rotorbl\u00e4tter einer Windenergieanlage integriert wird.
\nDas laufende Forschungsvorhaben ist in zwei Projektphasen aufgeteilt. Ziel der ersten Projektphase ist die Entwicklung und rechnerische Untersuchung eines neuartigen Rotorblattes, in dem flexible Leicht-baukolbenspeicher als lasttragende Elemente in die Struktur des Rotorblattes integriert sind. Damit soll erreicht werden, dass die zus\u00e4tzlichen Funktionalit\u00e4ten des Schwungradspeichers nicht mit unverh\u00e4lt-nism\u00e4\u00dfigem zus\u00e4tzlichem Materialaufwand im Rotorblatt erkauft werden m\u00fcssen.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIn dieser ersten Projektphase wurden haupts\u00e4chlich zwei wichtige Arbeitspakete behandelt. Das erste Arbeitspaket war die Erweiterung der Lastensimulationssoftware, um ver\u00e4nderliche Eigenschaften des Blattes zu simulieren. Um das zu erreichen, wurden zuerst vom WETI die Blatteigenschaften definiert, die vom Schwungradspeicher variiert werden. Zur Modellierung der Variation dieser Eigenschaften hat das WETI zusammen mit AEROVIDE ein Konzept entwickelt. Dieses Konzept haben AEROVIDE und WETI jeweils in den Lastensimulationssoftwares HAWC2 und BeamDyn implementiert. Parallel dazu hat das WETI Regelungsstrategien f\u00fcr diverse Anwendungsf\u00e4lle des Schwungradspeichers entworfen. Dazu hat das WETI ein Interface definiert, um den entwickelten Schwungradspeicher-Regler mit den erweiterten Lastensimulationssoftwares zu verkn\u00fcpfen. AEROVIDE und WETI haben die erweiterten HAWC2- und BeamDyn-Anwendungen gegen eine analytische Berechnung gepr\u00fcft.<\/p>\n
Das zweite Arbeitspaket war eine Vorauslegung eines Rotorblatts mit Schwungradspeicher als integra-les Strukturelement. Daf\u00fcr hat das WETI, in Kooperation mit HYDAC, verschiedene Schwungradspei-cher-Typen f\u00fcr m\u00f6gliche Anwendungsf\u00e4lle des Schwungradspeichers in Windenergieanlagen entwor-fen. Angesichts der m\u00f6glichen Schwungradspeicher-Typen hat AEROVIDE einen Vorentwurf eines Ro-torblatts mit Schwungradspeicher analysiert. HYDAC hat weitere Schwungradspeicher-Komponenten aus kohlefaserverst\u00e4rktem Kunststoff (CFK) gebaut und getestet. AEROVIDE hat das CFK-Design beim Entwurf eines Rotorblatts mit CFK-Funktionskomponenten verwendet. Zuletzt konnten AEROVIDE und WETI Lastenrechnungen an einer generischen Windenergieanlage und an der NREL 5 Megawatt Referenz Windenergieanlage mit Schwungradspeicher durchf\u00fchren, um die M\u00f6glichkeit zur Senkung der mechanischen Lasten zu untersuchen.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Im ersten Arbeitspaket wurde erreicht, dass das dynamische Verhalten des Schwungradspeichers in zwei modernen, hochentwickelten Lastensimulationstools simuliert werden konnte. Die Validierung der modifizierten Modelle von BeamDyn und HAWC2 hat gezeigt, dass die unterschiedlichen Methoden zur Implementierung variabler Blatteigenschaften in beiden Modellen die physikalischen Gesetze der Gleichgewichtsbedingungen und des Impulserhaltungssatzes nachweisen konnten. Damit konnten verschiedene Funktionalit\u00e4ten des Schwungradspeichers simuliert werden. Als Beispiel wurde der Schwungradspeicher zum Einsatz f\u00fcr den Lastfall DLC2.3 simuliert. Der Lastfall DLC2.3 ist in der IEC 61400-1 mit den Windbedingungen \u201eExtreme Operating Gust \u201c (EOG, dt. \u201eExtreme Betriebsb\u00f6e\u201c) und dem gleichzeitig auftretenden transienten Ereignis eines Netzausfalls definiert. Dieser Lastfall ist durch eine gro\u00dfe Belastung am Turmfu\u00df gekennzeichnet. Um die Auswirkung des Schwungradspeichers im Lastfall DLC2.3 auf die Windenergieanlagenkomponenten, und insbesondere auf den Turmfu\u00df, zu untersuchen, wurde der Schwungradspeicher zun\u00e4chst im generischen Modell mit Referenzblatt (Referenzanlage) simuliert. Der Einsatz des Schwungradspeichers im generischen Windenergieanlagenmodell hat gezeigt, dass das Drehzahlmaximum um 8 %, der Schubumkehr um etwa 18 %, und das Turmfu\u00dfbiegemoment in longitudinaler Richtung um etwa 15 % gesunken sind. Am Ende dieses Arbeitspakets wurde das gleiche Simulationsszenario, das im generischen Windenergieanlagenmodell verwendet wurde, auf das NREL 5 Megawatt Referenz Windenergieanlagenmodell angewendet. Dabei wurden die Simulationsergebnisse aus HAWC2 und OpenFAST\/BeamDyn verglichen. Die Ergebnisse aus den beiden Lastensimulationstools haben eine sehr gute \u00dcbereinstimmung gezeigt. Im Vergleich zum generischen Windenergieanlagenmodell konnte im NREL 5 Megawatt Referenz Windenergieanlagenmodell eine Reduktion des Turmfu\u00dfbiegemoments in longitudinaler Richtung sowohl in HAWC2 als auch in OpenFAST bis zu 12% erreicht werden.
\nIm zweiten Arbeitspaket wurde eine Methode zur Integration des Blattspitzenkolbenspeichers in die Tragstruktur des Blattes entwickelt. Dabei wurden Teile der Gurte durch das Verbundmaterial des Kolbenspeichers ersetzt. Dadurch konnte der Schwungradspeicher in die Rotorbl\u00e4tter integriert werden, ohne diese wesentlich schwerer zu machen. Diese Methode wurde auf das von AEROVIDE entwickelte Blattdesign AE 4.0-68.7 umgesetzt. Um den Einfluss dieser Methode auf die Blattstruktur zu untersuchen, wurden Strukturanalysen f\u00fcr zwei Schwungradkonfigurationen durchgef\u00fchrt. Die Konfigurationen unterscheiden sich in der Geometrie und den Positionen der Kolbenspeicher. Die Eigenfrequenzanalyse beider Konfigurationen hat gezeigt, dass der Einfluss des Schwungradspeichers im entladenen Zustand auf das Blattverhalten vernachl\u00e4ssigbar ist. Dies deutet darauf hin, dass es mit der vorgestellten Methode m\u00f6glich ist, Kolbenspeicher in die Blattstruktur einer Windenergieanlage zu integrieren, ohne das Blatt komplett neu konstruieren zu m\u00fcssen.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Einige Ergebnisse aus diesem Projekt wurden auf der wissenschaftlichen Konferenz TORQUE 2022 in den Niederlanden pr\u00e4sentiert. Dar\u00fcber hinaus wurden im Rahmen dieses Projektes zwei Artikel in zwei wissenschaftlichen peer-review Zeitschriften ver\u00f6ffentlicht: IOP science Journal of Physics DOI: 10.1088\/1742-6596\/2265\/3\/032018; Energies DOI: 10.3390\/en16166061. \u00dcber dieses Projekt wurde fer-ner in der Ausgabe 03|2023 des Journals Erneuerbare Energien berichtet.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Die Ziele, die in der ersten Projektphase geplant waren, konnten erfolgreich erreicht werden. Darauf basierend kann die zweite Projektphase gestartet werden.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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