Bei der Auslegung von Windenergieanlagen müssen eine Vielzahl teils gegenläufiger Anforderungen aus unterschiedlichen Disziplinen gegeneinander abgewogen werden. Die gleichzeitige Betrachtung der verschiedenen Anforderungen, ein sogenannter multidisziplinärer Entwurf, bietet dabei den Vorteil, dass die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Disziplinen von Beginn an berücksichtigt werden. Abbildung 1 zeigt die Prozesskette und die darin integrierten Module. Diese werden für jedes Design z.T. mehrfach durchlaufen. Alle Einzelprozesse sind in eine
Optimierungsumgebung eingebettet und verwenden das gemeinsame am DLR entwickelte Datenformat CPACS. Die Entwurfsvariablen (EP) stellen die Eingangsgrößen des Prozesses dar. Sie setzen sich aus geometrischen und strukturellen Parametern zusammen. Für jedes Modul wird mindestens eine Ausgangsgröße definiert (z.B. Leistungsbeiwert, Masse, Schallabstrahlung und Kosten). Durch die Variation der Entwurfsparameter lassen sich Sensitivitäten hinsichtlich der Zielfunktion ausrechnen und in Form eines Ersatzmodells abspeichern. Auf Basis des Ersatzmodells können im Anschluss einzelne Entwurfsparameter optimiert werden, um so ein optimales Design berechnen zu können.
Aerodynamik:
Zur dynamischen Simulation einer Windenergieanlage benötigt man ein Strukturmodell der Anlage und ein geeignetes Aerodynamikmodell, welches in Wechselwirkung mit der Anlage aus der Anströmung und den Bewegungen der Anlage die aerodynamischen Kräfte und Momente bestimmt. Die Berechnung innerhalb der Optimierung erfolgt mit Hilfe einer gekoppelten Simulation des Mehrkörper-Simulations-Programm (MKS) Simpack für die Struktur und dem am Institut für Flugsystemtechnik entwickelten Rotorsimulationscode S4 für die Aerodynamik. S4 wurde ursprünglich für die schnelle Simulation von isolierten Hubschrauberrotoren im Windkanal entwickelt und wird im Projekt RoDeO auf windkraftspezifische Anwendungen erweitert. Die implementierten Abwind-Modelle reichen von einer einfachen Blattelementen-Methode bis hin zu Free-Wake-Verfahren. Ziel ist es, ein möglichst breites Spektrum der zu rechnenden IEC-Lastfälle abzudecken. Abbildung 2 zeigt beispielhaft die Simulation eines 3-Blatt-Rotors einer WEA während des Anlaufvorganges inklusive stark gekoppeltem Free-Wake Nachlauf, so wie es im Projekt RoDeO durchgeführt werden soll.
Zur Vereinfachung der Optimierung werden die Profile einer Anlage innerhalb der Optimierung nicht verändert, sondern vorab aus einem Profilkatalog ausgewählt. Um eine geeignete
Auswahl der Profile zu ermöglichen, wird hierzu am Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik ein Profilkatalog mit aerodynamischen und aeroakustischen Kennwerten erstellt. Die Berechnung der Polaren erfolgt hierbei mithilfe von hochgenauen 2D CFD Simulationen. Die Polaren werden anschließend in Form eines mathematischen Modells an den Rotorsimulationscode S4 übergeben.
Im Anschluss an eine Optimierung werden einzelne Entwürfe der gesamten Anlage mithilfe von hochgenauen 3D CFD Berechnungen überprüft. Das Spektrum der verfügbaren Anwendungen reicht von stationären Simulationen des isolierten Rotors mit gleichförmiger Anströmung bis hin zu instationären Simulationen der gesamten Anlage inklusive Berücksichtigung der atmosphärischen Bodengrenzschicht wie in Abbildung 3 dargestellt.
Lastenvorhersage und Stabilität:
Der gegenwärtige Trend zu größeren Rotordurchmessern führt zusammen mit einer Minimierung der Rotormasse im Allgemeinen zu langen und schlanken Rotorblättern, die eine größere Flexibilität aufweisen. Damit rücken aeroelastische Fragestellungen stärker in den Vordergrund, sodass eine genaue Vorhersage des Zusammenwirkens von aero- und strukturdynamischen Kräften nötig ist. Das Institut für Aeroelastik setzt hierzu das Mehrkörper-Simulations-Programm Simpack zusammen mit mehreren Aerodynamik-Verfahren verschiedener Genauigkeit ein.
Die Flexibilität der Rotorblätter kann auch zu großen Deformationen führen, die nicht mehr mit linearen Methoden beschrieben werden können. Deshalb werden Möglichkeiten zur Beschreibung großer Deformationen wie z.B. nicht-lineare Balkenelemente in Simpack untersucht.
Mit den Fluid-Struktur-gekoppelten MKS-Simulationen (siehe Abbildung 4) sollen zum einen die dynamischen Lasten auf das Rotorblatt vorhergesagt werden. Ziel ist eine verlässliche Vorhersage der dynamischen Lasten auf das Rotorblatt für eine spätere Auslegung der Rotorblatt-Struktur.
Zum anderen soll die dynamische Stabilität der Windenergieanlage bewertet werden, um aeroelastische Phänomene wie beispielsweise Rotorblatt-Flattern ausschließen zu können.
Strukturmechanische Dimensionierung (Sizing):
Die Auslegung der Blattstruktur erfolgt durch das Institut für Faserverbund und Adaptronik auf Basis der in der Lastenanalyse ermittelten Gesamtlasten. Ziel ist die automatische Berechnung eines diskreten Lagenaufbaus. Hierbei sollen auch nicht-lineare Effekte aus Querschnittsdeformationen und der Einfluss kritischer
Klebschichtbereiche berücksichtigt werden. Darüber hinaus werden schnelle Methoden zur Abschätzung des Stabilitätsverlustes der Haut, der Hinterkante und der Holmstege entwickelt mit dem Ziel der Verlängerung der Lebensdauer heutiger Rotorblätter. Abbildung 5 zeigt ein finite Elemente Modell eines Rotorblattsegments. Mit Hilfe dieses FE-Modells werden Verschiebungen berechnet, aus denen die mechanischen Spannungen abgeleitet werden. Diese werden innerhalb eines automatisierten Dimensionierungsprozesses genutzt, um die Struktur nach bestimmten Kriterien auszulegen und einen diskreten Lagenaufbau abzuleiten. Die daraus resultierende Steifigkeitsverteilung ist in Abbildung 6 dargestellt.
Regelung:
Die Regelung und die Betriebsführung einer Windenergieanlage müssen in erster Linie den vollautomatischen Betrieb der Anlage in einem sich permanent ändernden Umfeld (Böen, Turbulenz) sicherstellen. Hierbei wird unterhalb der Nennleistung die Rotordrehzahl über das Generatormoment an die Windgeschwindigkeit so angepasst, dass das Maximum an Leistung dem Wind entnommen werden kann. Ab Nennleistung wird durch eine Pitch-Winkel-Verstellung eine konstante Drehzahl und somit ein konstantes Drehmoment bzw. die Nennleistung eingeregelt.
Aufgrund der Auswirkungen des Reglers auf die Dynamik und die Lasten der Windenergieanlage muss dieser im Entwurfsprozess mit berücksichtigt werden. Da zu Beginn des Entwurfs die Daten über die WEA noch unsicher sind, muss der Regler in einem ersten Entwurf robust gegenüber Modellunsicherheiten sein. In einem zweiten Entwurf, basierend auf präziseren Daten, wird der Regler optimiert.
Aeroakustik:
Die zuverlässige Vorhersage der Schallerzeugung und –abstrahlung wird in RoDeO auf Basis nicht-empirischer Simulationsverfahren vorgenommen. Um dennoch auch im Entwurfsprozess eine Vielzahl an Varianten mit einem hochgenauen CFD-CAA-Ansatz berechnen zu können, wurde hierfür am Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik in der Abteilung Technische Akustik ein effizientes Verfahren auf Basis von 2D-Berechnungen entwickelt. Die Schallabstrahlung aller lärmrelevanten 2D-Schnitte am Rotorblatt wird unter Berücksichtigung der lokalen Anströmbedingungen und der skalierten Richtcharakteristik am Zertifizierungspunkt zu einem dB(A)-bewerteten Gesamtpegel aufsummiert, vgl. Abbildung 7. Des Weiteren sollen die Wirkung passiver aeroakustischer Anbauteile (z.B. Hinterkantenzahnung) in einem parallelen Entwicklungsstrang in 3D-Simulationen repräsentativ untersucht werden.
Produktionsanalyse:
Während auf der einen Seite die technischen Herausforderungen an Sicherheit und Qualität erfüllt werden müssen, spielen auf der anderen Seite die Kosten für die Fertigung eines Rotorblattes eine ebenso wichtige Rolle.
Hierzu wurde vom Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik bereits im Vorgängerprojekt MERWind ein Kostenbewertungstool entwickelt. Das sogenannte Eco-Efficiency Assessment Model (EEAM)-Kostenbewertungstool (siehe Abbildung 8) ermöglicht eine Abschätzung der Kosten auf Basis der durch das FE-Modell berechneten Massen. Darüber hinaus ist eine Aufteilung der Kosten in verschiedene Anteile wie Material-, Lohn- und Anlagenkosten möglich. Ziel des Projektes RoDeO ist es, die Vorhersage der Produktionskosten durch die automatische Ableitung eines diskreten Lagenaufbaus weiter zu verbessern. Darüber hinaus wird das Kostenbewertungstool automatisiert und in die Optimierungskette integriert.
Prozesskette:
Das Ziel des Projektes ist die Auslegung eines Rotors. Hierzu müssen die Einflüsse der unterschiedlichen Entwurfsparameter bekannt sein. Diese lassen sich am einfachsten durch eine automatische Prozesskette berechnen. Grundvoraussetzung dafür ist, dass alle integrierten Programme ohne Nutzereingriff lauffähig und schnell genug sind, eine große Anzahl von Lastfällen zu berechnen.
Darüber hinaus müssen sinnvolle Entwurfsparameter (EP) und Zielfunktionen gewählt werden, um eine wohlgestellte Optimierungsaufgabe zu erhalten. Während die einzelnen Komponenten der Prozesskette von den jeweiligen Instituten bereitgestellt werden, übernimmt das Institut für Antriebstechnik die Integration der Komponenten in den Gesamtprozess. Als Programm für die Steuerung der Prozesskette setzt das Institut für Antriebstechnik das hausinterne Programm AutoOpti ein.