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Verifizierung und Anpassung eines reduzierten Aero-Elastik-Modells für Windenergieanlagen, MSc

Titel: Verifizierung und Anpassung eines reduzierten Aero-Elastik-Modells für Windenergieanlagen, MSc
Typ:
  • Masterarbeit
Betreuer:
Status: offen

Hintergrund

Die Windenergie hat sich in den vergangenen Jahrzehnten weltweit als Hauptenergiequelle aus dem Bereich Erneuerbare Energien etabliert. Um den Ausbau der Windenergienutzung auf hohem Niveau aufrecht zu erhalten spielt sowohl die Optimierung bestehender Technologien als auch die Entwicklung neuer, wirtschaftlicher Systeme eine immer bedeutendere Rolle. Am SWE wurden in den letzten Jahren vermehrt vereinfachte, reduzierte Simulationsmodelle entwickelt und angewendet. Hauptsächlich für den Reglerentwurf sind solche Modelle wichtig, besonders auch linearisierte Beschreibungen. Außerdem gibt es vermehrt Beobachter, die in Echtzeit als „digital twin“ eine Anlage simulieren um das Anlagenmonitoring zu verbessern.

Problemstellung

Ein bewährtes Vorgehen für den Reglerentwurf war bisher oftmals die Elastik der Rotorblätter zu vernachlässigen und die „rotor-effektive“ Windgeschwindigkeit für die Berechnung der Schubkraft und des Drehmoments zu verwenden. Dies ist eine sehr starke Vereinfachung: Die räumliche Ausprägung der Turbulenz ist vernachlässigt und damit die Abhängigkeit vom Drehwinkel des Rotors. Außerdem sind alle Blatt-Biege- und Torsionsmoden vernachlässigt, genauso wie dynamische Effekte des Nachlaufs. Trotzdem ist eine Abbildung der wichtigsten Effekte möglich und das Modell für einfache Lastabschätzungen und Reglerentwurf gültig.
In der Vorbereitung auf diese Arbeit wurde das vorher genannte Modell erweitert mit einem elastischen Mehrkörpermodell für die Blätter. Zur Berechnung der Aerodynamischen Kräfte wurde eine Kopplung zwischen dem Mehrkörpermodell (C) zum open-source Code AeroDyn (Fortran) von NREL (Denver, USA) hergestellt. In dieser Arbeit soll das Modell mit dem open-source Code FAST (NREL) verglichen werden und ggf. angepasst. Ziel ist dann, ein das Aerodynamik-Modell zu vereinfachen um AeroDyn zu ersetzen. Hierzu sollen modale Koeffizienten für das gesamte Blatt (statt den Auftr.-/Widerst.-Koeff. für alle Blattsegmente, s. Abb.) bestimmt werden und für die Berechnung der Kräfte eine „blatt-effektive“ Windgeschwindigkeit verwendet werden. Dies soll so geschehen, dass eine spätere Linearisierung möglich ist. Die Optimierung und Verifikation des Modells sind komplementäre Arbeiten, d.h. werden nicht erwartet.
Für eine erfolgreiche Durchführung der Arbeit ist Vorwissen im Bereich Mechanik, dynamische Systeme und Rotor-Aerodynamik notwendig.

Aufgabe

  • Woche 1-2 : Einarbeitung in reduziertes Simulationsmodell, FAST, AeroDyn, Durchführung erster Simulationen.
  • Woche 3-8: Aufsetzen verschiedener Referenzfälle zum Code-Vergleich
    • Konstante Drehzahl, kein Wind, var. Wellenneigung (Gravitationseinfluss)
    • Stationärer Wind + vertikal ausgerichteter Rotor, versch. Schnelllaufzahlen
    • Turbulenter Wind, versch. Windgeschwindigkeiten
    • Mögliche zu vergleichende Größen:
    • Rotorschub, Rotormoment, Blattwurzelkräfte
    • Induktionsfaktor über Radius
    • Auftriebs- und Widerstandskoeffizienten über Radius
    • Position + Orientierung der Blatt-Marker
  • Woche 9: Mögliche Anpassungen des Modells (z.B. Anpassung der Modalformen)
  • Woche 10-12: Entwurf eines vereinfachten Aerodynamik-Modells (Ersetzen der AeroDyn-Kopplung)
    • Berechnung der modalen Blatt-Koeffizienten
    • Berechnung der „blatt-effektiven“ Windgeschwindigkeit
  • Woche 13-14: Verifikation des vereinfachten Modells
  • Woche 15-18: Ausarbeitung und Vortrag

Anforderung

  • Start: 1.3.18
  • Abgabe: gemäß Prüfungsordnung
  • Bearbeitung vorzugsweise am Institut
  • Wöchentliche Besprechungen
  • Midterm-Review
  • Abschlusspräsentation
  • Ausarbeitung in LaTeX oder MS Word auf englisch oder deutsch
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