Ein Beitrag zur Optimierung der Rotorblätter von Windenergieanlagen

Kortenstedde, Frank

Die Strömung an Rotorblättern von Windenergieanlagen mit horizontaler Achse ist durch dreidimensionale, instationäre Effekte geprägt. Aus strukturell bedingten Gründen werden im Rotorblattwurzelbereich Profile mit dicker Hinterkante eingesetzt, was aus aerodynamischer Sicht nicht optimal ist. Die entstehende Radialströmung von der Rotorblattwurzel in Richtung der Blattspitze verringert die Effizienz von Windenergieanlagen mit konventionellen Rotorblättern. Neben der in dieser Arbeit im Rahmen eines Projektes mit einem Industriepartner entwickelten „Splitflap“ werden weitere Strömungselemente für das Rotorblatt untersucht und optimiert. Für die Untersuchungen werden Modell‐Rotorblätter der Forschungsanlage DEBRA‐25 sowie der Windenergieanlage VESTAS V66 verwendet, um in dreidimensionalen, rotierenden Strömungen das Rotorblatt und die Strömungselemente numerisch zu simulieren. Für die Validierung der Ergebnisse stehen, neben den Forschungsergebnissen zur DEBRA‐25, experimentelle Untersuchungsergebnisse aus dem Windkanal zur Verfügung. Die VESTAS V66 konnte für die Untersuchung des Splitflap‐Prototypen als reale Test‐Windenergieanlage in einem Windpark genutzt werden. An dieser Anlage führte eine „Wollfaden‐Messung“ zu weiteren, aufschlussreichen Ergebnissen und wurde für den visuellen Vergleich mit der CFDAnalyse genutzt. Für die Auslegung von Rotorblättern heutiger Anlagen mit Längen von bis zu 75 m gibt es im Wesentlichen zwei Ansätze. Zum einen werden die Rotorblätter so steif ausgelegt, dass sie trotz ihrer Länge bei extremen Windgeschwindigkeiten nicht mit dem Turm kollidieren, beispielsweise durch den Einsatz von CFK in den Gurten der Blattschale. Ein anderer Ansatz ist, die Rotorblätter gezielt aeroelastisch zu gestalten, um Lasten bei Böen zu reduzieren. Neben der Untersuchung des Einflusses der Lage des Holms auf die Biege‐Torsions‐Kopplung am Modell‐Rotorblatt der DEBRA‐25 wurde die numerische Optimierung zur aerodynamisch effizienteren Auslegung des V66 Rotorblatts genutzt. Diese Arbeit wurde mit Hilfe der kommerziellen Software ANSYS auf verschiedenen, einfachen Serversystemen durchgeführt und ohne die Nutzung von Hochleistungsrechnern. Die hochwertigste, eingesetzte Hardwarearchitektur basiert auf zwei Intel Xeon E5 Prozessoren mit je 6 CPU. Dies führte zu vertretbaren Rechenzeiten von bis zu einer Woche (ca. 16 x 106 Gitterpunkte) und zeigte, dass neben der notwendigen Software nicht zwingend kostenintensive Hardware eingesetzt werden muss und somit ein gutes Kosten‐/Nutzenverhältnis erreicht werden kann.

The flow around rotor blades of Horizontal‐Axis Wind Turbines is characterised by threedimensional, non‐stationary effects. Profiles with a thick back edge are used in the vicinity of the rotor‐blade root for structural reasons and therefore this region does not have an optimal aerodynamic design. The radial flow from the rotor‐blade root towards the blade tip arising as a result reduces the efficiency of wind turbines with conventional rotor blades. A number of further aerodynamic elements for the rotor blade are investigated and optimised in addition to the “split‐flap” developed in this work as part of a project undertaken together with an industrial partner. Model rotor blades of the DEBRA‐25 research wind turbine and the VESTAS V66 wind turbine were used for the investigations in order to numerically simulate the rotor blade and the aerodynamic elements in three‐dimensional, rotating flows. Results from experimental investigations in a wind tunnel are available for the validation of the results in addition to the research results from the DEBRA‐25. It has been possible to use the VESTAS V66 as a real test wind turbine in a wind farm to investigate the split‐flap prototype. Wool tuft measurements carried out on this turbine led to further, interesting results and were used for a visual comparison with the CFD analysis. There are primarily two approaches for designing rotor blades of today’s installations with blade lengths of up to 75 m. On the one hand the rotor blades are designed to be so rigid that they do not collide with the tower at extreme wind speeds despite their length, for example by using CFL in the chords of the blade shell. A different approach is to specifically design the rotor blades so as to be aeroelastic in order to reduce the loads during gusts. Apart from investigating the influence of the spar position on the flexural/torsional interaction on the DEBRA‐25 model rotor blade, a numerical optimisation was used to obtain a more efficient aerodynamic design of the V66 rotor blade. This work was performed on a number of simple server systems with the aid of the commercial ANSYS software and without using high‐performance computers. The most complex hardware architecture used based on two Intel Xeon E5 processors each with 6 CPUs. This led to acceptable computing times of up to one week (approx. 16 x 106 grid points) and demonstrated that high‐cost hardware does not necessarily have to be used in addition to the requisite software and thus a good cost‐benefit ratio is achieved for these computations.

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Kortenstedde, Frank: Ein Beitrag zur Optimierung der Rotorblätter von Windenergieanlagen. 2016.

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