Smart Blades flexibel im Wind

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1 Smart Blades flexibel im Wind Spreewindtage SONNE WIND & WÄRME Forum Jan Teßmer, Rostock-Warnemünde,

2 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) Forschungseinrichtung Raumfahrt-Agentur Projektträger Ca Mitarbeiter in 33 Instituten und Einrichtungen an 20 Standorten. Büros in Brüssel, Paris Tokio and Washington.

3 Windenergieforschung im DLR Smarter Rotor: Entwurf bis Produktion Umgebung: Betriebsstrategien, Windverhältnisse Integrierte Toolkette Lärm: Entstehung, Ausbreitung, Wirkung Rotor der Zukunft Zuverlässigkeit System: Kopplung mit Speicher & Netz Virtuelle Anlage: Code-Entwicklung - Multi-Disciplinary - Multi-Fidelity Lasten, Sensitivitäten Analyse Studien & Prognosen Forschungsplattform: Phänomene, Daten Technologien: Erprobung & Qualifikation Methoden Validierung

4 Forschungsverbund Windenergie FVWE

5 Folie 5 Herausforderung Kosten - Leistung und Kapazität am gleichen Ort - - Leistung (MW) - Kapazität (MWh / Jahr) ; 1 Jahr = 8.760h

6 Folie 6 Herausforderung Kosten - Leistung und Kapazität am gleichen Ort - AN-Bonus E MWh / 1,3 MW = h MWh / 3,0 MW = h

7 Herausforderung Akzeptanz, z.b. infolge Lärm Grenzen für Schallleistungspegel Oerlemans, S.; Sijtsma, P.; Méndez López, B. (2007): Location and quantification of noise sources on a wind turbine. In: Journal of Sound and Vibration 299 (4 5), S Wohngebiet 55 db(a) - tags ländliches Gebiet 50 db(a) - tags Wohngebiet 40 db(a) - nachts Distance [m] Abstand [m] ländliches Gebiet 35 db(a) - nachts Sound Pressure Level L p [db(a)] Schalldruckpegel Quelle: Windkraftanlagen Gasch

8 DLR.de Folie 8 Ideen Solutions? Quelle: Dykes and R. Meadows

9 DLR.de Folie 9 Große Rotorblätter Herausforderung: Lasten Hohe Lasten & Lastwechsel, u.a. durch Heterogene & turbulente Zuströmung Maximierung der Windernte Lange Blätter für hohe Ausbeute bereits bei geringen Windgeschwindigkeiten Späte Abschaltung bei hohen Windgeschwindigkeiten Kompensation durch flexibel - intelligente Blätter (Smart Blades) Passive Technologien mit planmäßiger Biege-Torsions-Kopplung Aktive Technologien mit flinken Mechanismen an Vorder- oder Hinterkanten Optimierte Controller Konzeptentwicklungen in BMWi Projekten SmartBlades / SmartBlades2

10 SmartBlades1 Projekt: Cross technology topics Technology 1: Bend - Twist - Coupled Blades Technology 2: Moveables - Design & Control Strategies Technology 3: Adaptive Slats Strategic objectives Num. proof of load reduction with Smart Blades Decrease the CoE Test of demo blades on real turbine 10

11 Folgeprojekt: SmartBlades2 Industriepartner: 11

12 Smart Blades1 - Bend Twist Coupling (BTC) - Development of Geometric BTC blades and simulation on wind turbine Design of Demo Blade (20m) and manufacturing of the appropriate tooling Referenz G-BTC Source: Bätge (IWES), 2016 Fatigue DEL at blade root, Sevinc (IWES), 2016 Source: DLR,

13 Smart Blades2 - Bend Twist Coupling (BTC) - Bau von vier Demonstrationsblättern Statische und dynamische Tests eines BTK-Blattes in einem statischen Prüfstand DLR Test eines Blattsatzes an einer Freifeld-WEA unter realen Bedingungen Vergleiche zwischen Tests und Modellen zur Validierung der entwickelten Tools Entwicklung alternativer Konzepte IWES 13

14 Smart Blades1 Active trailing edge - PSD of DEL of flapwise root bending moment for 13m/s mean wind speed Souece: N. Oltmann (DLR), R. Unurán FW - OL) 14

15 Smart Blades1 Active trailing edge - Moveables: Design & Control Strategies Concept and realization of a lightweight flexible trailing edge demonstrator for wind energy turbines A comparison of individual pitch and trailing edge flap control for structural load mitigation of a wind turbine Investigation on various configurations for Load Reduction of Wind Turbines Source: Oltmann (DLR) Source: Ungurán (FW - OL) 15

16 Smart Blades1 Active leading edge - Integrated Slat configuration Source: Manso Jaume (DLR), 2015 Design of an integrated leading edge slat Wind tunnel tests on airfoils with active slats Feasibility of adaptive slats concept is proofed Source: T. Homeyer (FW-OL),

17 Smart Blades1 Active leading edge - Proof of concept Wind tunnel measurments with fluctuating inflow (±6 AoA at 5Hz) generated Proof of mechanism effectivity Load compensation through slat closing/opening Proof of dynamic relevance turbulent loads (caused by ) can be reduced at constant mean value ( ) Source: T. Homeyer et al. (FW-OL),

18 Smart Blades2 Adaptive leading edge - Aktiver Vorflügel: Aufbau von Regelungskonzepten Anwendung eines Regelungskonzeptes im Windkanal-Modell Vorbereitung für Tests am Schleuderprüfstand Passiver Vorflügel Auslegung der Aerodynamik, Kinematik und Struktur Validierung und Charakterisierung im Windkanal Numerische und experimentelle Betrachtung Starrer Vorflügel Windkanaltest an WEA Modell Test an einer realen WEA FW OL FW OL 18

19 Smart Blades2 Querschnittsthemen Verklebungen: Materialversuche und Komponentenprüfungen Modellentwicklung, -evaluierung und - validierung Numerische und experimentelle Analyse Aeroelastische Stabilität: Simulationen und Code-to-Code-Vergleich Vergleich des Stabilitätsverhaltens verschiedener SmartBlade-Konzepte FW H Entwicklung einer Reglerstruktur für nichtlineare adaptive Regelung Technische und wirtschaftliche Bewertung von SmartBlades-Technologien FW H 19

20 Warum Smart Blades? Motivation Senkung Energieerzeugungskosten (Windkraft) Trend geht sowohl für Offshore- als auch für Onshore-Schwachwindbereiche zu größeren und damit trägeren Blättern; daher wird eine über den Pitch- Antrieb hinausgehende Aktorik sinnvoll Problematik Inhomogenes Windfeld aerodynamische Schwingungslasten Lasten durch Eigengewicht Lösungsansatz Minderung aerodynamischer Lasten durch Smart Blades Knowhow & Methoden für effizientes und zuverlässiges Anlagendesign 20

21 DLR.de Folie 21 Entwicklungen in der Windenergietechnik September 2016 Deutsche Forschungsplattform für Windenergie Ausblick 2x3 MW Turbinen Experimental-Turbine ca. 40m Durchmesser Datenmanagement

22 DLR.de Folie 22 Projekt DFWind - ( -

23 Folie 23 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Kontakt: Dr. Jan Teßmer DLR Koordinator für Windenergieforschung +49 (531)