Leistungssteigerung von WEA durch Nachrüstung mit optimierten Wirbelgeneratoren
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- Hartmut Heintze
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1 Leistungssteigerung von WEA durch Nachrüstung mit optimierten Wirbelgeneratoren C. N. Nayeri G. Pechlivanoglou, D. Marten, S. Vey, H.-M. Vahl, C. O. Paschereit 21. Windenergietage C. O. Paschereit Institute of Fluid Mechanics and Acoustics 14. November
2 Motivation Rotorblätter zeigen oft starke Ablösungen ( Stall ) besonders im Wurzelbereich Unerwünschte Oberflächenrauigkeiten und Erosion haben negativen Einfluß auf die Leistung/Ertrag C. O. Paschereit Institute of Fluid Mechanics and Acoustics christian.nayeri@tu-berlin.de 14. November
3 Motivation Unerwünschter Stall durch zeitliche Variation der Anströmung (z. B. Böen) Erhöhung des Anströmwinkels (bei konstanter Drehzahl) An der Blattwurzel besonders kritisch Ablösung an modernen multi MW Anlagen führt zu Leistungsverlusten und Ermüdungslasten Erhöhte /kwh Stall Quelle: Lutz, Krämer Stuttgart Quelle: Erich Hau, Windkraftanlagen C. O. Paschereit Institute of Fluid Mechanics and Acoustics 14. November
4 Wie Stall kontrollieren? Methoden der Strömungskontrolle aus der Forschung Passiv Wirbel Generatoren Vorflügel Flow Vane Gurney Klappe Aktiv Flexible Hinterkante Aktive Gurney Klappe Flexible Vorderkante Stall Ribs Plasma Actuators Vertical Spoilers Inclined Spoiler C. O. Paschereit Institute of Fluid Mechanics and Acoustics 14. November
5 Wirbel Generatoren Eigenschaften von WG: Erhöhen Energieaustausch zwischen Außenströmung und Wandströmung Gegensinnig drehende Längswirbel Ablösung wird verzögert/verhindert Nachteile: Erhöhen Widerstand Positionierung und Geometrie sehr wichtig (ungeeignet für variable Ablösungslagen) passiv Rotor WEA 1951 Quelle: Airplane Stability and Control: A History of the Technologies that Made... von Malcolm J. Abzug,E. Eugene Flugzeugflügel C. O. Paschereit Institute of Fluid Mechanics and Acoustics christian.nayeri@tu-berlin.de 14. November
6 Wirbel Generatoren Argumente für WG an WEA: Preiswert Nachrüstbar Stall verhindern Leistung erhöhen Herausforderung: Maximale Wirkung (Stallkontrolle) bei geringem Widerstand Ziel des Projektes: Optimale Geometrieparameter Optimale Positionierung Rotor WEA Flugzeugflügel C. O. Paschereit Institute of Fluid Mechanics and Acoustics 14. November
7 Vorgehensweise Experimentelle parametrische Untersuchungen: Wirbelgenerator (VG) Größe Abstände S und Z Position in Flügeltiefe optimierte WG BEM simulationen: Leistungskurven Wirkung von Rauigkeiten fine-tuning von Stall geregelten Anlagen Rotor WEA VG1 VG2 H 10mm 20mm L 20mm 40mm S 30mm 60mm β dicke 0.8mm 0.8mm Flugzeugflügel C. O. Paschereit Institute of Fluid Mechanics and Acoustics christian.nayeri@tu-berlin.de 14. November
8 Windkanalversuche NACA 63(3)-618 Flügel-Profil: Flügeltiefe: c = 600mm Spannweite: s = 1550mm Externe Waage U = 29 m/s Re = Kraftmessungen -10 α 30, 0.5 Schritte Geschwindigkeitsfeldmessungen (PIV) PIV C. O. Paschereit Institute of Fluid Mechanics and Acoustics christian.nayeri@tu-berlin.de 14. November
9 Einfluss VG-Größe Auftrieb Gleitzahl VG1: H/c = VG2: H/c = x = 20%c Z = 5H VG1 erzeugt ein größeren Stall- Winkel α s und mehr Auftrieb C l VG2 hat höheren aerodyn. Widerstand C. O. Paschereit Institute of Fluid Mechanics and Acoustics christian.nayeri@tu-berlin.de 14. November
10 Einfluss WG-Abstand Zu großer Abstand: Wandgrenzschicht im Zwischenraum wird nicht beeinflusst (keine Energetisierung) Zu kleiner Abstand: Wirbel heben ab Destruktive Interaktion zw. Wirbeln Mehr aerodyn. Widerstand Optimales Z ist gesucht C. O. Paschereit Institute of Fluid Mechanics and Acoustics christian.nayeri@tu-berlin.de 14. November
11 Einfluss VG-Abstand Wirbelabdruck bei x = 80%c VG1: H/c = 0.017, x = 20%c, Z=3H VG1: H/c = 0.017, x = 20%c, Z=5H VG1: H/c = 0.017, x = 20%c, Z=7H C. O. Paschereit Institute of Fluid Mechanics and Acoustics christian.nayeri@tu-berlin.de 14. November
12 Einfluss VG-Abstand Abstand der Wirbel von der Flügeloberfläche C. O. Paschereit Institute of Fluid Mechanics and Acoustics 14. November
13 Einfluss VG-Abstand Kleine Abstände führen zu höheren Stall-Winkeln α s Größere Abstände zeigen geringeren Widerstand bei >10 Plötzlicher Stall-Einsatz ist unerwünscht Größere Abstände zeigen C. O. Paschereit Institute of Fluid Mechanics and Acoustics christian.nayeri@tu-berlin.de 14. November
14 Einfluss Position in Flügeltiefe mit x = 30%c, sprunghafter Lastabfall Deutliche Unterschiede im Auftrieb for 7 α 15 VG1: H/c = Z = 5H Positionen nahe der Vorderkante erzeugen mehr Widerstand C. O. Paschereit Institute of Fluid Mechanics and Acoustics christian.nayeri@tu-berlin.de 14. November
15 Numerische Prognose QBlade (fd.tu-berlin.de/qblade): QBlade ist ein Open-Source-Windkraftanlagen- Design-und-Simulationstool Extrapolation von Profilpolaren auf einen Bereich von 360 (nach Viterna und Corrigan) Rotorblatt Design und Optimierung (3D) mit in XFOIL generierten oder importierten Profilpolaren WKA Erstellung durch Definition von Rotor, Kontrollmechanismen, Generatoren und Verlusten Rotorsimulation über einen Bereich von Schnelllaufzahlen WKA Simulation über einen Bereich von Windgeschwindigkeiten Jahresertragsberechnung mit Weibull Verteilung Manuelle Auswahl von BEM Korrekturalgorithmen Simulierte Konfigurationen NACA 63 (3) -618 profile verwendet optimale WG : VG1, Z=5H, x=20%c Polaren für raue Blattoberfläche aus Windkanalversuchen Manuelle Auswahl aller Simulationsparameter Visualisierung und Export aller Simulationsdaten Export der Blattgeometrie C. O. Paschereit Institute of Fluid Mechanics and Acoustics christian.nayeri@tu-berlin.de 14. November
16 Numerische Prognose Simulation einer 2 MW pitch-geregelten WEA Blade Length [m] Zusätzlicher Widerstand reduziert Leistung Rauigkeit reduziert ebenfalls Leistung 40 Design λ 7 Max. Twist Nom. [ ] Power [kw] Max. C p 0.45 C. O. Paschereit Institute of Fluid Mechanics and Acoustics christian.nayeri@tu-berlin.de 14. November
17 Numerische Prognose Simulation einer 10kW stall-geregelten WEA Blade Length [m] VGs can be used for the fine-tuning of blade performance 4 Design λ 6 Max. Twist Nom. [ ] Power [kw] Max. C p 0.42 C. O. Paschereit Institute of Fluid Mechanics and Acoustics christian.nayeri@tu-berlin.de 14. November
18 Zwischenbilanz WG mit H/c = sind besser als mit H/c = in Bezug auf Stall- Verzögerung, Widerstand and Gleitzahl Kleine Abstände zeigen bessere Stall-Verzögerung, aber führen zu starken post-stall Auftriebsschwankungen. optimal Z 5H WG bei x/c = 15%-20% sind ein guter Kompromis zwischen Leistungserhöhung und Gutmütigkeit der Polaren WG können den Ertrag von WEA erhöhen, aber eine Zunahme der Widerstandes muss durch eine sorgfältige Auslegung minimiert werden An Stall-geregelten Anlagen sind WG wirksame und preiswerte Komponenten zum fine-tuning der Leistungskurve C. O. Paschereit Institute of Fluid Mechanics and Acoustics christian.nayeri@tu-berlin.de 14. November
19 Thank you very much for your attention! C. O. Paschereit Institute of Fluid Mechanics and Acoustics 14. November
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