Verifikation von Offshore-Windenergieanlagen (OWEA)

Transkript

1 Verifikation von Offshore-Windenergieanlagen (OWEA) J. Quappen, Martin Kühn, D. Kaufer, N. Cosack Stiftungslehrstuhl Windenergie, Universität Stuttgart T. Lutz, K. Meister, Institut für Aero- und Gasdynamik, Universität of Stuttgart; C. Böker, ForWind - Universität Hannover; S. Emeis, KIT - IMK-FZK J. Tambke, G. Steinfeld, ForWind - Universität Oldenburg; T. Neumann, DEWI GmbH M. Klingele, Multibrid GmbH; M. Seidel, REpower Systems AG

2 Inhalt 2 I. Übersicht über das OWEA Projekt II. Arbeitspakte Leistungskennlinien Strömungsbedingungen und Nachlaufbelastungen Anlagendynamik und Belastungen Online Load-Monitoring Turbulenzmodellierung und Grenzschicht III. Ausblick

3 Messungen im Testfeld alpha ventus 3 RAVE: => Messungen OWEA: => Auswertung der Messdaten hinsichtlich der Gesamtanlage Multibrid REpower Meteorologische Daten von der FINO-1 Plattform Last- und Betriebsdaten von den Offshore-WEA gondelbasierte LiDAR- Messungen auf 2 WEA

4 AP-1: Offshore-Leistungskurven 4 Ziel: Reduzierung von Unsicherheiten des Energieertrags Inhalte: Beschreibung der Struktur der vertikalen atmosphärischen Grenzschicht Modellierung der Strömungsbedingungen in Offshore- Windparks Quantifizierung der atmosphärischen Einflüsse auf Leistungskurven gondelbasierte, LiDAR-Messung der Leistungskurven Standardisierung und Technologietransfer

5 AP-1: Offshore Leistungskurven 5 Gemessene Windgeschwindigkeitsprofile an der FINO-1 Plattform - Einfluss der thermischen Schichtung unstable stable

6 AP-1: Offshore Leistungskurven 6 Modellierte Windgeschwindigkeitsprofile (Mesoskalen Modell WRF) - ForWind-Model zur Beschreibung der thermischen Schichtung unstable hyper-stable stable 10m/L < 10m/L <

7 AP-1: Offshore Leistungskurven 7 Geplant: Gondelbasierte Leistungskurvenmessung und Windfeldmessungen mittels eines LiDAR Scanners Entwicklung und Erprobung eines Scannersystems (LiDAR Projekt) Geplant: Gondelabsierte Windfeldmessungen offshore (OWEA Projekt)

8 8 AP-2: Strömungsbedingungen & Nachlaufbelastungen Ziel: Verbesserte Beschreibung der Strömungsbedingungen in Windparks sowie der nachlauf-induzierten Belastungen Inhalte: Verbesserte Beschreibung der Strömungsbedingungen Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) Large Eddy Simulations (LES) Instationäre Computer Fluid Dynamic (CFD) Simulationen der Rotorumströmung bei turbulenter Einströmung Analyse von Extremwindsituationen Fernwirkungen von Windparks Validierung der Nachlaufbelastung und Richtlinien

9 DEWI, ForWind.ForWind BMU AP-2: Strömungsbedingungen & Nachlaufbelastungen 9 Boundary Layer Turbulence Fino 1 & WEC - Mesurements Meso scale effects REpower Rotor Flow & Near Wake (up to 2D) Far Wake (up to 15D) & Loads Wind Farm effects

10 AP-2: Detaiilierte RANS Simulationen von WEA 10 Beispiel: Helikopter-Aeroelastik, Verfeinerung durch adaptive Netze

11 AP-2: Detaiilierte RANS Simulationen von WEA 11 Vernetzung eines Rotorblattes (skript basiert) Vernetzung von Turm und Gondel Lokal verfeinertes Hintergrundnetz Vernetzung Gesamtmodel

12 AP-2: Simulation of the Wake flow with LES (Large Eddy Simulation) Zeitlich gemittelte (6h) absolute Vorticity D stromab 5.0 D stromab Aufweitung des Nachlaufes und Entwicklung eines vertikal asymmetrischen Profils

13 AP-3: Verifikation von Gesamtdynamik & Belastungen 13 Ziel: Reduktion der Unsicherheiten für Lastannahmen in der 5MW-Klasse mit neuartigen Gründungstrukturen Inhalte: Verifikation des aero-elastischen Verhalten der 5MW-Klasse onshore, Multibrid M5000 Verifikation der Gesamtdynamik anhand der - Multibrid M5000 & Tripod Gründung - REpower 5M & Jacket Gründung Integrierte Analyse von offshore WEA mit aufgelösten Tragstrukturen unter Wind und Wellenlasten

14 [Source: Universität Hannover Ein integriertes Gesamtmodell AP-3 Integrierte Analyse von O-WEA 14 Ansatz der integrierten Simulation, Kopplung von Flex5 und Poseidon Interface Knoten WEA Simulationsprogramm Offshore Simulations Programm Windenergieanlage Flex5: Industriestandard Gründungsstruktur Beliebige Strukturen möglich Vorteile beider Programme bleiben erhalten

15 AP-3: Verifikation der Gesamtdynamik (onshore) 15 Derzeit Validierung der onshore Anlage Multibird M5000 z.t. eignes Messsystem vorhanden Ergebnisse größtenteils vertraulich Geplant für 2010: Validierung der Offshore-Anlagen SWE-Messmast und Multibrid M5000

16 [Source: REpower, Multibrid] AP-4: Load Monitoring 16 Ziel: Entwicklung von Monitoring Verfahren Inhalte: Vorhersage von Ermüdungsbelastungen auf Basis von Messungen an Hauptkomponenten der WEA Vorhersage von Ermüdungsbelastungen mittels SCADA Daten und Neuronalen-Netzen Aufwändige Lastmessungen Nur an einzelnen Turbinen Standard Betriebsdaten Monitoring gesamter Windfarmen

17 AP-4: Lastvorhersage mit Hilfe von Standardsignalen der WEA 17 Betriebszustand (Prozessüberwachung) Lastschätzung-Prozedur Statistische Analyse Datenverifikation Neuonales Netz Load Monitoring Condition Monitoring Drehzahl Leistung Pitch Beschleunigungen Systemidentifikation (Prozessüberwachung)

18 AP-4: Resultate in der Lastvorhersage 18 Erprobung des Verfahrens an zwei Unterschiedlichen Anlagentypen: 5-MW Multibrid Prototyp M MW Turbinen (außerhalb OWEA) Vorhersagefehler für DEL: einzelne 10-Minuten-Zeitreihe: Ca. 10% Mittelung mehrerer 10-Minuten- Zeitreihen (über mehrere Stunden) unterhalb 5%. Fehler der Schädigungsäqivalenten Lasten

19 AP-5: Verifikation der Turbulenzparametrisierung 19 ZIEL: Verbesserung der Beschreibung für Turbulenz und Windgeschwindigkeitsprofile in regionalen numerischen Windfeldmodellen für offshore-gebiete Inhalte: Turbulenz-Parametrisierung Beschreibung der vertikalen Struktur der maritimen atmospherischen Grenzschicht Beschreibung der Einflüsse und Zusammenhänge zwischen Windgeschwindigkeit und Rauhigkeitslänge Skizze der Maritimen Grenzschicht:

20 Zusammenfassung und Ausblick 20 Ziel: Verifikation von vorhanden und zu entwickelnden Modellen aus den Bereichen Strömungsbedingungen Leistungskurvenbestimmung Dynamik und Lastberechnung Load Monitoring und Lastvorhersage Verbesserung der Turbulenzparametrisierung und der Beschreibung der maritimen Grenzschicht Auswertung umfangreicher Messdaten aus dem Testfeld Alpha Ventus ab Bisher zwei eingereichte Promotionen im Rahmen des Forschungsprojektes

21 Gefördert durch: Betreut von::