Multiphysikalische Simulation bei Windkraftanlagen

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Eduard Martin
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1 Multiphysikalische Simulation bei Windkraftanlagen

2 COMSOL Multiphysics Chemische Reaktionen Strömung Multiphysik Elektromagnetik Wärmetransport Strukturmechanik Eigene Gleichungen Akustik Optik

Windkraftanlagen erzeugen Lärm durch Windabrissgeräusche am Rotorblatt und durch die Maschinerie im Inneren Die Maschineriegeräusche entstehen durch

erforderte kreative Lösungen, da die bestehende Dämmung des Getriebes nicht mehr verändert werden konnte, so dass eine neue Lösung gefunden werden musste das

4 Windkraftanlagen erzeugen Lärm durch Windabrissgeräusche am Rotorblatt und durch die Maschinerie im Inneren Die Maschineriegeräusche entstehen durch Vibrationen im Getriebe Sie werden durch die Stahlverkleidung des Turms verstärkt Die Aufgabenstellung Die Dämpfung des Vibrationslärms in bestehenden Anlagen erforderte kreative Lösungen, da die bestehende Dämmung des Getriebes nicht mehr verändert werden konnte, so dass eine neue Lösung gefunden werden musste das zur Lösung gewählte Schallschutzmaterial teuer war Windkraftanlagen in den schottischen Southern Uplands Extract from COMSOL News COMSOL. All rights reserved.

5 Die Modelle bestätigten den Ursprung der Geräuschentwicklung, so dass eine Lösung gefunden werden konnte Insbesondere konnte der Einfluss der Stahlwand als Verstärker auf die Lärmentwicklung bestimmt werden Die Lösung Ein Modell der Anlage wurde entwickelt und die kritischen Punkte der Verstärkung wurden lokalisiert Die Entwickler konnten bestimmen, wo das Schallschutzmaterial maximale Wirkung entfaltet Durch die Bestimmung dieser lokalen Bereiche konnte die angestrebte Schallreduktion auch mit weniger des teuren Materials erzielt werden Der außerhalb des Turms gemessene Schalldruckpegel für: Anlage im ursprünglichen Zustand (blau); die oberen 20 m 2 der Innenwand mit Schallschutzmaterial ausgekleidet (grün); die obere Hälfte der Innenwand (300 m 2 ) mit Material ausgekleidet (rot). Extract from COMSOL News COMSOL. All rights reserved.

entfaltet Durch die Bestimmung dieser lokalen Bereiche konnte die angestrebte Schallreduktion auch mit weniger des teuren Materials erzielt werden Der außerhalb des Turms gemessene Schalldruckpegel

6 Die Modellierung Erstelle ein Modell der Akustik-Struktur-Wechselwirkung der Turmwände und der externen und internen Luft Identifiziere Hot Spots und messe die Lautstärke bei gleichzeitiger Anbringung von Material an den Wänden Modell der Akustik-Struktur-Wechselwirkung einer im Luftraum stehenden Windkraftanlage; Dargestellt werden die Vibrationsamplitude der Anlage sowie Schnitte durch die Luft mit dem resultierenden Schalldruckpegel. Extract from COMSOL News COMSOL. All rights reserved.

Akustik-Struktur-Wechselwirkung einer im Luftraum stehenden Windkraftanlage; Dargestellt werden die Vibrationsamplitude der

Die Aufgabenstellung Blitzeinschläge können für Windturbinen, die oft an erhöhten Standorten und unter rauen Umweltbedingungen zu finden sind, problematisch sein Der aus dem Blitzeinschlag

8 Die Aufgabenstellung Blitzeinschläge können für Windturbinen, die oft an erhöhten Standorten und unter rauen Umweltbedingungen zu finden sind, problematisch sein Der aus dem Blitzeinschlag resultierende Stromfluss kann die Elektronik im Turbinengehäuse beschädigen Der Blitz schlägt typischerweise in eine der Turbinenschaufeln ein und wird dann durch die Turbine zum Gehäuse geleitet, das die Antriebsteile beherbergt. Illustration des Magnetfeldes nachdem ein Blitz mit khz in eine der Turbinenschaufeln eingeschlagen ist.. Extract from IEEE Spectrum Insert COMSOL. All rights reserved

typischerweise in eine der Turbinenschaufeln ein und wird dann durch die Turbine zum Gehäuse geleitet, das die Antriebsteile beherbergt.

Die Lösung Berücksichtigt man Art und Einfallswinkel des Blitzeinschlags sowie den Weg, den der Strom wahrscheinlich nehmen wird, kann das Design zum Schutz der Anlage verbessert werden.

9 Die Lösung Berücksichtigt man Art und Einfallswinkel des Blitzeinschlags sowie den Weg, den der Strom wahrscheinlich nehmen wird, kann das Design zum Schutz der Anlage verbessert werden. Dabei werden die Daten für spezielle Orte importiert, damit der Blitzschutz den dortigen Bedingungen angemessen ist Die Blitzschutz-Standards der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) und von Germanischer Lloyd Industrial Services müssen eingehalten werden. Beide Standards schreiben die Dokumentation der Wirksamkeit des installierten Blitzschutzsystems vor. Berechnete Stromverteilung innerhalb der Triebwerksgondel bei einem 200-kA Blitzeinschlag in die rechte hintere Ecke der Gondel. Extract from IEEE Spectrum Insert COMSOL. All rights reserved

Kommission (IEC) und von Germanischer Lloyd Industrial Services müssen eingehalten werden.

Die Simulation Erzeugung eines 3D CAD-Modells der Strukturellen Komponenten der Windturbine und Import in COMSOL Multiphysics Mit Hilfe der Impedanz- Randbedingung kann der Skin-Effekt berücksichtigt

10 Die Simulation Erzeugung eines 3D CAD-Modells der Strukturellen Komponenten der Windturbine und Import in COMSOL Multiphysics Mit Hilfe der Impedanz- Randbedingung kann der Skin-Effekt berücksichtigt werden. Statt die vollständige Struktur vernetzen zu müssen, reicht daher ein 2D-Netz auf der Geometrieoberfläche aus Iso-Oberflächen des Magnetfeldes an bestimmten Positionen in der Gondel. Die Ergebnisse dienen zur Bestimmung der erforderlichen Abschirmung für die Installationen Extract from IEEE Spectrum Insert COMSOL. All rights reserved

Statt die vollständige Struktur vernetzen zu müssen, reicht daher ein 2D-Netz auf der Geometrieoberfläche aus Iso-Oberflächen des

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12 Strukturmechanik-Simulation Welche Belastungszustände treten auf? Was sind die Schwingungszustände? Seitenprofil einer Windkraftanlage mit den Hauptbestandteilen (links). Strukturelle Idealisierung (Mitte). COMSOL Modell der idealisierten Windkraftanlage (rechts). Quelle: Dynamic Structural Modelling of Wind Turbines Using COMSOL Multiphysics von Chad Van der Woude und Dr. Sriram Narasimhan; University of Waterloo.

Strukturelle Idealisierung (Mitte). COMSOL Modell der idealisierten Windkraftanlage (rechts).

Strömungssimulation Wie beeinflusst die Umgebung den Wind? Wie ist das Strömungsprofil am Rotorblatt? Windgeschwindigkeit in einem Windkraftanlagen-Gebiet. Wind von Westen mit 15 m/s.

13 Strömungssimulation Wie beeinflusst die Umgebung den Wind? Wie ist das Strömungsprofil am Rotorblatt? Windgeschwindigkeit in einem Windkraftanlagen-Gebiet. Wind von Westen mit 15 m/s. Windkraftanlage am Campus der Case Western Reserve University. Quelle: Abbildungen mit freundlicher Genehmigung von Matheus Fernandes und David Matthiesen

Windkraftanlage am Campus der Case Western Reserve University. Quelle: www.comsol.

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