Rotor der Zukunft - Windenergieforschung im DLR -

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1 Folie 1 Rotor der Zukunft - Windenergieforschung im DLR - Wind-Updates.NRW 2015: Jahrestagung des Netzwerks Windenergie NRW Jan Teßmer, Essen,

2 Folie 2 Der Rotor der Zukunft Größer und größer seit Jahrzehnten immer größer kw Ø 126m kw Ø 170m kw Ø 250m 2013

3 Folie 3 Der Rotor der Zukunft Reizthemen - Effizienz Kosten - Robustheit Versorgungssicherheit Kosten - Akzeptanz

4 Folie 4 Leistung und Volllast am gleichen Standort AN-Bonus E MWh / 1,3 MW = h MWh / 3,0 MW = h

5 DLR.de Folie 5 > Statusseminar-Windenergie am Marktanalyse BMWi 2015

6 Einhalten von Lärmgrenzwerten 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

7 Folie 7 Der Rotor der Zukunft Reizthemen - Effizienz Kosten - Robustheit Versorgungssicherheit Kosten - Akzeptanz Beiträge des DLR: Synergien aus der Luftfahrt für die Windenergie

8 Folie 8 Das DLR Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt - Forschungseinrichtung für Luft- und Raumfahrt, Energie, Verkehr und Sicherheit - Raumfahrt-Agentur - Projektträger

9 Folie 9 Themen der DLR-Energieforschung Flexible effiziente Gasturbine, biogene Brennstoffe Effiziente Stromerzeugung Mikrogasturbine, Hybridkraftwerke Solarthermische Kraftwerke, Windkraft Brennstoffzellen Hochtemperatur-Wärmespeicher (sensibel, latent, thermochemisch) Energiespeicher Elektrochemische Energiespeicher Chemische Energiespeicher, Elektrolyse, Solar Fuels Systemanalyse Energieszenarien, Integration Erneuerbarer Energien

10 Folie 10 Einsatz von Luftfahrt-Kompetenzen in der Windenergie Herausforderungen: Mehr Leistung & Vollast Größere Anlagen Systemsicht Ziele: Technologien für große und effiziente Turbinen Kostenreduktion und Umweltverträglichkeit passiv aktiv Größe Faktor Vorgehen Leistung v³ * R² Aerodynamische R² Lastminderung Kräfte Gewicht R³ Leichtbau Materialermüdung R Hochfeste Materialien Lärm u Tip 5 Lärmreduktion Luftfahrttechnologien Reines Up-scaling führt zu Strukturgrenzen Neue technologische Ansätze notwendig

11 Innovative Rotorblatt-Technologien z.b. im Projekt SmartBlades Querschnittsthemen Technologie 1: Passive Smart Blades (Verformungskopplung) Technologie 2: Smart Blades mit aktiven Hinterkanten Technologie 3: Smart Blades mit aktivem Vorflügel Projekteckdaten Projektzeitraum Budget: 12 Mio. Strategische Ziele Num. Nachweis der Lastreduktion bei Einsatz von Smart Blades Senkung der Kosten Erprobung im Freifeld Technisch-industrieller Reifegrad 11

12 Technologie 1: Passive Biege-Torsionskopplung - Vergleich von Ermüdungslasten - Referenz GBTK Sensors Life time equivalent load (DELs) S-N slope (m) Num of cycles MxTB 1.235E E+07 MyTB 6.524E E+07 MzTB 2.160E E+07 FxTB 9.455E E+07 FyTB 2.118E E+07 FzTB 4.668E E+07 MxTT 2.059E E+07 MyTT 2.774E E+07 MzTT 2.135E E+07 FxTT 4.737E E+07 FyTT 8.899E E+07 FzTT 4.311E E+07 MxBR 1.996E E+07 MyBR 2.440E E+07 MzBR 4.495E E+07 FxBR 1.113E E+07 FyBR 4.358E E+07 FzBR 1.066E E+07 Note Sensor Life time equivalent load (DELs) S-N slope (m) Num of cycles Difference MxTB 1.168E E % MyTB 6.257E E % MzTB 1.991E E % FxTB 8.897E E % FyTB 1.891E E % FzTB 4.355E E % MxTT 1.882E E % MyTT 2.681E E % MzTT 1.968E E % FxTT 4.549E E % FyTT 8.435E E % FzTT 4.004E E % MxBR 1.764E E % MyBR 2.392E E % MzBR 6.534E E % FxBR 1.102E E % FyBR 3.946E E % FzBR 1.056E E % Autor: Meng (IWES) 12

13 Technology 2 Aktive Hinterkanten PSD of DEL of flapwise root bending moment for 13m/s mean wind speed Autor: Róbert Unurán (WeSys, FW - OL) 13

14 Technologie 3 Vorflügelvariationen Aufgesetzter Vorflügel Integrierter Vorflügel 14

15 Technologie 3 Messungen mit Vorflügel Windkanal-Ergebnisse mit laminarer Anströmung C p < 0, C p > 0 Re 1 mio Profile with superimposed slat 45 pressure taps Clean profile 30 pressure taps Autor: Tim Homeyer (ForWind) 15

16 Technologie 1 Fertigungsgerechte Bauweisen, Fertigungsmöglichkeiten und Materialauswahl Optimierung des Laminataufbaus basierend auf den optimierten Steifigkeitsanforderungen Untersuchung von Drapiereinflüssen auf die Elastizitätseigenschaften des Faserverbundes in Hinblick auf Biegetorsionskopplung Untersuchung unterschiedlicher Fertigungsvefahren (z.b. Preforming, Trockenfaserlegesysteme) Analyse der Herstellung der Materialien mit unterschiedlichen Komponenten Autor: Dähne, Buggisch, Kühn, Wieland (DLR) 16

17 Innovative Rotorblatt-Technologien z.b. im Projekt BELARWEA Blattspitzen für Effiziente und LärmArme Rotoren von WindEnergieAnlagen Umsetzung in Rotor (+ Anlagentest) Entwurf effizienter, leiser WEA-Rotoren durch 3D-Gestaltung des Blattaußenbereichs - auf der Basis von High-Fidelity CFD- (Computational Fluid Dynamics) und - CAA- (Computational Aeroacoustics) Verfahren sowie - durch Übertragung von passiven Lärmminderungstechnologien aus der Luftfahrt auf WEAn. Quelle:

18 Warum leisere Rotorblätter? Nebenbemerkung: was ist leise WEA, bzw. leises Rotorblatt? relevant für Zertifizierung 0 1/4 1/2 3/4 Bodenkontur Amplitudenmodulation! Signal bei lästiger als bei neue Lärmmetriken für WEA! Simulation Ch. Rautmann, DLR

19 Aeroakustische Entwurfsverfahren Wo stehen wir? Semi-empirische Verfahren schnell aber nicht universell genug Turbulenzskalenauflösende Verfahren universell aber viel zu teuer Hybrider Ansatz CFD/CAA universell und effizient CFD RANS CAA APE Schallfeld Stochastische Quellen FRPM DLR Simulationskette (adaptiert aus Luftfahrtforschung) TAU-FRPM-PIANO

20 Lärmminderungstechnologien Wo stehen wir? Experimentelle Bewertung in akustischem Windkanal (DLR AWB)

21 Lärmminderungstechnologien Wo stehen wir? Kombination von Maßnahmen: Zahnung + x Maßnahme x Zahnung Kombination Minderung Minderung Messung DLR AWB

22 Folie 22 PROWind Platform For Research of Wind Energy Aufbau der Basis Infrastruktur Gefördert durch: Wesentliche Inhalte & Ziele: Bau einer deutschen Forschungsinfrastruktur für den Bereich Windenergie Sicherung und Genehmigung eines geeigneten Standorts in Niedersachsen Errichtung von 2 WEA (ca. 2,5 MW) Partner: DLR (Koordinator) ForWind (Uni Oldenburg) Budget: Mio (DLR + UniOL) 22

23 Aufbau Forschungsplattform Windenergie Experimentalturbine mit veränderlicher Rotorkonfiguration 2x3 MW WEAs (eine im Nachlauf) Infrastruktur Internet 23

24 Aufbau Forschungsplattform Windenergie 24

25 Folie 25 Aufbau Forschungsplattform Windenergie Aufbau Forschungsplattform mit & für WEA im Eigentum von F&E High-Level Instrumentierung, Mess- und Regelungstechnik Datenbasis für zuverlässige WEA-Systeme Erprobung neuer Konzepte und Technologien Ganzheitliche und hochwertige Modellierung und Simulation/Berechnung Vorhaben mit erhöhtem Ausfallrisiko oder Ertragseinbußen 2x 2,5 MW WEAs (eine im Nachlauf) Infrastuktur 25

26 Folie 26 Windenergieforschung im DLR Engagement in Windenergie seit derzeit 6 Institute beteiligt (AE, AS, AT, FA, FT, PA) - EINe institutsübergreifende DLR-Wind-Task-Force - Budget laufender Projekte ca. 34 Mio. Euro Fachlicher Fokus: Der Rotor für Morgen Broschüren: Einbettung in Forschungsnetzwerke - FVWE (Forschungs-Verbund Wind-Energie) mit DLR, ForWind (Universitäten Bremen, Hannover, Oldenburg), Fraunhofer-IWES - EERA-JP Wind, IEA - Kooperationsaufbau mit DTU, NREL, SNL, u.a. Aktive Kooperationen mit der Industrie

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