Smart Blades Meetings 2015

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1 SB Nr. 5 Januar März Vorwort Liebe Leser, liebe Mitwirkende, Inhalt Joachim Peinke ForWind Oldenburg Mitglied des Smart Blades Steering Committee Vorwort 1 Meetings... 1 unser Forschungsprojekt läuft nun schon mehr als 2 Jahre. Die Zeiten der ersten Aufbauarbeiten und Voruntersuchungen liegen hinter uns und wir sind im letzten Teilschritt unserer ersten Antragsphase. Dem folgenden Bericht ist zu entnehmen, dass nun die Forschungsarbeiten in ihrer produktiven Phase sind und unsere anfänglichen Mühen Früchte tragen. Nicht nur in dem Bericht sondern auch auf unseren Treffen und Tagungen werden immer mehr konkrete Ergebnisse vorgestellt und es wird immer deutlicher herausgearbeitet, welche Vorteile die Konzepte haben und wie diese zu realisieren sind. Viel Freude beim Lesen und Entdecken weiterer Neuigkeiten wünscht Ihnen Joachim Peinke Smart Blades Meetings 2015 Am 28. und 29. Januar hat sich das Smart Blades Konsortium erneut am DLR Standort Brauschweig für das Smart Blades Gesamtarbeitstreffen 2015 getroffen. Das Projekt geht in diesem Jahr in den Endspurt. Passive Technologie. 2 Aktive Technologien...3 Querschnittsthemen..5 Konferenzen/ Publikationen..6 Weiterführende Links.6 Kontakt.6 Projektsteckbrief...7 Außerdem veranstaltete die Universität Oldenburg am 11. und 12. Februar 2015 eine Tagung zur Diskussion der Ergebnisse des BMWi- Verbundforschungsprojekt Smart Blades" (DLR, ForWind, Fraunhofer IWES) und des DFG-Forschungsschwerpunktes Lastenkontrolle von Windturbinen unter realistischen turbulenten Anströmbedingungen (RWTH Aachen, TU Berlin, TU Darmstadt, Universität Oldenburg, Universität Stuttgart). Neben interessanten Vorträgen aus beiden Forscherkreisen gab es dort bekannte internationale Keynotes mit Beiträgen zu Forschungsarbeiten aus Dänemark und den Niederlanden.

2 Passive Smart Blades Auslegung des Swept Blades Im Verbundprojekt SmartBlades werden unterschiedliche aktive und passive Konzepte untersucht, die über die Regulierung aerodynamischer Lasten die strukturellen Belastungen reduzieren sollen. Innerhalb der passiven Technologie (1) werden zur Kopplung der Biegung und der Torsion (BTK) zwei verschiedene Ansätze verfolgt: die Implementierung von gegenüber der Längsachse angestellten Laminaten im Lagenaufbau des Rotorblattes (strukturelle BTK) und die Krümmung des Rotorblattes aus der Rotorebene heraus (geometrische BTK). 2 Abbildung 1: Vergleich des Referenzblatts mit dem Blatt mit geometrischer Biege-Torsionskopplung Bei ForWind Hannover wurde in den letzten Monaten das Konzept mit der geometrischen BTK untersucht und ein sogenanntes Swept Blades, bei dem eine Krümmung in der Rotorebene eingeführt wird, aerodynamisch ausgelegt. Die durch die Krümmung resultierende Exzentrizität in Schwenkrichtung, wird über eine Polynomfunktion 3. Grades definiert und mit der Vorkrümmung in Schlagrichtung überlagert. Sie ist zur Hinterkante hin positiv, was eine Pfeilung der Rotorblätter nach hinten bedeutet. Bis auf die Krümmung hat das Swept Blade die gleichen geometrischen und strukturellen Parameter wie das Referenzblatt (siehe Newsletter 02/2013) und ist damit auch kürzer. Dies soll gewährleisten, dass die erzielten Effekte auch direkt der realisierten Krümmung zugeordnet werden können. Analyse und Optimierung mittels Aeroelastic Tailoring Am DLR Institut für Aeroelastik wurde währenddessen an dem strukturell biegetorsionsgekoppelten Rotorblatt gearbeitet. Hierbei wurde eine am Institut eigens entwickelte Optimierungskette dazu genutzt, die Struktur des Referenzrotorblattes hin zu einem Biege- Torsions-gekoppelten Rotorblatt zu optimieren, wobei der aeroelastische Steifigkeitsoptimierungsprozess aus dem Bereich der Luftfahrt auf die Anwendung in der Wind-energie transferiert wurde. Dabei wurden der Reihe nach ein geometrisches, ein Finite Elemente-, ein aerodynamisches, ein Kopplungs- und ein Massen-Modell des Referenzrotorblattes generiert. Anschließend wurde ein Startpunkt für die Steifigkeits- und Dickenverteilung ausgewählt und in Hinblick auf eine ausgewählte Größe optimiert. Die Zielfunktion der Optimierung ist nach gegenwärtigem Stand die Minimierung der Rotorblattmasse. Im Weiteren muss überprüft werden, ob die optimale Struktur auch bezüglich fertigungstechnischer Randbedingungen in dieser Form realisierbar ist. Abbildung 2: : Aeroelastischer Optimierungsprozess

3 Methodenentwicklung zur Untersuchung der aeroelastischen Stabilität Für die passiven Smart Blades wurden bei ForWind Hannover zudem analytische Modelle zur Bestimmung der Flattergeschwindigkeit und zur Identifikation der kritischen Betriebszustände für ein quasi-stationäres und ein instationäres Verfahren in Matlab implementiert. Im Fokus der Modelle liegt die Abschätzbarkeit der Flatterstabilität von langen, schlanken Blättern in der frühen Entwicklungsphase. Um den Einfluss der bisher nicht berücksichtigten Strukturkoppelung auf die Flatterstabilität beurteilen zu können, sollen im weiteren Verlauf des Projektes aeroelastische Berechnungen mit höherwertiger, numerischer Simulationssoftware (HAWC2 und HAWCStab2) durchgeführt werden. Fertigung von Rotorblättern Am DLR Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik wurde eine Methode für die Simulation des Preform-Prozesses entwickelt. Mit der Methode ist es möglich, den Drapierursprung, bei dem das Fasermaterial am geringsten verschert wird, für beliebige 2D- Geometrien zu berechnen. Bei dem händischen Drapierprozess von trockenen Faserhalbzeugen, muss dieser im Allgemeinen durch einen iterativen, manuellen Prozess erarbeitet werden. Durch diese rechnergestützte Methode soll in Zukunft Zeit und Geld gespart werden. Algorithmus die durchlaufene doppelte Krümmung zwischen zwei Punkten auf der Geometrieoberfläche berechnet werden. Dies kann als Maß für eine auftretende Verscherung benutzt werden. Mithilfe einer Brute- Force Methode, bei welcher diese Berechnung für jeden Knoten ausgeführt wird, kann ein optimaler Punkt für den Drapierursprung berechnet werden. Aufbauend auf diesem Punkt wird eine Routine für die grafische Aus-gabe gestartet. Aktive Smart Blades Reduzierung des Blattwurzelschlagmoments in Abhängigkeit von Parametern der Klappen Der Einsatz von aktiven Hinterkantenklappen an Rotorblättern soll zur Reduzierung verschiedener Lasten an der Anlage genutzt werden (siehe Projektsteckbrief). ForWind Oldenburg hat zunächst den Standard-Regler der Referenzanlage (Newsletter 02/2013) erweitert um gezielt zusätzlich die Blattwurzelschlagmomente zu reduzieren. Hierfür wurden zusätzliche Regelkreise implementiert welche die gemessenen Blattwurzelbiegemomente in die Regelung einbeziehen. Abbildung 3: Links: Beispielfläche, Mitte: FE-Netz, Rechts: Ergebnis der Simulation Der entwickelte Algorithmus nutzt als Geometrie - Erstellungssoftware Ansys Classic. Es ist möglich, einen planaren Graphen zu konstruieren, welcher die essentiellen Krümmungseigenschaften der Fläche beinhaltet. In diesem Graphen kann mithilfe des Dijkstra- Abbildung 4: Leistungsdichtespektrum des Blattwurzelschlagmomentes bei 13 m/s mittlerer Windgeschwindigkeit und 0 Schräganströmung für unterschiedliche Klappenlängen Mit dem so entwickelten Regler sollen vor allem 1P Lasten geregelt werden, die durch Schräganströmung, Windscherung und die 3

4 Inhomogenität von Turbulenzen entstehen. Ziel der Untersuchungen war es zunächst, die Reduktion der Ermüdungslasten in Abhängigkeit von der Klappenposition, der Klappenspannweite und der Klappenverstellgeschwindigkeit zu analysieren. Es wurde festgestellt, dass - durch eine Klappenpositionierung nahe der Blattspitze die höchste Lastreduktion bewirkt wird, - sich die Vergrößerung der Klappenposition nicht proportional zur Reduktion des Blattwurzelschlagmoments verhält (Abbildung 5), - sich eine Klappenspannweite von 1/8 der Rotorblattlänge bei der gegebenen Anlagenkonfiguration als wirksam erweist. Blätter ständig in der Blattlängsachsen nachgestellt ( gepitcht ) werden müssen. Außerdem ist eine zuverlässige Messung der Blattwurzelbiegemomente für jedes Blatt erforderlich. Die Wirksamkeit der individuellen Klappenregelung (IFC) des Smart Blade wurde mit der individuellen Pitchregelung und der Standardregelung der Referenzanlage mit kollektiver Blattverstellung verglichen, siehe Abbildung 6. Deutlich ist die Reduktion des Blattwurzelschlagmomentes für 1P Lasten zu sehen. Hierbei ist es unerheblich, ob das gesamte Blatt mit IPC oder nur die erheblich kleineren Klappen mit der IFC geregelt werden. Interessant war nun die Untersuchung, ob sich die Vergleichbarkeit der Klappenregelung mit der individuellen Blattregelung nur auf das Blattwurzelschlagmoment bezieht oder ob dies auch für andere Lasten an der Windenergie Anlage gilt. Weiterhin war zu untersuchen, ob dies für den gesamten Betriebsbereich der Windenergieanlagen von Einschalt- bis zur Abschaltwindgeschwindigkeit gilt. Abbildung 7 zeigt die Reduktion den schadensäquivalenten Lasten im Vergleich zur Referenzanlage für IPC und IFC für die Blattwurzelmomente sowie für Turmkopf- und Turmfußmomente. Nachteile durch die Klappenregelung sind nicht erkennbar, teilweise ist die Lastreduktion sogar günstiger. Abbildung 5: Reduktion der schadensäquivalenten Last (DEL) des Blattwurzelschlagmoments bei 13 m/s mittlerer Windgeschwindigkeit und 0 Schräganströmung Außerdem wurde festgestellt, dass die Verstellgeschwindigkeit, mit welcher die Klappe bewegt wird, maßgeblich für die Lastminderung ist. Vergleich von individueller Blattregelung und Klappenregelung Derzeit nutzen nur wenige Serienanlagen eine Individuellen Pitchregelung (IPC) um Lasten zu reduzieren. Der Aufwand für die Pitchaktuatorik ist hier relativ hoch, da die kompletten Abbildung 6: Leistungsdichtespektrum des Blattwurzelschlagmomentes bei 14 m/s mittlerer Windgeschwindigkeit 4

5 Das nächste Ziel besteht nun in der Untersuchung der höher-frequenten Lasten (2P, 3P) und der Kombination von Klappenregelung und individueller Pitchregelung. Zur Identifikation von geeigneten Sensorsystemen für die Feedbackregelung der aktiven Hinterkanten von Smart Blades wurden von ForWind Oldenburg die Anforderungen gesammelt und entsprechende Messsysteme bewertet. Auf Basis der Analyse wurden zwei Feedback-Regelungskonzepte vorgeschlagen. Im ersten Konzept werden die Dehnungen im Rotorblatt mit optischen Verfahren ermittelt. Eingesetzt werden Fibre Bragg Systeme, weil diese Technologie einen relativ stabilen Einsatz unter den rauen Umgebungsbedingungen einer Windenergieanlage verspricht. Das zweite Konzept benutzt zwei lokale LiDAR- Einheiten zur Messung der lokalen Anströmgeschwindigkeit und winkel an dem Radius, an dem sich die Klappen befinden, zusammen mit elektrischen Dehnungsmessstreifen an der Blattwurzel. Die Sensorkonzepte werden derzeit in die Simulationsumgebung integriert um ihre Praxistauglichkeit zunächst virtuell nachzuweisen. In einem Folgeprojekt sind die Durchführung von Laborversuchen zur Validierung der Eigenschaften ausgewählter Hardware sowie Feldversuche an Prototypanlagen erforderlich. Abbildung 8: Sensorkonzepte Querschnittsthemen Abbildung 7: Reduktion der schadensäquivalenten Lasten, gewichtet mit der Windgeschwindigkeitsverteilung über den gesamten Betriebsbereich Sensorsysteme Zuverlässigkeitsanalyse der Referenzanlage Im Projekt Smart Blades bestehen die Ziele nicht nur darin die Machbarkeit intelligenter Rotorblätter unter Beweis zu stellen, sondern auch darin, den Nutzen im Vergleich zu einer Referenz zu demonstrieren. Dabei sollen die Smart Blades bezüglich technischer und wirtschaftlicher Kriterien bewertet werden, wozu auch die Zuverlässigkeit des Systems gehört. Für eine rationale Bewertung der Zuverlässigkeit von passiven und aktiven Smart Blades wurde eine Basis geschaffen, die als Referenz zur Gegenüberstellung der verschiedenen Technologien dient. ForWind Oldenburg hat hierzu ein mehrschichtiges Modell entwickelt mit dem zunächst die Zuverlässigkeit der 7,5 MW Referenzanlage ohne Smart Blades bestimmt wurde. Basis ist die Funktionsanalyse der relevanten Baugruppen und Komponenten. Die anschließende Fehleranalyse berücksichtigt Fehlerkataloge, Expertenmeinungen sowie weitere Verfahren des System Engineerings. Einbezogen wurden hierbei auch Datensammlungen von Fehlern bei Windenergieanlagen wie das von der Bundesregierung geförderte Wissenschaftliche Mess- und Evaluationsprogramm ( ) sowie die Ergebnisse des EU geförderten Projekts RELIAWIND ( , FP ). Die Datenbasen 5

6 unterscheiden sich hinsichtlich der untersuchten Anlagentypen, der Anzahl der erfassten Anlagen und Betriebsdauer. Ein Vergleich mit der Struktur und den spezifischen Besonderheiten der Referenzanlage im Smart Blades Projekt ermöglichte die Ableitung charakteristischer Kenngrößen für die Fehlerraten der Hauptbaugruppen und Subkomponenten. Die Ergebnisse dienen der Unterscheidung und qualitativen Bewertung verschiedener Fehlerursachen. Detaillierungen werden sich im Rahmen der weiteren Untersuchung insbesondere in Bezug zu speziellen Fragestellungen für passive und / oder aktive Smart Blades ergeben. Die Fehlermodelle werden hierfür erweitert und die Fehlersensivitäten der passiven und aktiven Smart Blade mit dem Referenzmodell verglichen. Publikationen Wolff, Seume (2015): Airfoil with morphing trailing edge for load reduction in wind turbines, SciTech 2015, Florida, USA Brand, Seume (2015): Einfluss unterschiedlicher Datenverarbeitung bei der Schallquellenlokalisierung an Klappen für Windenergieanlagen, DAGA 2015 (41. Jahrestagung für Akustik), Nürnberg, Deutschland Daniele (2015): CFD-Modelling of Add-Ons for Wind Energy Applications, Smart Blades Conference Rosemeier (2015): An Aeroelastic Model for the Design of Bend-Twist Coupled Wind Turbine Rotor Blades, Smart Blades Conference Dillinger (2015): Stiffness Optimization of Wind Turbine Blades including Aeroelastic Constrains, Smart Blades Conference 2015, Oldenburg, Germany Dose (2015): Fluid-structure Coupling for CFD Analysis of Rotor Blades, Smart Blades Conference 6 Gebhardt (2015): A Geometrically-exact Finite Element for Modeling of Passive Beams in the Context of the Project Smart, Smart Blades Conference Pohl (2015): Structural Design of a Flexible Trailing Edge, Smart Blades Conference 2015, Oldenburg, Germany Wolff, Seume (2015): Investigating the Load Reduction Potential of a Morphing Trailing Edge in Wind Turbines, Smart Blades Conference Oltmann (2015): Active Trailing Edge Flap Design for Load Reduction of Wind Turbines, Smart Blades Conference 2015, Oldenburg, Germany Jansen (2015): Towards Efficient Tools for Strength and Vibration Analysis of Large Rotor Blades, Smart Blades Conference 2015, Oldenburg, Germany Brand, Seume (2015): Initial Acoustic Results of a Flap for Wind Turbine Applications, Smart Blades Conference 2015, Oldenburg, Germany Manso Jaume (2015): Aerodynamic Design and Optimization of a Leading Edge Slat for the DU 91-W2-250 Airfoil, Smart Blades Conference Schramm (2015): Towards the Optimization of Airfoils Using the Adjoint Approach, Smart Blades Conference Huxdorf (2015): Conceptual and Structural Design of Flexible Leading Edge Slat, Smart Blades Conference Homeyer (2015): Wind Tunnel Measurements on an Airfoil with and without Leading Edge Slat under Laminar and Turbulent Inflow Conditions, Smart Blades Conference 2015, Oldenburg, Germany

7 Sevinc (2015): Modelling of a Sophisticated Wind Turbine for the Comparison of the Aerodynamic Performance of Rotor Blades, Smart Blades Conference Bätge (2015): A Concept Study of a Carbon Spar Cap Design for an 80m Wind Turbine Blade, Smart Blades Conference 2015, Oldenburg, Germany Meng (2015): Investigation of the Effect of a Pre-SweptBblade on the Wind Turbine Loads Reduction, Smart Blades Conference 2015, Oldenburg, Germany Kraft (2015): Reliability Analysis of Wind Turbines with Smart Blades, Smart Blades Conference Horte (2015): Multi-Criterial Evaluation of Multi-MW Wind Turbines, Smart Blades Conference Weiterführende Links Für weitere Informationen besuchen Sie uns auf folgenden Seiten Kontakt Dr.- Ing. Jan Teßmer Koordinator Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt Lilienthalplatz Braunschweig Tel.: [email protected] Dipl. - Ing. Ceyda Icpinar Projektmanager Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt Lilienthalplatz Braunschweig Tel.: [email protected] 7

8 Projektsteckbrief SB - Projekteckdaten Projektzeitraum: Dauer: 39 Monate Motivation Problematik Lösungsansatz 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. Inhomogenes Windfeld aerodynamische Schwingungslasten Lasten durch Eigengewicht Minderung ausgewählter" aerodynamischer Lasten durch Smart Blades Knowhow & Methoden für effizientes und zuverlässiges Anlagendesign 8