SIMULATION UND ANALYSE VERTIKALACHSIGER WINDTURBINEN INKLUSIVE VALIDIERUNG

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1 ACUM Zürich 2015 SIMULATION UND ANALYSE VERTIKALACHSIGER WINDTURBINEN INKLUSIVE VALIDIERUNG Henrik Nordborg Mit herzlichem Dank an: Alain Schubiger, Marc Pfander, Simon Boller, IET Cornelia Steffen, IPEK Francois Feidt, Bogga Wind Power

2 IET Entwicklungspartner im Bereich Energie Kompetenzen Highlights CFD CFX und Fluent parallel mit 320 Prozessen Elektrotechnik Hochspannungslabor + Simulationen Lichtbogensimulationen Messtechnik Wärmebildkamera, Hochgeschwindigkeitskamera Windkanal (im Aufbau) Cloud Computing Power-to-Gas Microsoft Innovation Center und Microsoft Partner Instant ANSYS «Heute Nachmittag hätte ich gerne 4 ANSYS- Workstations mit je 16 Kernen und 112 GB RAM»

3 IET Partner Prof. Dr. Markus Friedl Institute Head Thermodynamics Power to Gas Prof. Dr. Jasmin Smajic Computational Electromagnetism High-voltage laboratory Electrical machines Prof. Dr. Henrik Nordborg Microsoft Innovation Center Computational Physics Numerical Simulations CFD Prof. Carsten Wemhöner Thermodynamics Building Technologies Prof. Dr. Benno Bucher Experimental Physics Semiconductors Advance Measurements Prof. Thomas Kopp Thermodynamics Heat pumps 3

4 IET das ganze Team 4

5 CAS Computational Fluid Dynamics Neues berufsbegleitendes Weiterbildungsangebot in Strömungssimulation ab Herbst 2016 Infos am Ausstellungsstand: HSR Hochschule für Technik Rapperswil Skip Ad CAS Computational Fluid Dynamics

6 Windmessungen Simulation von Windverhältnissen im Gelände Prototyp im Windkanal Numerische Simluationen und analytische Berechnungen von Windturbinen 6

7 Wieso vertikalachsige Windturbinen (VAWT)? Vorteile Einfachere Konstruktion Unabhängig von der Windrichtung Bessere Leistung bei schwierigen Windverhältnissen Kein Verstellen der Flügel notwendig Mehr Energie pro Bodenfläche Nachteile Nicht selbststartend Komplexere Modellierung Höhere mechanische Lasten Fliehkraft Wirbelablösung 7

8 Ziele der Forshung Modellierung der VAWT CFD wie gut können wir die Eigenschaften der Turbine berechnen (mechanische Lasten, Leistung, )? Wie gut funktionieren einfachere Modelle (DMST, BEM, Vortex, ) Optimierung Flügelform Flügelbewegung Helix-Form Validierung Messungen im Windkanal Flügelformen im 3D Drucker Windturbine und Windmaschine (der Windkanal wird gerade Aufgebaut) 8

9 Windkraft Kurzeinführung Leistung P = c P 1 2 ρv3 A Leistungsbeiwert c P = c P Re, λ c P Betz Schnelllaufzahl λ = ωr v 0 9

10 Etwas Theorie Normale Flügelprofile Unterschiedliche Anstellwinkel werden getestet Unterschiedliche Turbulenzmodelle wurden getestet (auch Transition Model) Transiente Simulation notwendig Lange Rechenzeiten 10

11 Ist der Wirkungsgrad wichtig? Wir können das Produkt von Wirkungsgrad und Fläche beeinflussen Wenn wir den Durchmesser und die Höhe um 10% vergrössern haben wir 21% mehr Fläche Der Effekt ist der Gleiche wie wenn wir die den Wirkungsgrad um 21% erhöhen würden c P = 0.4 c P = 0.48 Die Frage ist nur, was einfacher und günstiger ist. Wir brauchen eine robuste und günstige Turbine mit anständigem Wirkungsgrad 11

12 KTI-Projekt: Bogga Wind Power Vision 50% mehr Leistung pro Fläche in bestehenden Windparks 12

13 Validierung mit alten Messungen Sandia 17 m 17 m Testturbine von Sandia Im Feld gemessen Probleme Auflösung der Randschichten für eine sehr grosse Struktur Netze mit mindestens 24 Millionen Elementen Die Turbulenzmodelle sind alle falsch (aber notwendig) Der Staupunkt an der Vorderkante scheint problematisch Transiente Simulationen notwendig Viel Zeit bis das System eingeschwungen ist Viel Zeit um das periodische Signal auszuwerten 13

14 Cp Vergleich Simulation Experiment 0.60 Sandia 2D Simulation Cp Fluent Cp Sandia Experiment TSR Das 2D Modell ist eine grobe Vereinfachung (unendlich lange gerade Flügel). Die Simulation ist deshalb viel zu optimistisch 14

15 Weitere Untersuchungen Projektarbeit Cornelia Steffen Wir können mit Fluent und OpenFOAM die gleichen Ergebnisse erzeugen. Fluent scheint aber deutlich effizienter zu sein. 15

16 Geplante Arbeiten für das Herbstsemester 2015 SA: Ausmessung der HSR Windturbine im Windkanal SA: 3D Simulation der HSR Windturbine mit Fluent PA: Vergleich unterschiedlicher analytischer Modelle PA: Optimierung der Flügelbewegung einer VAWT mit Fluent (wir haben 600 Fluent-Lizenzen und einen Cluster dafür) SA: Auslegung eines neuen Rotors mit Composites (IWK) MA (vielleicht): Optimierung der Flügelform und 3D Printing 16

17 Wie weiter? The pessimist complains about the wind; the optimist expects it to change; the realist adjusts the sails. William Arthur Ward Weder schön noch optimal aber günstig! 17