Adaptive Profilgeometrie an vertikalen Windturbinen – SmartWingVAWT

Allgemeine Informationen

Projektnummer	62137012
Projekttitel laut Förderbescheid	Adaptive Profilgeometrie an vertikalen Windturbinen (SmartWingVAWT)
Akronym	SMWK G (2020-2022)
Projektlaufzeit	01.01.2020 - 31.12.2023
Forschungsschwerpunkt	Energie und Umwelt
Projektkategorie	Forschung
Zuordnung
Kompetenzfeld	Energie und Umwelt
Grundeinheit	Fakultät Maschinenwesen

Inhaltliche Projektbeschreibung

Für die Analyse der Rotorströmung wurde ein numerisches Modell, welches auf semiempirischen Berechnungsmethoden und einer frei zugänglichen Profildatenbank (xFoil) basiert, in der Programmierumgebung Python implementiert. Das darin umgesetzte Double-Multiple-Streamtube-Modell (DMST-Modell) ist in der Lage, die komplex gestufte Energieumwandlung im Rotor effizient darzustellen. Bei den Berechnungen wird eine drehwinkelaufgelöste Bilanzierung der aerodynamischen Kräfte an festen oder auch beweglichen Rotorblättern durchgeführt.

Geeignete Tragflügelprofile wurden auf der Grundlage einer umfassenden Literaturrecherche und der systematischen Anwendung des entwickelten DMST-Modells ausgewählt.

Für die Herausarbeitung einer Funktion zur optimalen Verstellung der Rotorblätter in Abhängigkeit vom Rotordrehwinkel und Betriebspunkt der Anlage, dem sogenannten Pitchen, wurde das DMST-Modell in eine Reinforcement-Learning-Umgebung eingebettet.  Bei dieser speziellen Methode aus dem Bereich des maschinellen Lernens setzt ein Software-Agent selbständig und ohne Vorprägung eine Optimierungsstrategie ein. Dabei maximiert der Agent seine eigene Belohnung, welche im Vorfeld der Modellierung definiert wird. Für den Anwendungsfall der VAWT erfolgt eine freie Interaktion des lernenden Agenten mit dessen Umwelt (hier das entwickelte DMST-Modell) in dem dieser die Pitchfunktion in einem vorgegebenen technisch sinnvollen Bereich anpasst. Im Kontext der Optimierung einer VAWT stellt die Belohnung des Agenten die Verbesserung der spezifischen Leistung des gepitchten Rotors im Vergleich zu dem klassischen Rotor dar.

Das Strömungsfeld um die Tragflügelprofile und den vollständigen Turbinenrotor wurde mit dem etablierten Simulationscode OpenFOAM berechnet. Der Code OpenFOAM wurde entwickelt, um die Navier-Stokes-Gleichungen auf diskreten Berechnungsgebieten zu lösen und ermöglicht die Bestimmung des Strömungsfeldes, d.h. der Druck- und Geschwindigkeitsverteilung. Die Simulation der VAWT wurde in zwei Teilschritten oder Betrachtungsebenen mit unterschiedlichem Detaillierungsgrad durchgeführt. Die Strömung um den gesamten Rotor wurde mit einem globalen Ansatz simuliert. Zu diesem Zweck wurde ein aus drei Teilbereichen bestehendes Berechnungsgitter erstellt. In diesem ist ein stationäres Gitter (1. Teilbereich) mit einem rotierenden Gitter (2. Teilbereich) vereint, in welches mehrere translatorisch bewegte Gitter (3. Teilbereich) eingebettet sind. Die einzelnen Berechnungsgebiete sind durch eine zyklische Gitterrandbedingung (arbitrary mesh interface) gekoppelt. Im ersten Teilbereich wird die Umgebung des Rotors erfasst, d.h. die Anströmung und die Nachlaufströmung, die sich hinter der Turbine bildet. Mit dem zweiten Teilbereich wird die Rotation der Turbine und im dritten Teilbereich die periodische Translation (Pitchbewegung) der Rotorblätter modelliert. Die Berechnungen erfolgten anschließend aufbauend auf einen OpenFOAM-Solver, welcher die reynoldsgemittelten Navier-Stokes-Gleichungen in Verbindung mit dem k-Omega-SST-Turbulenzmodell löst. In den zeitaufgelösten Simulationen erfolgt die Vorgabe der Verstellbewegung der Rotorblätter als Zeit-Wertetabelle. Zur genauen Betrachtung der Umströmung eines einzelnen Rotorblattes wurde ein weiteres Simulationssetup mit höherer Auflösung umgesetzt. Dieses ermöglicht die detaillierte Abbildung profilspezifischer Eigenschaften, wie z.B. Auftrieb und Widerstand oder dem Ablösepunkt der Strömung.  Die Berechnungen wurden am Zentrum für Informationsdienste und Hochleitungsrechnen (ZIH) der Technischen Universität Dresden durchgeführt.

Die Ergebnisse der Strömungsuntersuchung des Rotors mit verstellbaren Blättern auf Basis der numerischen Strömungssimulation (engl. Computational Fluid Dynamics, CFD) ermöglichte ein detailliertes Bild des turbulenten instationären Strömungsfelds zu erhalten. Dies ermöglichte es die Richtigkeit des gewählten Ansatzes bei der analytischen Modellierung und die darin gewählten Annahmen sowie Randbedingungen zu evaluieren. Die gewonnenen Erfahrungen aus der CFD werden in Folgeprojekten im Allgemeinen und im Projekt LausitzWind im Speziellen für die Entwicklung des Demonstrators genutzt.  Für die experimentellen Untersuchungen wurde eine neue Versuchsstrecke im Strömungskanal der Fachgruppe Strömungsmechanik und Fluidenergiemaschinen konzipiert und umgesetzt. Hierfür wurde der Strömungskanal durch eine neue Teilstrecke erweitert. Diese Strecke besteht aus einem optisch zugänglichen Versuchssegment, in welchem sich ein Modellrotor einer H-VAWT befindet. Der Teilstrecke schließt sich ein Diffusor mit Umlenkstrecke an.  Die Fertigung der Komponenten des Messaufbaus, z. B. der Tragflügelprofile, erfolgte im 3D-FDM-Druckverfahren. Die weiteren Rotorkomponenten wie bspw. die Tragarme und zentralen Blattachsen wurden in Leichtbauweise aus Aluminium umgesetzt. Zentraler Bestandteil der Anlage ist eine mechatronische Lösung zur unabhängigen Verstellung jedes einzelnen Rotorblattes um dessen Blattachse im rotierenden System. Hierfür wurden spezielle Miniaturservomotoren mit integrierten Drehwinkelsensoren in den in Leichtbauweise gestalteten Rotorblättern integriert. Deren Stromversorgung und Ansteuerung erfolgt über einen an der zentralen Rotorachse angebrachten Schleifring. Mittels eines Mikrocontrollers erfolgt sowohl die Erfassung des Rotorwinkels, Drehzahl und Anströmbedingung, als auch die Ansteuerung der Miniaturservomotoren durch die Vorgabe des Sollblattanstellwinkels (d.h. der Pitchfunktion). Ein sich anschließendes Datenerfassungssystem misst den jeweiligen Betriebspunkt (Drehmoment, Drehzahl und Strömungsgeschwindigkeit). Mit diesen Informationen lassen sich die spezifische Leistung und die Effizienz der Anlage ableiten. Es wurden umfangreiche Messungen für verschiedene Betriebs- und Anlagenkonfigurationen durchgeführt, statistisch ausgewertet und Weiterentwicklungspotentiale abgeleitet.

Das entwickelte Anlagenkonzept des Modellrotors wurde anschließend mittels strömungsmechanischer Ähnlichkeitskennzahlen auf die Größe einer Kleinwindkraftanlage skaliert und hinsichtlich eines ökonomischen Anlagenbetriebs mittels einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung bewertet. Die experimentelle Untersuchung bestätigt die theoretisch gewonnenen Erkenntnisse aus der analytischen Modellierung und der CFD.

Abschließend kann bezüglich der eingangs formulierten Leitfrage des Forschungsthemas festgehalten werden, dass durch die adaptive Einstellung der Rotorblätter in VAWT die Effizienz der Energieumsetzung deutlich gesteigert werden kann. Aufgrund dieser Ergebnisse konnte ein potentieller Industriepartner für ein Folgeprojekt gewonnen werden. Gemeinsam mit dem Partner wurde anschließend ein Projekt zur Weiterentwicklung der Anlage hin zu einem Demonstrator initiiert und erfolgreich eingeworben.

 

Ergebnisse

In dem Projekt wurden sowohl auf Basis analytischer Analysen als auch mit Hilfe numerischer Simulationen grundlegende strömungsmechanische Modelle zur Untersuchung einer adaptiven Profilgeometrie entwickelt und systematisch angewendet. Die Erkenntnisse aus der Modellierung wurden in einem Modellrotor umgesetzt und die technische Machbarkeit für VAWT bewertet. Zu diesem Zweck wurden die folgenden Arbeitsschritte durchgeführt: 1) Analyse der Strömungsverhältnisse am gesamten Rotor und an den Rotorblättern mit dem Ziel eine optimale Profilgeometrie zu bestimmen. 2) Numerische Berechnungen der Strömung und weitere Optimierung der Profile. 3) Erstellung einer konstruktiven Lösung für einen adaptiven Tragflügel. 4) Bau eines Versuchsmodells mit adaptiver Geometrie der Rotorblätter. 5) Übertragung der Ergebnisse auf eine Kleinwindkraftanlage realer Baugröße.

Weitere Daten

• Ansprechpartner

  • Herr Prof. Karel Frana (Projektleitung)
  • Herr Franz Thiele

• Fördermittelgeber

  • 100393986 - SMWK/SAB
  
  
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• Finanzierung

  • 247.900,00 €