Jahresbericht 2012

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Jahresbericht 2012

Jahresbericht 2012
Stiftungslehrstuhl Windenergie
Universität Stuttgart
Die Verwendung von Teilen dieses Berichts – auch in
Auszügen – ist nur mit schriftlicher Genehmigung des
Verfassers zulässig.
Stiftungslehrstuhl Windenergie (SWE)
am Institut für Flugzeugbau
Universität Stuttgart
Allmandring 5B
70550 Stuttgart
Tel.
(+49) 711 685 68253
Fax
(+49) 711 685 68293
eMail: swe@ifb.uni-stuttgart.de
URL: www.uni-stuttgart.de/windenergie
Titelfotos stammen aus diesem Jahresbericht
Inhaltsverzeichnis
1
Einleitung ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1.1
Kurzporträt des Stiftungslehrstuhls Windenergie ---------------------------------------------------------------
1.2
Jahresrückblick --------------------------------------------------------------------------------------------------------------
2
Personalia ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------2.1
Mitarbeiter des SWE im Jahre 2011 ---------------------------------------------------------------------------------
2.2
Ehemalige Mitarbeiter des SWE (Fortgang im Jahr 2011)--------------------------------------------------
3
Lehre ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------3.1
Lehrkonzept -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
3.2
Lehrveranstaltungen ------------------------------------------------------------------------------------------------------
3.3
Studien- und Diplomarbeiten, Fachpraktika sowie Exkursionen ----------------------------------------
3.4
Fort- und Weiterbildung, internationale Studiengänge ------------------------------------------------------
4
Forschung -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------4.1
Forschungsbereich I: Betriebsverhalten von Windenergieanlagen ------------------------------------
4.2
Forschungsbereich II: Aeroelastisches Verhalten von Windenergieanlagen und deren
Komponenten -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------4.3
Forschungsbereich III: Load Monitoring und Regelung -----------------------------------------------------
4.4
Forschungsbereich IV: Dynamik und Entwurf von Offshore-Windenergieanlagen ---------------
4.5
Darstellung einzelner Forschungsprojekte -----------------------------------------------------------------------
5
Nationale und internationale Zusammenarbeit ------------------------------------------------------------------5.1
Gremienarbeit und Mitgliedschaften --------------------------------------------------------------------------------
5.2
Kooperationen---------------------------------------------------------------------------------------------------------------
6
Konferenzen, Symposien und Messen--------------------------------------------------------------------------------
7
Wissenschaftliche Vorträge und Publikationen ------------------------------------------------------------------
8
Neuer Lehrstuhlinhaber – Prof. Dr. Po Wen Cheng -------------------
9
WindForS-Gründung und Doktorandenseminar -----------------------
10
InVentus - Mit dem Wind gegen den Wind --------------------------------------------------------------------------
11
10.1
Das Inventus-Projekt -----------------------------------------------------------------------------------------------------
10.2
Aktuelles in 2011 -----------------------------------------------------------------------------------------------------------
Was war sonst noch im Jahr 2011 -------------------------------------------------------------------------------------Installation der Kleinwindkraftanlage „Lakota“ auf dem SWE-Dach ---
Anhang I: Lehrveranstaltungen ------------------------------------------------------------------------------- Anhang II:
Ausstattung -------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Einleitung
1
1 Einleitung
1.1 Kurzporträt des Stiftungslehrstuhls Windenergie
Der Stiftungslehrstuhl Windenergie (SWE) ist als Lehrstuhl am Institut für Flugzeugbau der Fakultät für
Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie der Universität Stuttgart verankert.
Mit dem Lehrstuhl wird die Forschung und Lehre des Windenergiepioniers Prof. Dr.-Ing. Ulrich Hütter
(1910 - 1989) am Institut für Flugzeugbau fortgesetzt. Der SWE betreibt eine multidisziplinär und
international ausgerichtete Forschung und Lehre im Bereich der Windenergie, die Studierenden aller
Fakultäten der Universität Stuttgart offen steht. Der SWE ist der erste universitäre Lehrstuhl für
Windenergie in Deutschland. Durch die Zusammenarbeit innerhalb der Universität, mit Unternehmen,
Hochschul- sowie Forschungseinrichtungen wird die Nutzung der Windenergie und anderer
erneuerbarer Energiequellen aktiv gefördert.
1
Der SWE beruht auf einer Stiftung von Dipl.-Ing. Karl Schlecht, Gründer der Putzmeister AG, Aichtal.
Die Karl-Schlecht-Stiftung unterstützt den SWE jährlich mit einem Betrag von 250.000 €. Weitere
Personal- und Sachmittel sowie die Infrastruktur werden von der Universität Stuttgart bereitgestellt.
Des Weiteren tragen Drittmittel aus nationalen wie internationalen Forschungsprojekten bzw.
Industriekooperationen zum jährlichen Finanzbudget bei.
1.2 Jahresrückblick
Der Jahresbericht 2012 gibt einen Überblick über das neunte Jahr seit der Einrichtung des Lehrstuhls
zum 1. Januar 2004.
Im Kreis der Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter gab es wieder Veränderungen. Im Laufe des Jahres
traten fünf ehemalige Diplomanten, darunter drei ehemalige HIWI, ihre Stelle am SWE an. Allen
weiteren Mitarbeitern konnte aufgrund des gesunden Finanzhaushalts die Verträge verlängert werden.
Insgesamt waren über das Jahr ca. 30 studentische oder wissenschaftliche Hilfskräfte am SWE tätig.
Die Hörerzahl in den Windenergievorlesungen stieg weiter an: Die Grundlagenvorlesung
„Windenergienutzung I“ wurde im Sommersemester 2012 von mehr als 150 Studierenden
verschiedener Studiengänge besucht. In der weiterführenden Vorlesung „Windenergienutzung II“ stieg
die Anzahl der Studierenden auf nunmehr 75 an. Die vertiefende Vorlesung „Entwurf von
Windenergieanlagen I“ wurde von mehr als 20 Studierenden besucht. Im akademischen Jahr
2012/2013 konnten 20 Studien- und Diplomarbeiten abgeschlossen werden.
Der Lehrstuhl und dessen Forschungsgebiete wurde auch 2012 auf verschiedenen Informations- und
Fortbildungsveranstaltungen vorgestellt. Darüber hinaus wurden bei diversen Workshops im In- und
Ausland die Interessen des SWE vertreten und seine Position als Forschungsinstitution gestärkt. Die
Forschung am SWE resultiert in einer zunehmenden Zahl von wissenschaftlichen Vorträgen und
Veröffentlichungen, z.B. auf der Science of Making Torque from Wind in Oldenburg, DEWEK in
Bremen, EWEA 2012 in Kopenhagen oder der ISOPE 2012 in Rhodos,
Im September hat SWE hat imRahmen des Forschungsnetzwerks WindForS einen Workshop
organisiert, um die zukünftige Strategie von WindForS zu formulieren. Man einigte sich auf das
Kernthema Windenergienutzung in komplexem Gelände, worauf sich die wichtigen Kompetenzen von
WindForS Mitgliedern konzentrieren. Gleichzeitig verleiht das Thema WindForS ein Forschungsprofil,
das sie von anderen Forschungsverbündeten deutlich unterscheidet. Es wurden Arbeitsgruppen für
verschiedene Forschungsthemen gegründet und eine Skizze für die Konzeption eines Windtestfelds in
komplexem Gelände entworfen.
Auf nationaler Ebene gewinnt WindForS ebenfalls an Bedeutung. So wurde SWE, als WindForS
Sprecher, für das Strategiegespräch vom Bundesumweltministerium eingeladen, um über den
langfristigen Forschungsbedarf von WindForS zu berichten. Dabei wurde das Thema Wind im
Binnenland und insbesondere in komplexem Gelände hervorgehoben. Windenergie im Binnenland
und in komplexem Gelände ist wirtschaftlich und sozial ein sinnvoller Bestandteil der Energiewende.
1
Weitere Informationen siehe: www.karl-schlecht.de
2
Einleitung
SWE war auch maßgeblich an der Entwicklung einer Technologie-Roadmap für Windenergie beteiligt.
Die Roadmap dient der KIC Innoenergy in den nächsten 5 Jahren als Basis für
Projektausschreibungen . In der Roadmap ist die Vision für die Zukunft der Windenergie, aus SWE
Sicht, abgebildet.
2012 fand auch eine Delegationsreise zum Thema Energie mit der Ministerin Bauer vom Ministerium
für Wissenschaft, Forschung und Kunst des Landes Baden-Württemberg statt. Unter anderemwurden
Gespräche mit dem EU Kommissar für Energie, Günther Öttinger, geführt. Herr Öttinger berichtete
über die zukünftigen Herausforderungen und die Politik der EU in Sachen Energiesicherheit,
nachhaltige Energieversorgung und Energieforschung. Die EU hält an den Ausbauzielen der
Erneuerbaren Energie fest und wird auch in Zukunft viel in diesen wichtigen Industriebereich
investieren, damit der technologische Vorsprung weiter ausgebaut werden kann.
Auf der weltweit wichtigsten Windmesse in Husum hat Po Wen Cheng, im Rahmen der Career Messe,
einen Vortrag über die Möglichkeiten einer wissenschaftlichen Karriere im Sektor Windenergie
gehalten. Die jungen Absolventen wissen oft nicht, welche wichtigen Vorteile, aber auch Nachteile, mit
einer wissenschaftlichen Karriere verbunden sind. Für die Windenergie ist es sehr wichtig, einen
stetigen Pool vonhochqualifiziertem Nachwuchs in der Windenergieforschung zu bilden, damit die
technologische Entwicklung, die einen Wettbewerbsvorteil schafft, vorangetrieben wird.
In der Forschung wird in den vier Bereichen
I
Betriebsverhalten von Windenergieanlagen
II
Aeroelastisches Verhalten von Windenergieanlagen und deren Komponenten
III
Load-Monitoring und Regelung
IV
Dynamik und Entwurf von Offshore-Windenergieanlagen
und damit zum Teil verbunden an 14 Promotionsprojekten gearbeitet.
Insgesamt werden derzeit zehn größere Drittmittelvorhaben bearbeitet: Zwei sind in der
Forschungsinitiative RAVE (research at alpha ventus) verankert, in dessen Rahmen u.a.
Forschungsarbeiten im ersten deutschen Offshore Testfeld durchgeführt werden. Des Weiteren ist der
SWE an den zwei europäischen Forschungsprojekten „InnWind“ und „Floatgen“ involviert.
Außerdemist der SWE innerhalb der KIC Inno Energy Initiative an insgesamt drei
Forschungsprojekten „Offwindtech“, „Neptune“ und AFOSP“ beteiligt. Auf nationaler Ebene startete im
Herbst 2012 das Forschungsprojekt „Lidar Complex“ als erstes WindForS Projekt. Ziel ist die
Optimierung der Windfeldmessung im bergig komplexen Gelände.
Personalia
3
2 Personalia
2.1 Mitarbeiter des SWE im Jahre 2012
Prof. Dr. Po Wen Cheng
Lehrstuhlinhaber seit 09/2011
Katharina Thomm, Dipl.-Übers. (Englisch, Spanisch)
Verwaltungsangestellte
Tätigkeitsbereich:
Sekretariat, Verwaltungs- und Übersetzungsaufgaben,
Mittelüberwachung
Katrin Rettenmeier
Verwaltungsangestellte
Tätigkeitsbereich:
Sekretariat, Verwaltungsaufgaben
Jan Anger, Dipl.-Ing. (Umweltschutztechnik)
Akademischer Beschäftigter
Tätigkeitsbereich:
Messtechnik, Installationsarbeiten On- und Offshore, SWE-Labor
und -Werkstatt,
Betreuung des Praktikums „Windenergie“ und Projektarbeiten im
Studiengang Erneuerbare Energien,
Übungen in Windenergienutzung II
4
Personalia
Matthias Arnold, Dipl.-Ing. (Luft- und Raumfahrttechnik)
Tätigkeitsbereich:
Fluid-Struktur-Interaktion an Gezeitenströmungsanlagen,
Mehrkörpermodellierung, CFD
Promotionsthema:
Hydroelasticity of Tidal Current Turbines
Stefan Baehr, Dipl.-Ing. (Luft- und Raumfahrttechnik)
Tätigkeitsbereich:
Pitchregelung von Windenergieanlagen, Pitchteststand,
Aero-elastische Simulation mit Flex5 und FAST
Promotionsthema:
„Dynamisches Verhalten und Entwurf von Pitchsystemen beim
Einsatz verschiedener Regelungsstrategien“
Friedemann Beyer, Dipl.-Ing. (Luft- und Raumfahrttechnik)
Tätigkeitsbereich:
Mehrkörpersimulation schwimmender Windenergieanlagen,
Hydrodynamik, CFD, Free Vortex Methoden
Promotionsthema:
Dynamisches Verhalten schwimmender Windenergieanlagen
unter besonderer Berücksichtigung der Modellierung der
Hydrodynamik
Oliver Bischoff, Dipl.-Ing. (Luft- und Raumfahrttechnik)
Tätigkeitsbereich:
Lidar Technologie,
Lastanalyse von Windenergieanlagen basierend auf
Windmessungen mit Lidar,
NEPTUNE-Projekt,
Mark Capellaro, MSc (Wind Energy)
Tätigkeitsbereich:
Faserverbundanwendungen in der Windenergie
Promotionsthema:
„Passive Belastungsreduktion durch Biege-Torsionskopplung von
Rotorblättern“
Wissenschaftlicher Austausch mit Sandia National Laboratories,
USA June 2012
Personalia
5
Stefan Hauptmann, Dipl.-Ing. (Luft- und Raumfahrttechnik)
Tätigkeitsbereich:
Aero-elastische Analyse von Windenergieanlagen durch
Mehrkörpersimulation
Promotionsthema:
„Bedeutung von rotoraerodynamischen und aero-elastischen
Effekten für das strukturdynamische Verhalten von
Windenergieanlagen“
Florian Haizmann, Dipl.-Ing. (Technische Kybernetik)
Tätigkeitsbereich:
Regelung von Windkraftanlagen mittels LiDAR,
Windfelderfassung mittels LiDAR
Martin Hofsäß, Dipl.-Ing. (Luft- und Raumfahrttechnik)
Tätigkeitsbereich:
Entwicklung und Betrieb eines LiDAR-Scanners,
Messtechnik, Computeradministration
Lidar Complex Projekt
Daniel Kaufer, Dipl.-Ing. (Luft- und Raumfahrttechnik)
Tätigkeitsbereich:
Integrierte Lastsimulation von Offshore-Windenergieanlagen mit
Flex5 und Finite Element Programmen,
Inventus, Computeradministration
Promotionsthema:
„Validation of an integrated load simulation method and modeling
requirements of offshore wind turbines during the design process”
Denis Matha, Dipl.-Ing. (Luft- und Raumfahrttechnik)
Promotionsthema:
„Aerodynamische, hydrodynamische und aero-elastische
Modellierung und Analyse von Windenergieanlagen zur
Auslegung von Rotoren und zur Analyse der Gesamtdynamik“
6
Personalia
Andreas Rettenmeier, Dipl.-Ing. (Luft- und Raumfahrttechnik)
Dipl.-Ing. (FH) Maschinenbau
Kommissarischer Leiter des SWE während der Vakanz bis
08/2011
Tätigkeitsbereich:
Lidar Technologie, Messtechnik
Frank Sandner, Dipl.-Ing. (Maschinenwesen) Akademischer
Beschäftigter
Tätigkeitsbereich:
Modellierung und Regelung von schwimmenden
Windkraftanlagen
Promotionsthema:
„Konzeptionierung, Modellierung und Regelung von
schwimmenden Windkraftsystemen“
David Schlipf, Dipl.-Ing. (Technische Kybernetik)
Tätigkeitsbereich:
Regelung von Windenergieanlagen mittels LiDAR,
Messung einströmendes Windfeld
Promotionsthema:
„Prädiktive modellbasierte Regelung von Windenergieanlagen mit
LiDAR-Windmessung“
Ursula Smolka, Dipl.-Ing. (Technische Kybernetik)
Akademische Beschäftigte
Tätigkeitsbereich:
Online-Lastmessung und Lastschätzung an Windkraftanlagen
Promotionsthema:
„Kontinuierliche Belastungsüberwachung von
Windenergieanlagen für moderne Regelstrategien und eine
optimierte Betriebsführung“
Jan Quappen, Dipl.-Ing. (Bauingenieurwesen)
Tätigkeitsbereich:
Integrierte Simulation, Lastrechnung und Gesamtdynamik von
Offshore-Windenergieanlagen,
Gründungskonzepte
Promotionsthema:
„Gesamtdynamik und integrierter Entwurf von OffshoreWindenergieanlagen (OWEA) der Multi-MW-Klasse“
Personalia
7
Ines Würth, Dipl.-Ing. (Luft- und Raumfahrttechnik)
Akademische Beschäftigte
Tätigkeitsbereich:
Bojenbasierte LiDAR Messungen zur OffshoreWindfeldvermessung,
Gondelbasierte LiDAR Messungen zur
Leistungskurvenbestimmung
Oliver Zobel, Dipl.-Ing. (Luft- und Raumfahrttechnik)
Tätigkeitsbereich:
Messtechnik, Konstruktion Hardware-in-the–loop-Teststand
Betretung der Veranstaltungen Windenergienutzung II und des
WindPro-Seminars
8
2.2 Ehemalige Mitarbeiter des SWE (Fortgang im Jahr 2012)
Im Jahr 2012 hat kein Mitarbeiter das SWE verlassen.
Personalia
Lehre
9
3 Lehre
Die Lehre im Gebiet der Windenergie hat am Institut für Flugzeugbau der Universität
Stuttgart eine lange Tradition. Nach dem Ausscheiden von Prof. Dr.-Ing. Ulrich Hütter (1980)
wurde sie durch Herrn Dipl.-Ing. Heiner Dörner fortgeführt, bis im Sommersemester 2004
eine umfangreiche Umstrukturierung und Erweiterung durch den neu gegründeten Lehrstuhl
erfolgte.
3.1 Lehrkonzept
Der SWE ist der erste Lehrstuhl für Windenergie in Deutschland. Eine herausragende
Bedeutung kommt daher der Lehre zu. Sie zeigt die volle Breite der technisch-ökonomischen
Aspekte der Windenergienutzung. Primäres Lehrziel ist die Förderung des Systemverständnisses am Beispiel von Windenergieanlagen und Windparks als Teil des
Energiesystems.
Dieses in Deutschland einmalige Windenergie-Lehrkonzept wird durch die Studierenden und
die Industrie sehr positiv bewertet. Belegt wird das durch die hohe Anzahl von Studien- und
Diplomarbeiten sowie der stetig steigenden Anzahl von Bachelor und Masterarbeiten
(Abschnitt 3.3).
Windenergie-Labor: Bestimmung der Blatteigenfrequenzen
In den Veranstaltungen des Fachgebiets wird zudem auch deutlich, wie anspruchsvoll das
Verbinden von Wissen aus mehr oder weniger isoliert gelernten Fächern wie z.B.
Aerodynamik, Strukturdynamik, Konstruktion, Elektrotechnik, Regelungstechnik und
Betriebswirtschaft ist.
Integraler Teil der neuen Lehrveranstaltungen sind Hörsaalübungen und Tutorien im PCPool mit in der Industrie eingesetzten Programmen wie Bladed (aero-elastische Simulation
von WEA), WindPro (Windparkplanung) und SIMPACK (Mehrkörpersimulation). Ergänzend
wird ein Laborversuch zur Leistungskurvenvermessung eines Modellrotors im
Böenwindkanal des Instituts für Aero- und Gasdynamik durchgeführt. In zwei Vorlesungen
(WEN I , WEA I) werden jeweils fünf Hausübungen ausgegeben, die nach je 14-tägiger
Bearbeitungszeit zur Korrektur beim Dozenten abgegeben werden. Bei einer Mindestanzahl
10
Lehre
von erfolgreich bearbeiteten Hausübungen wird ein unbenoteter Übungsschein vergeben,
der Prüfungsvorleistung für eine mündliche Prüfung ist. Auf Grund der steigenden Anzahl von
Studierenden musste jedoch ab dem Wintersemester 2012/13 auf die Hausübungen in der
Vorlesung Windenergienutzung II verzichtet werden. Auch in diesem Jahr konnten externe
Referenten aus der Wirtschaft für zusätzliche Fachvorträge gewonnen werden. Aktuelle
Themen der Studien- und Diplomarbeiten und Promotionsprojekte werden im wöchentlich
stattfindenden SWE-Seminar vorgetragen und von MitarbeiterInnen und Studierenden
diskutiert.
Auf dem Gebiet der Windenergie ist die Möglichkeit der Projektarbeit gegeben und wird in
drei Lehrveranstaltungen angeboten:
In der Übung und im Seminar zur „Windenergienutzung II“ planen die Studierenden in
Zweierteams einen Windpark an einem gegebenen Standort und beurteilen dessen
Wirtschaftlichkeit. Mit dem Programm WindPro werden an sieben Terminen folgende
Themen bearbeitet: Einführung WindPro, Ertrag einer Einzel-WEA, Windparkertrag,
Optimierung der Nachlaufverluste eines Windparks, Netzanschluss und Netzauswirkungen,
Schallemission und Schattenwurf.
Im „Windenergie-Projekt – Entwurf von Windenergieanlagen II“, einer Lehrveranstaltung in
Form eines Entwurfs-Seminars, wurde im WS 2012/2013 das Thema „Active Flow Control
am Rotorblatt mit Flaps“ von 20 Studenten bearbeitet. Inspiriert wurde das Projekt von
aktuellen Forschungsarbeiten im Upwind Projekt zu diesem Thema und aktuellen neuen
Anlagenkonzepten mit dieser Regelungsmethode. Die Aufgabenstellung umfasste den
gesamten Entwicklungsprozess einer Flapregelung zur Lastenreduktion. Basierend auf der
Identifikation sog. CTQs (Critical to Quality) wurden die Einzelkomponenten im Detail
entworfen. Die Lösung der Aufgabe erfolgte in zwei konkurrierenden Teams aus jeweils zehn
TeilnehmerInnen, wobei jedes Mitglied an mehreren Teilaufgaben mitwirkte. Die
TeilnehmerInnen steuerten und kontrollierten den Projektfortschritt anhand eigens definierter
Zeitpläne und Milestones. In jedem Team gab es vier Gruppen, welche die Aerodynamik, die
Mechanik, die Regelung und die Simulation der Flaps bearbeiteten. Die Ergebnisse wurden
durch Zwischenpräsentationen, Versuchsprotokolle sowie einen Endbericht und
Abschlusspräsentation dokumentiert.
Flap Entwurf eines Teams des Windprojektes
Die dritte Projektmöglichkeit ist Bestandteil des Bachelor Studiengangs Erneuerbare
Energien und fand im Wintersemester 2011/2012 zum ersten Mal statt. In Kleingruppen von
4-6 Studierenden werden zum Teil aktuelle Forschungsthemen mit eingebunden. Thematisch
werden Arbeiten auf allen Forschungsgebieten des SWE angeboten. Die Projekte sind
sowohl theoretisch als auch praktisch ausgerichtet.
Lehre
11
Standardlehrbuch ist das Buch „Windkraftanlagen“ von R. Gasch und J. Twele.2 Zusätzlich
werden die Vorlesungs- und Übungsunterlagen und ein Prüfungsfragenkatalog als Umdrucke
oder zum Herunterladen angeboten.
Ein praktischer Bezug zu Windenergieanlagen und Windparks ist essentiell und wird durch
Exkursionen und Praktika und, soweit sicherheitstechnisch, organisatorisch und finanziell
möglich, auch durch Experimente an Windenergieanlagen im Windkanal oder Freifeld
gefördert (siehe Windkanalversuch und „Windenergie-Labor“). Gleiches gilt für Studien- und
Diplomarbeiten (s. Abschnitt 3.3).
2
R. Gasch und J. Twele (Hrsg.), Windkraftanlagen – Grundlagen und Entwurf, 6. Aufl., Teubner,
Stuttgart, 2009.
12
Lehre
3.2 Lehrveranstaltungen
3.2.1 Vorlesungen
Der SWE bietet inzwischen Veranstaltungen in allen Studienphasen an. Seit dem WS
2009/10 übernimmt der SWE ein Drittel der neuen Lehrveranstaltung „Einführung
Erneuerbare Energien“ (4V, 2Ü) im ersten Semester des Bachelorstudiengangs
„Erneuerbare Energien“. Im zweiten und dritten Semester wird die Pflichtveranstaltung
„Konstruktionselemente I & II“ für die Studiengänge „Luft- und Raumfahrttechnik“ sowie
„Erneuerbare Energien“ gehalten.
Seit dem Wintersemester 12/13 wird das Pflichtmodul „Nachhaltige Energie- und
Verkehrssysteme“ mit drei Leistungspunkten für MSc.-Studenten der Luft- und
Raumfahrttechnik angeboten Das Modul wird sowohl im Winter- als auch Sommersemester
angeboten. Die Vorlesung fand im WS12/13 in einem kleinen Rahmen von 24 Studenten
statt, und in Form einer Projektarbeit durchgeführt. Dieses Format, auch wenn es in Zukunft
nicht mehr so stattfinden wird, wurde von den Studenten sehr positiv aufgenommen und
bewertet.
Individuelle Schwerpunkte können im Hauptstudium gesetzt werden. Wahlfächer werden für
Studierende aller Studiengänge angeboten. Vertiefungen mit vier bis zehn Semesterwochenstunden sind in den Studiengängen „Luft- und Raumfahrttechnik“, und teilweise
„Umweltschutztechnik“, „Maschinenbau“, „Technologiemanagement“ sowie „Technische
Kybernetik“ möglich. Hierbei können folgende Veranstaltungen ausgewählt werden, wobei
die „Windenergienutzung I“ (WEN I) jeweils den Ausgangspunkt darstellt.
„Windenergienutzung I“ (WEN I)
„Entwurf von Windenergieanlagen I“ (WEA I)
Seminar „Simulation von Windenergieanlagen – Bladed und SIMPACK“
„Windenergienutzung II“ (WEN II) mit Seminar „Windparkplanung – WindPro“
„Windenergie-Projekt – Entwurf von Windenergieanlagen II“ (WEA II)
„Windenergie-Labor“ (WEL)
„Windenergieseminar“ (Zusatzangebot ohne Prüfung)
In der Abbildung „Lehrangebot des SWE“ sind jeweils bestimmte Kombinationen von
Lehrveranstaltungen einem Berufsfeld zugeordnet. So passt z.B. „Windenergienutzung I & II“
sehr gut zu Tätigkeiten in der Planung und dem Betrieb von Windparks, während die
Zusammenstellung „Windenergienutzung I“, „Entwurf von Windenergieanlagen I“, „Simulation
von Windenergieanlagen“ sowie das „Windenergieprojekt“ für eine Entwicklungsaufgabe im
Bereich „Auslegung und Simulation“ bei einem Hersteller von Windenergieanlagen
qualifiziert. Die Kombination von „Windenergienutzung I“, „Entwurf von Windenergieanlagen
I“ sowie „Windenergielabor“ eignet sich sehr gut als Basis für eine Tätigkeit im Gebiet „Test
und Betrieb von Windenergieanlagen“.
Die Lehrveranstaltung „Konstruktionselemente der Luft- und Raumfahrttechnik I & II“ und das
ergänzende Prüfungsseminar sind aufgrund der großen Anzahl von Hörern (ca. 350
Studierende aus LRT und EE) als „klassische“ Vorlesung mit Übung konzipiert und in den
Pflichtfächerkanon der konstruktiven Ausbildung der Luft- und Raumfahrttechnik und
Erneuerbaren Energien eingebunden. Der in der Vorlesung behandelte Stoff wird in
Vortragsübungen an exemplarischen Aufgabenstellungen vertieft. Eine Leistungsüberprüfung
findet in Form von zwei studienbegleitenden Klausuren statt. Zusätzliche Tutorenseminare
(betreutes Rechnen von Aufgaben) dienen den Studierenden zur Vorbereitung auf die
Prüfungen.
Im Anhang I werden die einzelnen Lehrveranstaltungen näher beschrieben.
Lehre
13
3.2.2 Umstellung der Lehrveranstaltungen von einem vorlesungsorientierten
zu einem modulorientierten Lehrkonzept
Im Zuge des Bologna-Prozesses ist die Umstellung von Vorlesungsveranstaltungen auf
Modulvorlesungen vorgesehen. Der SWE ist bei dieser Umstellung bemüht, das bewährte
berufsorientierte Lehrkonzept weiter zu verfolgen. So wurden alle Vorlesungen in thematisch
sehr ähnliche Module umgewandelt und die Arbeitsbelastung während der Präsenzzeit und
der Zeit zur Nacharbeitung angepasst. Im Laufe der kommenden Semester wird die
Hörerzahl in den Windenergiemodulen weiter steigen. So konnte im Sommersemester 2011
ein Zuwachs um 50 Studierende auf etwa 80 Studierende verzeichnet werden. Im
Sommersemester 2012 werden voraussichtlich weitere 50-80 Studierende die
Windenergiemodule besuchen, so dass von weit mehr als 150 Studierenden auszugehen ist.
Es wurde daher das Übungskonzept dahingehend angepasst, dass vermehrt
Gruppenarbeiten und –auswertungen stattfinden werden.
Es konnten die zuvor genannten Vorlesungen in die Module
Windenergie 1 - Grundlagen Windenergie
(6LP)
Windenergie 2 - Planung und Betrieb von Windparks
(6LP)
Windenergie 3 - Entwurf von Windenergieanlagen
(6LP)
Windenergie 4 - Windenergie-Projekt
(6LP)
Windenergie 5 - Windenergie-Labor
(3LP)
überführt werden. Im Masterstudiengang Luft- und Raumfahrttechnik wird der SWE das neue
Modul „Nachhaltige Energie- u. Verkehrssysteme“ im Pflichtbereich des Studiengangs
anbieten.
Die sechs aufgeführten Module werden in den Studiengängen
B.Sc. Erneuerbare Energien
B.Sc. Elektrotechnik und Informationstechnik
B.Sc. Technische Kybernetik
B.Sc. Umweltschutztechnik
M.Sc. Nachhaltige Elektrische Energieversorgung
M.Sc. Energietechnik
M.Sc. Luft- und Raumfahrttechnik
an der Universität Stuttgart angeboten.
Zwei weitere, englischsprachige Module in Blockveranstaltung bietet der SWE im
Studiengang „Renewable Energy Management“ an der Albert Ludwigs Universität in Freiburg
an. Hierbei werden Studierende aus der ganzen Welt an die Thematik der
Windenergienutzung herangeführt und arbeiten in einem weiteren Blockmodul an einem
fiktiven Projekt eines zu planenden Windparks.
14
Lehre
3.3 Studien- und Diplomarbeiten, Fachpraktika sowie Exkursionen
Studien-, Bachelor- undDiplomarbeiten
Im Jahr 2012 (SS 2012 & WS 2012/13) wurden folgende Studien- (S), Diplom- (D) oder
Masterarbeiten (M) bzw. Praktika (P) abgeschlossen – teilweise in Zusammenarbeit mit
anderen Instituten oder Universitäten:
Timo Koch, Genauigkeit von neuronalen Netzen beim
Ermüdungslasten von offshore Windenergieanlagen, (BSc)
Schätzen
von
Sarah Lott, Verifikation der Software Flex5-ASAS mit State-of-The-Art Programmen,
(D)
Tanja Jenter, Vergleich der Ertragsberechnung zwischen integrierten
reduzierten Modellansätzen einer Offshore Windenergieanlage, (BSc)
und
Frank Sandner, Reduced Model Design of a Floating Wind Turbine (E, in
Kooperation mit ITM – Institut für Technische und Numerische Mechanik)
Philip Göbel, Innovative Offshore Structures - Effectiveness of jacket designs using
mass-producible approaches, (D)
Florian Haizmann, Implementation of an Adaptive Feed-Forward Control for Load
Reduction of Wind Turbines, (D, teilweise am NREL in Boulder, CO)
Jenny Rieck, Lastanalyse einer Windenergieanlage mittels eines gondelbasierten
Lidar-Geräts, (S)
Bernd Maier, Datenanalyse hinsichtlich des Einflusses des vertikalen Windprofils auf
die Belastung einer Windenergieanlage (BSc)
Manuel Werner, Untersuchung transienter aerodynamischer Effekte schwimmender
Offshore Windturbinen mit CFD (D)
Uwe Fechter, Verbesserung der MKS Modellierung eines Vertäuungs-Systems für
schwimmende Offshore Windturbinen (D)
Matti Scheu, The economics of large-scale offshore wind energy developments with
a focus on the Dogger Bank project (D)
Lorenz Haid, Conceptual 10MW Wind Turbine Design for the University of Stuttgart
Instructional Turbine, (S)
Paul Brodbeck, Adaptive Regelung von Windenergieanlagen mit Hilfe von LIDAR,
(S).
Julia Hahn, Auslegung und Konstruktion eines Hochlaufteststandes für die
Vermessung von Rotorblättern von Klein-Windkraftanlagen (BSc)
Janina Zabitzki, Akzeptanz Windenergie in Süddeutschland – Begleitstudie an
Windenergieprojekten in Baden-Württemberg, (BSc)
Josua Schwenk, Auslegung und Entwicklung eines Do-It-Yourself (DIY) –
Rotorkonzeptes für eine Kleinwindkraftanlage, (BSc)
Ines Würth, Optimization of Chordwise Position, Spanwise Spacing and Angular
Placement of Vortex Generators on Wind Turbine Blades (D)
Ann-Kathrin
Weller,
Windenergieanlage (D)
Lastanalyse
und
Messdatenauswertungen
von
Alexander Rautenberg, validierung des Modells einer Windenergieanlage vom Typ
Nordex N80 anhand von Messdaten (D)
Philipp Gebhardt, Erstellung eines CFD Modells zur Simulation des Schwertes eines
Lehre
15
Segelbootes, (BSc)
Folgende Arbeiten wurden begonnen:
Sven Fischer, Analyse der Aerodynamik einer schwimmenden Offshore Windturbine
mit Free Wake Verfahren (S)
Axel Rank, Analyse eines nichtlinearen MKS Vertäuungs-System Modells für
schwimmende Offshore Windturbinen (S)
Victor Hocke, Nichtlineare
Windkraftanlage (S).
Modelprädiktive Regelung
einer schwimmenden
Steffen Raach, Nichtlineare Modelprädiktive Regelung von schwimmenden
Windenergieanlagen mit Einzelblattverstellung (D).
Sebastian Kaus, Optimierung eines Lidar-Systems (BSc).
Markus Stehle, Analyse des Parkwirkungsgrades des Offshore Windparks EnBW
Baltic-I, (D)
Christian Geiss, Validierung von Ermüdungslasten an einer 5 MW Windturbine im
offshore Testfeld „alpha venuts“, (MSc)
Manuel Stapf, Vorhersage der Ermüdungslebensdauer mit Hilfe von Support Vector
Maschinen am Beispiel einer offshore Windenergieanlage, (S)
Kerstin Pöhl, Vergleich zweier Schätzalgorithmen des maschinellen Lernens am
Beispiel der Blattwurzelbelastung an WEA, (S)
Yie Xie, Temperatureeinflüsse auf die Genauigkeit von Dehnungsmessungen an
WEA Türmen, (DA)
Raimund Abele, Lastfallanalyse einer schwimmenden Windenergieanlage auf einer
Semi-Submersible Plattform (DA)
Fabian Frank, Entwurf und Entwicklung eines Fahrwerks für ein Gegenwindfahrzeug
(BSc)
Mathias Schempp, Entwurf und Entwicklung eines Fahrzeugrahmens für ein
Gegenwindfahrzeug (BSc)
Mona Knupfer, Untersuchung von Tuberkeln auf ihre Eignung zur Verbesserung der
Hydrodynamik an Gezeitenströmungsrotoren
Fachpraktika
Im Rahmen des Praxissemesters in den Studiengängen „Erneuerbare Energien“ und „Luftund Raumfahrtechnik“ absolvierten Studierende wieder drei- bzw. sechsmonatige Praktika in
der Windenergiebranche. Bei verschiedenen Windenergieanlagenherstellern, Windparkplanern und Forschungsinstituten bekamen die Studierenden in den letzten Jahren die
Chance, ihr theoretisches Wissen in der Praxis anzuwenden.
Exkursionen
Inzwischen hat sich ein fester jährlicher Turnus von zwei Studienexkursionen etabliert. Die
Kosten werden aus Mitteln der Karl-Schlecht-Stiftung, Studiengebühren und der Teilnehmer
gedeckt.
Das Programm der Industrieexkursion im Februar 2012 war wieder straff durchgeplant und
führte die 22 Teilnehmer quer durch Ost-Deutschland. Die Firma Voith Turbo in Crailsheim
16
Lehre
bot einen Einblick in die Technologie des hydrodynamisch regelbaren Getriebes WinDrive
inklusive einer Führung durch die Fertigungshallen. Dieses Jahr ebenfalls im Programm: die
begehrte Besichtigung des Pumpspeicherkraftwerks Goldisthal als unverzichtbarer Baustein
zur Netzintegration der Windenergie. Beeindruckend für die Studenten waren die
Dimensionen des Kraftwerks und das hautnahe Erleben der Pumpleistung in der
Generatorhalle. Am zweiten Tag stand der Besuch der Firma VEW in Dresden auf dem
Programm. Die Fertigung der VEM Generatoren für Windenergieanlagen konnte im Rahmen
einer Führung erklärt werden. Zudem wurde die höchste Windkraftanlage der Welt im
Windpark Spremberg besichtigt. Zum Abschluss hatten die Studierenden die Möglichkeit, die
unterschiedlichen Fertigungstiefen bei Enercon in Magdeburg zu erleben. Nebst Einblicken
in die fertigungstechnischen Prozesse boten die meisten Unternehmen Informationen zu
Berufsperspektiven und Einstiegsmöglichkeiten an. Diese trugen zu reger Diskussion bei und
wurden von den Studierenden gerne angenommen um Kontakte zu knüpfen.
.
Besichtigung der Fertigungshallen der Firma VEM (li.)und zu Gast im Windpark Spremberg (re.)
3.4 Fort- und Weiterbildung, internationale Studiengänge
Die national und international stark wachsende Bedeutung der Windenergienutzung bewirkt
einen zunehmenden Bedarf an Fort- und Weiterbildung. Mitarbeiter des Stiftungslehrstuhls
Windenergie sind daher im Rahmen unterschiedlicher Maßnahmen aktiv.
Fortbildungsseminare
Mitarbeiter des SWE referierten im Jahre 2012 bei den folgenden Fortbildungsseminaren:
Risø-DTU PhD Summer school: David Schlipf und Andreas Rettenmeier waren als
Gastdozenten zur PhD Summer School „Remote sensing for wind energy“ zur
University of Colorado nach Boulder, USA im Juni 2012 eingeladen. Sie referierten zu
den Themen „Lidar assisted control“ und „Nacelle Wind Lidar“
Zum Thema „Zukünftige Lidar Entwicklungen“ hielt Andreas Rettenmeier einen
Fachvortrag im Seminar „LiDAR – Windmessung für On- und Offshore-Windparks,
Theorie, Erfahrungen und Praxisempfehlungen“ der ForWind Academy in Bremen
Bei der IQPC International Conference – Advances in Wind Turbine Rotor Blades
hielten Po Wen Cheng, Thorsten Lutz und Stefan Hauptmann einen Workshop zum
Thema „CFD applications for wind turbine blade design“ ab.
Bei der VDI Fachkonferenz Offshore Windenergieanlagen hielt Po Wen Cheng einen
Vortrag über Lidar Anwendungen für die Windenergieanlage Regelung.
Forschung
17
4 Forschung
In der Forschung konzentriert sich der Stiftungslehrstuhl Windenergie auf das Systemverständnis von Windenergieanlagen. Übergeordnete Forschungsziele sind die Erhöhung
der Zuverlässigkeit und die weitere Senkung der Energiegestehungskosten von Anlagen, die
Elektrizität in das internationale Verbundnetz einspeisen. Die zentralen Themen am
Lehrstuhl umfassen daher die Dynamik, den Entwurf und den Betrieb von großen
netzgebundenen Windenergieanlagen an Land und insbesondere offshore. Die Umsetzung
der Forschungsvorhaben erfolgt durch Promotionsprojekte in vier Bereichen:
Promotionsprojekte zum Forschungsgebiet „Betriebsverhalten von Windenergieanlagen“:
Andreas Rettenmeier
Determination of power curves at inhomogeneous inflow
using a nacelle-based LiDAR system
Martin Hofsäß
Wind field analysis in complex terrain using novel lidar
scanning approaches
Oliver Bischoff
Statistical load estimation using a nacelle-based lidar
system
Promotionsprojekte zum Forschungsgebiet „Aeroelastisches Verhalten von Windenergieanlagen“
Friedemann Beyer
Modelling and Analysis of the dynamic behaviour of Floating
Offshore Wind Turbines using multi-body simulation and
CFD
Mark Capellaro
Advanced composite design of wind turbine blades
Stefan Hauptmann
Rotor aerodynamic and aeroelastic effects on the structural
dynamics of large wind turbines
Denis Matha
Advanced aerodynamic, hydrodynamic and aero-elastic
modeling and analysis of floating wind turbines with multibody simulation and CFD
Matthias Arnold
Tidal hydroelasticity, simulation of hydrodynamic and
structural responses to transient conditions with Multibody
systems and CFD
Frank Sandner
Conceptioning, modeling and control of floating wind turbine
systems
18
Forschung
Promotionsprojekte zum Forschungsgebiet „Load-Monitoring und Regelung“
Stefan Baehr
Dynamics & design of pitch systems employing different
control concepts
David Schlipf
Model predictive control of wind turbines with lidar wind
measurements
Ursula Smolka
Online load monitoring of wind turbines for advanced control
and optimized operation
Promotionsprojekte zum Forschungsgebiet „Dynamik und Entwurf von Offshore-Windenergieanlagen“
Daniel Kaufer
Validation of an integrated load simulation method and
modeling requirements of offshore wind turbines during the
design process
Jan Quappen
Overall dynamics and integrated design of offshore wind
turbines
Das Forschungsprogramm des Lehrstuhls definiert sich im Wesentlichen über
Promotionsprojekte. Damit wird dessen wissenschaftliche Qualität gesichert. Ein mittel- bis
langfristiger Zeithorizont der Forschungsthemen ergänzt die schnelle angewandte industrielle
Entwicklung in der Branche und dient der Ausbildung von qualifiziertem wissenschaftlichem
Nachwuchs. Obwohl die Finanzierung hauptsächlich durch Drittmittel erfolgt, werden im
Idealfall Forschungsprojekte passend zu den Promotionsprojekten akquiriert und bearbeitet,
nicht umgekehrt.
Die nächsten vier Abschnitte beschreiben die einzelnen Forschungsbereiche und
Promotionsprojekte näher. Das darauf folgende Kapitel widmet sich den Drittmittelprojekten
am SWE, die zur Finanzierung der Promotionen in enger Kooperation mit lokalen, nationalen
und internationalen Partnern aus Wissenschaft und Industrie durchgeführt werden.
Forschung
19
4.1 Forschungsbereich I: Betriebsverhalten von Windenergieanlagen
Der erste Forschungsbereich am SWE untersucht die dynamischen Belastungen,
Leistungskurven und das Betriebsverhalten von Windenergieanlagen unter besonderen
Windverhältnissen, wie diese insbesondere in Windparks, auf See und bei bestimmten
meteorologischen Bedingungen auftreten. Derzeit werden drei Promotionsvorhaben am
SWE bearbeitet (Tabelle 1).
Tabelle 1: Promotionsprojekte:
Betriebsverhalten von Windenergieanlagen
Name
Projekt (Arbeitstitel)
A. Rettenmeier
Determination of power curves at inhomogeneous inflow using a nacelle-based LiDAR
system
Bestimmung der Leistungskurve mithilfe eines gondelbasierten Lidar Systems bei
inhomogener Einströmung
M. Hofsäss
Wind field analysis in complex terrain using novel LiDAR scanning approaches
Windfelduntersuchungen im komplexen, bergigen Gelände mit neuartigen Lidar
Messmethoden
O. Bischoff
Statistical load estimation using a nacelle-based LiDAR system
Statistische Lastmessung mittels gondelbasiertem Lidar
Dieser Forschungsbereich beschäftigt sich mit der experimentellen
und numerischen Untersuchung des Betriebsverhaltens von
Windenergieanlagen in inhomogener Einströmung. Die bisherigen
Richtlinien zur Messung oder Simulation der Belastungen bzw. der
Leistung von Windenergieanlagen gehen häufig von sehr
vereinfachten Windbedingungen aus (z.B. gleichmäßige, mittlere
Windscherung und Turbulenzverteilung in der überstrichenen
Rotorfläche). Hierdurch kommt es z.B. zu größeren Unsicherheiten
in der Leistungsprognose bei unterschiedlichen atmosphärischen
Schichtungen und assoziierten Windscherungen oder zu
zusätzlichen Belastungen bei Teilabschattung in Windparks. In
zahlreichen Promotionsprojekten werden seit dem Jahr 2005 mit
dem Vielkanalmesssystem, dem Windmessmast und dem LiDARGerät des SWE Messungen am Prototypen M5000 der AREVA Wind GmbH in Bremerhaven
und auf dem Risø Campus bei Roskilde, Dänemark durchgeführt. Seit 2010 werden
ergänzend auch Messungen und Auswertungen im Offshore-Testfeld alpha ventus
durchgeführt. Die Entwicklung neuer Messverfahren und einer verbesserten analytischen
Beschreibung des Betriebsverhaltens wird durch aeroelastische Simulationen unterstützt.
Wie zuvor beschrieben, liegen die Anwendungen in der genaueren Beschreibung des
Belastungs- und Leistungsverhaltens. Die Untersuchungen öffnen jedoch auch den Weg zu
avancierteren Monitoring- und Regelungsverfahren zur Belastungsreduktion und
Ertragserhöhung (s. Forschungsbereich III). Die genannten Promotionsprojekte setzen das
neuartige laser-optische Windmessverfahren LiDAR (Light Detecting and Ranging) ein.
20
Forschung
4.2 Forschungsbereich
II:
Aeroelastisches
Windenergieanlagen und deren Komponenten
Verhalten
von
Bei großen Windenergieanlagen treten komplexe Interaktionen auf, einerseits zwischen der
Dynamik des Gesamtsystems, einschließlich der äußeren Wind- und Wellenlasten und der
Aeroelastizität, andererseits zwischen den Belastungen sowie dem Verhalten von
Hauptkomponenten. In diesem Themengebiet sind fünf Promotionsvorhaben am SWE
angesiedelt (Tabelle 2).
Aeroelastisches Verhalten von Windenergieanlagen und deren
Komponenten
Name
F. Beyer
Modelling and analysis of the dynamic behaviour of floating offshore wind turbines using
multi-body simulation and CFD
(Modellierung und Analyse des dynamischen Verhaltens schwimmender
Windenergieanlagen unter Verwendung von Mehrkörpersimulation und CFD)
M. Capellaro
Passive load control through bend twist coupled blades
(Passive Belastungsreduktion durch Biege-Torsionskopplung von Rotorblättern)
S. Hauptmann
Rotor aerodynamic and aero-elastic effects on the structural dynamics of wind turbines
(Bedeutung von rotoraerodynamischen und aeroelastischen Effekten für das
strukturdynamische Verhalten von Windenergieanlagen)
D. Matha
Advanced aerodynamic, hydrodynamic and aero-elastic modeling and analysis of
floating wind turbines with multi-body simulation and CFD
(Aero-, hydro- und aeroelastische Modellierung und Analyse schwimmender
Windturbinen mit Mehrkörpersimulation und CFD)
F.Sandner
Conceptioning, Modeling and Control of Floating Wind Turbines
(Konzeptionierung, Modellierung und Regelung Schwimmender Windkraftanlagen)
Matthias Arnold
Hydroelasticity of Tidal Current Turbines
Das anisotrope elastische Verhalten von Faserverbundmaterialien kann zur Kopplung von
Biege- und Torsionsverformung von Rotorblättern genutzt werden. Dieses „Aeroelastic
Tailoring“ genannte Prinzip ist seit Längerem in der Luftfahrt bekannt, wird aber noch wenig
eingesetzt. Bei geeigneter Abstimmung lassen sich durch eine an die Blattdurchbiegung in
Schlagrichtung gekoppelte Blatttorsion in Richtung der Fahnenstellung sowohl Ermüdungsals auch Extremlasten von Windturbinen reduzieren.
Time History Comparison V 0 = 14 (m/s)
0
V (m/s)
30
20
10
0
0
50
100
150
200
250
300
6
Flap Disp. @ r = 60m (m)
Im Promotionsprojekt „Passive
Belastungsreduktion
durch
Biege-Torsionskopplung
von
Rotorblättern“
von
Mark
Capellaro werden zunächst
dynamische Simulationen von
Windenergieanlagen mit einer
fiktiven Biege-Torsionskopplung
durchgeführt,
um
die
Möglichkeiten zur Lastreduktion
und deren Einflüsse auf den
Energieertrag zu untersuchen.
Anschließend werden reale
T1
T2
5
4
3
2
1
0
0
50
100
150
Time (s)
200
250
300
Vergleich des simulierten Schlagmoments mit und ohne
Biege-Torsionskopplung im Rotorblatt
Forschung
21
Testkörper der tragenden Blattstruktur im
Labor getestet, um die Finite-ElementeModellierung
von
neu-artigen
Blattbauweisen zu unterstützen.
Rotoraerodynamische
Wirbelleiterverfahren
Simulation
mit
Die bisher in der Windenergieindustrie fast
ausnahmslos eingesetzten Simulationsverfahren für die Dynamik von Windenergieanlagen nutzen stark vereinfachte
Modellierungen.
Die
Strukturmodelle
besitzen nur relativ wenige Freiheitsgrade
und das rotoraerodynamische BlattelementImpulsverfahren ist nur mit einer Vielzahl
empirischer Korrekturen anwendbar. Vor
diesem Hintergrund beteiligt sich der SWE
mit den folgenden drei Promotionsprojekten
einem an der Entwicklung einer industrietauglichen
Simulationsumgebung
der
nächsten
Generation.
Im Promotionsprojekt Bedeutung von rotoraerodynamischen und aeroelastischen Effekten
für das strukturdynamische Verhalten von Windenergieanlagen von Stefan Hauptmann
werden zunächst Simulationsverfahren durch den Einsatz des allgemeinen
Mehrkörpersimulationsprogramms SIMPACK und erweiterte aerodynamische und
aeroelastische Berechnungsmethoden (z.B. Wirbelleitermethoden, CFD) weiterentwickelt.
Hierdurch wird eine genauere Beschreibung besonderer aerodynamischer Zustände, der
Gesamtdynamik, der Komponentenbelastungen und deren Interaktion ermöglicht. Durch den
systematischen Vergleich der Anwendung verschiedener struktur- und aerodynamischer
Modelle innerhalb einer einzigen Simulationsumgebung soll die Bedeutung verschiedener
aeroelastischer Einflüsse bei unterschiedlichen Anlagenkonzepten und Betriebsbedingungen
systematisch untersucht werden.
In Fortführung des zuvor genannten Projekts untersucht Denis
Matha am Thema Aero-, hydro- und aeroelastische
Modellierung und Analyse schwimmender Windturbinen mit
Mehrkörpersimulation und CFD den Einsatz von CFDVerfahren (Computational Fluid Dynamics) und Potentialströmungs-Verfahren (Free Wake Methods) in Kombination mit
Mehrkörpersimulation und linearer
Hydrodynamik
zur
Abbildung
komplexer aerodynamischer Effekte
schwimmender Windturbinen. Durch
die teils großen Bewegungen der
CFD-Simulation der Rotor- schwimmenden Plattform entstehen
strömung [IAG, Univ. Stuttgart] am
Rotor aerodynamisch sehr
komplexe Zustände, so dass nur CFD
und Potentialströmungs-Verfahren in der Lage sind insbesondere
die Interaktion mit dem eigenen Rotornachlauf, den dynamischen
Strömungsabriss und ein erhöhtes Auftreten von starker
Schräganströmung korrekt darzustellen. Die Integration dieser
Verfahren in die Simulation der Gesamtdynamik und der
Entwurfsbelastungen mit einfacheren und schnelleren Methoden Mehrkörpersimulation
schwimmenden
wird ebenfalls untersucht. Die eigentliche Weiterentwicklung der einer
CFD-Verfahren findet in einem weiteren Promotionsprojekt am Windturbine
Institut für Aero- und Gasdynamik (IAG) statt, mit dem eng
kooperiert wird.
22
Mehrkörpersimulation des
Gesamtsystems, einschließlich
der Flexibilität des
Maschinenträgers
Forschung
Die komplexe Dynamik des Gesamtsystems und der
Anlagenkomponenten kann zu erheblichen Unsicherheiten in
den Entwurfsannahmen und der Lebensdauer von
Komponenten wie z.B. Triebstrang, Pitch- und Azimutsystem
führen. Weitergehende Untersuchungen mit Mehrkörpersimulationen und neuen aerodynamischen Verfahren erfolgen
im Promotionsprojekt von Thomas Hecquet Simulation und
Verifikation des Einflusses der Anlagendynamik auf
Triebstrangkomponenten von WEA. Es sollen verbesserte
Verfahren für die Ermittlung der relevanten Auslegungslasten
erarbeitet und durch Messungen validiert werden. Neue
Wege zur Verringerung der Auslegungslasten und
Verbesserung der Zuverlässigkeit sind zu suchen. Im Jahr
2010 konnten besonders relevante Erkenntnissen aus dem
EU-Projekt ProTEST (bezüglich des Aufbaus von detaillierten
Getriebemodellen und deren Validierung mit Messdaten) und
aus der Kooperation mit der Fa. Intes (Einfluss der
Verformungen des Triebstrangs auf Lasten, siehe ProtestAbschlussbericht, Unterkapitel 5.2) in 2011 gewonnen
werden.
CFD Simulation des Nachlaufs eines Windturbinen Rotors (li.), MKS Simulation einer schwimmenden
Windturbine mit turbulentem Wind und Visualisierung der
Blattbelastung (re.)
Basierend auf den Erkenntnissen aus der Simulation von
Windturbinen mit Mehrkörpersystem arbeitet Matthias Arnold im
Rahmen des Forschungsprojekts Tidal Hydroelasticity in
Kooperation mit der Fa. Voith bzw. Promotionsprojekt
Hydroelasticity of Tidal Current Turbines an der Übertragung der
Methodik auf Gezeitenströmungsturbinen. Hierzu wird ein
detailliertes Modell einer Gezeitenströmungsturbine im
Mehrkörpersimulationsprogramm Simpack aufgebaut und die
Interaktion mit der Strömung analysiert. Hierzu wird die
Strömung mit dem CFD-Code Ansys CFX simuliert. Die
Kopplung dieser beiden Anwendungen stellt dabei den ersten
Schritt dar. Diesem folgend werden dann diskrete
Lastfallsituation ausgewählt und simuliert, um die für die FluidStruktur-Interaktion relevanten Komponenten zu identifizieren
CAD-Modell der
untersuchten Voith HyTide
100-16
Gezeitenströmungsturbine
Forschung
23
und deren Optimierungspotential zu identifizieren. Die Ergebnisse dieses Projekts sollen zum
Abschluss in 2015 in Vorschlägen zur Optimierung und Konzeptanpassung von
Gezeitenströmungsturbinen münden.
24
Forschung
4.3 Forschungsbereich III: Load Monitoring und Regelung
Lange Betriebszeiten unter rauen und lokal stark streuenden Umgebungsbedingungen sowie
die Forderung nach niedrigen Investitions- und Betriebskosten stellen hohe Anforderungen
an die Überwachung und Regelung von Windenergieanlagen. Am SWE werden derzeit drei
Promotionsvorhaben auf diesem Gebiet bearbeitet (Tabelle 3). Ein weiteres wurde bereits
2010 erfolgreich abgeschlossen.
Load Monitoring und Regelung
Name
U. Smolka
Online load monitoring of wind turbines for advanced control and optimized operation
(Kontinuierliche Belastungsüberwachung von Windenergieanlagen für moderne
Regelstrategien und eine optimierte Betriebsführung)
S. Baehr
Dynamics & design of pitch systems employing different control concepts
(Dynamisches Verhalten und Entwurf von Pitchsystemen beim Einsatz verschiedener
Regelungsstrategien)
D. Schlipf
Model predictive control of wind turbines with lidar wind measurements
(Prädiktive modellbasierte Regelung von Windenergieanlagen mit LiDAR Windmessung)
Verfahren
des
Condition
Monitorings,
d.h.
der
Schädigungsbeobachtung,
haben einen gewissen Stand der
Technik
erreicht.
Daher
konzentriert sich der Lehrstuhl
verstärkt auf die Analyse der den
Schädigungen vorausgehenden
Belastungen, das so genannte
Monitoring System für die Schätzung von Ermüdungslasten Load Monitoring.
anhand von Standardbetriebsdaten
Zuverlässige Lastermittlung an
Windenergieanlagen
erfordert
einen hohen messtechnischen Aufwand und wird im Wesentlichen nur an einzelnen Anlagen
durchgeführt. Für den weitaus größten Teil von ihnen liegen daher keine Informationen über
deren Belastungshistorie vor. Im Rahmen des abgeschlossenen Promotionsprojekts von
Nicolai Cosack Lastüberwachung von Windenergieanlagen anhand von Standardsignalen
konnte gezeigt werden, dass Verfahren zur Schätzung der aktuellen Lastsituation aus
standardmäßig ermittelten Anlagensignalen wie Leistung, Drehzahl, Pitchwinkel und
Turmkopfschwingungen mittels neuronaler Netze für den Normalbetrieb von OnshoreAnlagen gut geeignet ist. Vielfältige Anwendungen dieses prinzipiell kostengünstigen
Monitorings für die Überprüfung von Entwurfsannahmen, die standort-spezifische
Optimierung der Betriebsführung und des Energieertrags sowie vorsorgende Betriebs- und
Wartungsstrategien sind somit näher gerückt. Die Anwendbarkeit des Load Monitoring
Verfahrens ist noch für Offshore- Standorte, für transiente Lastfälle -die durch unerwartete
singuläre Ereignisse eintreten-, hinsichtlich der Dauerbetriebseigenschaften sowie der
Übertragbarkeit trainierter neuronaler Netze innerhalb eines Windparks zu untersuchen. Da
im Rahmen des RAVE-Verbundforschungsprojektes Betriebsdaten aus dem Testfeld „alpha
ventus“ vorliegen, können im Rahmen der Promotion von Ursula Smolka solche
Fragestellungen praxisnah betrachtet werden.
Forschung
25
Die Brücke vom Load Monitoring zur Regelung schlägt das Promotionsprojekt von Ursula
Smolka Kontinuierliche Belastungsüberwachung von Windenergieanlagen für moderne
Regelstrategien und eine optimierte Betriebsführung. Für neuartige Regelungsverfahren wie
die individuelle Pitchverstellung sind äußerst zuverlässige Belastungsmessungen z.B. der
Blattbiegung und Turmbiegung in Echtzeit erforderlich. Es werden Mess- und Analyseverfahren entwickelt, die kontinuierliche Lastmessungen überwachen, und einerseits
fehlerhafte Daten identifizieren sowie anderseits durch Gegenmaßnahmen wie aktive
Redundanz und Schätzverfahren korrigieren. Im Falle einer dauerhaften Störung können
betroffene Reglereingriffe rechtzeitig ausgeschaltet werden. In einer weiteren Anwendung
sollen die ermittelten Belastungsinformationen durch die Betriebsführung für die
Lastreduktion bei gleichzeitiger Optimierung des Ertrages genutzt werden.
Hardware
Soft- or Hardware
Hardware
Hardware-Model
Software
Load Monitoring und Hardware-in-the-Loop-Simulation des Pitchsystems und der Gesamtanlage
Mit dem Aufkommen neuer Regelungsstrategien steigen die Anforderungen an die PitchVerstelleinrichtung stark an. Im Promotionsprojekt Dynamisches Verhalten und Entwurf von
Pitchsystemen beim Einsatz verschiedener Regelungsstrategien von Stefan Baehr werden
Modelle der elektrischen oder hydraulischen Systeme sowie der verwendeten Regelungsalgorithmen und Sensoriken durch Hardware-in-the-Loop-Simulation und Feldversuche
validiert. Ziel ist es, die derzeitig vorhandenen erheblichen Unsicherheiten bei der Auslegung
von Pitch-Systemen zu reduzieren und dabei neben konventionellen Regelungsansätzen
auch die individuelle Blattverstellung mit Rückführung von gemessenen Belastungen zu
berücksichtigen. Ein weiteres wissenschaftliches Ziel liegt in der Bewertung neuer
lastreduzierender Regelungskonzepte hinsichtlich der Auswirkungen auf die einzelnen
Komponenten und die Wirtschaftlichkeit der gesamten Windenergieanlage. Die Arbeit wird in
enger Kooperation mit einem Komponentenhersteller durchgeführt.
Einen völlig anderen Ansatz verfolgt das wind
remote sensing
Promotionsprojekt Prädiktive modellbasierte
measurements
Regelung von Windenergieanlagen mit
LiDAR-Windmessung von David Schlipf. Ein
current wind fields in distance
Nachteil
aller
bisherigen
Regelungsverfahren
besteht
darin,
dass
auf
wind modeling
Windschwankungen
erst
nach
einer
Änderung der Drehzahl bzw. der lokalen
future wind fields on rotor
Belastungen durch die Regelung reagiert
werden kann. Erforderlich sind daher relativ
model predictive
schnelle Regelungseingriffe, die wiederum
control strategies
enhanced control
zu Belastungen und Ertragseinbußen führen
können. Im Gegensatz dazu soll durch die Arbeitspakete für die Verbesserung der Regelung
frühzeitige Erfassung der Einströmung durch Fernerkundungsverfahren
mittels Fernerkundungsverfahren wie LiDAR
und einer modellbasierten Regelung eine
weitgehende Kompensation der Windstörung bei minimaler Regleraktivität erfolgen. Da die
26
Forschung
sich rasant entwickelnde LiDAR-Technik zwar äußerst vielversprechend, derzeit aber noch
sehr teuer und nicht ausreichend zuverlässig ist, liegt der Nachdruck der Arbeit auf der
Erarbeitung und numerischen sowie experimentellen Erprobung von geeigneten
modellbasierten Regelungsverfahren.
Forschung
27
4.4 Forschungsbereich IV:
Windenergieanlagen
Dynamik
und
Entwurf
von
Offshore-
Im Mittelpunkt der derzeitigen Promotionsprojekte steht die Gesamtdynamik von OffshoreWindenergieanlagen, deren Verhalten unter gleichzeitig auftretenden aero- und
hydrodynamischen Belastungen, die Untersuchung von Lastminderungsverfahren sowie
spezifische Auslegungsverfahren, die eine weitere Kostensenkung ermöglichen sollen.
Aktuell werden drei Vorhaben im Offshore-Bereich bearbeitet.
Dynamik und Entwurf von Offshore-Windenergieanlagen
Name
J. Quappen
Overall dynamics and Integrated design of offshore wind turbines
(Gesamtdynamik und integrierter Entwurf von Offshore-Windenergieanlagen der MultiMW-Klasse)
D. Kaufer
Validation of an integrated load simulation method and modeling requirements of
offshore wind turbines during the design process
(Validierung einer integrierten Lastsimulationsmethode und Modellierungsanforderungen
von Offshore Windenergieanlagen während des Entwurfsprozesses)
Reduction
Neutral
Increase
Aerodynamic loading
Zukünftige
OffshoreWindenergieanlagen
in
Wassertiefen über 25 Meter
werden vor allem durch die
Tower vibration damper
hydrodynamischen
Lasten
Peak shaver
dimensioniert.
Tim
Fischer
entwickelte aus diesem Grund in
seinem
Promotionsvorhaben
(--)
Reduktion
von
aerodynamisch
Yaw control
(-)
und hydrodynamisch angeregten
Belastungen
von
OffshoreHydrodynamic loading
Increase
Neutral
Reduction
Windenergieanlagen Verfahren
Lastverminderung,
die
Qualitativer
Vergleich
verschiedener
Konzepte
zur zur
gleichzeitigen Reduktion von aero- und hydrodynamischen insbesondere die RegelungsBelastungen
möglichkeiten der Turbine aktiv
einsetzen. Im Gegensatz dazu
wird in der bisherigen Praxis die Tragstruktur anhand vorgegebener, quasi unveränderlicher
Anlageneigenschaften ausgelegt und die Regelung lediglich zur Reduktion der
Windbelastungen genutzt. In dem Projekt werden beispielhaft folgende neue Ansätze verfolgt
und anhand von fiktiven Anlagen der 5- und 10-MW-Klasse bewertet: Einsatz der kollektiven
oder einer individuellen Pitchverstellung zur aktiven Dämpfung von Turmkopfschwingungen,
Einsatz eines Turmkopf-Massendämpfers, Anpassung der Betriebsführung an die
meteorologisch-ozeanographischen Bedingungen (z.B. Frequenz- und Energieinhalt des
Seegangs, Verhältnis von Wind- und Wellenlasten, Missweisung von Wind- und
Wellenrichtung) und Reduktion der Auswirkungen variabler Standortbedingungen wie
Wassertiefe und Bodeneigenschaften durch die Anlagenregelung.
(o)
Tower feedback control
Variable airfoil geometry
(individual pitch)
(++)
Aeroelastic tailoring
Tower feedback control
Individual pitch (collective pitch)
28
Forschung
Zwei
weitere
Promotionsprojekte
stehen
in
direktem
Zusammenhang mit den Forschungsarbeiten, welche im deutschen
Offshore-Testfeld alpha ventus durchgeführt werden. Jan Quappen
bearbeitet das Thema Gesamtdynamik und integrierter Entwurf von
Offshore-Windenergieanlagen der Multi-MW-Klasse. Im Mittelpunkt
steht dabei die Verifikation der Gesamtdynamik und der
Belastungen am Beispiel der WEA M5000 der AREVA Wind GmbH
mit einer Tripod-Tragstruktur. Zudem sollen Entwurfsverfahren für
den integrierten Entwurf von OWEA – jeweils geeignet für die
entsprechende Projektphase beschrieben werden. So wurden
Messungen des SWE am Onshore-Prototyp der AREVA-Anlage in
Bremerhaven ausgewertet welche mit Offshore-Messungen
verglichen werden. Es sollen die Besonderheiten der Anlagenkonfiguration analysiert werden, wie z.B. hydrodynamisch relativ
kompaktes Verhalten des Tripods, moderate dynamische Steifigkeit
der Gesamtstruktur, integrierter Triebstrang und die spezifische
Anlagenregelung. Weiterhin ist ein Vergleich mit dem Verhalten
dieses WEA-Typs an einem anderen Standort und/oder mit einer
anderen Tragstruktur anhand von Simulationen und, soweit
verfügbar, Messungen vorgesehen.
Daniel Kaufer beschäftigt sich mit der Weiterentwicklung von
Analysemethoden und Entwurfsanforderungen von OWEA. Diese
Untersuchungen setzen seine Studien- wie auch Diplomarbeit zur
M5000
mit
Kopplung
jeweils
verschiedener
aeroelastischer
und AREVA
strukturdynamischer Simulationsprogramme fort und bauen auf den Tripod-Tragstruktur
Forschungsarbeiten von Patrik Passon auf, der bis August 2008 als Quelle: DOTI GmbH
wissenschaftlicher Mitarbeiter am SWE tätig war. Das
Promotionsprojekt von Daniel Kaufer konzentriert sich auf die
Weiterentwicklung und Validierung von Berechnungswerkzeugen
für die integrierte Analyse von Offshore-WEA mit komplexen
Tragstrukturen. Diese methodischen Arbeiten werden durch
Messungen der Gesamtdynamik und der Belastungen der Anlage
REpower 5M mit einer Jacket-Tragstruktur im Windpark alpha
ventus validiert. Vergleichbar mit der o.g. Arbeit von Jan Quappen
werden
die
spezifischen
Besonderheiten
dieser
Anlagenkonfiguration wie z.B. Jacket mit hydrodynamisch relativ
transparentem Verhalten, hohe dynamische Steifigkeit der
Gesamtstruktur, aufgelöster Triebstrang und die spezifische
Anlagenregelung analysiert. Zur weiteren Absicherung der
gesuchten Erkenntnisse bietet es sich an, diese mit dem Verhalten
dieses WEA-Typs an einem anderen Standort zu vergleichen
und/oder mit einer anderen Tragstruktur wie z.B. der
Schwerkraftgründung und Monopile. Des Weiteren ist an die
Entwicklung von Simulationsmethoden gedacht, die sich für die
jeweilige Entwurfsphase eignen wie z.B. parametrisierte Modelle
oder an vereinfachte, schnelle Verfahren für den Vorentwurf.
REpower 5M mit JacketTragstruktur
Quelle: DOTI GmbH
Forschung
29
4.5 Darstellung einzelner Forschungsprojekte
Die befristete Grundfinanzierung des SWE besteht aus einer jährlichen Zuwendung der Karl
Schlecht Stiftung in Höhe von 250.000 € und einem fünfjährigen Anschub aus zentralen
Universitätsmitteln. 2007, vier Jahre nach Gründung des SWE, überstiegen dessen
Drittmitteleinnahmen erstmals die Zuwendungen aus der Stiftung. Ab dem Jahr 2008 wurden
nochmals jeweils erheblich höhere Einnahmen durch die Einwerbung von großen
Verbundforschungsvorhaben realisiert.
4.5.1 Forschungsprojekte im Rahmen der BMU-Programms Research at alpha
ventus (RAVE)
LiDAR II – Entwicklung gondelbasierter LiDAR-Technologien für die Messung des
Leistungsverhaltens und die Regelung von Windenergieanlagen
Projektinhalt
1. Entwicklung und Erprobung eines robusten gondelbasierten LiDAR-Systems
2. Erprobung LiDAR-Regelung
3. Leistungscharakteristik und -monitoring bei inhomogener Einströmung
SWE-Beitrag
Stationäres Leistungs- und Ertragsverhalten mit gondelbasiertem LiDAR im OffshoreTestfeld „alpha ventus“
Untersuchung des einströmenden Windfeldes
Prädiktive Regelung mit gondelbasierter LiDAR-Technologie zur Böenkompensation und
Ertragsoptimierung
Projektpartner
Universität Oldenburg, Deutsches Windenergie Institut GmbH (DEWI), Fördergesellschaft
Windenergie e.V. (FGW), AREVA Wind GmbH
Finanzierung
BMU
Laufzeit
1.November 2010 bis 31. Oktober 2013
Kontakt
Dipl.-Ing. D. Schlipf
OWEA – Verifikation von Offshore-WEA (im Offshore-Testfeld alpha ventus)
Projektinhalt
In diesem Verbundprojekt werden in fünf Arbeitspaketen essentielle Aspekte der OffshoreWEA (d.h. Rotor-Gondeleinheit und Tragstruktur) und der untrennbar mit der
Anlagendynamik verbundenen Belastungen und Betriebseigenschaften sowie die
meteorologischen Umgebungsbedingungen in Windparks untersucht.
Das Projekt befasst sich speziell mit den Offshore-Windenergieanlagen und untersucht
deren Leistungskurven als Einzelanlage und im Windpark unter Offshore-Bedingungen,
ihre Dynamik einschließlich Wind-, Wellen- und Windparkbelastungen und die Entwicklung
von Monitoring-Verfahren zur Überwachung des Betriebsverhaltens. Insgesamt sind elf
Partner an diesem Forschungsvorhaben beteiligt; jeweils mit eigenen Anträgen vertreten
sind die Universität Stuttgart, die Universität Oldenburg, die Universität Hannover, das
Deutsche Windenergie-Institut, das Karlsruher Institut für Technologie (KIT), die AREVA
Wind GmbH und die REpower Systems AG.
Folgende Arbeitspakete werden bearbeitet:
1. Leistungskurve offshore – Bestimmung und atmosphärische Einflüsse
2. Verifikation der Strömungsbedingungen und Nachlaufbelastungen in OffshoreWindparks
3. Verifikation der Anlagendynamik und der Belastungen
4. Online-Monitoring des Belastungsverhaltens
5. Verifikation der Turbulenzparametrisierung in numerischen Simulationsmodellen zur
Windanalyse und –vorhersage
SWE-Beitrag
Leitung und inhaltliche Arbeiten der Arbeitspakete 3 und 4, Inhaltliche Mitarbeit in den
Arbeitspaketen 1 und 2
30
Projektpartner
Forschung
-
Universität Stuttgart, Stiftungslehrstuhl Windenergie am Institut für Flugzeugbau und
Institut für Aerodynamik und Gasdynamik
-
Carl von Ossietzky Universität Oldenburg, Institut für Physik
Leibniz Universität Hannover
DEWI GmbH
Institut für Solare Energieversorgungstechnik e.V., Kassel
DEWI-OCC GmbH
Germanischer Lloyd Industrial Services GmbH
Fördergesellschaft Windenergie e.V.
Institut für Meteorologie und Klimaforschung, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
REpower Systems AG
AREVA Wind GmbH
Finanzierung
BMU
Laufzeit
ab 1. Dezember 2007 bis 31. Juni 2012,
Kontakt
OWEA Loads – Probabilistische Lastbeschreibung, Monitoring und Reduktion der
Lasten zukünftiger Offshore-Windenergieanlagen (im Offshore-Testfeld alpha ventus)
Projektinhalt
In diesem Verbundprojekt werden in drei Arbeitspaketen meteorologische
Umgebungsbedingungen und deren spezifische Einwirkungen auf die Belastungen der
Offshore-WEA untersucht.
Der SWE konzentriert sich hierbei auf die möglichst exakte Erfassung und Beschreibung
der gewonnenen Messdaten. Forschungsziele sind hierbei zum einen, ein Verfahren zu
entwickeln, um Messdaten der Betriebsparamter, der Belastungen und der Schwingungen,
möglichst effizient und rationell zu plausibilisieren und automatisiert weiterverarbeiten zu
können. In einem weiteren Schritt sollen Simulationsmodelle anhand der plausibilisierten
Datensätze weiter verifiziert und auf Ihre Anwendbarkeit und spezifische Eignung
untersucht werden. Ferner ist vorgesehen, anhand der plausibilisierten Messdaten
probabilistische Lastbeschreibungen abzuleiten, sowie das Lastmonitoring mittels SCADADaten weiterzuentwickeln.
SWE-Beitrag
Gesamtkoordination des Projektes, Inhaltliche Leitung einzelner Arbeitspakete
Projektpartner
-
Universität Stuttgart, Stiftungslehrstuhl Windenergie am Institut für Flugzeugbau und
Institut für Aerodynamik und Gasdynamik
-
Carl von Ossietzky Universität Oldenburg, Institut für Physik
REpower Systems AG
AREVA Wind GmbH
Leibniz Universität Hannover
Germanischer Lloyd Industrial Services GmbH
Finanzierung
BMU
Laufzeit
ab 01. Dezember 2012 bis 30. November 2015
Kontakt
Forschung
31
4.5.2 Forschungsprojekte gefördert durch Bundesministerien
Lidar complex – Entwicklung von Lidar-Technologien zur Erfassung von
Windfeldstrukturen hinsichtlich der Optimierung der Windenergienutzung im
bergigen, komplexen Gelände
Projektinhalt
1.
2.
3.
Messverfahren im komplexen Gelände
Windfelduntersuchung und Modellierung
Übertragung der Ergebnisse auf WEA-Kenngrößen
SWE-Beitrag
Metrologische Messungen nach IEC an einem komplexen Standort
Lidar Messungen im IEC konformen und komplexen Gelände
Entwicklung von Messstrategien für Lidar Messungen im komplexen Gelände
Simulation und Auswertung eines realen WEA-Modells im IEC konformen Gelände
Simulation und Auswertung generischer WEA-Modelle im komplexen Gelände
Erstellung und Validierung eines Windfeldgenerators
Projektpartner
Universität Tübingen, Zentrum für angewandte Geophysik
Universität Stuttgart, Institut für Flugzeugbau und Institut für Aerodynamik und Gasdynamik
Institut für Meteorologie und Klimaforschung, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Kenersys GmbH
Fördergesellschaft Windenergie e.V. (FGW)
Finanzierung
BMU
Laufzeit
1.Oktober 2012 bis 30. September 2015
Kontakt
Dipl.-Ing. M. Hofsäß
Strukturoptimierte Türme für Offshore-Windkraftanlagen aus UHFFB
Projektinhalt
Ziel des Forschungsvorhabens ist die Durchführung von Forschungs- und
Entwicklungsarbeiten für den Entwurf von strukturoptimierten Türmen von OffshoreWindenergieanlagen aus ultrahochfestem Faserfeinkornbeton (UHFFB) in
Segmentbauweise.
Im Forschungsvorhaben sollen die Entwurfs- und Berechnungsgrundlagen für Türme von
Offshore-Windenergieanlagen aus UHFFB erarbeitet und die konstruktiven
Detailausbildungen entwickelt und untersucht werden. Ein besonderes Augenmerk liegt
dabei auf den hohen dynamischen Anforderungen. Für den Turm sollen die
herausragenden Materialeigenschaften von UHFFB wie z.B. die enorme Dauerhaftigkeit
und die sehr hohe Materialfestigkeit ausgenutzt werden, die eine materialsparende
Bauweise ermöglichen. Das Vorhaben wird in enger Zusammenarbeit mit Lafarge, der Ed.
Züblin AG und dem Stiftungslehrstuhl Windenergie der Universität Stuttgart durchgeführt.
Die Ed. Züblin AG wird eine wirtschaftliche Verfahrenstechnik für die Errichtung von UHFFB
Offshore-Windenergieanlagen entwickeln. Sie verfügt bereits über ein innovatives
Gründungskonzept für derartige Konstruktionen. Lafarge hat mit Ductal® einen
praxistauglichen UHFFB entwickelt, der bereits bei vielen Bauwerken im Ausland
erfolgreich eingesetzt wurde.
SWE-Beitrag
Lastrechnungen und generische Anlagenmodelle
Projektpartner
Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren der Universität Stuttgart, Lafarge, Ed.
Züblin AG
Auftraggeber
Bundesamt für Bauwesen und Raumordnung [Bundesministerium für Verkehr, Bau und
Stadtentwicklung]
Finanzierung
Drittmittel mit Eigenanteil
Laufzeit
1. Januar 2010 bis 31. Dezember 2012
Kontakt
Dipl.-Ing. J. Quappen
Baltic I
32
Projektinhalt
Forschung
Der erste rein kommerzielle deutsche offshore Windpark Baltic I wird in den ersten
Betriebsjahren von einem Forschungsvorhaben begleitet. Der kommerzielle Betrieb, bietet
die Möglichkeit, wichtige Forschungsergebnisse direkt in ein kommerzielles
Windparkmanagementsystem zu integrieren und Optimierungspotenziale sichtbar zu
machen.
Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Netzintegration von Windparks unter Einbeziehung
von Leistungsprognosen und neuartiger Strategien zur Überwachung des
Betriebsverhaltens der einzelnen Windenergieanlagen sowie des Windparks als Ganzes.
Das Projekt verfolgt die Optimierung des wirtschaftlichen Betriebs großer offshore
Windparks und der Erzeugung im Verbundnetz. Letztendlich soll das Projekt dazu
beitragen, die Ertragsrisiken von offshore Parks unter den spezifischen meteorologischen
Bedingungen der Ostsee zu verringern.
SWE-Beitrag
Weiterentwicklung von Load Monitoring Verfahren und long-range LiDAR Windmessungen
für Windpark Nachlaufuntersuchungen
Projektpartner
EnBW Erneuerbare Energien GmbH, Universität Oldenburg
Finanzierung
BMU
Laufzeit
01.3.2011 - 31.05.2014
Kontakt
Dipl.-Ing. J. Anger
OptiWin - LARS
Projektinhalt
Ziel des Ziel des Vorhabens LARS ist die Entwicklung eines Systems zur Verbesserung der
Lastsituation an großen 2-Blatt-Rotoren durch gezielte Gestaltung bzw. aktive Regelung
neu eingeführter Elastizitäten (Nachgiebigkeiten) innerhalb der Anlage.
Bei Windenergieanlagen mit 2-Blatt Rotoren, von deren Einsatz insbesondere im OffshoreBereich Kostenvorteile gegenüber den 3-Blatt-Rotoren erwartet werden, ist das
dynamische Lastverhalten aufgrund wechselnder Trägheitsmomente deutlich komplexer als
bei 3-Blatt-Rotoren. In dem Forschungsvorhaben werden Möglichkeiten untersucht, durch
das Regeln von aktiven, elastischen Schnittstellen in der Konstruktion die Lasten an der
Windenergieanlage zu reduzieren. Hierzu werden zunächst Methoden entwickelt, bzw.
angepasst, mit denen das Verhalten der Anlage mit den geplanten Schnittstellen berechnet
werden kann. Hierauf aufbauend werden geeignete Schnittstellenparameter und
Regelalgorithmen entwickelt und das Gesamtverhalten der Anlage simuliert.
SWE-Beitrag
Berechnung des aeroelastischen Verhaltens mit Hilfe von Free-Wake-MBS-Kopplung;
Analyse und Optmierung der Lastsituation
Projektpartner
SkyWind GmbH
IAG Stuttgart
DLR
Finanzierung
BMU
Laufzeit
01.12.2012 - 30.09.2015
Kontakt
Dipl.-Ing. S. Hauptmann (ab vorauss. 01.04.2013: Dipl.-Ing. Birger Luhmann)
Forschung
33
4.5.3 Forschungsprojekte, gefördert durch die Europäische Union
KIC Inno Energy - OFFWINDTECH – Work Package 3: Offshore Blades
Projektinhalt
Ziel des Projekts ist die Entwicklung von Rotorblattprofilen, spezifisch entwickelt für die
aerodynamischen Bedingungen von schwimmenden Offshore-Windturbinen. Dazu werden
Simulationsmodelle und Methoden basierend auf Mehrkörpersimulation und linearer
Hydrodynamik entwickelt, um die Einströmbedingungen am Rotorblatt möglichst genau
vorherzusagen. Weiter wird eine CFD-Prozesskette entwickelt, um einen optimalen
aerodynamischen Blattentwurf zu bestimmen. Zum Abschluss des Projekts findet eine
detaillierte Lastanalyse der Turbine mit dem neuen Entwurf statt.
SWE-Beitrag
Entwicklung von Simulationsmodellen und Methoden basierend auf Mehrkörpersimulation
und linearer Hydrodynamik, um die Einströmbedingungen am Rotorblatt möglichst genau
vorherzusagen und eine detaillierte Analyse der Gesamtanlage mit den neu entwickelten
Profilen.
Projektpartner
IAG, IREC, IST, KTH
Finanzierung
KIC Inno Energy
Laufzeit
Januar 2011 – Juli 2013
Kontakt
Dipl.-Ing. D. Matha
KIC Inno Energy – NEPTUNE
Projektinhalt
Das Hauptziel dieses Projekts besteht in der Entwicklung einer schwimmenden Plattform
bzw. einer Boje für meteorologische und ozeaonographische Messungen auf hoher See.
Für die Messungen des Windfelds soll zu diesem Zweck ein Lidar-Gerät eingesetzt werden.
Weitere Ziele im Rahmen dieses Projekts sind u.a die Entwicklung von Verfahren zur
Kompensation von Auswirkungen der Bewegung solch einer schwimmenden Plattform, auf
die Messung des Windfelds. die Aufbereitung der gesammelten Daten für mögliche
Anwender im Bereich der Windenergie sowie die Entwicklung von Methoden welche
,basierend auf Messdaten dieser Boje, eine genauere Vorhersage von Wind und
Wellenbedingungen ermöglichen.
SWE-Beitrag
Mitarbeit und Betreuung von Messkampagnen der Boje sowie des Lidar-Systems. Analyse
und Weiterverarbeitung der bei diesen Messkampagnen erfassten Messdaten. Entwicklung
von Methoden zur Kompensation der Bojenbewegung auf die Lidar-Messung sowie.
Entwicklung von Software-Lösungen zur Aufbereitung der gesammelten Daten für
Anwendungen im Bereich der Windenergie.
Ausserdem beratende Tätigkeit bei der Lidarbeschaffung, Kalibrierung, Zertifizierung und
Evaluation für einen Einsatz auf einer schwimmenden Plattform.
Projektpartner
IREC, GasNatural, UPC-RSLab, UPC-LIM, CIEMAT, SIMO
Finanzierung
KIC InnoEnergy
Laufzeit
Dezember 2011-Oktober 2014
Kontakt
Dipl.-Ing. O. Bischoff
34
Forschung
KIC Inno Energy - AFOSP
Projektinhalt
Ziel des Projekts ist das Design einer schwimmenden Offshore Substruktur und Verifikation
des Verhaltens mit Hilfe von Wassertank Tests.
SWE-Beitrag
Erstellung eines State-of-the-art reports zu aktuellen schwimmenden Offshore
Substruktur Designs und Auslegemethoden.
Design und Simulation verschiedener möglicher Konzepte
Auswahl eines Konzepts und detaillierteres Design
Unterstützung der Partner bei Wellentank Tests
Verifikation des Designs und der Simulationsergebnisse mit Testdaten
Projektpartner
UPC, Gas Natural Fenosa
Finanzierung
KIC Inno Energy
Laufzeit
Juli 2012 – Juni 2014
Kontakt
Dipl.-Ing. D. Matha
MaRINET
Projektinhalt
MARINET is an EC-funded network of research centres and organisations that are working
together to accelerate the development of marine renewable energy technologies - wave,
tidal & offshore-wind - by offering periods of free-of-charge access to their world-class
testing facilities and conducting joint activities in parallel to standardise testing, improve
testing capabilities and enhance training and networking.
SWE-Beitrag
-
Koordinierung der Arbeitspakete und Anfragen an die Einrichtungen der Universität
Stuttgart (http://www.fp7-marinet.eu/USTUTT.html)
-
Mitarbeit in den Arbeitspaketen „2 Ocean Energy System Testing – Standardisation and
best practice” und “Research to innovate and improve Infrastructures, technologies and
techniques.”
Projektpartner
http://www.fp7-marinet.eu/about_network_partners.html
Finanzierung
EU
Laufzeit
April 2011 – März 2015
Kontakt
Dipl.-Ing. A. Rettenmeier
4.5.4 Forschungsprojekte, gefördert durch Industriepartner
SIMPACK Add-on Module Wind Turbine
Projektinhalt
In diesem Projekt wird das Mehrkörpersimulationsprogramm SIMPACK zu einem
vollwertigen Simulationsprogramm für Windenergieanlagen weiterentwickelt. Zu diesem
Zweck wird SIMPACK um die Charakteristika von Windturbinen (Rotoraerodynamik,
Windfeldmodellierung, Regelung, Generator/Umrichter, etc.) erweitert und es werden
parametrisierte Modelle von Windenergieanlagen erstellt. Das entstehende Softwarepaket
wird im Anschluss zertifiziert.
SWE-Beitrag
Koppelung von SIMPACK mit rotoraerodynamischen Modellen, Modellierung der
Windenergieanlage, spezifisches Pre- und Postprocessing, Erprobung und Validierung
Projektpartner
INTEC GmbH, Wessling
Finanzierung
INTEC GmbH und Eigenmittel
Laufzeit
1. Juli 2006 bis 30. Juni 2012
Kontakt
Dipl.-Ing. D. Matha
Forschung
35
IPC – Individuelle Pitchregelung von Windenergieanlagen und Validierung durch
Hardware-in-the-Loop-Tests
Projektinhalt
Mit dem Aufkommen neuer Regelungsstrategien, wie der Einzelblattverstellung zur
Reduktion der Lasten auf das Gesamtsystem Windkraftanlage, steigen die Anforderungen
an die Pitch-Verstelleinrichtungen weiter an, da für diese Art der Regelung die
Blattverstellung auch im Teillastbereich und mit teilweise hohen Verstellgeschwindigkeiten
(bis zu 10° pro Sekunde) aktiv sein muss.
In diesem Industrieprojekt werden Verfahren und Komponenten für die individuelle
Pitchregelung entwickelt und erprobt.
SWE-Beitrag
Verschiedene inhaltliche und organisatorische Aufgaben, u.a. Entwicklung und Betrieb
eines Hardware-in-the-Loop-Teststands für Pitchsysteme
Projektpartner
Robert Bosch GmbH
Finanzierung
Robert Bosch GmbH
Laufzeit
1. Juni 2008 bis 30. April 2012
Kontakt
Dipl.-Ing. S. Baehr
Voith Tidal Hydroelasticity
Projektinhalt
In diesem Projekt wird die Fluid-Struktur-Interaktion an Gezeitenströmungsturbinen
simuliert, analysiert und optimiert.
SWE-Beitrag
Aufbau der Simulationsumgebung und Identifizierung relevanter Lastfälle, Durchführung
und Auswertung der Simulationsergebnisse
Projektpartner
Voith Hydro Ocean Current Technologies GmbH & Co. KG
Finanzierung
Voith Hydro Ocean Current Technologies GmbH & Co. KG
Laufzeit
1. Januar 2012 bis 31. Dezember 2015
Kontakt
Dipl.-Ing. M. Arnold
36
Forschung
4.5.5 Sonstige Forschungsprojekte,
internationale Gemeinschaft
finanziert
durch
Eigenmittel
bzw.
OC-4: IEA Wind Annex 30 – Offshore Code Comparison Collaboration Continuation
Projektinhalt
Internationaler Vergleich und Weiterentwicklung aeroelastischer Simulationsprogramme für
Offshore-WEA. Hierbei wird insbesondere die Gesamtdynamik bei Verwendung
unterschiedlicher bodengegründeter und schwimmender Tragstrukturen für ein breites
Spektrum von Belastungssituationen untersucht.
SWE-Beitrag
Verifikation und Erweiterung des Flex5-Codes und der Simpack Offshore Module
Projektpartner
ca. zehn internationale Partner, Koordination National Renewable Energy Laboratory NREL
(USA) und Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik Fraunhofer IWES
Auftraggeber
International Energy Agency (IEA)
Finanzierung
Eigenmittel
Laufzeit
3 Jahre (Beginn Mai 2010)
Kontakt
Dipl.-Ing. D. Kaufer, Dipl.-Ing. D. Matha
IEA Annex 32 – Wind Lidar for Wind Energy Deployment
Projektinhalt
SWE-Beitrag
Weiterentwicklung der Lidar Technologie hinsichtlich
-
Kalibrierung und Klassifizierung
-
Anwendungen bei der Zertifizierung von Windenergieanalgen (Leistungskurvenmessung und Lastbestimmung)
-
Arbeitspaketleitung des Subtask III „Procedures for wind turbine assessment“
Windpotenzialbestimmung im bergigen Gelände und auf schwimmenden Plattformen,
Turbulenzmessung und extremen Windereignissen
Mitarbeit in den weiteren subtasks
Projektpartner
Weltweit
Auftraggeber
International Energy Agency (IEA)
Finanzierung
IEA Mitgliedsländer
Laufzeit
3 Jahre
Kontakt
NREL-Zusammenarbeit: Erprobung von LiDAR basierter Regelung
Projektinhalt
An den Testanlagen des National Wind Technology Centers in Boulder Colorado soll die am
SWE entwickelte LiDAR basierte Feed-Forward Regelung getestet werden.
SWE-Beitrag
Bereitstellung LiDAR System und Regelungsalgorithmen
Projektpartner
National Wind Technology Center am National Renewable Energy Laboratory NREL (USA)
Finanzierung
Eigenmittel
Laufzeit
Seit Dezember 2011
Kontakt
Dipl.-Ing. D.Schlipf, Dipl.-Ing. F. Haizmann
4.5.6 Abgeschlossene Forschungsprojekte
RAVE – Research at alpha ventus (RAVE)
Forschung
37
Projektinhalt
Ziel des Projekts ist es, die verschiedenen Forschungsvorhaben zum Offshore-Testfeld
alpha ventus zu vernetzen und zu koordinieren. Weiter sollen die Ergebnisse der einzelnen
Vorhaben zusammengefasst und regelmäßig dem Projektträger, dem Projektbeirat und
dem wissenschaftlichen Beirat sowie der Öffentlichkeit in geeigneter Form präsentiert
werden.
SWE-Beitrag
Vertretung der Verbundforschungsvorhaben LiDAR und OWEA
Projektpartner
ca. 15 Institute und Firmen
Auftraggeber
ISET – Institut für Solare Energieversorgungstechnik e.V., Kassel
Finanzierung
BMU
Laufzeit
ab 1. Mai 2007 bis 30. April 2010
Kontakt
Prof. Dr. M. Kühn, Dipl.-Ing. J. Quappen, Dipl.-Ing. (Uni, FH) A. Rettenmeier
RAVE-LiDAR – Entwicklung von LiDAR-Windmessung für das Offshore-Testfeld
Projektinhalt
1.
2.
3.
Entwicklung und Demonstration von zeitlich und/oder räumlich hoch aufgelösten
Windgeschwindigkeits- und Windfeldmessungen mittels LiDAR in drei typischen
Anwendungen in der Windenergienutzung
Entwicklung und Validierung von Simulationsverfahren für Belastungen durch
dynamische Nachläufe in Windparks
Erarbeitung von standardisierten Messverfahren für Leistungskurvenmessung und
Austausch von Erfahrungen mit der Windenergiebranche.
SWE-Beitrag
Koordination des Verbundvorhabens
Beschaffung und Betrieb des LiDAR-Messgeräts
Entwicklung von Messverfahren in der Einströmung und im Nachlauf, Voruntersuchungen
zur Anlagenregelung
Entwicklung und Validierung von Simulationsverfahren für Nachlaufbelastungen
Entwicklung eines Lidar Scanners, für den Einsatz auf der Gondel (on- und offshore)
Projektpartner
ForWind – Universität Oldenburg, Deutsches Windenergie Institut GmbH (DEWI),
DLR Oberpfaffenhofen, Fördergesellschaft Windenergie e.V. (FGW)
AREVA Wind GmbH
Finanzierung
BMU
Laufzeit
1. August 2007 bis 31. Oktober 2010
Kontakt
WinReNN – Ertragsprognosen von Windenergieanlagen mit rekurrenten neuronalen
Netzen
Projektinhalt
Ein wichtiger Schritt für eine optimierte Nutzung der Windenergie ist eine möglichst hohe
Genauigkeit der Ertragsprognosen für WEA. Diese ist grundsätzlich erforderlich, um z. B.
Instabilitäten im Stromnetz durch die fluktuierende Einspeisung und damit den Bedarf an
Regelleistung für den Kurzzeitbereich (Nowcasting: 1 – 6 h) zu minimieren. Weiterhin ist
es wichtig, die Prognosen für den Vorhersagezeitraum von 12 – 72 h zu verbessern, damit
die Kraftwerkseinsatzplanung (z. B. Warmreserven) weiter optimiert werden kann.
Oberstes Ziel des Vorhabens ist, den Prognosefehler für den Ertrag von
Windenergieanlagen mit einem neuen Ansatz basierend auf rekurrenten neuronalen
Netzen (RNN) zu minimieren und gegenüber den aktuell eingesetzten Verfahren um
mindestens einen Prozentpunkt zu senken. Aufgrund der Überlegenheit von RNNs
gegenüber traditionellen Methoden und Multilayer-Perzeptron-Netzen (MLP) bei der
Bearbeitung von Zeitreihen und nach den bisherigen Erfahrungen der Projektpartner
erscheinen deutlich größere Verbesserungen jedoch durchaus erreichbar. Weiterhin wird
besonders auf die Vorhersage von Sturmabschaltungen Wert gelegt, da diese das
Vorhalten hoher Reserveleistungen bedingen.
SWE-Beitrag
Arbeitspaket 2.1: Aufbereitung und Validierung von WEA-Daten
Arbeitspaket 4: Unterstützung beim Aufbau und der Erprobung eines Online-Systems
Projektpartner
Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoffforschung Stuttgart (ZSW), TU München
38
Forschung
Auftraggeber
ZSW
Finanzierung
BMU
Laufzeit
01.10.2008 - 30.04.2011
Kontakt
Dipl.-Ing. O. Bischoff
Forschung
39
Integrated Project „UPWIND – Integrated Wind Turbine Design“
Work Package 4: (Offshore) Support Structures and Foundations
Projektinhalt
Innerhalb des integrierten Projekts „UpWind“, mit 16 Arbeitspaketen und 39 Partnern,
bestehen die Hauptaufgaben des Arbeitspakets 4 aus den Teilpaketen:
-
Integrierter Entwurf von Anlage und Tragstruktur sowie Einsatz der Anlagenregelung
zur Reduktion der Belastungen und der Empfindlichkeit gegenüber wechselnden
Standortbedingungen
-
Entwicklung innovativer, kostengünstiger Tragstrukturen, d. h. bodengegründeter
Strukturen, wie Fachwerk und strukturell weiche Monopiles sowie schwimmender
Strukturen, die neue Anforderungen auch an die Anlage stellen
-
Entwicklung von Entwurfswerkzeugen und -methoden sowie Unterstützung der
Revision der 1. Ausgabe der Norm IEC 61400-3
SWE-Beitrag
Koordination des gesamten Arbeitspakets 4 sowie der Teilaufgaben 4.1 „Integrierter
Entwurf von Anlage und Tragstruktur“ und 4.3 „Weiterentwicklung von Entwurfsmethoden
und Normen“
Projektpartner
TU Delft, Garrad Hassan, Rambøll, Risø-DTU, Germanischer Lloyd, General Electric,
Dong, Shell, Vattenfall, NREL (USA), Fraunhofer-IWES
Finanzierung
EU, 6. Rahmenprogramm
Laufzeit
1. März 2006 bis 27. Februar 2011
Kontakt
M.Sc. Dipl.-Ing. (FH) T. Fischer
Integrated Project „UPWIND – Integrated Wind Turbine Design“
Work Package 1A3: Training and Education
Projektinhalt
Analyse der existierenden europäischen Schulungs- und Fortbildungsangebote im
Fachgebiet Windenergie. Daran anschließend soll eine Windenergieinformations- und
Schulungsplattform im Internet aufgebaut werden, in die auch modular die Ergebnisse des
UpWind-Projekts einfließen.
SWE-Beitrag
inhaltliche Mitarbeit
Projektpartner
TU Delft, WMC, ECN, Uni Aalborg, Risø -DTU, Uni Patras und Athen, ISET, SWE.
Koordination: CRES, Griechenland
Finanzierung
Laufzeit
1. März 2006 bis 27. Februar 2011
Kontakt
M.Sc. Dipl.-Ing. (FH) T. Fischer
ProTest – PROcedures for TESTing and measuring wind energy systems
Projektinhalt
Verbesserung der experimentellen und numerischen Verfahren zur Ermittlung der
Auslegungslasten für Triebstrang, Pitchsystem und Giersystem einschließlich Richtlinienempfehlungen
SWE-Beitrag
State-of-the-Art-Report, Mehrkörpersimulation mit SIMPACK, Simulation von Verhalten und
Belastungen des Triebstrangs wie auch des Pitchsystems
Projektpartner
Energy Research Center of the Netherlands (ECN) (Koordinator), Deutsches
Windenergieinstitut GmbH (DEWI), Centre for Renewable Energy Sources (CRES),
Hansen Transmissions International N.V., Suzlon Windkraft GmbH, Germanischer Lloyd
AG, Universität Stuttgart
Finanzierung
Laufzeit
1. März 2008 bis 31. August 2010
Kontakt
Dipl.-Ing. T. Hecquet
40
Nationale und internationale Zusammenarbeit
5 Nationale und internationale Zusammenarbeit
5.1 Gremienarbeit und Mitgliedschaften
Der SWE ist Mitglied in verschiedenen Gremien und wissenschaftlichen Vereinigungen.
National
WindForS – Windenergie Forschungsnetzwerk Süd
www.windfors.de
Der SWE legte 2010 den Grundstein zum süddeutschen
Forschungsnetzwerk WindForS und ist seitdem Mitglied
Windenergie
Arbeitskreis Windenergie des Wirtschaftsministeriums Baden-Württemberg
www.wm.baden-wuerttemberg.de
Im Zuge der Neuerstellung des Windatlas Baden-Württemberg hat das
Wirtschaftsministerium des Landes einen Arbeitskreis Windenergie initiiert, in dem
Vertreter aus der Wirtschaft, Wissenschaft und Politik gemeinsame Überlegungen
und Anstrengungen hinsichtlich einer Neukartierung des baden-württembergischen
Atlasses unternehmen. Zu Treffen dieses Arbeitskreises wird auch der SWE geladen.
Fördergesellschaft Windenergie und andere erneuerbare Energien (FGW) e.V.
www.wind-fgw.de
Seit 2005 ist der SWE Mitglied bei der Fördergesellschaft Windenergie und andere
erneuerbare Energien e.V. (FGW). Die FGW, gegründet 1985, ist als gemeinnütziger
Verein organisiert und hat derzeit über 100 Mitglieder. Dazu zählen
Forschungseinrichtungen und Messinstitute, Windkraftanlagenhersteller und zulieferer, Planungs- und Ingenieurbüros, Banken und Versicherungen sowie
Energieversorgungsunternehmen. Die FGW ist Herausgeber der achtteiligen
„Technischen Richtlinien für Windenergieanlagen“ für die Entwicklung und
Etablierung vergleichbarer Messverfahren zur Ermittlung von Leistungskurven,
Schallemissionen und elektrischen Eigenschaften.
Fachausschüsse „Leistungskurve“ und „Windpotential“
Im Rahmen der Mitgliedschaft bei der FGW nimmt der Stiftungslehrstuhl Windenergie
an regelmäßigen Sitzungen der Fachausschüsse „Leistungskurve“ und
„Windpotential“ teil. Dieses Gremium, welchem Vertreter von Unternehmen und
Messinstituten angehören, beschäftigt sich mit Fragestellungen neuer Messmethoden
und
Erweiterungen
der
gängigen
Normen
im
Bereich
der
Leistungskurvenvermessung von Windenergieanlagen.
ForWind (Zentrum für Windenergieforschung der Universitäten Oldenburg,
Hannover und Bremen
www.forwind.de
Seit 2005 ist der SWE assoziiertes Mitglied. Derzeit wird gemeinsam an den
Forschungsprojekten LiDAR-II und OWEA im Rahmen des Offshore-Testfelds “alpha
ventus“ geforscht.
Zentrum für Energieforschung Stuttgart (ZfES)
www.zfes.uni-stuttgart.de
Gegründet von der Universität Stuttgart, von verschiedenen Energieunternehmen und
der Stadt Stuttgart, forschen im Rahmen des ZfES Hochschulinstitute aus dem
Bereich der Energietechnik mit dem Ziel der Entwicklung innovativer und der
Optimierung bekannter Energietechniken sowie der rationellen Energieverwendung.
41
Deutsche Forschungsvereinigung für Mess-, Regelungs- und Systemtechnik
e.V. (DFMRS)
Die DFMRS, Mitgliedsvereinigung der AiF („Arbeitsgemeinschaft industrieller
Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke"), fördert Technik und Technologie der
Mess-,
Regelungs-,
Systemund Automatisierungstechnik
sowie
der
systembezogenen Energietechnik in den Bereichen Forschung, Entwicklung und
Anwendung.
Besonderes
Anliegen
der
DFMRS
ist
die
industrielle
Gemeinschaftsforschung auf den genannten Forschungs- und Entwicklungsgebieten.
International
European Academy of Wind Energy (EAWE)
www.eawe.org
Die „European Academy of Wind Energy“ vereinigt die wichtigsten europäischen
Forschungszentren und Universitäten im Windenergiebereich aus den Ländern
Dänemark, Deutschland, Griechenland, Großbritannien, Niederlande; Norwegen und
Spanien. Damit vertritt sie ca. 80 Prozent der europäischen Forschung im
akademischen Bereich. Die Universität Stuttgart ist durch den Stiftungslehrstuhl
Windenergie und das Institut für Aero- und Gasdynamik vertreten.
ISOPE: Scientific Committee
www.isope.org
Denis Matha ist Mitglied in dem neu gegründeten Komitee (TPC) „Renewable
Energies“ der ISOPE (The International Society of Offshore and Polar Engineers).
Die ISOPE-Veranstaltungen zählen zu den größten Konferenzen im Bereich Offshore
Engineering. Seit 2010 gibt es einen neuen Fokus auf Erneuerbare Energien und hier
speziell Offshore-Windenergie. Hierfür wurde der SWE gebeten, an der Gestaltung
und Organisation dieses neuen Teilgebietes der ISOPE mitzuwirken. D. Matha
unterstützt die Organisation der Konferenz (reviews etc.) und ist Session Chair.
IEC TC88 PT 61400-3-2: New IEC Floating Standard
Im September 2011 wurde die neue IEC TC88 PT 61400-3-2 Arbeitsgruppe
geschaffen, welche sich mit der Entwicklung des neuen IEC Standards 61400-3-2 mit
den speziellen normativen Anforderungen für schwimmende Windturbinen
beschäftigt. Die Gruppe wird vom koreanischen Komitee geleitet. Denis Matha ist
stimmberechtigtes Mitglied des zweiköpfigen deutschen Komitees und bearbeitet im
Rahmen der Standardentwicklung u.a. Fragestellungen bezüglich zukünftiger
Lastfalldefinitionen, Anforderungen an Simulationsprogramme.
IEA Annex 32: Wind Lidar for Wind Energy Deployment
www. Ieawind.org
Im Mai 2011 wurde der neue IEA Task 32 „Wind Lidar for Wind Energy Deployment“
dem Executive Comitee der Internationalen Energie Agentur vorgestellt und positiv
bewertet. Der Task wird geleitet von der Universität Oldenburg, die weiteren Partner
sind das dänische Forschungszentrum DTU Wind und der SWE. Die einzelnen
Arbeitspakete sind wie folgt:
-
Subtask I: Calibration and classification of lidar devices
-
Subtask II: Procedures for site assessment
-
Subtask III: Procedures for wind turbine assessment
-
Subtask IV: Data management
Andreas Rettenmeier leitet den Subtask III.
42
5.2 Kooperationen
WindForS – Windenergie Forschungsnetzwerk Süd
Gemeinsame Verbundprojekte der Partner (Universität Stuttgart, Karlsruher Institut
für Technologie, der Technischen Universität München, der Universität Tübingen, dem
Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden Württemberg (ZSW)
und den Hochschulen Aalen und Esslingen) sowie Kooperationen mit der Industrie
und internationalen Forschungseinrichtungen sollen das gesamte Spektrum von der
Grundlagen- bis zur angewandten Windenergieforschung des Forschungsnetzwerks
abdecken. Auch bei der Ausbildung des ingenieurwissenschaftlichen Nachwuchses
werden die beteiligten Institute und Forschungseinrichtungen zusammenarbeiten,
indem sie beispielsweise für ihre Doktoranden Seminare organisieren und
Lehrveranstaltungen für die Mitglieder der anderen WindForS-Beteiligten öffnen. Die
Wissenschaftler des Forschungsnetzwerks werden außerdem öffentliche Stellen
beraten und in Gremien und Normungsausschüssen wie der Internationalen
Elektrotechnischen Kommission mitarbeiten.
Deutsches Windenergie-Institut GmbH (DEWI), Wilhelmshaven
Mit dem DEWI, das traditionell sehr gute Beziehungen zum DLR und zur Universität
in Stuttgart besitzt, besteht seit 2004 eine Kooperationsvereinbarung, deren Ziel die
Zusammenarbeit in Forschung und Lehre sowie in der Aus-, Fort- und Weiterbildung
auf dem Gebiet der Windenergienutzung ist. Zwischen Winter 2004 und Frühjahr
2010 wurde gemeinsam der Prototyp der AREVA M5000 in Bremerhaven vermessen.
Im Rahmen von Forschungsprojekten mit teils öffentlicher, teils rein industrieller
Finanzierung finden vielfältige Kooperation mit Forschungsinstituten statt, so z.B. mit
ForWind, DEWI, ISET, ECN und mit Industrieunternehmen wie z.B. mit der AREVA
Wind GmbH, REpower Systems SE, Robert Bosch GmbH und der SIMPACK AG.
Im Zuge eines dreimonatigen Forschungsaufenthalts von Andreas Rettenmeier am
dänischen Risø-DTU wurde die Kooperation mit dem renommierten europäischen
Forschungszentrum im Bereich der Lidar-Technologie vertieft und gestärkt. Eine
gemeinsame Messkampagne vom Boden und von der Gondel der Nordtank
Windenergieanlage mit dem SWE-Lidar Scanner führte zu wertvollen Ergebnissen.
Eine neue Kooperation konnte mit dem National Renewable Energy Laboratoy in den
USA eingegangen werden, deren Ziel die gemeinsame Erprobung von LiDAR
basierten
Regelungsalgorithmen
ist.
Im
Rahmen
von
mehrwöchigen
Forschungsaufenthalten von David Schlipf sowie einem dreimonatigen Aufenthalt im
43
Rahmen der Diplomarbeit von Florian Haizmann am National Wind Technology
Center in Boulder, Colorado wurden gute Kontakte zur Regelungsabteilung des NREL
etabliert. Die gemeinsamen ersten öffentlichen Feldtests von LiDAR-Regelung waren
ein großer Erfolg und eine weitere Zusammenarbeit zwischen NREL und SWE auf
diesem Gebiet wird angestrebt.
44
Konferenzen, Symposien und Messen
6 Konferenzen, Symposien und Messen
RAVE International 2012
Im Zuge der Forschungsaktivitäten im Offshore Testfeld Alpha Ventus fand in diesem Jahr
die „RAVE International“ Konferenz in Bremerhaven statt. Dabei wurden die aktuellsten
Forschungsergebnisse der laufenden RAVE Projekte des SWE einem internationalen
Publikum präsentiert. Die Arbeiten des OWEA und LIDAR Projektes stießen auf breites
Interesse und förderten regen wissenschaftlichen Austausch.
ISARS - International Symposium for the Advancement of Boundary-Layer Remote
Sensing
Bei dem alle zwei Jahre stattfindenden Symposium referierten David Schlipf und Andreas
Rettenmeier zu ihren Forschungsthemen und stellten die aktuellsten Ergebnisse vor. Die
dreitägige Veranstaltung (5.-8- Junni 2013) wurde von NOAA (National Oceanic and
Atmospheric Administration) und dem Cooperative Institute for Research in Environmental
Sciences (CIRES) an der University of Colorado in Boulder, USA ausgerichtet.
The Science of Making Torque from Wind 2012
Die „Torgue“ Konferenz findet turnusmäßig aller zwei Jahre statt. Diesjähriger Gastgeber war
die Carl von Ossietzky Universität in Oldenburg. Der SWE war mit insgesamt fünf Vorträgen
Vertreten und wissenschaftlichen Abhandlungen vertreten. Teilgenommen haben in diesem
Jahr Stefan Hauptmann, Ursula Smolka, Denis Matha, David Schlipf und Daniel Kaufer.
Damit
hat
der
SWE
aktuelle
Forschungsergebnisse
zu
den
Themen
Lastsimulationsmethoden und Monitoring Verfahren präsentiert.
ISOPE 2012
Die ISOPE-Veranstaltungen (The International Society of Offshore and Polar
Engineers) zählen zu den größten Konferenzen im Bereich Offshore Engineering. Seit
2010 gibt es einen neuen Fokus auf Erneuerbare Energien und hier speziell Offshore-
45
Windenergie. D. Matha lieferte 2012 einen Vortrag zum Thema „Aerodynamic Inflow
Conditions on Floating Offshore Wind Turbine Blades for Airfoil Design Purposes”.
DEWEK – Deutsche Windenergie Konferenz, 7.-8.11.12
Vom 7. bis 8. November fand die Deutsche Windenergie Konferenz in Bremen statt. Bei den
Vorträgen und Posterpräsentationen wurden Forschungseinrichtungen, Betreibern,
Herstellern, Dienstleistern und anderen Interessierten neueste Entwicklungen vorgestellt.
David Schlipf, Ines Würth, Ursula Smolka und Frank Sandner lieferten vielbeachtete Vorträge
im Bereich LiDAR-Regelung, LiDAR-Site Measurements, Lastensimulation und Modellierung
schwimmender Windkraftanlagen. Außerdem waren Prof. Dr. Po Wen Cheng und Andreas
Rettenmeier als Session Chair und Repräsentanten am WindForS-Stand anwesend. Am
WindForS-Stand konnten sich Besucher an den zahlreichen Postern und bei einer
Präsentation über die Kompetenzfelder des Netzwerks informieren. Die Ausstellung eines
Modellflugzeugs zur Messung meteorologischer Parameter des ZAG im Original (Uni
Tübingen) sowie ein Demonstator der Power-To-Gas Technologie des ZSW lockten
zahlreiche Besucher an den Stand.
50th AIAA Aerospace Sciences Meeting – 31th Wind Energy Symposium
Das 31. Wind Energy Symposium der AIAA Aerospace Sciences Meeting fand dieses Jahr
vom 9.-12. Januar in den USA in Nashville, Tennessee statt. Die Konferenz zählt zu den
weltweit größten im Bereich der Luft- und Raumfahrttechnik und das im Rahmen der
Konferenz stattfindende Symposium für Windenergie ist insbesondere in den USA eine der
bedeutendsten wissenschaftlichen Konferenzen in diesem Sektor, wobei Windturbinen
Aerodynamik und Regelungstechnik einen Schwerpunkt bilden. Mit dem Vortrag
Development, Validation and Application of a Curved Vortex Filament Model for Free Vortex
Wake Analysis of Floating Offshore Wind Turbines präsentierte Friedemann Beyer
Forschungsergebnisse im Bereich der Simulation schwimmender Windturbinen, welche in
Kooperation mit der amerikanischen University of Massachusetts Amherst erarbeitet wurden.
8th PhD Seminar on Wind Energy in Europe
Vom 12. bis 14. September fand das 8th PhD Seminar on Wind Energy in Europe in Zürich,
Schweiz statt. Bei der von der EAWE jährlich organisierten Konferenz für Doktoranden aus
46
dem Forschungsbereich Windenergie nahmen Matthias Arnold (Fluid-Structure-Interaction
on Tidal Current Turbines) und Friedemann Beyer (Dynamic Behaviour of Floating Offshore
Wind Turbines) mit einer Posterpräsentation teil.
Conference on Decision and Control 2012
Die CDC ist die weltweit die größte Konferenz im Bereich Systemtheorie und
Regelungstechnik. Dieses Jahr fand sie vom 10.-13. Dezember in Maui, USA statt. David
Schlipf präsentierte hier einen Vergleich von Reglern für die LiDAR-basierte Regelung von
Windenergieanlagen.
47
Energietag Baden-Württemberg auf dem Schlossplatz
Auch in diesem Jahr war der SWE mit einem Stand auf dem Energietag Baden Württemberg
vertreten. Neben zahlreichen Exponaten zum Anfassen hatten Spaziergänger auf der
Königsstraße die Möglichkeit anregende Diskussionen rund um die Windenergieforschung
zu führen.
Tag der Wissenschaft
Auch am Tag der Wissenschaft der Universität Stuttgart am 30. Juni 2012 war der SWE mit
einem Stand vertreten. Zusammen mit dem IFB wurde der Eingangsbereich des
Pfaffenwaldring 31 mit diversem Ausstellungs- und Informationsmaterial dekoriert um
neugierigen Besuchern einen Einblick in den Forschungsbetrieb zu bieten. Ein Highlight für
die kleinen Nachwuchswissenschaftler: anstatt Harz wurde mit flüssiger Schokolade Formen
infiltriert. Während diese dann im Wasserbad härten mussten, konnten die Kinder ihr
handwerkliches Geschick beim Windräder basteln unter Beweis stellen.
48
Wissenschaftliche Vorträge und Publikationen
7 Wissenschaftliche Vorträge und Publikationen
Matha, D., Sandner, F., & Schlipf, D. (2012). Efficient Critical Design Load Case
Identification for Floating Offshore Wind Turbines with a Reduced Nonlinear
Model. The Science of Making Torque from Wind. Oldenburg, 2012
Schafhirt, S., Kaufer, D., Cheng, P.W., “Optimization and evaluation of pre-design
models for offshore wind turbines with jacket support structures and their
influence on integrated load simulations, paper, The Science of Making Torque
from Wind. Oldenburg, 2012
F. Sandner, D. Schlipf, D. Matha, R. Seifried, P.W. Cheng: Reduced Nonlinear
Model of a Spar-Mounted Floating Wind Turbine, DEWEK, Bremen, 2012.
Fischer, T., “Mitigation of Aerodynamic and Hydrodynamic Induced Loads of
Offshore Wind Turbines”, Dissertation, Shaker Verlag, Stuttgart
Matha, D., Lutz, T., Wendt, F., Cheng, P.W.; “Aerodynamic Inflow Conditions on
Floating Offshore Wind Turbine Blades for Airfoil Design Purposes”, ISOPE 2012,
Rhodes, Greece, 2012
Scheu, M., Muskulus, M., Matha, D.; “Maintenance strategies for large offshore
wind farms”, 9th Deep Sea Offshore Wind R&D Seminar, 19-20 January 2012,
Trondheim, NORWAY
Scheu, M., Muskulus, M., Matha, D.; “Validation of a Markov-based Weather
Model for Simulation of O&M for Offshore Wind Farms”, ISOPE 2012, Rhodes,
Greece, 2012
Matha, D., Sandner, F., Schlipf, D.; “Efficient Critical Design Load Case
Identification for Floating Offshore Wind Turbines with a Reduced Nonlinear
Model”, The Science of Making Torque from Wind 2012 October 9-11, 2012 Oldenburg, Germany
Bekiropoulos, D., Matha, D., Lutz, T., Cheng, P.W., Krämer, E.; “Simulation of
Unsteady Aerodynamic Effects on Floating Offshore Wind Turbines”, DEWEK
2012, Bremen, Germany
Sandner, F., Schlipf, D., Matha, D., Seifried, R., Cheng, P.W.; „Reduced nonlinear
model of a spar-mounted floating wind turbine”, DEWEK 2012, Bremen, Germany
Haid, L., Stewart, G., Jonkman, J., Lackner, M., Matha, D., Robertson, A.;
“Simulation-Length Requirements in the Loads Analysis of Offshore Floating Wind
Turbines” , OMAE 2013, Nantes, France
Duarte, T., Tomas, D., Matha, D., Schuon, F.; “Verification of engineering modeling
tools for floating offshore wind turbines”, OMAE 2013, Nantes, France
Matha, D., Bekiropoulos, D., Fischer, S., Duarte, T., Boorsma, K., Lutz, T., Cheng,
P.W.;“Variations in Extreme Load Predictions for Floating Offshore Wind Turbine
extreme Pitching Motions applying different Aerodynamic Methodologies”, ISOPE
2013, Anchorage, USA
Arnold, M., Cheng, P.W.; "Fluid-Structure-Interaction on Tidal Current Turbines",
8th PhD Seminar on Wind Energy in Europe 2012, Zürich, Switzerland
Arnold, M., Biskup, F., Matha, D., Cheng, P.W.; "Simulation of Rotor-FoundationInteraction on Tidal Current Turbines with Computational Fluid Dynamics",
EWTEC 2013, Aalborg, Denmark
49
Stewart, G., Lackner, M., Haid, L., Matha, D., Jonkman, J., Robertson, A.;
“Assessing Fatigue and Ultimate Load Uncertainty in Floating Offshore Wind
Turbines Due to Varying Simulation Length”, ICOSSAR 2013, Columbia
University, New York, NY, USA
Schlipf, D., Sandner, F., Raach, S., Hocke, V., Matha, D., Cheng, P.W.; “Nonlinear
Model Predictive Control of Floating Wind Turbines”, ISOPE 2013, Anchorage,
USA
D. Schlipf, D. J. Schlipf, M. Kühn, Nonlinear Model Predictive Control of Wind
Turbines Using LIDAR, Wind Energy, 2012.
A. Scholbrock, P. Fleming, L. Fingersh, A. Wright, D. Schlipf, F. Haizmann, F.
Belen, Field Testing LIDAR-Based Feed-Forward Controls on the NREL Controls
Advanced Research Turbine, 51th AIAA Aerospace Sciences Meeting including
the New Horizons Forum and Aerospace Exposition, Grapevine, Texas, January
2013.
D. Schlipf, L. Y. Pao, P. W. Cheng, Comparison of Feedforward and Model
Predictive Control of Wind Turbines Using LIDAR, 51st IEEE Conference on
Decision and Control, Maui, USA, December 2012.
D. Schlipf, P. Fleming, F. Haizmann, A. K. Scholbrock, M. Hofsäß, A. Wright, P. W.
Cheng, Field Testing of Feedforward Collective Pitch Control on the CART2 Using
a Nacelle-Based Lidar Scanner, The Science of Making Torque from Wind,
Oldenburg, Oldenburg, October 2012.
F. Dunne, D. Schlipf, L. Y. Pao, A. Wright, B. Jonkman, N. Kelly, E. Simley,
Comparison of Two Independent Lidar-Based Pitch Control Designs, 50th AIAA
Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace
Exposition, Nashville, USA, January 2012.
D. Schlipf, A. Rettenmeier, F. Haizmann, M. Hofsäß, M. Courtney, P. W. Cheng,
Model Based Wind Vector Field Reconstruction from Lidar Data, German Wind
Energy Conference (DEWEK), Bremen, Germany, November 2012.
D. Schlipf, Lidars for Wind Turbine Control, Summer School in Remote Sensing
for Wind Energy, Boulder Colorado, June 2012.
D. Schlipf, J. Mann, A. Rettenmeier, P.W. Cheng, Model of the Correlation
between Lidar Systems and Wind Turbines for Lidar Assisted Control, 16th
International Symposium for the Advancement of Boundary Layer Remote
Sensing (ISARS), Boulder Colorado, June 2012.
F. Dunne, D. Schlipf, L. Pao, Comparison of Two Independent Lidar-Based Pitch
Control Designs, NREL-report NREL/SR-5000-55544, August 2012
J. J. Trujillo, D. Trabucchi, A. Rettenmeier, D. Schlipf, M. Kühn, Numerical
simulation of detailed lidar measurements in the near wake of a wind turbine, 16th
International Symposium for the Advancement of Boundary Layer Remote
Sensing (ISARS), Boulder Colorado, June 2012.
D. Schlipf, J. Anger, O. Bischoff, M. Hofsäß, A. Rettenmeier, I. Würth, B.
Siegmeier, P. W. Cheng, Lidar Assisted Wind Turbine Control, RAVE International
Conference, Bremerhaven, Germany, May 2012.
U. Smolka, D. Kühnel, J. Quappen, T. Neumann, and P. W. Cheng, “Verification of
wind turbine loads using measurements: raw data and reality,” in Proceedings of
the German Wind Energy Conference, Bremen, Germany, DEWI, November 2012
U. Smolka, D. Kaufer, and P.W. Cheng, “Are sea state measurements required for
fatigue load monitoring of offshore wind turbines?” in Proceedings of The Science
50
of Making Torque from Wind, TORQUE, Oldenburg, Germany, October 2012. In
peer review process.
Beyer F., Matha D., Sebastian T., Lackner M.A., "Development, Validation and
Application of a Curved Vortex Filament Model for Free Vortex Wake Analysis of
Floating Offshore Wind Turbines." 50th AIAA Aerospace Sciences Meeting and
Exhibit, Nashville, TN, 9 - 12 January 2012
A. Rettenmeier, „Future developments and nacelle-based Lidar systems“,
Fachvortrag im Seminar „LiDAR – Windmessung für On- und OffshoreWindparks, Theorie, Erfahrungen und Praxisempfehlungen“, ForWind Academy,
Bremen, Germany, November 2012
A. Rettenmeier, J. Anger, O. Bischoff, M. Hofsäß, D. Schlipf, I.Würth, "Nacellebased Lidar Systems", Summer School in Remote Sensing for Wind Energy,
University of Colorado, Boulder, June 2012
A. Rettenmeier, D. Schlipf, I. Würth, P.W. Cheng, A. Wright, P. Fleming, A.
Scholbrock, P. Veers, "Power Performance Measurements of the NREL CART-2Wind Turbine Using a nacelle-based Lidar scanner", ISARS, Boulder/Colorado,
USA, June 2012
A. Rettenmeier, J. Anger, O. Bischoff, M. Hofsäß, D. Schlipf, I.Würth, P.W. Cheng,
"Development of Lidar wind measurement techniques", RAVE International
Conference, Bremerhaven, Germany, May 2012
A. Rettenmeier, R. Wagner, M. Courtney, J. Mann, O. Bischoff, D. Schlipf, J.
Anger, M. Hofsäß, P. W. Cheng, "Turbulence and wind speed investigations using
a nacelle-based Lidar scanner and a met mast", EWEA, Copenhagen, Denmark,
April 2012
InVentus - Mit dem Wind gegen den Wind
51
8 InVentus - Mit dem Wind gegen den Wind
8.1 Das Inventus-Projekt
Seit Herbst 2007 wird in dem studentischen Projekt
„InVentus“ am SWE ein windgetriebenes Fahrzeug,
das
Ventomobil,
konstruiert,
gebaut
und
weiterentwickelt. Dieses Fahrzeug soll möglichst
schnell gegen den Wind fahren können, ohne dabei
wie ein Segelboot kreuzen zu müssen. Als
Leuchtturmprojekt für nachhaltige Mobilität unter
Nutzung
erneuerbarer
Energien
muss
die
Fahrtrichtung von der Windrichtung unabhängig sein,
denn nur so kann sich prinzipiell ein Fahrzeug auf
einer Straße fortbewegen. Entsprechend besitzt das
Ventomobil kein Segel, sondern einen in den Wind
drehbaren Rotor. Mit dem Projekt setzten Studierende
das in den Windenergievorlesungen am SWE Erlernte
in die Praxis um. Die beiden Diplomarbeiten von Jan
Lehmann und Alexander Miller sowie die Studienarbeit
von Niko Mittelmeier bereiteten im Jahr 2008 die Basis
für ein erfolgreiches Projekt, in dem das komplette
Projektmanagement einschließlich Industriesponsoring
und Öffentlichkeitsarbeit mit Unterstützung des SWE
vom Team selbst übernommen wird. Im Berichtsjahr
brachten etwa 10 Studierende ihr Engagement in das
Projekt ein und konnten so Erfahrungen im Projektmanagement und in der praktischen Umsetzung
theoretischer Konzepte sammeln.
Das Ventomobil beim
Aeolus Race 2008
2009 wurden die beiden Diplomanden schließlich für ihre Diplomarbeiten vom Verein der
Freunde der Luft- und Raumfahrttechnik der Universität Stuttgart e.V. mit dem Boysen-Preis
für die besten Diplomarbeiten im Bereich Umwelttechnik ausgezeichnet. Das Team stellte
das Fahrzeug am Tag der Wissenschaft, bei einem Symposium der EnBW sowie am Uni-Tag
einem breiten Publikum vor.
Das Projekt zeigt nun bereits im vierten Jahr, dass sich studentisches Engagement sehr
erfolgreich in die Arbeit des Lehrstuhls integrieren lässt. Unterstützt durch die Kompetenzen
von SWE, Institut für Flugzeugbau und Institut für Aero- und Gasdynamik arbeiteten
Studierende weitgehend in ihrer Freizeit an einem Vorhaben, das für die Studierenden eine
wertvolle praktische Umsetzung und Ergänzung des im Studium Erlernten darstellt.
Besonders motivierend war die Einladung zur Teilnahme am Jahrestag der Universität
Stuttgart. Zahlreiche interessante Gespräche mit Ehrengästen kamen zustande und vielleicht
auch das ein oder andere Angebot.
8.2 Aktuelles in 2012
Im Jahr 2012 wurde das Ventomobil vollständig überarbeitet und im Rahmen von 2
Bachelorarbeiten und umfangreicher Mitarbeit des studentischen Teams neu definiert. Um
Hierbei zu einem optimalen Ergebnis zu kommen, hat sich das Team dagegen entschieden
am Aeolus-Race 2012 teil zu nehmen und sich vollständig auf die Konstruktions- und
Entwicklungsaufgabe konzentriert. Ziel dieses 2Jahres-Masterplans ist es für das AeolusRace 2013 basierend auf den Erkenntnissen aus den bisherigen Einsätzen des Ventomobils
ein optimales Fahrzeug zu bauen und das langfristige Ziel aller Rennteilnehmer, die
52
InVentus - Mit dem Wind gegen den Wind
Überschreitung der Grenze von 100% der Windgeschwindigkeit als Fahrgeschwindigkeit, zu
erreichen.
Im Rahmen dieser Konstruktion wurde als zentrales Bauteil ein neuer Rahmen in
Kastenrohrbauweise entworfen. Dieser bietet im Vergleich zur bisherigen Lösung aus
geschwungenen Trägern den großen Vorteil einer höheren Flexibilität. Somit sind Einbauten
wie z.B. das Getriebe durch eindeutig definierte, rechtwinklige Anschlusspunkte an den
Rahmen angeschlossen. Neben dem Rahmen wurde auch ein neues Fahrwerk, welches nun
4rädrig ist, entwickelt. Hierdurch konnten die Abmessungen des Fahrzeuges reduziert
werden, so dass sich die Transportmöglichkeiten mit einfach verfügbaren SprinterTransportern vereinfacht haben. Auch konnte in das Fahrwerk ein Federungssystem
eingebaut werden, um den Anpressdruck der Räder besser zu verteilen.
Im Rahmen der Energiegewinnung und
Übertragung
wurde
ebenfalls
ein
vollständig neu entwickeltes System
aufgesetzt. Dieses besteht aus einem
Rotor-Diffussor-System, welches unter
Berücksichtigung
der
vollständigen
Interaktion
ausgelegt
wurde.
Das
Grundkonzept des Triebstrangs wurde aus
dem alten Fahrzeug übernommen, da sich
dieser Ansatz bewährt hat. Jedoch wurden
alle Komponenten neu konstruiert, um die
Abstimmung der Elemente aufeinander zu
Das Ventomobil
optimieren. Hiervon erwarten das InVentusbeim Aeolus Race 2011
Team
eine
Verbesserung
der
3
Triebstrangparameter des Leistungs- und Schubbeiwerts cp und cs, sowie
Triebstrangwirkungsgrades.
2012
wurde
diese
Konstruktionsarbeit
vollständig
abgeschlossen, so dass Ende 2012 mit der Fertigung begonnen werden konnte. Erste
Bauteile aus dem Bereich des Rahmens und Fahrwerks wurden dabei aufgebaut und
getestet.
Das Projekt und seine weitere Fortführung sind ohne die wertvolle ideelle wie auch materielle
Unterstützung von Partnern aus der Industrie nicht denkbar. Durch die Kombination der
industriellen und der akademischen Unterstützung durch Institute der Universität Stuttgart
entwickelt sich das studentische InVentus-Team weiter und es ist in den nächsten Jahren
wieder mit größeren Erfolgen zu rechnen.
Was war sonst noch im Jahr 1
53
9 Was war sonst noch im Jahr 2012
Weltweit erste messtechnische Erfassung multipler Nachläufe von
Windenergieanlagen in einem Offshore-Windpark
Im Verbundforschungsprojekt Baltic-I ist es dem SWE als erste
Forschungseinrichtung weltweitgelungen, multiple Nachläufe eines OffshoreWindparks messtechnisch zu erfassen und zu visualisieren. Der SWE
verwendete hierbei ein 2012 für das Forschungsprojekt angeschafftes long
range LiDAR. Dieses laseroptische Messgerät kann Windgeschwindigkeiten in
einer Entfernung von bis zu 4km erfassen.
54
Anhang I:
Anhang I: Lehrveranstaltungen
Lehrveranstaltungen
Einführung Erneuerbare Energien (EEE)
Vorlesung (4 SWS) mit Hörsaalübungen (2 SWS), SS (SWE-Anteil ca. 1/3)
Diese Pflichtvorlesung im ersten Semester des Bachelorstudiengangs „Erneuerbare
Energien“
wird gemeinsam mit dem Institut für
Energieübertragung
und
Hochspannungstechnik (Modulverantwortlicher Prof. Dr. S. Tenbohlen) und anderen
Instituten der Fakultäten 5 und 7 durchgeführt.
Die Veranstaltung vermittelt eine technisch-ökonomische Einführung in die Erneuerbaren
Energien. Die Studierenden sind anschließend in der Lage, die Bedeutung und die
Potenziale verschiedener Erneuerbarer Energien (Solarthermie, Photovoltaik, Windenergie,
Wasserkraft, thermische Nutzung von Biomasse) quantitativ einzuschätzen. Weiterhin
können sie Berechnungen des Energieertrags, des Wirkungsgrades und der
Wirtschaftlichkeit durchführen sowie Erneuerbare Energien in unterschiedliche
Energieanwendungen und ins internationale Energiesystem einordnen.
Konstruktionselemente der Luft- und Raumfahrttechnik I (KE I)
Vorlesung (2 SWS) mit Hörsaalübungen und Seminar (je 1 SWS), SS
In dieser Pflichtvorlesung ab dem zweiten Semester der Studiengänge „Luft- und
Raumfahrttechnik“ und „Erneuerbare Energien“ werden die Grundlagen für die konstruktive
Ausbildung der Studierenden gelegt. Im Rahmen von studienbegleitenden Klausuren können
zwei benotete Scheine erworben werden, die Voraussetzung für das Erlangen des
Vordiploms sind.
Es werden folgende Aspekte behandelt: Entscheidungsverfahren im Konstruktionsprozess,
Normen und Richtlinien, Passungssystem, Sicherheit und Konstruktionsphilosophien (failsafe, safe-live, damage tolerant), Festigkeitsberechnung und Nachweise im Flugzeug- und
Maschinenbau, Niet-, Bolzen-, Schraubverbindungen (Bauweisen, Anwendung, Auslegung
und Berechnung), Federn, Wälz- und Gleitlager.
Konstruktionselemente der Luft- und Raumfahrttechnik II (KE II)
Vorlesung (1 SWS) mit Hörsaalübungen und Seminar (je 1 SWS), WS
Als Fortführung der zuvor beschriebenen Veranstaltung werden folgende Aspekte behandelt:
Auslegung und Gestaltung von Wellen, insbes. Gestaltfestigkeit, form-, kraft- und
stoffschlüssige Welle-Nabe-Verbindungen, Kupplungen, Getriebe (Grundlagen der
Verzahnung, Zahnradgetriebe, Auslegung von geradverzahnten Stirnradgetrieben), Schweißund Klebverbindungen (Bauweisen, Anwendung, Auslegung und Berechnung), Korrosion
und industrielle Entwicklungsprozesse.
Technology II Modul, Renewable Energy Management Master Freiburg
3 tägiges Blockseminar, WS
Im Rahmen einer Kooperation mit dem Zentrum für Erneuerbare Energien (ZEE) der AlbertLudwigs-Universität Freiburg werden den Studierenden des internationalen Management
Masters die technischen Grundlagen der Windenergienutzung vermittelt. 2012 besuchten
dabei 29 Studenten aus 18 Ländern dieses Modul.
55
Elective II Modul, Renewable Energy Management Master Freiburg
2 wöchiges Blockseminar mit Exkursion, WS
Neben der oben erwähnten Einführung in die technologischen Aspekte der
Windenergietechnik und –nutzung wird ein Wahlpflichtmodul zur vertiefenden Einarbeitung in
den Bereich Windenergie an der Universität Freiburg angeboten. Der Fokus liegt hier auf
dem Management und Planungsaspekt der Windparkplanung. Die durchgeführte Exkursion
soll hierbei die konkrete Umsetzung unterschiedlichster Projekte im Bereich Erneuerbarer
Energien praktisch veranschaulichen.
Windenergienutzung I – Grundlagen (WEN I)
Vorlesung (2 SWS) mit Hörsaalübungen (1 SWS), Laborversuch und Exkursion, SS
In der Vorlesung „Windenergienutzung I“ im Sommersemester werden die physikalischen
und technologischen sowie wirtschaftlichen Grundlagen der Windenergienutzung vorgestellt.
Teil der Lehrveranstaltungen sind fünf Hörsaalübungen und ein Windkanalversuch.
Die Veranstaltung kann potenziell von Hörern aller Studiengänge besucht werden. Prüfungen
sind in diversen Studiengängen möglich. Als Vorleistung für die mündliche Prüfung ist ein
unbenoteter Übungsschein erforderlich, der durch die Teilnahme am Windkanallabor
erworben werden kann.
Inhalte der Lehrveranstaltung:
-
Einleitung, Historie & Potenziale (organisatorische Hinweise, Literatur)
Der Wind (Meteorologie, Windhistogramme, Ertragsberechnung)
Typologie und Funktion von Windenergieanlagen (Windleistung, Betz-Limit, Auftriebsund Widerstandsläufer, Horizontal- und Vertikal-Anlagen, elementare Funktionen)
Aerodynamische Auslegung nach Betz und aerodynamische Verluste
Konstruktiver Aufbau I: Mechanik (Komponenten von WEA, Rotor bis Gründung)
Kennlinien und Leistungsbegrenzung (Kennlinien für Leistung, Schub, Drehmoment eines
Schnellläufers, Leistungsbegrenzung und -regelung, Pitchregelung, Drehzahlregelung)
Laborübung im Böenwindkanal des IAG: Windkanalversuch zur Leistungskennlinie
Dynamische Belastungen (grundlegende Belastungen, Simulation von Belastungen,
Ähnlichkeitstheorie)
Elektrisches System, Anlagenkonzepte (elektrische Grundlagen, vier Anlagenprinzipien,
Sicherheitssystem, Regelung, Betriebsführung, Fernüberwachung)
Wirtschaftlichkeit (Ertrag und Energiegestehungskosten, Energiepreis)
Energiepolitische Fragen (Durchführung im Rahmen einer Pro & Contra-Diskussion)
Präsentation der Ergebnisse des Windkanalversuchs
Exkursion und Besteigung einer Windenergieanlage (Enercon E-66 in Dunningen)
Windenergienutzung II – Windparks (WEN II)
Vorlesung mit Hörsaalübungen (2 SWS) und Seminar Windparkplanung – WindPro (1 SWS),
sowie Exkursion, WS
Die Vorlesung „Windenergienutzung II“ vertieft die Grundlagen aus „Windenergienutzung I“
und legt einen Schwerpunkt auf die diversen technischen und nicht technischen Aspekte von
Windparks, insbesondere offshore. Seit diesem Jahr wird die Vorlesung auf Englisch
angeboten. Teil der Lehrveranstaltungen sind Hörsaalübungen sowie ein Seminar mit dem
Windparkplanungsprogramm WindPro im PC-Pool – die Studierenden planen exemplarisch
selbst einen Windpark.
- Site Assessment
- Wake Deficit
- Site Specific Load Assessment Process
56
-
Environmental Conditions Offshore
Foundation & Logistic
Other Environmental Impacts
Offshore Wind Farms O&M and Floating
Site Specific Loads Offshore
External Lecture: Dipl.-Ökon. I. Lange, Green Brokers GmbH: Wirtschaftliche & rechtliche
Aspekte der Windenergie Projektentwicklung
Grid Connection
Reliability
Dreitägige Exkursion zu Herstellern von Windenergieanlagen und Komponenten
Im Rahmen der Hörsaalübungen und des WindPro Seminars planen die Studierenden in
Zweierteams einen Windpark an einem gegebenen Standort und beurteilen dessen
Wirtschaftlichkeit. Mit dem Programm WindPro werden an sechs Terminen folgende Themen
bearbeitet: Einführung WindPro, Ertrag einer Einzel-WEA, Windparkertrag, Optimierung der
Nachlaufverluste eines Windparks, Schallemission und Schattenwurf.
Entwurf von Windenergieanlagen I – Simulation und Auslegung (WEA I)
Vorlesung (2 SWS) mit Hörsaalübungen (1 SWS), Seminar
Windenergieanlagen (Bladed und SIMPACK) (1 SWS) und Exkursion, SS
Simulation
von
In der Lehrveranstaltung werden die numerische und experimentelle Ermittlung der
Belastungen von Windenergieanlagen (WEA), die Systemauslegung sowie die
Bemessungsverfahren und Bauweisen der wichtigsten Komponenten behandelt.
Die Veranstaltung kann potenziell von Hörern im Hauptstudium aller technischen
Studiengänge parallel zur „Windenergienutzung I“ besucht werden.
-
Einleitung, Auslegungsmethodik & Richtlinien
Windfeldmodellierung (Begriffe, Turbulenzmodellierung, Extremereignisse)
Dynamik des Gesamtsystems (Campbell-Diagramm, Simulation, Strukturdynamik,
Modellierung, Messtechnik)
Blattentwurf mit Nachlaufdrall
Blattelement-Impulstheorie (BEM-Algorithmus, empirische Korrekturen, dynamische
Effekte, Schräganströmung)
Offshore-Umgebungsbedingungen (Wind, Wellen, Strömung, Eis) und Bodenbedingungen
Hydrodynamische Belastungen
Laborübung im Böenwindkanal des IAG, Windkanalversuch zur Leistungskennlinie
(gegenüber WEN I erweiterte Übung)
Dynamik des Gesamtsystems
Regelung und Betriebsführung
Lastfälle und Nachweise nach IEC 61400-1 ed. 2 (Auslegungsprozess, Lastfälle und
Nachweise)
Messung von Belastungen und Leistung nach IEC 61400-12/-13 am Beispiel der
AREVA M5000
Betriebsfestigkeit (Nachweiskonzepte für WEA, Rainflow, Palmgren-Miner, schädigungsäquivalente Lasten, Lastverweildauer)
Auslegung von WEA-Komponenten (Turm, Nabe, Blatt, maschinenbauliche
Komponenten)
Exkursion und Besteigung einer Windenergieanlage (Enercon E-66 in Dunningen,
Rottweil, zusammen mit WEN I)
Im Bladed-Seminar wird anhand einer typischen 2 MW-Windenergieanlage in die Benutzung
des Programms und die Grundlagen aeroelastischer Berechnungen eingeführt. Ab dem SS
2009 findet zusätzlich auch ein Seminar mit dem Mehrkörpersimulationsprogramm SIMPACK
statt.
57
Windenergie-Projekt – Entwurf von Windenergieanlagen II (WEA II)
Lehrveranstaltung in Projektform mit Exkursion (2 SWS), WS
In der Veranstaltung Windenergieprojekt – Entwurf von Windenergienanlagen II (WEA II)
werden die Teilnehmer mit dem Szenario konfrontiert, innerhalb der Entwicklungsabteilung
eines Unternehmens – als eines von mehreren Teams – ein Produkt, z.B. eine
Windenergieanlage, für einen speziellen Markt zu entwickeln. Nach einer Periode von ca.
drei Monaten, während der die Gruppenarbeit durch den SWE theoretisch und praktisch
unterstützt wird, ist ein Produktkonzept für Vertrieb, Konstruktion, Fertigung und Betrieb im
Rahmen eines Vortrags und mittels eines Projektberichts vorzustellen. Bei den
wöchentlichen Gruppenterminen mit den Betreuern wechseln sich Vorlesungsanteile, z.B. zu
Organisation und Qualitätssicherung von industriellen Entwicklungsprozessen (Quality Gate
Prozess), mit Gruppendiskussionen ab. Die konkrete Aufgabenstellung wechselt jährlich.
Die Veranstaltung kann potenziell von Hörern aller technischen Studiengänge als
Fortführung von WEN I und WEA I besucht werden. Prüfungen sind als Wahlfach oder im
Rahmen des Vertiefungsfaches „Flugzeugbau und Leichtbau“ möglich.
Bisherige Aufgabenstellungen:
- „Entwurf einer WEA für einen subtropischen Markt am Beispiel Ägypten“ (WS 2004/05)
- „Entwurf einer Kleinwindenergieanlage der kW-Klasse“ (WS 2005/06)
- „Optimierung einer Starkwind-WEA für den deutschen Binnenmarkt“ (WS 2007/08)
- „Entwicklung einer Windenergieanlage für ein Offshore-Projekt“ (WS 2008/09)
- „Optimization of a Wind Turbine for Extreme Climatic Conditions in China“ (WS 2009/10)
- „Konzeptioneller Entwurf einer 10MW Windenergieanlage für zukünftige OffshoreWindparks“ (WS 2010/11)
- “Frugal Innovation in Wind Energy: Windenergieanlagen Entwurf unter einfachsten
Bedingungen“ (WS 2011/12)
- “Active Flow Control am Rotorblatt mit Flaps” (WS 2012/13)
-
Aufgabenstellung, Quality Gate (QG) Process, Teambildung, Verteilung der Teilaufgaben
Quality Gate 1 – Marktanalyse und Produktdefinition
Konzeptentwurf von WEA – Kostenmodelle, Verfahren zur Investitionskostenrechnung,
Modellgesetze, Auswahl der WEA, Optimierung des Rating
Definition des Zielmarkts und des Endkunden
Festlegen der Standortbedingungen, Leistungsklasse der WEA, Fertigungskonzept
Produktspezifikation
Tutorium: Aerodynamische Rotorauslegung mit Bladed
Quality Gate 2 – Entwicklungsplanung
Produktplanung (Zeitplan, Teamstruktur)
Betriebliche Organisationsstrukturen und Organigramme
Risikoanalyse (Patentrecht, technische Risiken)
Quality Gate 3 – Konzeptanalyse
Konzept und Layout des Maschinenhauses
Anwendung von Kostenmodellen zur Optimierung relevanter Anlagenparameter
(Leistung, Rotordurchmesser, Nennwindgeschwindigkeit)
Rotorauslegung (aerodynamische Auslegung und Vergleich: Rechteckblatt und aerodynamisch optimiertes Blatt)
Regelungskonzept (Leistungsregelung, Sicherheitskonzept)
Konzept für Produktentwicklung, Vertrieb, Fertigung und Betrieb
Abschlusspräsentation am SWE mit externen Branchenexperten
dreitägige Exkursion zu Herstellern von Windenergieanlagen und Komponenten
Windenergie-Labor (WEL)
Lehrveranstaltung in Seminarform (2 SWS), WS
58
Im Windenergielabor werden verschiedene Versuche an der Kleinwindkraftanlage HAWIAN
(1,5 kW, 4 m Durchmesser, Eklipsenregelung, Baujahr 1983) und LAKOTA (1 kW, 2,1 m
Durchmesser, Kipprotor, Baujahr 2007) durchgeführt. Beispiele sind: experimentelle
Strukturanalyse eines Rotorblattes, Bestimmung der Generatorkennlinie und des Getriebebzw. Generatorwirkungsgrades, Untersuchung des Regelungskonzeptes experimentell und
numerisch, Untersuchung des Abregelverhaltens und der Sicherheitssysteme.
Die Veranstaltung kann potenziell von Hörern im Hauptstudium aller technischen
Studiengänge nach Teilnahme an „Windenergienutzung I“ besucht werden. Prüfungen sind
als Wahlfach oder im Studiengang Luft- und Raumfahrttechnik im Rahmen des
Vertiefungsfachs „Flugzeugbau und Leichtbau“ möglich.
Nachhaltige Energie und Verkehrssysteme
Vorlesung (2 SWS), WS & SS
Ziel der Vorlesung ist es, den Studierenden einen Überblick über die aktuellen regenerativen
Energiesysteme, deren volkswirtschaftlichen Potenziale und die Verbindung zu
beispielhaften Verkehrssystemen zu geben. Die Studierenden sollen schließlich ein
Systemverständnis verschiedener Energiewandlungsketten bekommen. Themen sind
Biomasse, -gas, Biomass To Liquid (BTL), Windenergie, Photovoltaik, Brennstoffzellen, CO2Methanisierung, Wasserstoff, Speicherung, Kombikraftwerk, Prognosesysteme,
Elektromobilität, E-Genius, Icaré
Anhang II: Ausstattung
Anhang II:
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Ausstattung
Räume und Labore
Der Lehrstuhl nutzt Büro- und Laborräume im Erdgeschoss und zweiten Stockwerk des
Verfügungsgebäudes am Allmandring 5B. In der Halle des Verfügungsgebäudes stehen ca.
70 qm zur Verfügung.
Weitere Werkstatt- und Laboreinrichtungen des Instituts für Flugzeugbau (IFB) können im
Faserverbundtechnikum, ebenfalls am Allmandring 5B, und am Hauptstandort des IFB, am
Pfaffenwaldring 31, genutzt werden [www.ifb.uni-stuttgart.de]. Im Bedarfsfall kann auf
Einrichtungen der Fakultät für Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie zurückgegriffen
werden (z.B. Windkanäle des Instituts für Aero- und Gasdynamik (IAG) [www.iag.unistuttgart.de]).
Gerätetechnik, Hard- und Software
Im Rahmen der Erstausstattung und mittels einer Anschubfinanzierung durch die KarlSchlecht-Stiftung konnte der Lehrstuhl eine Grundausrüstung für die Büros und Labore
beschaffen. Für den Forschungsbereich wurde in den letzten Jahren neben PC-Hardware
und –Software vor allem ein Vielkanalmesssystem und ein 102 Meter hoher Windmessmast
für Untersuchungen an Windenergieanlagen im Freifeld angeschafft. Im Rahmen eines
Verbundforschungsprojekts des Bundesumweltministeriums wurde ein laser-optisches
LiDAR-Windmessgerät der Fa. Leosphere erworben, mit dem u.a. Messungen vom Boden
und von der Gondel der 5MW-Anlage AREVA M5000 in Bremerhaven durchgeführt wurden.
Mit dem am SWE entwickelten Scanner wurden weitere Messungen des Nachlaufs und des
einströmenden Windfelds von der Nordtank Windenergieanlage auf dem Risø-Campus
(Dänemark) in 2011 durchgeführt. Für 2012 ist eine Lidar-Scanner Kampagne beim National
Wind Technology Center (NWTC) des amerikanischen Forschungszentrums NREL geplant.
Ziel ist die praktische Erprobung einer Lidar gestützten Regelung auf einer Anlage.
Tabelle A1: Hardwareausstattung
Name
Beschreibung
Cronos PL13
Vielkanalmesssystem der Firma IMC;
wird im Rahmen der Vermessung der AREVA M5000 eingesetzt. Es
bietet Platz für 13 Messmodule, belegt sind 7 Steckplätze. Damit
werden Sensoren aufgezeichnet, die folgende Signale ausgeben:
Strom, Spannung, Feldbus (CANBUS), Signale von
Brückenschaltungen und Digital-Signale.
Cronos PL 8
Vielkanalmesssystem der Firma IMC;
wird im Rahmen der Lehre am Institut eingesetzt. Es bietet Platz für 8
Messmodule, verbaut sind 5 unterschiedliche Module. Damit können
Sensoren mit unterschiedlichen Ausgängen aufgezeichnet werden:
Feldbus-Signale, Inkremental-Messgeber, Signale von
Brückenschaltungen, Sensoren mit Stromspeisung und zusätzliche
normale Spannungs- und Stromsignale.
Messmast, 102m
Höhe
Standort: Schnittlingen/Schwäbische Alb; Ausgerüstet mit einer großen
Anzahl an Sensoren (z.B.: 6x Windgeschwindigkeit, 4x Windrichtung,
2x Temperatur…) zur Messung der meteorologischen Bedingungen.
LiDAR „Windcube“
Laser-optisches Messgerät der französischen Firma Leosphere ergänzt
durch einen am SWE entwickelten Windscanner. Anwendung:
Berührungslose Messung der Windgeschwindigkeit in bis zu 200 m
Entfernung.
60
Lakota
Schallanalysator
2250
HIL
LiDAR „Galion“
Klein-Windkraftanlage mit einer Leistung von 1kW. Installation erfolgte
2011 auf dem Dach des SWE
Schallanalysator der Firma Brüel & Kjaer für den Einsatz im Freien und
unter schwierigen Umgebungsbedingungen, daher robust, leicht und
ergonomisch gestaltet.
Teststand für typische Blattverstellsysteme von Windturbinen der
2,5MW Klasse in einer Hardware-in-the-loop Simulationsumgebung.
In Echtzeit simulierte Belastungen werden über einen hydraulischen
Lastaktuator dem Blattverstellsystem aufgeprägt. Die Regelalgorithmen
der Blattverstellung werden anwendungsnah in einem Rapid-ControlPrototyping System abgebildet.
Scanfähiges,laser-optisches Messgerät der schottischen Firma
Sgurr.Energy Ltd. Anwendung: Berührungslose Messung der
Windgeschwindigkeit in bis zu 4000 m Entfernung.
LiDAR-"Windcube" auf SWE-Dach
Vergleichsmessung LiDAR-Windmessmast
LiDAR-"Galion" bei Testmessungen in Schnittlingen, Schw. Alb
61
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Der Lehrstuhl nutzt umfangreiche windenergiespezifische Software (Tabelle A2). Im Rahmen
des Instituts für Flugzeugbau bzw. des Rechenzentrums kann auf weitere Software z.B.
Catia V5, NASTRAN, ANSYS, etc. zurückgegriffen werden.
Tabelle A2: Windenergiespezifische Software
Name
Beschreibung
Bladed (Educational
Version und Full Version)
Strukturdynamische Simulation von Windenergieanlagen (Industriestandard)
DELPHI
Objektorientierte Programmiersprache
FAMOS
Scriptsprache zur Messdatenanalyse und Visualisierung, vom SWE programmierte
Sequenzen zur Lastanalyse und Leistungskurvenmessung
FAST
Strukturdynamische Simulation von Windenergieanlagen
FLAP
Berechnung der Strömungsverhältnisse und des Energieertrags in Windparks
FLEX5 (Quellcode)
Strukturdynamische Simulation von Windenergieanlagen (Industriestandard). Auch
mit Erweiterungen für Offshore Anwendungen durch Kopplung mit finite Elemente
Software (z.B. Poseidon, ANSYS ASAS)
FOCUS
Strukturdynamische Simulation von Windenergieanlagen (PHATAS) und
Strukturberechnung von Rotorblättern (FAROB)
LPile 4.0
Berechnung lateral gebetteter Pfahlgründungen
MatLAB
-
WITLIS: vom SWE programmierte Software zum Design von Scan-Trajektorien,
zum Auswerten von LIDAR Daten und für den Entwurf von Regelungsalgorithmen
Plausibilisierungstools für Messdaten aus dem Offshore Testsfeld alpha ventus
sowie Baltic I
SIMPACK
Allgemeines Mehrkörpersimulationsprogramm, SWE Erweiterungen: SIMPACK Addon Module Wind Turbine
WAsP
Berechnung des Windpotenzials sowie des Ertrags von Windparks (Industriestandard)
WindPro
Planungsprogramm für Windparks (Micrositing, Ertrag, Umweltauswirkungen,
Wirtschaftlichkeit) (Industriestandard)
Permas
Finite Element Programm der Firma Intes, Stuttgart.Es wurden Schnittstellen zu
SIMPACK Add-on Module Wind Turbine geschaffen
ANSYS CFX
CFD RANS Code zur Simulation der Aero- und Hydrodynamik von
Windenergieanlagen und Gezeitenströmungsturbinen
ANSYS AQWA
Hydrodynamischer Panel Code zur Berechnung hydrodynamischer Daten von
Offshore wind Substrukturen im Zeit und Frequenzbereich
DLR FLOWER
CFD URANS Code zur Simulation der Aerodynamik von Windturbinen.
NetOP
Remote-Software zur Steuerung und Fernüberwachung von PC
Windtestfeld „Ulrich Hütter“
Seit fast 50 Jahren besteht das Windenergietestfeld „Ulrich Hütter“ bei Schnittlingen auf der
Schwäbischen Alb, ca. 70 km von der Universität entfernt. Verschiedene Institute der
Universität, des DLR, der Universität Karlsruhe und der Fachhochschule Aalen haben hier
wichtige Forschungsarbeiten durchgeführt. Derzeit betreibt die EnBW eine kommerzielle
Windenergieanlage mit 1 MW Leistung auf dem Gelände. Nachdem die Nutzungsvereinbarung mit der EnBW im Jahre 2001 auslief, konnte der SWE eine weitere Nutzung für
Forschung und Lehre an baden-württembergischen Hochschulen erreichen.

Jahresbericht 2012

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