Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme
Schnell, zuverlässig und kostengünstig liefert die Lidar Boje die erforderlichen Messdaten für die Planung eines Offshore-Windparks.
Windmessung und -modellierung: WEA-Standorte bewerten - von der punktuellen Windmessung bis hin zur Modellierung großskaliger Windfelder
Onshore wie offshore sind Windenergieanlagen (WEA) komplexen Bedingungen ausgesetzt. Entsprechend unterschiedlich sind die Herausforderungen an die numerische Simulation und Bewertung potenzieller Standorte, entsprechend unverzichtbar sind exakte Modellierungen von Windfeldern. Das IWES ist bei der Optimierung numerischer Methoden und Datensätze auf allen relevanten Skalen aktiv, um den Anforderungen der Industrie gerecht zu werden. So beeinflussen die Windparameter etwa bei der Errichtung von Offshore-Windparks Design und Auslegung der WEA sowie ihrer Komponenten inklusive der Fundamente und Türme. Um die numerischen Modelle passgenau für die Standorte zu machen, führt das IWES Offshore-Lidar Messungen durch. Dafür hat es Lidar-Messbojen entwickelt, die auf hoher See meteorologische und ozeanografische Messdaten aufnehmen. Mit innovativen Messkonzepten – unter Verwendung verschiedener Remote-Sensing-Technologien – erfasst das IWES die Windverhältnisse.
Unsere Bereiche
Aerodynamik
Gegenmaßnahmen bei zu starken Schwingungen: Anfälligkeiten von Rotorblättern identifizieren
Ein Stillstand oder Ausfall einer WEA kann zum Trudeln der Anlage führen. Dies wiederum kann zur Folge haben, dass Wind bei sehr hohen Anstellwinkeln auf die Rotorblätter trifft. Dabei kommt es zu Wirbelablösungen, welche stark wechselnde Lasten an den Blättern auslösen und die Rotorblätter in Schwingungen versetzen können. Je nach Intensität der Schwingungen können sie das Blatt oder die Anlage beschädigen oder gar zerstören. Weil es für diesen Vorgang noch keine zuverlässigen Modelle gibt, führt das IWES numerische Strömungssimulationen (CFD) an elastischen Rotorblättern durch. Damit wird es möglich, die Anfälligkeit eines Rotorblattes für solche Schwingungen unter bestimmten Szenarien zu identifizieren und ggf. Gegenmaßnahmen einzuleiten.
Numerische Strömungssimulation als Lösungsansatz
Rotorblätter von Windenergieanlagen werden aktuell schlank und flexibel gebaut. Dies hat verschiedene, auch aerodynamische, Vorteile. Ein Nachteil ist, dass sich durch die Flexibilität ungewünschte Schwingungen aufbauen können. In der Auslegung der Blätter kann für den Standardbetrieb der Anlagen das Verhalten der Rotorblätter recht gut bestimmt und berechnet werden. Dies ist jedoch nicht der Fall, wenn das Strömungsverhalten an den Blättern stark instationär wird, z. B. aufgrund von Wirbelablösungen. Das passiert bei hohen Windgeschwindigkeiten oder in Fällen, in denen die Anlage nicht im Betrieb ist oder, im Extremfall, nicht mehr gesteuert werden kann.
weiterlesen
Numerische Strömungssimulationen (engl. Computational Fluid Dynamics – CFD) erlauben genau dieses Problem durch einen physik-basierten Ansatz der Strömungsrechnung zu untersuchen. Das IWES hat in dem Open Source Code OpenFoam die Möglichkeit einer Strömungsstruktur-gekoppelten Simulation geschaffen. Dabei werden für die Struktur nichtlineare Balken nach der geometrisch exakten Balkentheorie (GEBT) abgebildet, um auch große Deformationen exakt abbilden zu können. Mit dieser Methode ist es möglich, die Schwingungen von Blättern in kritischen Fällen im Detail zu analysieren und mit vereinfachten Modellrechnungen zu vergleichen.
Umfassendes Know-how zur Simulation von Windenergieanlagen
Im Rahmen von OpenFoam wurde ein umfassender Simulationsaufbau für Windenergieanlagen vom Fraunhofer IWES entwickelt und wird im Rahmen von IEA Wind Task 47 und Daten aus dem HighRe-Projekt kontinuierlich validiert. So ist es möglich, trudelnde Anlagen oder auch dynamisches Yawing der Anlagen in der Simulation zu erfassen. Unabhängig vom Wirbelproblem können dazu auch aerodynamische Elemente in die Simulation einbezogen werden, die zu Verbesserung der Aerodynamik beitragen.
High Performance Computing für die Windenergie
CFD-Rechnungen sind sehr zeitaufwendig. Das IWES nutzt sein langjähriges Know-how im Bereich der Hochleistungsrechnungen auf entsprechenden Computern, um die Berechnungen optimiert und effizient durchzuführen. Das IWES berät und schult Unternehmen, um die Möglichkeiten der Open Source CFD auch für die Industrie zu eröffnen.
Post-Construction-Analyse liefert Ertrags- und Performanceinformationen
Die Post-Construction-Analyse (PCA) bietet Betreibern und Eigentümern von Windenergieanlagen oder Windparks wichtige Informationen über deren Energieertrag und Performance. Das Fraunhofer IWES hat in Zusammenarbeit mit Partnern in öffentlichen und bilateralen Projekten einen repräsentativen Datensatz von Offshore-Windparkdaten gesammelt, um Methoden zur PCA zu entwickeln.
Durch die Kombination von Windpark-Ertragsdatenanalysen mit numerischen Methoden und Modellen können die Ursachen für die Performance eines Windparks isoliert betrachtet werden. Zusätzlich wird ein Datensatz aus numerischen Wettersimulationen genutzt, um relevante Parameter wie die Kalibrierung von Modellen zur Nachlaufberechnung zu berücksichtigen.
Mit der Verknüpfung der Methoden des IWES kann allerdings noch eine wesentlich größere Anzahl von Fragen beantwortet werden, beispielsweise: Wieviel hätte der Windpark tatsächlich während der Ausfälle der Netzversorgung sowie bei Einschränkungen der Einspeisung (Eisman) erwirtschaften können? Oder: Wie wirken sich benachbarte Windparks auf die Ertragserwartung aus, und können bisherige Daten dies bereits bestätigen? Aus der Anwendung der Methoden resultiert eine größere Sicherheit über den zukünftig zu erwartenden Ertrag im Vergleich zu früheren Ertragsgutachten.
Das IWES arbeitet kontinuierlich daran, das PCA-Beratungsangebot für die Windindustrie zu optimieren und treibt die Standardisierung der Verfahren in einem aktuellen Forschungsprojekt voran.
Zertifizierung I Akkreditierung
Windparkoptimierung mit Flow © Fraunhofer IWES
Windmessung
Punktuelle Windmessung
Offshore-Windparks werden zunehmend an Standorten meist fernab der Küste errichtet, an denen die Windverhältnisse nicht in ausreichender Genauigkeit bekannt sind. Selbst an in der Vergangenheit vermessenen Standorten führen nachträglich gebaute Windparks mit ihren Nachlaufeffekten zu einer Veränderung der vorherrschenden Windressource. Die verschiedenen Windparameter sind nicht nur zur Bestimmung des Windpotentials notwendig und somit für die Wirtschaftlichkeitsberechnung eines Windparks, sondern auch für das Design bzw. die Auslegung der Windenergieanlage und ihrer Komponenten inklusive der Fundamente und Türme. Genaue Messdaten, geringe Messunsicherheiten und zudem eine hohe Verfügbarkeit sind meist unverzichtbar. Das Fraunhofer IWES hat hierfür eine eigene Messboje entwickelt, welche auf hoher See für die Windindustrie relevante meteorologische und ozeanografische Messdaten aufnimmt. Ebenso erstellt das IWES innovative Messkonzepte unter der Verwendung einer Vielzahl verschiedener Remote-Sensing-Technologien.
Offshore-Windmessung mit Floating-Lidar-Systemen
Das Fraunhofer IWES beschäftigt sich seit 2009 mit der Entwicklung von Floating-Lidar-Systemen (FLS) sowie mit Methodiken zur Korrektur der Messdatenverfälschung aufgrund der Eigenbewegung der Lidar-Boje. Der erste Prototyp der Fraunhofer IWES Wind-Lidar-Boje wurde 2013 erstmals offshore getestet und seit 2017 auch für die kommerzielle Messung zur Bestimmung des Offshore-Windpotentials eingesetzt.
weiterlesen
Das IWES übernimmt neben der Datenanalyse auch die Planung der Messkampagne samt Installation, Betrieb und Wartung der Lidar-Boje.
Für die Messungen weit draußen auf dem Meer sind die Lidar-Bojen in robuster Art und Weise aus einem Stahlkörper gefertigt. Das Herzstück der Boje – das Lidargerät WindCube V2.1 oder ZX300 – ist sogar zusätzlich durch einen Aluminiumkasten geschützt. Die Aufbauten der Boje ermöglichen die Montage weiterer meteorologischer und ozeanografischer Messsensoren, auch Sonderanfertigungen der Bojenstruktur sind möglich.
Zur Sicherstellung der Messgenauigkeit und Reduzierung der Messunsicherheiten hat das IWES zahlreiche Vergleichsmessungen an Messmasten in der Nordsee durchgeführt. Hierbei wurden eine Vielzahl von Typen-Klassifizierungen sowie Methodiken zu Korrektur der Turbulenzintensität (TI) entwickelt.
Neben der Entwicklung und Anwendung der FLS-Technologie ist das IWES federführend in der Standardisierung der FLS-Anwendung – unter anderem OWA-Roadmaps und 61400-50-4 – und bietet seine Expertise auch unabhängig von der eigenen Lidar-Boje an.
Innovative Messkonzepte zur Charakterisierung von Windfeldern
Zuverlässige und aussagekräftige Windmessungen werden in verschiedenen Phasen des Lebenszyklus eines Windprojekts sowie in vielen Bereichen der Windenergieforschung benötigt. Das IWES benutzt vor allem Wind-Lidar-Technologie – ob als Vertikal-Profiler auf Bojen (wie oben beschrieben) und Schiffen, vorausschauend auf Gondeln von Windenergieanlagen oder Scanning-Lidar mit flexiblen Scan-Geometrien und großen Reichweiten – um umfangreiche Messdaten zu generieren. Diese werden zur Planung von Windparks verwendet, im Betrieb und zur Validierung von Windparkmodellen oder Kalibrierung von Mesokalensimulationen. Innovative Messkonzepte setzt das IWES beispielsweise in den Projekten FLOW und NEMO um. Als mögliche nächste Generation des optischen Wind-Remote-Sensings erprobt und evaluiert das IWES Dual-Doppler-Radartechnologie im Projekt Windpark RADAR. Ergänzend hierzu hat das IWES in den vergangenen Jahren eine führende Rolle in der normativen und prä-normativen Standardisierung von Windmessungen mittels Remote-Sensing eingenommen. Das IWES agiert unter anderem als Operating Agent von IEA Wind Task 52 zu Wind Lidar.
Zertifizierung I Akkreditierung
Datenschutz und Datenverarbeitung
Wir setzen zum Einbinden von Videos den Anbieter YouTube ein. Wie die meisten Websites verwendet YouTube Cookies, um Informationen über die Besucher ihrer Internetseite zu sammeln. Wenn Sie das Video starten, könnte dies Datenverarbeitungsvorgänge auslösen. Darauf haben wir keinen Einfluss. Weitere Informationen über Datenschutz bei YouTube finden Sie in deren Datenschutzerklärung unter: https://policies.google.com/privacyMesskampagne mit einer LiDAR-Boje zur Windpotentialermittlung