WindMUSE Schlussbericht: Windturbine in multidisziplinärer Simulationsumgebung

Kurzfassung

Reale Tests von Windenergieanlagen sind, aufgrund der großen Komponentenabmessungen und wegen der benötigten Extremlasten durch Wind oder Stromnetz, sehr aufwändig. Die Simulation ist ein notwendiges Hilfsmittel bei der Analyse von Windenergieanlagen. Die Güte dieser Analyse hängt stark von der Güte der verwendeten Simulationsmodelle und deren multidisziplinärer Interaktionsfähigkeit ab. Ziel des Projekts WindMUSE war, die langjährigen Erfahrungen beider Verbundpartner, DLR und Fraunhofer IWES, bezüglich hochgenauer multidisziplinärer Modellierung in einem Optimum zu bündeln. Das DLR brachte Methoden, Modelle und Werkzeuge aus der Luftfahrt bezüglich der Abbildung von Wind, atmosphärischer Grenzschicht, Rotoraerodynamik und -aeroelastik, Strukturdynamik und Systemtechnik mit ein und das Fraunhofer IWES brachte langjährige Erfahrungen aus der Entwicklung des Simulationsframeworks OneWind® ein. Entstanden ist eine flexible Simulationsumgebung mit einer werkzeugunabhängigen Beschreibungssprache für Windturbinen, einem Modellgenerator zur Mehrkörpersimulation, einer Komponentenbibliothek mit standardisiertem Functional Mock-up Interface (FMI), der Integrationsfähigkeit weiterer Simulationstools und mehreren transparenten Beispielworkflows. Die Modellbibliothek bildet neben dem flexiblen Turm und Rotor die Meteorologie inkl. konvektiver Grenzschicht, CFD-berechnete 360° Profilpolaren, Abwind- und Querströmeffekte sowie den kompletten Antriebstrang ab. Es wurde gezeigt, dass sich die WindMUSE-Umgebung eignet, eine Blattstrukturdimensionierung mit der Lastrechnung automatisiert zu koppeln, einen alternativen Regler zu testen und reale Hardware im Echtzeitbetrieb zu integrieren. Damit eignet sich die Umgebung auch als Vorbereitung für Realversuche auf der DLR Forschungsplattform Windenergie, mit deren Hilfe künftig die verwendeten Modelle gegenüber Messdaten validiert und z.B. bzgl. elektrischer Komponenten erweitert werden können.