B2 – Adaptive Rotorkonzepte für bedarfsgerechte Einspeisung (beendet 2024)

In diesem Teilprojekt wurde die Hybrid-Lambda-Rotor Entwurfsmethodik entwickelt, die darauf abzielt, die Effizienz von Windenergieanlagen bei Schwachwindbedingungen zu verbessern und gleichzeitig die strukturelle und wirtschaftliche Machbarkeit zu erhalten. Dies wird durch die Optimierung der Leistung von Offshore-Windenergieanlagen für eine niedrige spezifische Leistung erreicht (d.h. Vergrößerung des Rotordurchmessers ohne Erhöhung der Nennleistung). Der Ansatz befasst sich mit dem Problem der Selbstkannibalisierung der Windenergie, bei der ein Überschuss an Leistung von konventionellen Windkraftanlagen bei hohen Windgeschwindigkeiten den Wert der Windenergie verringert. Die entwickelte Methodik wurde zunächst auf einen 15 MW Hybrid-Lambda-Rotor mit einem Durchmesser von 326 m angewandt, der bei schwachem Wind mehr Leistung produzieren kann, während die Lasten bei stärkerem Wind auf denselben Maximalwert begrenzt sind wie bei der 15 MW IEA-Referenzanlage mit einem Durchmesser von 240 m. Im weiteren Verlauf des Projekts wird die Methodik auf eine 22 MW Offshore-Anlage erweitert.

Design-Übersicht:

Zwei Betriebsmodi

Der Hybrid-Lambda-Rotor ist für den Betrieb in einem Leichtwind- und einem Starkwindmodus ausgelegt. Die äußersten 30 % des Blattes sind für eine hohe Schnelllaufzahl (tip-speed-ratio, TSR) und eine reduzierte axiale Induktion optimiert, was die Effizienz bei Leichtwind erhöht. Der innere Teil ist für ein niedrigeres TSR und eine herkömmliche axiale Induktion ausgelegt. Bei starkem Wind wird das TSR reduziert und der pitch-Winkel vergrößert, wodurch das erzeugte Drehmoment auf den inneren Teil des Blatts umverteilt wird. Somit wird das Biegemoment an der Blattwurzel zu begrenzt und gleichzeitig die Leistung maximiert.

Technisch-wirtschaftliche Betrachtung

Der Hybrid-Lambda-Rotor weist bemerkenswerte Verbesserungen bei der Kosteneffizienz und der Energieerzeugung auf:

• Bis zu 30 % höhere Jahresenergieerträge im Vergleich zur 15-MW-Referenzanlage der IEA.
• Senkung der „cost of valued energy“ (COVE) um 16 % im Vergleich zur 15-MW-Referenzturbine der IEA.
• Eine Steigerung des Jahresenergieertrages um 3 % gegenüber einem geometrisch skalierten Referenzrotor mit gleichem Durchmesser. Dies wird erreicht durch geringere Wirkungsgradverluste während der Lastbegrenzung und verbesserten aerodynamischen Eigenschaften.
• Zusätzliche Vorteile werden auf Windparkebene erwartet, aufgrund der geringeren Nachlaufverluste über einen breiten Bereich von Windgeschwindigkeiten.

Struktureller Entwurf und Optimierung

Ein erster struktureller Lagenaufbau wurde in enger Zusammenarbeit mit dem Teilprojekt B03 entworfen, einschließlich einer aero-strukturellen Optimierungsroutine. Das wesentlich schlankere Blattdesign führt zu einer Massenreduktion von 14 % im Vergleich zu einem geometrisch skalierten Referenzblatt derselben Größe. Wichtige strukturelle Randbedingungen sind die Durchbiegung des Rotorblattes, die Eigenfrequenzen und die Begrenzung des Biegemoments an der Blattwurzel. Diese werden in aero-servo-elastischen Simulationen mit mehreren Design-Lastfällen überprüft.

Validierung und Simulation

Die aerodynamischen und strukturellen Eigenschaften des Hybrid-Lambda-Rotors wurden durch detaillierte Simulationen validiert:

• Blade-Element-Momentum-Theory (BEM): Vorläufige Analysen bestätigten die dem Entwurf zugrunde liegenden aerodynamischen Prinzipien. Die BEM-Theorie gerät jedoch an die Grenzen ihrer Anwendbarkeit bei der Modellierung steiler Gradienten entlang des Rotorblattes.
• Free Vortex Wake Simulationen (FVW): Diese ermöglichen ein umfassenderes Verständnis der Nachlaufeffekte und der Rotoraerodynamik und bestätigten die Machbarkeit des Rotorkonzepts.

Nachlaufeigenschaften

Der Rotor weist ein einzigartiges Nachlaufverhalten auf, welches die Leistung des Windparks noch zusätzlich erhöhen kann. Bei Schwachwindbetrieb erzeugt der äußere Blattbereich eine Nachlaufströmung mit höheren Windgeschwindigkeiten in Form eines äußeren Ringes. Dies reduziert die Nachlaufverluste, insbesondere bei stabilen atmosphärischen Bedingungen und partiellen Nachlaufszenarien. Darüber hinaus werden die Nachlaufverluste über einen weiten Bereich von Windgeschwindigkeiten unterhalb der Nennleistung stark reduziert, da der Rotor im Starkwindmodus bei geringeren Schubkoeffizienten betrieben wird.