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Simulationsumgebungen wie WindMUSE ermöglichen es, neue Komponenten und Konzepte innerhalb weniger Tage zeit- und kostengünstig im Rechner erproben zu können. Damit kann die anschließende Phase auf dem Teststand dann mit höherer Effizienz ablaufen.
© Thinkstock / cornishman
Windenergie: neue Simulationsumgebung
18.12.2017

Der Teststand (vorne) im Labor. Auf dem linken Bildschirm sind das Simulationsmodell und auf dem rechten die Echtzeitdaten zu erkennen.
© DLR

Der Aufbau der Simulationsumgebung WindMUSE
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CAD-Modell des Teststands
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Ein Mehrkörpersimulationsmodell des Antriebsstrangs
© DLR

Anlagentechnik virtuell weiterentwickeln

Eine aktuelle Herausforderung für die Windindustrie ist, dem wirtschaftlichen Druck des Strommarktes mit innovativen Konzepten zu begegnen. Doch der Weg, bis neue Anlagen und Komponenten die Marktreife erlangen, ist lang. Um dabei Zeit sowie teure Phasen auf dem Teststand zu sparen, lassen sich viele Untersuchungen vorab im Rechner simulieren. Die neue Simulationsumgebung WindMUSE ist multidisziplinär, integriert vorhandene Teilmodelle unter einer einheitlichen Sprache und ermöglicht Tests in Echtzeit. Ziel ist, Windenergieanlagen mit einer vergleichbaren Präzision abzubilden, wie in der Luftfahrt üblich.

Höhere Türme, veränderte Rotorblattkonzepte in Leichtbauweise und mit optimierten Verstelleinrichtungen sowie neue Generatorkonzepte und Getriebe, das sind Beispiele dafür, in welche Richtungen sich die Technik von Windenergieanlagen (WEA) künftig weiterentwickeln kann. Alle Entwicklungslinien verfolgen das Ziel, die Wirtschaftlichkeit von Windstrom weiter zu verbessern, um den Anforderungen des Strommarktes gewachsen zu sein. Mit leistungsstarken Simulationsmodellen (Frameworks) lassen sich die neuen Komponenten und Konzepte kosten- und zeitgünstig im Rechner testen.

Forschungsinstitute des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) haben in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) dafür das neue Framework „Windturbine in multidisziplinärer Simulationsumgebung (WindMUSE)“ entwickelt. Es integriert bereits vorhandene Teilmodelle und bietet eine einheitliche und werkzeugunabhängige Beschreibungssprache für Windturbinen. Die enthaltenen Teilmodelle können realitätsnah und multidisziplinär charakteristische meteorologische, aerodynamische und systemtechnische Belastungen nachbilden. So tragen sie dazu bei, konzeptionelle Änderungen innerhalb weniger Tage erproben zu können. Eines der eingeflossenen Tools ist beispielsweise das vom IWES entwickelte OneWind, das die Entwicklung von WEA und Windparks in unterschiedlichen Detaillierungsgraden ermöglicht.

Holger Schumann, Projektleiter beim DLR Institut für Flugsystemtechnik: „Die Kombination unterschiedlich starker Simulationswerkzeuge erlaubt die ganzheitliche Betrachtung von Windturbinen. Jedoch ist die Werkzeugverknüpfung zu Simulationsworkflows recht aufwändig. WindMUSE erleichtert mit Hilfe des DLR-Werkzeugs RCE die Handhabung solcher Workflows und die einheitliche Beschreibungssprache vereinfacht zusätzlich die Konfiguration der Werkzeuge.“

Turbulenzen im Rechner

Simulationen in der WindMUSE-Umgebung, z. B. zu neuen Blättern, Getrieben, Regeleinrichtungen und Generatoren, werden automatisiert ausgeführt und berechnen dabei eine Vielzahl von Lastfällen. Neue Komponenten können in Echtzeit eingebunden werden. Bei den meteorologischen Parametern werden beispielsweise konvektive Grenzschichten und Low-level-Jets abgebildet. Damit lassen sich auch der Einfluss von Gebirgsketten und Wäldern nachbilden. Alle Anströmbedingungen und Turbulenzen lassen sich hochgenau, zeitlich variabel und räumlich über 360° variieren. Auch die dynamischen und elastischen Effekte an Rotorblättern und Turm sowie an Wellen und Getrieben sind Teil der Berechnungen.

Die Entwickler haben das Framework so ausgelegt, dass Komponenten, die in einer eigenen systemimmanenten Bibliothek hinterlegt sind, sowie die verwendeten Simulationswerkzeuge austauschbar sind. Die einheitliche Beschreibungssprache gewährleistet die für die Weiterentwicklung der Anlagentechnik erforderliche Transparenz der Detailergebnisse und Flexibilität.

Synergien zur Luftfahrt

Ein zentrales Ziel des Forschungsprojekts war, Windenergieanlagen künftig mit einer vergleichbaren Präzision darstellen zu können, wie er in der Luftfahrt üblich ist. Dazu haben die Entwickler das bewährte Simulationswerkzeug S4 in WindMUSE integriert. Mit S4 lassen sich isolierte Hubschrauberrotoren im Rechner simulieren. Die Aerodynamik kann Effekte von Kompressibilität, Queranströmung und dynamischen Strömungsabriss abbilden. Das DLR Institut für Flugsystemtechnik hat S4 entwickelt.

Die ursprüngliche Version des Werkzeugs wurde für die Windenergie angepasst. So sind jetzt Berechnungen mit variabler Rotationsgeschwindigkeit statt konstanter Drehzahl möglich und es werden der Turmvorstau, dynamische Windfelder sowie bewegte Narben berücksichtigt.

Forschungsplattform Windenergie

Die Simulationsumgebung WindMUSE steht Firmen und Forschungseinrichtungen für Tests zur Verfügung. Das Modell wird zukünftig fortlaufend durch Integration realer Messwerte validiert. Holger Schumann erläutert das Leistungsspektrum: „Die WindMUSE Simulationsumgebung bietet im Zusammenwirken mit der zukünftigen Forschungsplattform für Windenergie die Möglichkeit, Technologien im Windenergiebereich zu simulieren, zu validieren und letzten Endes die Wirkung und Zusammenhänge im Gesamtsystem Windenergieanlage besser zu verstehen.“

Die im Aufbau befindliche Forschungsplattform Windenergie wird der wissenschaftlichen Gemeinschaft erstmals die vollumfängliche Validierung der Simulationsergebnisse unter realen Bedingungen und bisher unerreichter Genauigkeit ermöglichen. Diese Plattform bauen DLR, IWES und der Forschungsverbund ForWind gemeinsam auf. Das Forschungsprojekt wird eine weltweit einzigartige Basis zur ganzheitlichen Erforschung und Weiterentwicklung der Windanlagentechnik bieten. Es wird voraussichtlich Ende 2020 abgeschlossen sein und verfügt über umfangreiche Messtechnik an zwei Multi-Megawattanlagen, vier meteorologischen Messmasten und im Felde u. a. mit akustischer Messtechnik. Eine weitere hochmodifizierbare Experimentalturbine soll Versuche mit Technologien und Komponenten bereits in einem frühen Entwicklungsstadium ermöglichen.

(mi)

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Fraunhofer IWES

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