Three-dimensional Wind Model

(currently only in German available)

Im Rahmen des EFRE-Vorhabens „Smart Windpark Laboratory I“ wird die erste Ausbaustufe der geplanten Forschungsinfrastruktur SWiPLab konzipiert und aufgebaut. Eine wesentliche Aufgabe besteht in der Entwicklung eines Echtzeitmodells zur Nachbildung der Windverhältnisse im Windpark, um zukünftig die aerodynamischen Wechselwirkungen zwischen einzelnen Windenergiekonvertern (WEK) innerhalb des Windparks untersuchen zu können.


Das vom Institut entwickelte dreidimensionale Windmodell [1] bildet die komplexen Strömungsverhältnisse im Windpark in Echtzeit nach: Für verschiedene Standorte werden das Höhenprofil sowie zeitlich und örtlich kohärente Turbulenzen generiert. Ein zweidimensionales Modell des Windrotors ermittelt resultierende Auftriebs- und Widerstandskräfte, sowie Drehmoment und Schub und berücksichtigt dabei Turmvorstau, Blattprofil und Betriebsparameter (Pitch- und Gierwinkel). Das Modell berechnet zudem die sich an den WEK lee-seitig ausbildenden Nachlaufströmungen und ermöglicht dadurch die Simulation der insgesamt resultierenden Strömungsverhältnisse im Windpark.

3D Windpark 3D WEK

Abbildung 1: Visualisierung des dreidimensionalen Windmodells exemplarisch für einen Windpark mit 6 Anlagen (v.o.n.u.): 1. Szenario, alle Anlagen der Windrichtung nachgeführt und 2. Szenario mit den vorderen 3 Anlagen aus dem Wind gedreht. [1]

Abbildung 2: Visualisierung der Nachlaufströmung an einer Anlage (v.o.n.u.): Bei optimaler orthogonaler Anströmung (Seiten- und Vogelperspektive) sowie bei 30 Grad Schräganströmung (Vogel­perspektive) [1]

Forschungsschwerpunkt und Untersuchungspotentiale

Gegenwärtig werden besonders die Anstrengungen zur Reduktion der Lebensdauerkosten und Erhöhung der Zuverlässigkeit von WEK und Windparks intensiviert. Methoden zur Optimierung von Windparks durch aktive Nachlaufregelung sind derzeit Gegenstand der Forschung [B] und versprechen erhebliche Optimierungspotentiale zur Erhöhung der Energieproduktion bzw. zur Ertragsmaximierung. Die Forschungsinfrastruktur SWiPLab ermöglicht zukünftig die Validierung und Erprobung neuartiger Windparkmanagementsystem im Labormaßstab.

3D Windpark

Abbildung 3: Beispiel einer einfachen 4x4 Windparksimulation [2]. Links: Windparklayout, Initialisierung des Windmodells und Eingriffs­möglichkeiten an WEK. Rechts: Leistungsverläufe einzelner WEK (oben) und Visualisierung der Windverhältnisse im Windpark (unten)

References

[1] Kipke, V., Chhor, J. and Sourkounis, C., “Development o a 3D Wind Flow Model for Real-Time Wind Farm Simulation," 2019 International Conference on Clean Electrical Power (ICCEP), Otranto, Italy, 2019, pp. 1-6.

[2] J. Chhor, A. Matschke, V. Kipke and C. Sourkounis, "Operation and Control Strategies for Wind Energy Conversion Systems: Review and Simulation Study," 2019 Fourteenth International Conference on Ecological Vehicles and Renewable Energies (EVER), Monte-Carlo, Monaco, 2019, pp. 1-9.


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