Lastanalyse am Azimutsystem großer Windenergieanlagen

Produktbeschreibung

Lastsimulationen von Windenergieanlagen sind maßgebend für die Auslegung selbiger und deren Anlagenkomponenten. Die Auslegung des Azimutsystems spielt dabei eine besondere Rolle, da durch die Änderung des Gierwinkels die Anströmsituation und somit die Höhe der aerodynamischen Lasten der Anlage beeinflusst wird. Somit kann eine genaue Nachbildung des Azimutsystems nicht nur Optimierungsvorteile für das System selbst, sondern auch für andere Komponenten, wie den Rotorblättern oder dem Turm bringen. Für das Azimutsystem wurde ein detailliertes Modell erstellt und in der nötigen Tiefe modelliert. Auf Basis dieses Modells wurden Lastsimulationen entsprechend der Definitionen und Empfehlungen aus Richtlinien für die Zertifizierung von Windenergieanlagen durchgeführt. Die Ergebnisse wurden mit unterschiedlichen Azimut-Simulationsmodellen, die sich im Modellierungsgrad unterscheiden, verglichen und diskutiert.

Inhaltsverzeichnis
Nomenklatur VIII
Zusammenfassung X
Abstract XII
1 Einführung 1
1.1 Einführung Windenergieanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Einführung Azimutsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4 Gegenstand und Ziel der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4.1 Forschungsfragen und Rahmen der Untersuchung . . . . . . . . . . 7
1.4.2 Vorgehensweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4.3 Aufbau der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2 Azimutsysteme und Konzepte der Windrichtungsnachführung 10
2.1 Aktive und passive Azimutsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2 Azimutkomponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.1 Azimutantrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.2 Azimutlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.3 Azimutbremsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.4 Azimutregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3 Funktionen des Azimutsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3 Verfahren zur Auslegung eines Azimutsystems 21
3.1 Lastsimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.1.1 Windmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.1.2 Extrem- und Ermüdungslastanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.1.3 Auslegungsspielraum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2 Validierungsmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4 Entwicklungstrends und zukünftige Anforderungen an Azimutsysteme 29
4.1 Größenentwicklung von Windenergieanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.2 Patentanalyse von Azimutsystemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.3 Zukünftige Anforderungen an Azimutsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . 34
5 Ursachen und Arten von Gierlasten 36
5.1 Aerodynamische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.1.1 Impulstheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.1.2 Blattelementmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.1.3 Windverhältnisse am Rotorblattelement bei schräger Anströmung . 45
5.1.4 Einfluss der Nachlaufströmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5.1.5 Sonstige Einflussfaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.2 Mechanische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.2.1 Zentrifugalkräfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.2.2 Kreiselmomente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.2.3 Funktionslasten des Azimutsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
6 Aufbau und Validierung des Simulationsmodells 52
6.1 Eigenschaften der Referenz-Windenergieanlage . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.2 Anlagenmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
6.2.1 Azimutsystemmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
6.2.2 Azimutbremsenmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
6.2.3 Antriebsstrategien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
6.2.4 Nachgiebiges Azimutsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
6.3 Validierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6.4 Lastfälle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
7 Lastanalyse unter Variation der Betriebsbedingungen und Azimutmodellparameter 71
7.1 Lastverhalten bei schräger Anströmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
7.1.1 Gierstabilität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
7.1.2 Einfluss des Gierfehlers auf den Energieertrag . . . . . . . . . . . . 77
7.2 Durchrutschen der Gondel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
7.2.1 Extremlastfälle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
7.3 Auswirkung der Auslegungsunsicherheiten auf die Azimutlasten . . . . . . 89
7.4 Lasteinflüsse unterschiedlicher Nachführstrategien . . . . . . . . . . . . . . 92
7.5 Nachgiebiges Azimutsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
8 Diskussion der Ergebnisse 101
8.1 Einfluss der Windverhältnisse auf die Gierstabilität . . . . . . . . . . . . . 101
8.2 Auswirkung des Durchrutschens auf das Azimutsystem . . . . . . . . . . . 103
8.3 Lastanalyse unter Betrachtung unterschiedlicher Bremsmodelle . . . . . . . 104
8.4 Lastanalyse unter Betrachtung unterschiedlicher Nachführstrategien . . . . 104
8.5 Potentiale eines nachgiebigen Azimutsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
8.6 Einfluss der Ergebnisse auf die Auslegungsmethodik . . . . . . . . . . . . . 105
9 Zusammenfassung der Arbeit und Ausblick 107
9.1 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
A Anhang 110
A.1 Rotorblattspitzenverluste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
A.2 Rotornabenverluste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
A.3 Kreiselmoment durch Gierbewegungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
A.4 Lineare Schadensakkumulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
A.5 Häufigkeit der Nachführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
A.6 Vergleich zwischen Mess- und Simulationsergebnisse . . . . . . . . . . . . . 113
A.7 Gemittelte Simulationsergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
Literatur 127

Keywords: Windenergieanlagen, Azimutsystem, Mehrkörpersystem, Lastanalyse, Blattelementmethode, Azimutantrieb, Azimutbremsen, Azimutlager, Durchrutschen, Windnachführungssystem, wind turbine, yaw system, multibody system, load simulation, blade element method, yaw drive, yaw breaks, yaw bearing, slippage