title: Untersuchung des Strömungsverlaufes einer Rotorkonzeptstudie für vertikale Kleinwindkraftanlagen
title: Investigation of the flow behaviour of a rotor concept study for vertical small wind turbines
titleType: AlternativeTitle
Creators: name: Lehser-Pfeffermann, Daniel
Publisher: name: Universitätsbibliothek der HSU / UniBwH
Year: 2021
Subjects: subject: wind turbine
subject: Large eddy simulation (LES)
subject: Experiment
subject: Additive manufacturing
subject: 620 Ingenieurwissenschaften

description: Kern der Arbeit ist die Methodik zur standortabhängigen Auslegung und Umsetzung von VAWT. Hier fließen Optimierungsansätze ein, die deren potentiellen Jahresertrag steigern. Durch eine Kombination aus Effizienz- und Ertragssteigerung sind standortoptimierte Anlagen realisierbar, die auch in Stückzahl „Eins“ wirtschaftlich gefertigt werden können. Zur experimentellen Untersuchung wird im Rahmen der Promotion ein Windkanal ausgelegt und aufgebaut zur Vermessung der entwickelten Prototypen. Aus den Erkenntnissen der CFD-Simulationen und den experimentellen Untersuchungen einer Referenzanlage wird deutlich, dass Optimierungsmaßnahmen auf unterschiedlichen Ebenen (Detail-, Anlagen- und Systemebene) zu betrachten sind. Zur Beurteilung der verschiedenen Ansätze strömungsbeeinflussender Maßnahmen auf Detailebene werden die zuvor verifizierten CFD-Simulationsmodelle unter der Einbindung verschiedener Turbulenzmodelle bezüglich möglicher Verbesserungen untersucht und hinsichtlich ihrer Ausprägung optimiert. An einem Referenzprofil werden dazu vier Maßnahmen zur Effizienz- und Ertragssteigerung betrachtet. Die Untersuchung und Vermessung der Muster verifiziert die Ergebnisse der durchgeführten CFD-Simulationen. Neben der reinen Verifikation über Daten erfolgt ein visueller Abgleich der Ergebnisse. Dabei wird ein Strömungsvisualisierungsverfahren auf Basis der Schlieren-Fotografie mit einem Bildverarbeitungsansatz in der Background Oriented Schlieren Methode eingesetzt. Auf der Anlagenebene sind Optimierungen im Bereich der Rotorgeometrie, der Rotorstruktur sowie der Rotoraerodynamik zielführend. Mithilfe des Softwaretools VAWT_Power werden die VAWT-Rotorgeometrie modifiziert und verschiedene Parameterstudien durchgeführt. Dazu zählen die Rotorform, die Verdrehung des Rotors und der Flächenfüllgrad. Neben einer Effizienzoptimierung (Betriebspunkt) kann auch eine entsprechende Ertragsoptimierung (Betriebsbereich) durch Anpassen der Leistungskennlinie erreicht werden. Bei der Umsetzung dieser Geometrie erfolgt eine weitere Optimierung hinsichtlich des Materialeinsatzes und der mechanischen Belastbarkeit (Rotorstruktur). Grundlage hierfür bilden Leichtbauansätze mit bionischen Strukturen und Ansätze hybrider Materialien. In Kombination mit faserverstärkten Kunststoffen wird durch einen optimierten Materialeinsatz ein ressourceneffizientes Rotorblatt konstruiert. Die Untersuchungen auf Systemebene erfolgen durch LES-Rechnungen. Dabei stehen die Wirbelentwicklung am Rotorblatt, die Wirbelentwicklung an den Anbindungen sowie die sich bildende Nachlaufströmung im Fokus der Untersuchungen. Zur Verifikation der Modelle werden die ermittelten Experimentaldaten genutzt. Auf Basis der Untersuchungen dieser drei Ebenen ergibt sich ein neues Konzept für eine standortoptimierte VAWT.
description: The core of the work is the methodology for site-specific design and implementation of VAWT. Here, optimization approaches are incorporated that increase their potential annual yield. Through a combination of efficiency and yield increase, site-optimized systems can be realized, which can also be manufactured economically in "one" quantities. For the experimental investigation, a wind tunnel will be designed and set up within the framework of the doctorate to measure the developed prototypes. From the findings of the CFD simulations and the experimental investigations of a reference plant it becomes clear that optimization measures have to be considered on different levels (detail, plant and system level). In order to evaluate the various approaches to flow-influencing measures at the detailed level, the previously verified CFD simulation models are examined with regard to possible improvements and optimized in terms of their characteristics by incorporating various turbulence models. For this purpose, four approches for increasing efficiency and yield are considered on a reference profile. The investigation and measurement of the specimens verifies the results of the CFD simulations carried out. In addition to the pure verification via data, a visual comparison of the results is carried out. A flow visualization method based on Schlieren photography with an image processing approach in the Background Oriented Schlieren method is used. On the turbine level, optimizations in the field of rotor geometry, rotor structure as well as rotor aerodynamics are target-oriented. With the help of the VAWT_Power software tool, the VAWT rotor geometry is modified and various parameter studies are performed. These include the rotor shape, the torsion of the rotor and the rotor solidity. In addition to an efficiency optimization (operating point), a corresponding yield optimization (operating range) can also be achieved by adjusting the power characteristic curve. In the implementation of this geometry, further optimization takes place with regard to the use of materials and the mechanical load capacity (rotor structure). Lightweight construction approaches with bionic structures and approaches of hybrid materials form the basis for this. In combination with fiber-reinforced plastics, a resource-efficient rotor blade is constructed through optimized material use. The investigations on the system level are carried out by LES calculations. The focus of the investigations is on the vortex development on the rotor blade, the vortex development on the connections and the wake flow that forms. The experimental data obtained are used to verify the models. Based on the investigations of these three levels, a new concept for a site-optimized VAWT is developed.