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Projektbeispiel: AWP Profiloptimierung
In diesem Projekt wurden dicke, symmetrische Flügelprofile für eine Vertikalwindkraftanlage optimiert und im Windkanal getestet. Als Softwaretool wurde ADflow verwendet sowie ein Optimierer, welcher eine gradientbasierte Optimierungsstrategie benutzt. Ein wichtiger Aspekt speziell der Windkanaluntersuchungen war, den Einfluss der Oberflächenrauheit zu ermitteln. In der Praxis erhalten Windmühlenflügel durch Insekten eine raue Oberfläche im vorderen Bereich. Diese hat einen grossen Einfluss auf die Wirksamkeit des Profils. Die Rauigkeit wurde in einem zweiten Optimierungsdurchgang bei den CFD Simulationen berücksichtigt. Der Optimierer versucht nun, einen möglichst kleinen Bereich zu erzielen, in dem die Grenzschicht ablöst. Die berechneten und die im Windkanal gemessenen Resultate stimmten besser überein.
Die Schweizer Firma Agile Wind Power (AWP) entwickelt, baut und vertreibt Vertikalwindturbinen. Solche Windkraftanlagen sind leiser als herkömmliche. Aufgrund der Erfahrung mit der ersten Windenergieanlagengeneration wurde eine anströmungsoptimierte Blattverstellung entwickelt, die einen besseren Wirkungsgrad verspricht. Daneben werden in diesem Projekt aerodynamisch bessere Profile entwickelt. Wegen der möglichst momentenfreien Einstellbarkeit kommen dafür symmetrische Profile in Frage.
Im ersten Entwicklungsschritt werden Flügelprofile mit numerischen Verfahren untersucht und die Ergebnisse mit Windkanaluntersuchungen verglichen. Mit diesen Ergebnissen wurde ein zweiter Optimierungszyklus durchgeführt und die besten Flügelprofile im Windkanal überprüft.
Für die Energiegewinnung ist ein möglichst gutes Verhältnis von Flügelauftrieb zu Widerstand anzustreben. Dieses findet sich bei den verwendeten dicken Profilen bei relativ grossen Anstellwinkeln des Profils zur lokalen Luftströmung. Zusätzlich muss auf die Lage des aerodynamischen Mittelpunktes und auf den maximalen Anstellwinkel, bei dem die Strömung abreisst, geachtet werden. Ein wesentlicher Punkt der Untersuchungen war der Einfluss der Oberflächenrauigkeit. Auch der Einfluss der Dicke der Endkante des Profils wurde berücksichtigt.
Als Srömungssimulationstool wurde ADflow auf dem Cluster der SoE verwendet, als Optimierungstool openMDAO.
Es wurden zwei Messkampagnen im Unterschallwindkanal der ETH Zürich durchgefürt. Die Flügel wurden senkrecht in den Windkanal über die gesamte Höhe eingebaut. Die Kräfte und Momente wurden am Boden gemessen. Zusätzlich wurden Widerstandsmessungen im Nachlauf mit Heissdrahtsonden gemacht. Die Windkanalmodelle wurden aus Polymeren CNC gefräst. Die Verschmutzungsbedingungen wurden durch Sandpapier mit Korngrössen von 150 bis 220 simuliert, um Erosion und Verschmutzung durch Insekten, Öl, Meersalz zu simulieren. Die Messungen wurden für Anstellwinkel bis 30° durchgeführt.
Die Dicken- und Symmetrievorgabe haben den Optimierungsprozess begrenzt. Die Druckgradienten auf der Saugseite. Wie von vierstelligen NACA-Profilen bekannt ist, führen bei niedrigen Anströmgeschwindigkeiten bereits kleinste Störungen zu Ablöseerscheinungen. Der Optimierer errechnete das beste Auftrieb-zu-Widerstandsverhältnis bei einem Anstellwinkel nahe der Abreissgrenze. Nun wurde zusätzlich ein harmloseres Abreissverhalten gefordert. Der Optimierer verdickte die Hinterkante, so dass im Saugbereich geringere Gradienten entstehen, dafür aber ein grösseres Totwasser hinter der dickeren Endkante.
In der zweiten Optmierungsphase wurde die Oberflächenrauigkeit mit einbezogen. Die Robustheit des Profils bezüglich des Abreissverhaltens wurde durch eine etwas geringere aerodynamische Güte erzielt.
Die Windkanalversuche bestätigten die erwarteten Leistungsdaten und das gewünschte Abreissverhalten auch bei verschmutztem Profil.
Die verwendeten Simulationstools zeigten sich als leistungsfähige Werkzeuge. Der Einfluss der Oberflächenrauigkeit erwies sich als grosse Herausforderung. Die massgebenden physikalischen Parameter sind die Profildicke und die vergleichsweise geringe Anströmgeschwindigkeit. Die Ergebnisse der Optimierung mit rauem Profil zeigt eine Tendenz zu Profilgeometrien mit dickerer Endkante.
Das Projekt wurde von der Schweizerischen Innosuisse gefördert.
Auf einen Blick
Beteiligte Institute und Zentren:
Projektpartner: AGILE Wind Power AG
Finanzierungsbeitrag: Das Projekt wurde von der Schweizerischen Innosuisse gefördert.
Projektstatus: abgeschlossen