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Flap controllers applied on the OffshoreWindChina (OWC) 5MW reference wind turbine for Chinese typhoon conditions
No full textThe report describes the development of flap controllers applied on the OffshoreWindChina (OWC) 5MW reference wind turbine for Chinese typhoon conditions. Optimal flap controllers are designed and tuned based on linear aeroelastic models from HawcStab2. The controllers are evaluated in normal,parked and storm conditions, targeting the alleviation of fatigue and extreme loads
QBlade: eine moderne Software zur aeroelastischen Simulation von Windenergieanlagen
No full textWind turbines are large and complex machines which operate in a highly unsteady environment. Due to the spatially and temporally stochastic nature of the wind resource, a large amount of simulation data is needed when one wants to assess the lifetime of such a machine. Both extreme events, such as storms, strong gusts or significant wind direction changes and normal operation, representative of the stochastic characteristics of the wind site, must be present in the evaluated data set to obtain meaningful results.
This necessitates the evaluation of many simulations, until the statistics of the synthesized wind input fields converge to those of field data, measured over long periods of time. The required time steps to resolve the key loading characteristics of the turbine are typically small, scaled to around 3° to 10° of rotor advancement. This leads to an overall number of time steps in the order of 10^6 to 10^7 that need to be evaluated for a lifetime assessment according to the IEC 61400-1 standard. This large number of time steps is a serious constraint when it comes to the selection of suitable methods for the aeroelastic simulation of wind turbines. An aeroelastic simulation tool requires two models, one for the simulation of the wind turbine aerodynamics and one for the simulation of the structural dynamics of the system. Both models are then coupled to simulate and resolve all machine relevant aeroelastic effects.
As a part of this work the wind turbine simulation and design software QBlade has been developed. The main goal during this development process was to facilitate the usage of modern simulation models within the wind turbine design and certification process. Generally, higher order methods lead to more accurate simulation results, which enables wind turbine designers and manufacturers to lower the levelized cost of energy by applying smaller structural safety margins and more efficient aeroelastic designs. However, this improved accuracy comes with the penalty of higher computational costs.
The application of these methods in the aforementioned certification and design process, where a large number of computations is required, is made possible through the steady increase of processing power of widely available consumer hardware and the application of massive parallelization, leveraging the enormous computational potential of modern graphics processing units (GPUs). This work presents the methods applied in the QBlade simulation code and gives reasoning for their selection and their classification within the range of different simulation methods that can be applied to model wind turbine aero-elastics. Finally, a range of examples for the applications of the aero-elastic simulation framework in QBlade are given.Windenergieanlagen sind große und komplexe Maschinen, die über ihre gesamte Lebensdauer unter hochgradig instationären Randbedingungen betrieben werden. Um die Lebensdauer einer solchen Anlage vorherzusagen müssen eine große Anzahl von Simulationen durchgeführt werden, welche die stochastischen Eigenschaften des am Standort vorherrschenden Windes abbilden. Sowohl extreme Lasten, hervorgerufen durch Unwetter, Stürme oder Erdbeben, als auch Dauerlasten, welche sich aus dem normalen Betrieb unter Einfluss einer turbulenten Wind Anströmung ergeben, müssen in den Berechnungen zum Lebensdauernachweis enthalten sein.
Aus diesen Anforderungen ergibt sich, dass eine große Anzahl an Simulationen benötigt wird um statisch aussagekräftige Daten zu erhalten. In der Regel werden Lastsimulationen mit Zeitschrittweiten durchgeführt die einem Rotorfortschritt zwischen 3° und 10° entsprechen. Dies führt dazu, dass bei einer vollständigen Lebensdauerberechnung nach dem IEC 61400-1 Standard insgesamt zwischen 10^6 bis 10^7 konvergierte aero-elastische Zeitschritte berechnet werden.
Daraus lässt sich eine der zentralen Anforderungen an aero-elastische Simulationsmethoden für den Windenergiebereich ableiten: Die verwendeten Simulationsverfahren müssen zwangsläufig sehr effizient sein. Aeroelastische Simulationsmethoden setzen sich im Wesentlichen aus einem aerodynamischen- und einem strukturellen Simulationsverfahren zusammen. Diese Verfahren werden gekoppelt um die Auswirkungen des Zusammenspiels von aerodynamischen-, trägheits-, gravitations- und elastischen Kräften und Momenten zu berechnen.
Als ein Teil der hier vorgestellten Arbeit wurde in den letzten 8 Jahren das aero-elastische Simulationstool QBlade entwickelt. Als Hauptziel hierbei galt es die Verwendung von neuen Aerodynamik- und Strukturmodellierungsmethoden zu ermöglichen, welche genauere und verlässlichere Ergebnisse liefern als die bisher in der Industrie verwendeten Verfahren. Generell lassen sich durch genauere Simulationsverfahren die Stromgestehungskosten senken da Sicherheitsfaktoren reduziert werden können, Material eingespart wird und damit effizientere Designs ermöglicht werden. Im Vergleich mit den bisher eingesetzten Verfahren führen diese neuen Methoden allerdings zu einem gesteigerten Rechenbedarf.
Die Verwendung dieser neuen Methoden im Auslegungs- und Zertifizierungskontext wird erst durch die konstante Steigerung der für den Endnutzer verfügbaren Rechenleistung in die letzten Jahre ermöglicht. Mithilfe von massiver Parallelisierung durch high-end Garfikprozessoren (GPUs), sowie die Optimierung der neuen Berechnungsmethoden selbst, können diese nun im großen Umfang eingesetzt werden. In dieser Arbeit werden die in QBlade verwendeten aerodynamischen und strukturellen Modelle vorgestellt, ihre Verwendung im Vergleich mit anderen Methoden begründet sowie ihre Optimierung erläutert. Anhand einiger Beispiele wird weiterhin die Flexibilität sowie das Anwendungsspektrum der hier entwickelten Simulationssoftware demonstriert
Fortgeschrittene aerodynamische Modellierung und Regelungsstrategien zur Lastreduzierung in aeroelastischen Windturbinensimulationen
No full textIncreasing the size of wind turbines has been one of the most effective ways to decrease the cost of wind energy. If this trend is to continue, we need to ensure that the design loads of wind turbine components do not increase disproportionately with the turbine size. One promising way to do this is by increasing the accuracy of the aeroelastic modeling of wind turbine simulations. As aeroelastic load calculations are a critical part in determining the design loads of the turbine, increasing the model accuracy leads to more detailed load predictions and less conservative safety factors that need to be applied to compensate for model uncertainty.nAnother promising way to obtain competitive design loads for larger wind turbines is through the use of advanced control strategies that aim at reducing the design-driving loads of the turbine components. These loads are varied by nature so a combination of different actuators and strategies is required to effectively reduce them.
The present work contributes to this effort in two separate but complementing ways. On the one hand, it includes a study of advanced aerodynamic models in aeroelastic simulations and their quantitative effect on wind turbine loads. On the other hand, it presents a wind turbine controller that is capable not only of performing a complete set of design load calculations but also includes advanced control strategies that mitigate design-driving loads using the generator torque, the blade pitch actuators and active trailing edge flaps distributed along the blade span. This controller is used in separate studies to reduce design-driving fatigue and extreme loads on the turbine.
This dissertation is based on three papers that study different ways to achieve a load reduction. The first paper presents the turbine controller in detail. It also presents its advanced load reduction capabilities using traditional pitch and torque actuators and studies the load reduction capabilities of the individual pitch control strategy using the more accurate lifting line free vortex wake aerodynamic model in aeroelastic calculations. The second paper uses the developed controller in a study that quantifies how using more accurate aerodynamic models in aeroelastic simulations affects the loads. It compares the extreme and fatigue loads of key turbine sensors in aeroelastic simulations that are performed with the widely used blade element momentum aerodynamic model with simulations that use the lifting line free vortex wake aerodynamic model. It not only quantifies the loading differences but also finds the reasons that lead to these differences. The third paper explores the potential of active trailing edge flaps in reducing the design-driving extreme loads and critical deflections of the wind turbine blade. It considers the trailing edge flap hinge moment as a robust and readily available sensor that can be used as an input for the controller strategy. The hinge moment, in combination with other sensors, is used in a model-based observer to estimate the local inflow conditions and allow a fast response of the flap actuators. This observer is then used as part of a novel control strategy to effectively lower the extreme blade root loads and critical tip deflections.
Each of the papers studies one aspect where load reduction can be obtained for larger wind turbines. This dissertation also includes suggestions for further developing and improving the respective aspects. Including them all in the design process of the next generation of wind turbines is a promising way of making this source of energy even more cost-competitive and its use more widespread.Die Vergrößerung von Windturbinen ist einer der effektivsten Wege die Stromgestehungskosten von Windenergie zu verringern. Um diesen Trend zu erhalten muss gewährleistet werden, dass die designtreibenden Lasten der Turbinenkomponenten nicht überproportional mit der Turbinengröße steigen. Eine versprechende Methode um dies zu erlangen ist die Verbesserung der aeroelastischen Modellierung in Windturbinensimulationen. Da aeroelastische Lastrechnungen eine kritische Rolle beim Design von Windturbinenkomponenten spielen, führt eine Verbesserung der Modellierung zu genaueren Designlasten und weniger konservativen Sicherheitsfaktoren bei den Lasten. Eine andere versprechende Methode um die Designlasten von großen Windturbinen zu verringern ist die Anwendung von fortgeschrittenen lastreduzierenden Regelungsstrategien. Unterschiedliche Lasten beeinflussen die Turbinenkomponenten anders und deshalb müssen auch verschiedene Aktuatoren in Betracht gezogen werden, um die desingtreibenden Lasten mehrerer Komponenten zu reduzieren.
Diese Dissertation trägt zu diesem Thema in zwei separaten aber sich ergänzenden Themenbereiche bei. Einerseits beinhaltet die Arbeit eine Studie zu fortgeschrittenen aerodynamischen Modellen und deren quantitativen Effekt auf die Turbinenlasten. Andererseits präsentiert die Arbeit einen Windturbinenregler, der komplette Lastberechnungen durchführen kann und über fortgeschrittene lastreduzierende Regelungsstrategien verfügt. Diese Strategien nutzen verschiedene Aktuatoren wie Generator, Pitchaktuatoren und aktive Hinterkantenklappen und werden in unterschiedlichen Studien für die Verringerung von designtreibenden Extrem- und Ermüdungslasten verwendet.
Die Arbeit basiert auf drei Veröffentlichungen die verschiedene Wege zur Lastreduzierung untersuchen. Die erste Veröffentlichung beschreibt den Windturbinenregler im Detail. Die Veröffentlichung beschreibt auch die fortgeschrittenen Lastreduktionsstrategien des entwickelten Reglers, welche auf traditionellen Aktuatoren wie die Pitchaktuatoren und dem Generatormoment beruhen. Die Lastreduktionsfähigkeit der Individual Pitch Control Strategie wird in aeroelastischen Simulationen untersucht, die das fortgeschrittene aerodynamische Modell Lifting Line Free Vortex Wake nutzen. Die zweite Veröffentlichung verwendet den Regler in einer Studie, die die Lasteffekte von fortgeschrittenen aerodynamischen Methoden in aeroelastischen Simulationen untersucht. Die Studie vergleicht Extrem- und Ermüdungslasten von wichtigen Turbinensensoren, die in aeroelastischen Simulationen mit zwei verschieden aerodynamischen Methoden berechnet worden sind. Die erste Methode ist die verbreitete Blade Element Momentum Methode. Die zweite Methode ist die fortgeschrittene Lifting Line Free Vortex Wake Methode. Die Studie quantifiziert nicht nur die Lastunterschiede sondern findet auch die Ursachen dieser Unterschiede. Die dritte Veröffentlichung untersucht das Potential von aktiven Hinterkantenklappen um designtreibende Extremlasten und kritische Durchbiegungen vom Rotorblatt zu reduzieren. Sie betrachtet das Klappengelenk-Moment als ein möglicher Regler-Sensor, der robust und bereits im Klappensystem vorhanden ist. In der Veröffentlichung wird das Klappengelenk-Moment und andere Sensoren für einen modellbasierten Beobachter genutzt, der die aerodynamischen Zustände an der Blattsektion schätzen kann. Dies ermöglicht eine schnelle Reaktion des Klappenreglers. Der Beobachter wird als Teil einer neuen Klappenstrategie verwendet, welche die Extremlasten und kritische Durchbiegung vom Rotorblatt effektiv reduziert.
Die Veröffentlichungen untersuchen jeweils ein möglicher Lastreduktionsaspekt für größere Windturbinen. Diese Dissertation enthält Vorschläge, wie man diese einzelnen Aspekte verbessern kann. Alle Aspekte im Turbinen-Designprozess zu verwenden ist eine versprechende Option um die Kosten der Windenergie weiter zu reduzieren und die Nutzung dieser Technologie zu verbreiten
Optimization of morphing flaps based on fluid structure interaction modeling
No full textThis article describes the design optimization of morphing trailing edge flaps for wind turbines with ‘smart blades’. A high fidelity Fluid Structure Interaction (FSI) simulation framework is utilized, comprised of 2D Finite Element Analysis (FEA) and Computational Fluid Dynamics (CFD) models. A coupled aero-structural simulation of a 10% chordwise length morphing trailing edge flap for a 4 MW wind turbine rotor is carried out and response surfaces are produced with respect to the flap internal geometry design parameters for the design conditions. Surrogate model based optimization is applied in order to converge to a flap design, which maximizes aerodynamic lift control performance while minimizing drag penalty, subject to material strength and manufacturing constraints. The purely structural optimization of the flap response is compared to the coupled aerostructural optimization
Progress in smart rotor research for wind turbines: Experimental and computational approaches to active aerodynamic control
No full textAerospace Engineerin
Active aerodynamic load control on wind turbines: Aeroservoelastic modeling and wind tunnel
No full textThis thesis investigates particular concepts and technologies that can alleviate fatigue loads on wind turbines by using distributed active aerodynamic devices on the blades, a concept briefly referred to as `smart blades'. Firstly, published research work on smart control devices is reviewed, and the pros and cons for the application on wind turbines is discussed. Then an introduction to the quantification of unsteady loads on the blades of a representative 5MW reference wind turbine is given. Based on this, certain requirements for the load control concepts to alleviate the fatigue loads are presented. Moreover, an overview of possible smart rotor concepts with a view towards application to wind turbines is provided. The choice is made for active load control by trailing edge flaps. The theoretical background for the unsteady aerodynamics modeling of airfoils with trailing edge flaps, is included, focusing on wind turbine blades. Moreover, results of 2D aerodynamic load control with aps are shown. Experimental wind tunnel work on a aeroelastically scaled non-rotating blade, where feedback control using piezoelectric-material based flexible flaps is also performed. A developed full wind turbine aeroservoelastic code is presented, capable of simulating rotors with span-wise distributed trailing edge flaps and various sensor and control capabilities. Furthermore, novel wind tunnel experimental work on a scaled rotor equipped with flexible flaps is shown, providing measured load alleviation results. Numerical predictions, correlated with the scaled rotor experiment, using the developed aeroservoelastic tool are shown, giving a reasonable correspondence. Various numerical predictions with the use of the aeroservoelastic model for the case of a representative 5MW wind turbine are presented. Aeroelastic behaviour of smart wind turbine rotors and design of various complexity controllers for active flaps are analysed. The fatigue load can be lowered up to 27%. Conclusions from this research work are finally drawn, with a view towards future work in the field.Wind EnergyAerospace Engineerin
Effects of an Oscillating Flap on the Main Airfoil Unsteady Lift in Grid Turbulence
No full textA wing of NACA 0015 profile and Aspect Ratio 2.4 fitted with a Trailing Edge Flap was tested in a wind tunnel for both smooth and turbulent flow conditions at a Re number 108000. The unsteady lift on the wing was measured with and without the flap. Two types of flap excitation were tried: One was of the “open loop” type in which the flap was subjected to sinusoidal pitching oscillations while the wing was set to a constant angle of attack. In the second, “closed loop” mode, the excitation signal fed into the flap originated from the unsteady lift of the wing itself. The phase lag between those signals was changed and it was found that it played a significant role in the suppression of the main wing unsteady lift
Moderating role of team identification on the relationship between service quality and repurchase intentions among spectators of professional sports
No full textPurpose – This study seeks to examine the moderating role of team identification regarding the relationship between service quality and repurchase intentions among spectators of professional sports. Design/methodology/approach – Quantitative data are collected from a questionnaire survey of 257 spectators attending a professional soccer game in Greece. Multiple regression analyses are used to assess the relationships among the constructs of service quality, repurchase intentions, and team identification. Findings – Team identification is shown to moderate the relationship between service quality and repurchase intentions among spectators at this professional sports event. Both overall service quality and two specific service-quality dimensions (“responsiveness” and “reliability”) are found to be positively associated with repurchase intentions only among respondents with low and medium team identification. No relationship is found between service quality and repurchase intentions among those with high team identification. Practical implications – Managers of professional sports events who wish to increase attendances by improvements in service quality should first segment their customers according to degree of team affiliation. They should then design their service offerings specifically to meet the service-quality expectations of sports fans with medium or low team identification. Originality/value – The study provides valuable empirical evidence of the moderating role of team identification with regard to the relationship between service quality and repurchase intentions among consumers of professional sports events
Atmospheric Full Scale Testing of a Morphing Trailing Edge Flap System for Wind Turbine Blades
No full textA novel Active Flap System (AFS) has been developed at DTU Wind Energy, as a result of a 3-year R&D project following almost 10 years of innovative research in this field. The full scale AFS comprises an active deformable trailing edge has been tested at the unique rotating test facility at the Risø Campus of DTU Wind Energy in Denmark. The design and instrumentation of the wing section and the AFS are described. The general description and objectives of the rotating test rig at the Risø campus of DTU are presented, along with an overview of sensors on the setup and the test cases. The post-processing of data is discussed and results of steady, flap step and azimuth control flap cases are presented
Experimentelle Beurteilung der Ermüdungs- und Extremlastreduktion durch Hinterkantenklappen für Rotorblätter von Windenergieanlagen
No full textThe demand for wind energy has grown significantly in the last decades. One way to meet this, is to enlarge the swept rotor area of the single wind turbines by employing longer blades. However, increasing the blade length leads to a disproportionate increase in the acting loads. To withstand these loads, proportionally more or stiffer material is necessary, which increases the costs. This issue can be addressed by employing either conventional pitch actuators or by smart rotor control, for example by trailing edge flaps, to alleviate the loads. Thereby, longer but proportionally lighter blades can be built.
This thesis concentrates on trailing edge flap actuators as active flow control devices, as they have a similar control authority but significantly higher bandwidth in comparison to state-of-the-art full-span blade pitch actuators. The load control performance of trailing edge flaps is assessed in two- and three-dimensional experimental setups.
Within a two-dimensional experimental campaign in an active grid wind tunnel of the University of Oldenburg, the performance of lift estimation by a three-hole probe and a reduced set of surface pressure measurements is assessed. The information of the probes is employed in the feed-forward controller of the trailing edge flap.
Further test cases with static disturbances were performed in the large wind tunnel of the TU Berlin. Thereby, the fatigue load control potential of trailing edge flaps was assessed. In particular, a state-of-the-art individual flap control strategy was compared to an advanced repetitive model predictive controller on the Berlin Research Turbine.
The final study of this dissertation concentrates on the assessment of extreme load control performance of trailing edge flaps. Therefore, the large wind tunnel was redesigned, enabling the wind tunnel to generate extreme inflow conditions. In this study, a blended controller was developed that switches between dedicated fatigue and extreme load controllers.
In this thesis, it is shown that trailing edge flaps are suitable for fatigue and extreme load control. Repetitive model predictive control outperforms individual flap control in terms of fatigue load control, with a limited increase in actuator travel. Enhancing a blended controller with on-blade inflow measurements allows for a successful extreme load control by trailing edge flaps.
This thesis is concluded by a discussion of the shortcomings of the experimental test rigs and an outlook for the use of trailing edge flaps on industrial-scale machines. It is expected that, despite their advantages, trailing edge flaps will not replace pitch actuators for fatigue load control. However, for extreme load control, trailing edge flaps might be a technology enabler to further enlarge the blade length with limited increase in blade mass.Die Nachfrage nach Windenergie hat in den vergangenen Jahren beträchtlich zugenommen. Diese Nachfrage kann unter anderem durch die Vergrößerung der überstrichenen Rotorfläche einzelner Windkraftanlagen erreicht werden. Dadurch steigen allerdings die Lasten auf den längeren Rotorblättern überproportional an. Um diesen Lasten zu begegnen, kann mehr oder steiferes Material verwendet werden. Dies führt allerdings zu erhöhten Kosten. Ein anderer Weg ist die Lasten zu reduzieren, was zum Beispiel durch konventionelle Drehung der Rotorblätter (Pitch) oder durch intelligente Aktuatoren (zum Beispiel Hinterkantenklappen) auf den Rotorblättern, erreicht werden kann. Dadurch können längere, aber proportional leichtere Rotorblätter gebaut werden.
Diese Arbeit konzentriert sich auf Hinterkantenklappen als Methode der aktiven Strömungskontrolle. Dies ist darin begründet, da sie einen vergleichbaren Effekt, bei bedeutend höherer Frequenz-Bandbreite, auf die wirkenden Lasten im Vergleich zur Verdrehung der Rotorblätter (Pitch) haben. Die Leistungsfähigkeit von Hinterkantenklappen wurde in dieser Arbeit an einem zwei- und an einem drei-dimensionalen Versuchsträger untersucht. Durch die zwei-dimensionale experimentelle Studie in einem Windkanal der Universität Oldenburg konnte die Effektivität von Auftriebsabschätzungen durch Dreilochsonden und durch eine reduzierte Anzahl von Oberflächendruckbohrungen untersucht werden. Die Ergebnisse wurden zur Vorsteuerung einer aktiven Hinterkantenklappe genutzt. Durch statische Testfälle wurde an der Berlin Research Turbine die Möglichkeit zur Reduktion von Ermüdungslasten durch Hinterkantenklappen untersucht. Dabei wurde die industrienahe individuelle Hinterkantenklappenregelung mit der fortschrittlichen repetitiven, modellprädiktiven Regelung verglichen.
Schließlich wurde das Potenzial von Hinterkantenklappen zur Reduktion von Extremlasten untersucht. Dafür wurde im Großen Windkanal (GroWiKa) der Technischen Universität Berlin, die Möglichkeit geschaffen, extreme Einströmbedingungen zu erzeugen. In dieser Studie wurde ein Regelungskonzept entworfen, dass je nach gemessener Einströmbedingung, eine Ermüdungs- oder eine Extremlastregelung einsetzt. Damit wurde der erste experimentelle Machbarkeitsnachweis zur Extremlastkontrolle durch aktive Hinterkantenklappen geführt. Die Ergebnisse dieser Dissertation können in Kürze wie folgt zusammengefasst werden: Hinterkantenklappen sind geeignete Aktuatoren für die aktive Regelung von Ermüdungs- und Extremlasten; die repetitive, modellprädiktive Regelung ist der individuellen Hinterkantenklappenregelung deutlich überlegen und eine durch Einströmsensoren erweiterte Regelung kann erfolgreich zur Reduktion von Extremlasten eingesetzt werden. Diese Dissertation wird durch eine Diskussion der Grenzen der verwendeten Versuchsträger und einen Ausblick zur Nutzung von Hinterkantenklappen an industriellen Windkraftanlagen abgeschlossen. Es wird erwartet, dass trotz einiger Vorteile, Hinterkantenklappen nicht für die Reduktion von Ermüdungslasten in der Praxis eingesetzt werden. Für die Reduktion von Extremlasten kann diese Technologie allerdings einen signifikanten Beitrag leisten, um längere, aber proportional leichtere Rotorblätter zu entwerfen
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