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Simulation von Windkraftanlagen

Das ganze System im Blick haben

| Redakteur: Monika Zwettler

Die Komplettlösung für die Entwicklung von Windkraftanlagen von Ansys bietet hohe Ergebnissicherheit in einer integrierten Umgebung und beschleunigt die Entwicklung um bis zu 37 %, wie Ahmad Haidari, Global Industry Director Energy and Process and Power Industries bei Ansys, erklärt.

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Die Entwicklung einer Windkraftanlage ist eine multiphysikalische, multidisziplinäre Problemstellung. Die Ansys-Komplettlösung bietet hohe Ergebnissicherheit in einer integrierten Umgebung: Strömungsmechanik, Strukturmechanik und Elektromagnetik.
Die Entwicklung einer Windkraftanlage ist eine multiphysikalische, multidisziplinäre Problemstellung. Die Ansys-Komplettlösung bietet hohe Ergebnissicherheit in einer integrierten Umgebung: Strömungsmechanik, Strukturmechanik und Elektromagnetik.
(Bild: Ansys)

konstruktionspraxis: Herr Haidari, Ansys bietet mit der Workbench jetzt eine Simulationslösung, die sich über alle Komponenten einer Windkraftanlage erstreckt. Wie wurde vorher bei der Konstruktion von Windkraftanlagen simuliert?

Ahmad Haidari: In der Vergangenheit wurde technologische Simulationssoftware nur zur Analyse und Konstruktion von bestimmten, einzelnen Komponenten der Windkraftanlage eingesetzt. Diese Simulationen wurden von verschiedenen Ingenieuren mit unterschiedlichen, auf jeweils eine physikalische Problemstellung optimierten Simulationswerkzeugen durchgeführt. So wurde beispielsweise eine auf Strömungsmechanik spezialisierte Software für die CFD-Analyse der Rotorblätter zur Optimierung der Aerodynamik genutzt oder eine auf Strukturmechanik spezialisierte Software für eine Simulation zur Analyse der strukturellen Integrität des Rotorblatts eingesetzt.

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konstruktionspraxis: Welche Probleme entstanden dadurch?

Haidari: Es wurde nie das gesamte System simuliert, sondern immer nur ein einzelnes Element, das dann aber im Gesamtsystem optimal funktionieren sollte. Die Entwicklung einer Windkraftanlage ist aber eine multiphysikalische, multidisziplinäre Problemstellung. Am Ende soll Windenergie so kostengünstig und zuverlässig produziert werden wie möglich. Ingenieure müssen Komponenten und Systeme entwerfen, die unter realen Bedingungen ohne ungeplante Abschaltung betrieben werden können. Sie müssen die Anlagen auch für verschiedene Anforderungen an die Windenergieproduktion auslegen, d. h. für unterschiedliche Anlagengrößen und Installationsbedingungen. Bei großen Turbinen besteht die Herausforderung darin, Turbinen zu entwerfen, die am Ende einen Durchmesser haben, der größer als die Länge eines Fußballfeldes ist. Für jedes Bauteil gibt es jedoch unterschiedliche technische Probleme wie zum Beispiel die optimale aerodynamische Auslegung und die strukturelle Integrität der Rotorblätter bei variierenden Windgeschwindigkeiten. Hinzu kommt, dass selbst wenn der Rotor für den Standort und seine Windgegebenheiten optimal entwickelt ist, noch nicht klar ist, wie sich die Einzelteile im gesamten System verhalten und wie sie sich unter realen Bedingungen gegenseitig beeinflussen.

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konstruktionspraxis: Eine Simulationslösung für die Konstruktion von Windkraftanlagen sollte also im Idealfall das ganze System abdecken?

Haidari: Ja, Ingenieure benötigen für die Entwicklung einer optimierten Windkraftanlage eine Simulation in einer integrierten Umgebung. Hier können sie bei Bedarf mehrere physikalische Problemstellungen gleichzeitig lösen und vor allem auch eine Simulation der gesamten Anlage auf Systemebene durchführen. Also die Simulation von Aerodynamik, Strukturmechanik, Strömungsmechanik, Standort sowie Turbinenplatzierung und Elektromagnetik in einer Simulationsumgebung. Nur so kann sichergestellt werden, dass das Design nicht nur auf optimale Leistung, sondern auch auf höchste Langlebigkeit optimiert ist. Bedenkt man, dass die Wartung und Reparatur von Windkraftanlagen generell und vor allem bei Offshore-Anlagen sehr kostenintensiv ist, dann wird klar, dass diese Anlagen im Idealfall nie ausfallen sollten. Langlebigkeit und langfristige Zuverlässigkeit müssen schon während der Entwicklung sichergestellt werden.

konstruktionspraxis: Wie unterstützt die Ansys-Simulationslösung dabei?

Haidari Ingenieure und Unternehmen können schon früh im Entwicklungszyklus eine Reihe von Simulationen durchführen, um die Leistung der Komponenten einzeln oder als Teil eines Subsystems zu untersuchen. Was verändert sich zum Beispiel, wenn die Kühlung der Bordelektronik verändert wird? Es können auch unterschiedliche aerodynamische Lasten simuliert werden, um die Anzahl der physikalischen Tests zu reduzieren. Ingenieure führen Simulationen und „Was wäre wenn“-Analysen mit Ansys-Software durch, um ihr Produkt zu verbessern oder neue Subsysteme für Windkraftanlagen einzuführen. Aus unserer Erfahrung wissen wir, dass sich die Produktentwicklung beim Einsatz von konsolidierten Simulationslösungen um bis zu 37 % beschleunigt und sich die Gesamtkosten des Betriebs einer Anlage um bis zu 50 % reduzieren. Hinzu kommt, dass Ingenieure höheres Vertrauen in ihr Design haben können.

konstruktionspraxis: Welcher Nutzen entsteht dadurch?

Haidari: Windkraftanlagen bestehen aus einer Vielzahl von Komponenten. Daher ist für die Entwicklung eine Multiphysik-Simulationslösung erforderlich. Die Ansys-Komplettlösung bietet hohe Ergebnissicherheit in einer integrierten Umgebung: Strömungsmechanik, Strukturmechanik und Elektromagnetik. Damit ist es möglich, multiphysikalische Simulationen wie zum Beispiel eine Thermisch-Elektromagnetische-Simulation für die Motoren oder eine Strömungs-Struktur-Interaktionssimulation für die Rotoren durchzuführen. Parametrische und Design-Optimierungen können auf jeder beliebigen Rechenplattform, vom Desktop bis zum High-Performance-Computing-System, vor Ort oder in der Cloud durchgeführt werden. Es ist möglich, Komponenten auf Systemebene und dem integrierten funktionalen Sicherheits- und Steuerungssystem zu verbinden. Außerdem lassen sich digitale Zwillinge jeder Anlage erstellen, um die Leistung zu optimieren und ungeplante Wartungsarbeiten zu vermeiden.

konstruktionspraxis: Ein häufiges Argument gegen Windkraftanlagen ist der Schutz der Anwohner und auch der Tiere. Welche Möglichkeiten bietet Ansys Workbench diesbezüglich?

Haidari: Simulation hilft dabei sicherzustellen, dass die Konstruktionen den verschiedenen Sicherheitsnormen und -codes entsprechen, die bei der Installation des Systems gelten. Dabei geht es nicht nur um die traditionellen Aspekte wie Luftströmung, strukturelle Integrität oder elektromagnetische Sicherheit. Der Aspekt Lärm ist auch aus gesetzlicher Sicht sehr wichtig, insbesondere wenn die Windkraftanlagen dort installiert werden, wo Menschen oder Tiere betroffen sein könnten. Die Simulation spielt auch hier eine Rolle dabei, Ingenieuren zu helfen, das von der Turbine erzeugte Nah- und Fernfeldrauschen vorherzusagen.

konstruktionspraxis: Welche Trends sehen Sie für die Zukunft?

Haidari: Bei Ansys sehen wir aktuell, dass immer größere Anlagen Offshore-, aber auch kleine Windkraftanlagen in Gebäuden und im urbanen Umfeld entstehen. Gleichzeitig verbessert sich die operative Leistung und Ruhezeiten werden reduziert. Es gibt erste Lösungsansätze für das Problem der Unterbrechung der Stromzufuhr bei Windstille durch Vorfiltration von Energiespeichern und Mikronetzen. Außerdem sehen wir, dass physikalisch basierte digitale Zwillinge in Verbindung mit Edge Computing immer häufiger eingesetzt werden.

Vielen Dank Herr Haidari.

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