Rotierender Laser an einer Windkraftanlage in Texas zur Verbesserung der Genauigkeit von Simulationswerkzeugen für die Windindustrie

In Zusammenarbeit mit General Electric (GE) und finanziert vom Wind Energy Technologies Office (WETO) des US-Energieministeriums (DOE) haben Forscher von Sandia National Laboratories (Sandia) und die Nationales Labor für erneuerbare Energien (NREL) hat ein Gerät namens Spinner Lidar erfolgreich auf dem Hub installiert und bereitgestellt – die Struktur, die die Rotorblätter mit der Hauptwelle verbindet – einer 2,8-Megawatt-GE-Windkraftanlage in Lubbock, Texas. Im Rahmen des Projekts wurde das Spinner-Lidar eingesetzt, das mithilfe eines rotierenden Lasers hochpräzise Windgeschwindigkeitsdaten liefert Rotoraerodynamik, Aeroelastik und Nachlauf (RAAW) Experiment finanziert von WETO.

„Dieses Projekt zielt darauf ab, Daten zu sammeln, um bestehende und neue Windkraftanlagenmodelle zu verbessern und zu validieren“, sagte Chris Kelley, einer der Hauptforscher des RAAW-Experiments in Sandia.

Die Verbesserung von Modellen und Validierungstechniken für die Windindustrie ist eine Möglichkeit, mit der Forscher in den nationalen Labors des DOE innovative Wege zur Erzeugung sauberer Energie untersuchen und dazu beitragen, das Ziel der Vereinigten Staaten zu erreichen, bis 2035 einen 100 % sauberen Stromsektor und bis 2050 eine Wirtschaft mit Netto-Null-Emissionen zu erreichen .

Das Spinner-Lidar misst sowohl die Windgeschwindigkeit als auch die Turbulenzen, also Winde, die die Turbinenblätter ermüden und schädigen, wenn sie sich der Windkraftanlage nähern. Diese Messungen erfolgen alle 2 Sekunden über die gesamte überstrichene Rotorfläche – den Kreis, der von den rotierenden Rotorblättern überstrichen wird. Dies liefert mehr Daten als ein meteorologischer Turm und verbessert letztendlich zukünftige Windenergiemodelle.

Miguel Hernandez bereitet die Montage innerhalb der GE-Turbinennabe vor, um den Spinner-Lidar zu installieren und zu schwenken. (Foto von Tommy Herges, Sandia)

Durch die Erstellung eines umfassenden und einzigartigen Datensatzes könnte diese dreijährige Zusammenarbeit die Genauigkeit beider DOEs verbessern ExaWind-Code-Suite und Simulationstools bei GE. Solche Verbesserungen der Konstruktionsvorschriften können zu robusteren und zuverlässigeren Rotorblattkonstruktionen für Windkraftanlagen führen und die Kosten der Windenergie senken.

„Diese Messungen zeigen, wie sich der Wind über die Grundfläche des Rotors der Windkraftanlage, die sich über mehr als 400 Fuß erstreckt, unterscheidet“, sagte NREL-Forscherin Paula Doubrawa. „Wenn sich beispielsweise eines der Rotorblätter stärker verbiegt als die anderen beiden, können wir die Windwechselwirkungen während dieser Zeit untersuchen, um zu verstehen, was passiert ist. Anschließend können wir diese detaillierten Winddaten in unsere Computersimulationen einfließen lassen und überprüfen, ob das simulierte Rotorblatt genauso reagiert wie das reale. Der Nachweis der Leistung unserer Computermodelle ist der Schlüssel zum effizienten Entwurf und Betrieb von Windkraftanlagen.“

Die Forscher erwarben das Spinner-Lidar-Instrument von der Technischen Universität Dänemark und entwarfen und fertigten den maßgeschneiderten Montagerahmen und die dazugehörige Hardware.

„Die Installation des Lidar erforderte umfangreiche Planung, da das Instrument zu groß war, um es von innen zu installieren Gondel oder Hub“, sagte Kelley. „GE hat uns bei der Entwicklung eines Lidar-Montagekonzepts geholfen, und das Sandia-Team hat einen Lidar-Montagerahmen mit schwenkbarem Scharnier entworfen und gefertigt. Ein großer Kran war Teil des Installationsprozesses und der Drehpunkt ermöglichte es dem Personal innerhalb der Turbinennabe, das Lidar vom Kran zu trennen.“

Das Experimentierteam sammelte einen Zustrom von Daten vom Spinner-Lidar-Instrument, das im April 2023 mit der Datenerfassung begann und bis November 2023 andauern wird. Vom Lidar-Instrument wurden Daten für verschiedene Turbinenbetriebszustände und Windbedingungen gesammelt, damit Simulationswerkzeuge validiert werden können für alle Betriebsbedingungen.

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Büro für Windenergietechnologien, mit freundlicher Genehmigung von Energie.gov.