Einfluss der Änderung der Rotorblattgeometrie auf den Ertrag von Windkraftanlagen

Abstract

Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde versucht, die durch die Vereisung von Windkraftanlagen entstehenden Leistungsverluste zu berechnen und zu analysieren. Es wurde von einem Eisansatz ausgegangen, welcher bei Glatteisbedingungen auftreten könnte. Die Tiefe der Vereisung entlang des Rotorblattradius wurde als linear bis zur Mitte des Rotorblattradius ansteigend angenommen und danach konstant gehalten. Damit wurde dann an drei unterschiedlichen Profilen entlang des Rotorradius die Tiefe des Eisansatzes de finiert. Die Position der Spitze des Ausgangseisansatzes für jedes Pro fil wurde am Staupunkt, welcher sich im normalen Betrieb bei einer Windgeschwindigkeit von 9 m/s ergibt, angenommen. Danach erfolgte eine Veränderung der Größe sowie eine Variation der Position in CATIA. Mit den neuen Koordinatenpunkten für jeden unterschiedlichen Vereisungsfall wurde ein neues Profi l für Xfoil generiert. Danach erfolgte die Modi fikation eines bestehenden Xfoil-Matlab-Interface, welches mittels Iteration die sich ergebenden aerodynamischen Anstellwinkel für die unterschiedlichen Eisansätze und die Auftriebs- und Widerstandsbeiwerte bei Windgeschwindigkeiten von 2 m/s bis 14 m/s berechnete. Mit diesen konnte dann der sich ergebende Leistungsbeiwert bei unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten berechnet werden. Der jeweilige Leistungsbeiwert wurde anschließend mit dem, welcher sich bei dem unvereisten Rotorblatt ergibt, verglichen. Des Weiteren erfolgte noch die Betrachtung der Umströmung bei den einzelnen Pro filen mit den verschiedenen sich ergebenden Eisansätzen. Dabei wurde, um Ablösungen erkennen zu können, vor allem der Reibungsbeiwert cf herangezogen sowie der Formparameter zur Bestimmung der Transition.

In this thesis, an attempt was made to calculate and analyze the power losses of a wind turbine caused by icing. An ice accumulation, which could occur in „glaze-ice“-conditions, was assumed. The size of the accumulated ice along the rotor blade radius was assumed to grow lineary to the middle of the rotor blade radius, and stays constant up to the tip. So the size of the accumulated ice for three different profils along the rotor radius was defined. The position of the accreted ice for each profil was defined at the stagnation point, which occurs in normal operation conditions at a wind speed of 9 m/s. Then a parameter variation was made by changing the size and also varying the position of the accreted ice in CATIA. With the new coordination points for each icing case a new profil was generated in Xfoil. After this a modification of an existing Xfoil-Matlab-Interface was made for calculating the resulting angles of attack plus the lift and drag coefficients for the different ice accumulations at wind speeds between 2 m/s and 14 m/s. So the resulting power coefficient for different wind speeds could be calculated. The respective power coefficient was subsequently compared to the power coefficient, which would occure by a non-iced rotor blade. Furthermore the air flow around the individuel profils with different ice accretions was examined. In order to detect flow separation the friction coefficient cf and for the determination of the transition the shape parameter H12 were used.