Wind tunnel design for wind turbines

Abstract

Die weltweit steigende Anzahl an Windkraftwerken beschert der Weiterentwicklung an Windturbinen ebenfalls einen großen Aufschwung. Obwohl computerunterstützte Simulationsmethoden wie CFD (Computational Fluid Dynamics) einen wichtigen Beitrag zur Erprobung von Windturbinen leisten, sind experimentell bestimmte Ergebnisse in diesem Bereich unerlässlich. Windtunnelanlagen eignen sich für solche Untersuchungen hervorragend, da es möglich ist, maßstabsgetreue und geometrisch ähnliche Modelle von Windturbinen unter realistischen Bedingungen auf deren Effizienz zu testen. Abgesehen davon stellt solch eine Anlage in der Lehre einen erheblichen Mehrwert dar, da mit dieser äußerst komplexe Strömungsexperimente durchgeführt werden können. Ein leichteres Verständnis wird dem/der Studierenden durch die Visualisierung ermöglicht. Deshalb wurde ein Windkanal für das Institut für Energietechnik und Thermodynamik an der Technischen Universität Wien entwickelt. In dieser Diplomarbeit werden die Grundlagen der Energiegewinnung durch Windkraftwerke und Modellierung von Windturbinen durchgearbeitet, wobei der Fokus dieser Arbeit auf der Entwicklung des Windtunnels liegt. Dabei wird auf die Berechnung, Auslegung und technische Konstruktion jedes Einzelteils der Anlage eingegangen und die bestmöglichen Zukaufteile ausgewählt. Da komplette, jedoch teure Windtunnelanlagen auf dem Markt erwerblich sind, wurde ein niedriger Preis bei der Entwicklung dieser Anlage stets angestrebt. Die Effizienz der Anlage durfte jedoch nicht unter dieser Vorgabe leiden, weshalb eine Strömungssimulation mit Hilfe der Simulationssoftware Ansys Fluent durchgeführt wurde. Erst nach Erreichen zufriedenstellender Ergebnisse wurden Kostenvoranschläge für Materialien und die Herstellung der finalen Bauteile eingeholt. Dadurch war es erst möglich, eine Entscheidung treffen zu können, ob sich der Eigenbau einer solchen Anlage rentiert.

The ever-increasing volume of wind power plants all around the globe has increased the run on the further development of wind turbines. Nevertheless, even with today ́s simulation methods like CFD (Computational Fluid Dynamics), it is mandatory to predetermine the behaviour of the evolved turbine with experimental results. Wind tunnel systems are the best way to test down-scaled models of wind turbines with similar dimensions and parameters as the full-scale application. Besides, this test facility is beneficial for education at universities. A wide variety of aerodynamic experiments are possible, and complex flow profiles can be visualized, enabling a better understanding of the matter. Hence, a wind tunnel was developed for the Institute of Energy Systems and Thermodynamics at the Vienna University of Technology. The study presented also provides a detailed insight into the fundamentals of energy generation through wind power and the modelling of wind turbines. However, the focus is on the computation and technical design of each component of the wind tunnel and the selection of the best compatible outsourced parts. Since commercially available wind tunnel facilities are comparatively expensive on the market, the goal was to keep the costs for materials and construction as low as possible but ensuring maximum efficiency. For that reason, several performance checks have been carried out with the help of the CFD-Software Ansys-Fluent until nearly no flow separation occurred inside the wind tunnel, and the flow quality, as well as velocity inside the test chamber, was satisfying. Furthermore, quotations of all parts have been requested to evaluate the economic competitiveness of independently building a wind tunnel facility or buying the whole system from a well-known manufacturer.