The Hybrid-Lambda Rotor design methodology is introduced, enabling very large rotors for offshore wind turbines to increase energy capture in light winds and enhance integration in the energy system. Load mitigation fosters a lightweight and cost-effective turbine design. The methodology features a non-uniform distribution of axial induction along the blade span and a design for two different tip speed ratios and corresponding operational strategies. Further, the concept is scaled to wind tunnel size. The experimental and numerical investigations reveal unique wake characteristics. The wake deficit in the strong-wind mode is significantly reduced, and an additional shear layer and vortex system form, which further enhances wake diffusion. A control methodology is established and validated through wind tunnel experiments. A thorough explanation of the scaling methodology ensures the transferability of the results from wind tunnel tests to full-scale applications.
Die Hybrid-Lambda Rotor Entwurfsmethodik wird vorgestellt, wodurch sehr große Rotoren für Offshore-Windenergieanlagen ermöglicht werden. Dies erhöht den Energieertrag bei schwachem Wind und verbessert die Integration in das Energiesystem. Die Lastreduktion ermöglicht ein kostengünstiges Rotorblattdesign in Leichtbauweise. Die Methode beinhaltet eine ungleichmäßige Verteilung der axialen Induktion entlang des Rotorblattes und ein Design für zwei verschiedene Schnelllaufzahlen und korrespondierende Betriebsmodi. Das Konzept wird zudem auf Windkanalgröße skaliert. Die Experimente zeigen, dass das Nachlaufdefizit im Starkwindmodus deutlich reduziert ist. Es bildet sich ein zusätzliches Wirbelsystem, was die Erholung des Nachlaufs verbessert. Es wird eine Regelungsmethodik für den Hybrid-Lambda Rotor entwickelt und in Windkanalexperimenten validiert. Eine gründliche Erläuterung der Skalierungsmethodik gewährleistet die Übertragbarkeit der Ergebnisse von den Experimenten zum realen Maßstab.
Lidar systems non-intrusively measure wind inflow that can be used to optimize turbine performance through feedforward control, contrasting with conventional feedback control. While simpler lidar measurements required wind field reconstruction to extract turbine relevant information, scanning lidars provide high-resolution wind fields. This thesis utilizes simulations and experiments to develop advanced wind reconstruction methods. Proper Orthogonal Decomposition (POD) and its extension, Gappy-POD were introduced accurately reconstructing the spatio-temporal inflow dynamics on a reduced basis and overcoming blade interference in preferred nacelle-based installations reconstructing up to 90 % missing data. Synchronized dual-Lidar field experiments characterized the upstream induction zone and validated engineering models, revealing complex wake/induction zone interactions. The work concludes with recommendations for future nacelle-Lidar applications and enhanced measurement setups.
Lidar-Systeme messen auf nicht-intrusive Weise den Windeinstrom, der zur Optimierung der Turbinenleistung durch Feedforward-Regelung genutzt werden kann, im Gegensatz zur konventionellen Feedback-Regelung. Während einfachere Lidar-Messungen eine Rekonstruktion des Windfeldes erforderten, um turbinenrelevante Informationen zu erhalten, bieten Scanning-Lidars hochauflösende Windfelder. Diese Arbeit nutzt Simulationen und Experimente, um erweiterte Methoden zur Windrekonstruktion zu entwickeln. Die Proper Orthogonal Decomposition (POD) und ihre Erweiterung, Gappy-POD, wurden eingeführt, um die räumlich-zeitliche Anströmungsdynamik auf einer reduzierten Basis genau zu rekonstruieren und die Blattinterferenz bei bevorzugten gondelbasierten Installationen zu überwinden, wobei bis zu 90 % der fehlenden Daten rekonstruiert wurden. Synchronisierte Dual-Lidar- Feldexperimente charakterisierten die Induktionszone stromaufwärts und validierten Engineering-Modelle, wodurch komplexe Interaktionen zwischen Nachlauf- und Induktionszone aufgedeckt wurden. Die Arbeit schließt mit Empfehlungen für zukünftige Gondel-Lidar-Anwendungen und verbesserte Messaufbauten.
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