Der 'dynamic inflow' Effekt beschreibt die instationäre aerodynamische Reaktion auf schnelle Änderungen der Rotorbelastung einer Windenergienlage. Ingenieursmodelle (IMs) werden in konstruktionsrelevanten aeroelastischen Simulationen eingesetzt, um diesen Effekt zu erfassen. Ziel dieser Arbeit war es, das Verständnis des 'dynamic inflow' Effektes durch Windkanalexperimente zu verbessern. Zunächst wurde eine skalierte Modell-Windturbine entworfen. Anschließend wurde ein Windkanalexperiment mit einem Blatt-Pitch-Schritt durchgeführt. Die relevante Rotorströmung wurde mit einer neuen Methode extrahiert. Diese Messungen wurden mit IMs verglichen. Schließlich wurde eine schnelle Rotorlaständerung durch eine Windböe untersucht. Vergleiche mit IMs zeigten große Abweichungen vom Experiment und eine Modifikation wurde vorgeschlagen. Diese experimentelle Arbeit erweitert das Verständnis des 'dynamic inflow' Effektes für Pitch-Schritte und stellt die Relevanz des Effekts für Böen dar.
The dynamic inflow phenomenon describes the unsteady aerodynamic response to fast changes in the rotor loading of a wind turbine. Aeroelastic design calculations depend on engineering models (EMs) to catch this effect. The objective of this thesis was to enhance the understanding of the dynamic inflow effect based on wind tunnel experiments. Firstly, a scaled model wind turbine was designed. Next, wind tunnel experiments with collective blade pitch steps were conducted. In addition to inflow, wake and load measurements, the dynamics of the induced axial and tangential velocities were extracted by a novel method and compared to EMs. Lastly, fast rotor load changes due to tailor-made wind gusts were investigated. Comparisons to EMs showed large deviations from the experiment, and a modification was suggested. This experimentally driven thesis increases the understanding of the mechanisms of dynamic inflow for pitch steps and provided evidence of the relevance for gust situations.
Das Ziel der vorgelegten Arbeit besteht darin, den Einfluss von in der Atmosphäre messbaren Inkrement-Statistiken höherer Ordnung auf Ermüdungslasten an Windenergieanlagen zu quantifizieren. Als Hauptinstrument zur Generierung von Windfeldern mit entsprechender Statistik wird ein verbessertes stochastisches turbulentes Windmodell auf Grundlage von kontinuierlichen Zeitprozessen, sog. Continuous Time Random Walks (CTRWs), als Eingabe für computerbasierte Strömungssimulationen entwickelt und genutzt. Nach Vergleich verschiedener Einströmmethoden hinsichtlich der Turbulenzentwicklung in einem offenen Kanal kann in Rotorsimulationen gezeigt werden, dass eine erhöhte Kurtosis der Inkrementverteilung des Windfeldes sowohl beim Rotorblattsegment als auch am gesamten Rotor zu größeren Ermüdungslasten führen. Zudem kann eine Beziehung zwischen den Korrelationen innerhalb der Einströmebene und den Ermüdungslasten festgestellt werden.
The goal of this thesis is to quantify the impact of in atmosphere measured higher order increment statistics on fatigue loads of wind turbines. As the main tool for the generation of wind fields with the corresponding statistics, an improved stochastic turbulent wind model based on Continous Time Random Walks (CTRWs) is developed and used as an input for Computational Fluid Dynamics simulations. After the comparison of different inflow methods with respect to the evolution of the turbulence along an open channel, it can be shown in rotor simulations that an increased kurtosis of the increment distribution of the wind field leads to higher fatigue loads for the airfoil as well as the whole rotor. Furthermore, a relation between correlations within the inflow plane and fatigue loads could be found.
This thesis aims to develop new OpenFOAM codes to simulate the ice accretion on wind turbine blades in cold climates and the effects of ice-phobic coatings on the overall anti-icing heat. To avoid high computational costs of resolving complex profiles of ice, rough wall functions are used to model the effects of roughness on the airflow without completely resolving the flow field. Water particles carried by air are then tracked using Lagrangian particle tracking to calculate the exact locations of impingement on the surface to determine whether the particles are pinned or bouncing on the surface. The water mass on the surface is determined and the thermodynamic model of icing is solved to determine the ice profile. A 3D rotating wind turbine blade is simulated using the quasi-3D technique and compared with other CFD codes for validation and the expected minimum anti-icing heat in case ordinary surfaces is compared to the ice-phobic case to study the feasibility of such coatings.
Ziel dieser Doktorarbeit ist die Entwicklung neuer Codes innerhalb OpenFOAM zur Simulation der Eisbildung, das auf dem Rotorblatt im kalten Klima bildet und den Energiebedarf für das Anti-Eis-System zu berechnen. Um übermäßige Berechnungskosten für die Auflösung komplexer Eisprofile zu vermeiden, können rauen Wandfunktionen verwendet werden. Die Luft mitgeführten Wasserpartikel werden mithilfe der Lagrangeschen Partikelverfolgung, um den genauen Ort des Auftreffens der Partikel auf der Oberfläche zu berechnen und ob sie anhaften bleiben oder zurückprallen. Die Wassermasse auf der Oberfläche wird danach grechnet und das thermodynamische Modell der Vereisung angewandt wird, um das endgültige Eisprofil zu ermitteln. Ein 3D-Windturbinenblatt unter Verwendung der Quasi-3D-Technik ist eingesetzt wird. Diese Technik wird dann mit anderen CFD-Codes verglicht. Außerdem wird ein Vergleich zwischen der erwarteten Anti-Icing-Wärme bei normalen und eisabweisenden Oberflächen durchgeführt.
HochschulschriftEnergieversorgungErneuerbare EnergienUnsicherheitOptimierungValidierungValiditätRichtigkeit von ErgebnissenMathematikOptimierungsproblemUnvollkommene InformationPartielle InformationUngewissheitEnergiequelleErneuerbare RessourcenVersorgungEnergieerzeugungEnergiewirtschaft
In order to tackle climate change, nations make great efforts to integrate large shares of renewable power sources. This is a challenging task requiring many political decisions and great financial and technical efforts. Power system models can support this process of decision-making. However, the solution of these programs depends on many parameters from different fields. The interplay of these parameters, the way they co-act, is complex, the sensitivity of power system models to this interplay not yet fully explored. The aim of this thesis is the description of the complex coaction of the input parameters in numerical power system models and the quantification of model sensitivities. I will show that the availability of wind power can be linked to the prevailing weather situation, that regional differences in the capital cost should be considered when designing a highly renewable European power system and that power system models are especially sensitive to the temporal resolution.
Viele Länder unternehmen große Anstrengungen, hohe Anteile erneuerbarer Energien zu integrieren. Dies ist eine anspruchsvolle Aufgabe, die viele politische Entscheidungen und finanzielle und technische Anstrengungen erfordert. Energiesystemmodelle können diesen Entscheidungsprozess unterstützen. Die Lösung dieser Programme hängt jedoch von vielen Parametern aus verschiedenen Disziplinen ab. Das Zusammenspiel dieser Parameter ist komplex, die Sensitivität der Modelle noch nicht vollständig erforscht. Das Ziel dieser Arbeit ist die Beschreibung des Zusammenwirkens der Parameter in Energiesystemmodellen und die Quantifizierung ihrer Sensitivität. Ich werde zeigen, dass die Verfügbarkeit von Windenergie mit der vorherrschenden Wettersituation verknüpft werden kann, dass regionale Unterschiede in den Investitionskosten beim Entwurf eines europäischen Stromsystems berücksichtigt werden sollten und dass die Modelle besonders empfindlich auf Veränderungen der zeitlichen Auflösung reagieren.
The first part of the cumulative thesis within ultrafast transmission electron microscopy (UTEM) deals with properties of multi-electron pulses emitted by laser-driven field emitters. Different mechanisms for the temporal and spatial broadening of multi-electron pulses by intrapulse Coulomb interactions are clearly identified, and stochastic and mean-field effects during acceleration in a strong electric field near the emitter tip are unveiled. In the second part, structural dynamics within an ultrathin double-layer system as a source of acoustic phonons are discussed, both theoretically and experimentally. An analytical model was developed to describe the frequency spectrum of localized acoustic resonances in bilayer systems. Experimentally, phonons emitted by a bilayer stripe into a single-crystalline membrane are monitored with high spatiotemporal resolution provided by ultrafast convergent beam electron diffraction. Based on the corresponding analytical model, Lamb waves preferentially at resonance frequencies of the bilayer system are identified.
Der erste Teil der kumulativen Dissertation im Rahmen der ultraschnellen Transmissionselektronenmikroskopie (UTEM) befasst sich mit den Eigenschaften von Multielektronenpulsen, die von lasergetriebenen Feldemittern emittiert werden. Verschiedene Mechanismen für die zeitliche und räumliche Verbreiterung von Multi-Elektronenpulsen durch Intrapuls-Coulomb-Wechselwirkungen werden klar identifiziert, und stochastische und mittlere Feld-Effekte während der Beschleunigung in einem starken elektrischen Feld nahe der Emitterspitze werden enthüllt. Im zweiten Teil werden strukturelle Dynamiken innerhalb eines ultradünnen Doppelschichtsystems als Quelle akustischer Phononen sowohl theoretisch als auch experimentell diskutiert. Es wurde ein analytisches Modell zur Beschreibung des Frequenzspektrums von lokalisierten akustischen Resonanzen in Doppelschichtsystemen entwickelt. Experimentell werden Phononen, die von einem Doppelschichtstreifen in eine einkristalline Membran emittiert werden, mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung mittels ultraschneller konvergenter Elektronenstrahlbeugung beobachtet. Auf der Grundlage des entsprechenden analytischen Modells werden Lamb-Wellen identifiziert, die bevorzugt bei Resonanzfrequenzen des Doppelschichtsystems auftreten.
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