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.
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.
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