LOAD RESPONSE-Überblick

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Seit windPRO Version 3.0 ist das Modul LOAD RESPONSE in SITE COMPLIANCE integriert, um die Ermüdungslasten jeder WEA des betrachteten Layouts zu prüfen.

LOAD RESPONSE wurde als Teil des Forschungsprojekts “Optimized Integration of Load Calculations in Development and Design of Wind Farms” entwickelt, geleitet von Dr. Henrik Stensgaard Toft. Das Projekt wurde in Zusammenarbeit von EMD, der Universität Aalborg (Bauingenieurwesen)[1] und dem Innovation Fund Denmark[2] durchgeführt. Diese Kombination sicherte eine solide wissenschaftliche Basis für LOAD RESPONSE. Zusätzlich wurden die in LOAD RESPONSE hinterlegten generischen WEA-Response-Modelle eingehend durch führende WEA-Hersteller auf Repräsentativität und Genauigkeit geprüft. Darüber hinaus wurde die Konsistenz der in LOAD RESPONSE verwendete Response-Surface-Methode zur Ermittlung der Ermüdungslasten mit der Richtlinie IEC 61400-1 Ed. 3 (2010) durch den TÜV Süd zertifiziert.

LOAD RESPONSE betrachtet in der aktuellen Version Ermüdungslasten während der normalen Produktion der WEA, in IEC 61400-1 Ed. 3 (2010) als Lastfall 1.2 bezeichnet. Dies ist der wichtigste Lastfall, da die WEA die meiste Zeit im normalen Produktionsbetrieb läuft und dieser stark von den Windbedingungen am Standort abhängt. Auch Extremlasten, die in LOAD RESPONSE generell nicht berücksichtigt sind, sind entscheidend für die Auslegung der WEA. Sie werden jedoch direkt über die Ermittlung der Extremwindbedingungen in SITE COMPLIANCE geprüft.


Grundlagen

Häufig führen die einzelnen Prüfungen in SITE COMPLIANCE zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen, so dass einzelne IEC-Parameter teilweise (gelb) oder komplett (rot) überschritten sind, während andere unter den Grenzwerten liegen. Die Überschreitungen treten zudem oft nur in einzelnen Windgeschwindigkeitsklassen auf, wie unten gezeigt. Es ist dadurch oft möglich, die Überschreitungen durch geringere Werte in anderen Windgeschwindigkeitsklassen oder bei anderen IEC-Parametern auszugleichen, so dass die Gesamtlasten innerhalb des Auslegungsbereichs liegen. Diese Prüfung wird basierend auf der Response-Surface-Methode in LOAD RESPONSE durchgeführt.


Abb. 82. Überschreitung in der Windgeschwindigkeitsverteilung (links) und Turbulenzverteilung (rechts) in einigen Windgeschwindigkeitsklassen


Die SITE COMPLIANCE-Ergebnisse unten zeigen teilweise Überschreitungen der Hauptprüfungen Effektive Turbulenz, Windverteilung und Luftdichte, während Windshear und Neigung der Anströmung innerhalb der IEC-Grenzen liegen.


Abb. 83. Eine SITE COMPLIANCE Berechnung, die den Bedarf einer LOAD RESPONSE-Berechnung zeigt.

Basierend auf diesen SITE COMPLIANCE-Ergebnissen, kann nicht direkt entschieden werden, ob der gewählte Anlagentyp, bzw. die Auslegungsklasse für diesen Standort im betrachteten Layout geeignet ist. Eine Betrachtung der Ermüdungslasten ist nötig, um eine zuverlässige Entscheidung zu treffen. Die IEC-Richtlinie[3] fordert für diese Situation eine Lastberechnung, beschrieben in Kap. 11.1, S. 55:

"…Es muss nachgewiesen werden, dass die Standortbedingungen die Integrität der Konstruktion nicht verletzen. Der Nachweis umfasst die topographische Komplexität des Standortes, siehe 11.2, und eine Bewertung der Windbedingungen am Standort, siehe 11.3. Für den Nachweis der Integrität der Konstruktion können zwei Methoden angewendet werden:
a) ein Nachweis, dass alle diese Bedingungen weniger schwerwiegend sind als die, die bei der Auslegung der WEA angenommen wurden, siehe 11.9;
b) ein Nachweis der Integrität der Konstruktion für Bedingungen, die jede für sich gleich oder schwerwiegender sind, als am Standort, siehe 11.10.
Wenn eine der Bedingungen schwerwiegender ist als die bei der Auslegung angenommenen, muss die elektrische und strukturelle Zuverlässigkeit mit der zweiten Methode nachgewiesen werden."

Kurz gesagt wird Ansatz b) verlangt, wenn einer der IEC-Parameter überschritten ist. LOAD RESPONSE beinhaltet Ansatz b), denn mit diesem Modul werden die standortspezifischen Lasten der WEA-Hauptkomponenten mit den Auslegungslasten gemäß IEC-Richtlinie verglichen.

Nur die WEA-Hersteller selbst haben Zugang zum gesamten aero-elastischen Modell ihrer WEA-Typen, welches für Ansatz b) erforderlich ist. LOAD RESPONSE bietet daher zwei generische WEA-Modelle, die zur Ermittlung der Ermüdungslasten genutzt werden können, ohne dass das gesamte aero-elastische Modell des betrachteten WEA-Typs vorliegen muss.

Die Abbildung zeigt das Ergebnis aus LOAD REPSONSE für den untersuchten Standort der SITE COMPLIANCE-Berechnung weiter oben. Das Ergebnis zeigt, dass die standortspezifischen Lasten für alle WEA-Positionen für alle Hauptkomponenten „OK“ sind und dass die WEA mit den höchsten Lasten „WTG 9“ ist. Die Spalte Last-Index zeigt den Vergleich der Standort-Lasten mit den IEC-Auslegungslasten. Ein Last-Index von <100% bedeutet, dass die Auslegungslasten unterschritten sind, der Standort ist OK.


Abb. 84. Das LOAD RESPONSE-Ergebnis der SITE COMPLIANCE-Berechnung aus Abb. 83.

Anwendung

LOAD RESPONSE ist ein separates Modul, das eine eigene Lizenz benötigt, aber komplett in SITE COMPLIANCE integriert ist. In der Modulliste ist dies durch eine andere Form des grünen Symbols gekennzeichnet.


Abb. 85. Links: Modulliste mit expandiertem Bereich Lasten. SITE COMPLIANCE hat hier einen grünen Pfeil, während die Lizenz für LOAD RESPONSE durch einen grünen Kreis gekennzeichnet ist. Die Meldung rechts tritt auf, wenn versucht wird LOAD RESPONSE direkt hier durch Doppelklick aus der Modulliste zu starten.

LOAD REPONSE wird aus dem Hauptteil von SITE COMPLIANCE aktiviert, wenn das Häkchen unter Last-Berechnung gesetzt ist. Anschließend erscheint ein neues Register namens LOAD RESPONSE. Solange dort noch keine Berechnungen durchgeführt wurden, oder wenn sich die Berechnungsvoraussetzungen geändert haben, wird dies durch eine rote Markierung gekennzeichnet.


Abb. 86. Aktivierung von LOAD RESPONSE aus dem Hauptteil von SITE COMPLIANCE. Die gelbe Markierung bei IEC-Prüfungen sowie das rote Zeichen neben LOAD RESPONSE zeigen die Übersicht der Ergebnisse (hier gelb = Achtung als Ergebnis von SITE COMPLIANCE und keine aktuelle Berechnung von LOAD RESPONSE)


WEA-Hersteller können sehr leicht und ohne interne Daten preiszugeben ihre eigenen WEA-Modelle einfügen, um diese intern oder in Zusammenarbeit mit ausgewählten Anwendern zu nutzen. Diese spezifischen WEA-Modelle unterliegen einer strengen Geheimhaltung und sind sowohl durch ein verschlüsseltes Formal als auch durch die Notwendigkeit einer speziellen Lizenzfreigabe geschützt (siehe Kap. 5.3.4).


Was ist ein Response-Modell?

LOAD RESPONSE nutzt zur Ermittlung der Ermüdungslasten für spezifische Standortparameter eine „Response-Surface“-Methode. Das Modell ist einfach gesagt eine Sammlung von vorher durchgeführten Ergebnissen aero-elastischer Simulationen (Ermüdungslasten) für bestimmte Kombinationen von Windparametern und einem genauen Modell zur Interpolation der Lastdaten.

LOAD RESPONSE nutzt ein Response-Modell, das 25 Simulationspunkte benötigt, um eine vierdimensionale Response-Oberfläche für jede Windgeschwindigkeitsklasse zu erhalten. Ein Simulationspunkt ist eine bestimmte Kombination der vier Parameter Effektive Turbulenz (Iref), Windshear (α), Neigung der Anströmung (φ) und Luftdichte (ρ). Ein Response-Modell wird für alle Hauptkomponenten oder Querschnitte des WEA-Modells benötigt, hier als „Sensoren“ bezeichnet. Typische Sensoren sind z.B. Turmfuß-Biegemoment oder Blatt-Biegemomente. Die Abbildung zeigt ein Beispiel eines Sensors für den Zusammenhang von mittlerer Windgeschwindigkeit und Windscherung. Jedes Querschnittsprofil in einer Windklasse zeigt hier nur die Variation in einer von vier Dimensionen des Modells (hier Windscherung).


Abb. 87. Aero-elastische Lastantwort für das Blattbiegemoment (Sensor: “Blade out-of-plane bending moment”) als Funktion von Windgeschwindigkeit und Windscherung. Die vertikale Achse zeigt das normalisierte Lastäquivalent (DEL).


Weitere Themen:


Referenzen:

  1. ↑ http://www.civil.aau.dk/
  2. ↑ http://innovationsfonden.dk/en
  3. ↑ IEC 61400-1 ed. 3, 2005, Wind turbines – Part 1: Design requirements
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