Simulationstechnologien für die Entwicklung von Windkraftanlagen

Themenschwerpunkt: Windkraft
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ANSYS Simulationsanwendungen für
die Entwicklung von Windkraftanlagen
Effizient in allen Teilen
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Themenschwerpunkt: Windkraft
Vom Rotorblatt bis zur Pfahlgründung
Überblick: Simulationstechnologien für die Entwicklung von Windkraftanlagen
Seite 14 – 15
Rotorblattentwicklung mit ANSYS Composite PrepPost
Modellierung und Versagensanalysen von Rotorblättern aus Faserverbundwerkstoffen
Seite 16 – 17
Turbulente Windparkplanung
F2E – Fluid & Energy Engineering: Berechnung der dreidimensionalen turbulenten Windfelder
Seite 18 – 20
Linearelastische Bruchmechanik mit ANSYS Workbench
REpower: Abschätzung der Sprödbruchsicherheit bei Kaltklimabedingungen
Seite 21
Trotz Gewichtsreduktion eine hohe Lebensdauer
AREVA Wind: Betriebsfestigkeitsanalyse von Gussbauteilen bei der Entwicklung der Multibrid M5000
Seite 22 – 23
Simulation mit System
Abbildung und Optimierung des elektrischen Systems
Seite 24 – 25
Stillerer Ozean
MENCK: Maßnahmen gegen die Geräuschentwicklung bei der Pfahlgründung von Offshore-Anlagen
Seite 26 – 27
Kranauslegung zum Aufbau von Windkrafträdern
Liebherr: Realisierung neuer Krankonzepte für große Windkraftanlagen
Seite 28 – 29
www.cadfem.de/wind
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Themenschwerpunkt: Windkraft
Vom Rotorblatt bis zur Pfahlgründung
Simulationstechnologien für die Entwicklung von Windkraftanlagen
Windenergieanlagen zur Stromerzeugung können nicht nur in Deutschland
auf eine steile Karriere zurückblicken.
In den letzten zwanzig Jahren stieg
ihre Anzahl von wenigen Hundert auf
mehr als 20.000 Anlagen, die heute eine installierte Leistung von mehr als
25.000 Megawatt aufweisen können.
Gleichzeitig wurde die Leistung der einzelnen Anlage um etwa das Zehnfache von
etwa 0,2 auf über 2 Megawatt erhöht.
Mehr als 6 Prozent des Stromverbrauchs
wurden schon im Jahr 2007 in Deutschland
durch Windenergieanlagen produziert. Bis
2025 soll der Anteil der Windenergie an
der Stromerzeugung auf 25 Prozent steigen, bezogen auf den heutigen Stromverbrauch. Damit ist eine Branche entstanden,
die eine vielversprechende Zukunft bietet
und schon heute rund 100.000 Menschen
in Deutschland mit der Planung und dem
Bau entsprechender Anlagen beschäftigt.
© iStockphoto.com/pareto
Jahrelang hat Deutschland im Bereich der
Windenergie eine Vorreiterrolle gespielt,
aber immer mehr Länder investieren in diese umweltschonende Technologie. Im Jahr
2009 wurden in China die meisten neuen
Windenergieanlagen mit einer Gesamtleistung von mehr als 12.500 Megawatt aufgestellt, gefolgt von den USA, Spanien,
Deutschland, Indien, Italien und Frankreich.
Aber nicht nur der Bau von immer mehr
Windenergieanlagen, sondern auch der
Ersatz (Repowering) von älteren Anlagen
mit geringeren Leistungen steht auf der Tagesordnung. So wurden im letzten Jahr in
Deutschland 116 ältere Windenergieanla-
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gen durch 80 neue ersetzt, wobei die Gesamtleistung von knapp 56 auf über 180
Megawatt erhöht wurde.
Ein weiteres sehr aktuelles Thema ist die
Windenergienutzung auf dem Meer (Offshore). Hier wurden auch in den deutschen
Meeresgebieten die ersten Anlagen – die
in den meisten Fällen eine höhere Leistung
erbringen als die Anlagen an Land – in Betrieb genommen. In Deutschland sind bis
zum Jahr 2030 Offshore-Anlagen mit einer
Gesamtleistung von rund 25.000 Megawatt geplant.
Mit Simulation effizient in allen Teilen
Die innovativen Unternehmen im hochdynamischen Markt der Windenergienutzung setzen in der Produktentwicklung
konsequent auf leistungsfähige Werkzeuge
und effiziente Methoden, um die Auslegung der Windenergieanlagen zu optimieren. Dank zahlreicher Kunden und
Projekte aus dem Windenergiesektor verfügt CADFEM auch in diesem Bereich der
erneuerbaren Energien über ein vielfältiges Know-how.
Die Effizienz praktisch aller Komponenten
einer Windkraftanlage kann auf dem Wege
der Simulation überprüft und optimiert
werden. Beispielhaft werden auf den
folgenden Seiten Kundenanwendungen
und Berechnungsprojekte vorgestellt, die
mit ANSYS Simulationslösungen realisiert
wurden. Das Spektrum reicht von „ganz
oben“, der Auslegung der Rotorblätter,
über Fragen der Luftströmung und strukturmechanischen und elektrischen Aspek-
Themenschwerpunkt: Windkraft
ten bis hinunter zur Pfahlgründung im
Meeresgrund.
Zur Modellierung mit Faserverbundwerkstoffen bietet die Simulationslösung ANSYS
Composite PrepPost dem Anwender ein
breites Spektrum an leistungsfähigen Funktionen zur Analyse von Rotorblättern.
Nordex Energy kann dadurch unter anderem bei der strukturellen Auslegung im
Bereich des Postprocessings sehr schnell die
Versagenskriterien auswerten.
Bei knappen Platzverhältnissen für einen
Windpark können komplexe Turbulenzsimulationen die Planungssicherheit erhöhen und Aufschluss darüber geben, ob
der Abstand zwischen den einzelnen Windenergieanlagen groß genug ist. Dazu wurden von der Firma „F2E – Fluid & Energy
Engineering“ die dreidimensionalen, turbulenten Windfelder im Nachlauf einer
Windenergieanlage vom Typ ENERCON
E-66 mit der Simulationssoftware ANSYS
FLUENT berechnet und mit den Messdaten
verglichen.
Auch bei REpower hat die numerische Simulation einen festen Platz in der Produktentwicklung. Unter anderem wurde – in
diesem Fall – gemeinsam mit CADFEM ein
Projekt zur Bruchmechanik durchgeführt.
Bestimmt wurden die Spannungsintensitätsfaktoren an einem Getriebebauteil,
um die Sprödbruchsicherheit unter Kaltklimabedingungen abschätzen zu können.
AREVA Wind hat bei der Windenergieanlage Multibrid M5000 eine Kompakt-
bauweise realisiert und ein besonderes
Augenmerk auf das Gewicht gerichtet.
Mit einer Gondelmasse von 234 Tonnen ist
sie das Leichtgewicht unter den OffshoreAnlagen. Betriebsfestigkeitsberechnungen – insbesondere der schweren
Gussbauteile wie Rotornabe, Hohlwelle
und Maschinenträger – mit ANSYS
nCode DesignLife haben einen wesentlichen Anteil an der Gewichtsreduktion.
Das elektrische System einer Windkraftanlage beinhaltet alle Komponenten zur
mechanisch-elektrischen Energiewandlung
und stellt neben dem Rotor und dem mechanischen Antriebstrang die dritte wesentliche Funktionsgruppe einer Windenergieanlage dar. Wir geben einen Überblick über
die ANSYS Simulationswerkzeuge, die
dafür zur Verfügung stehen.
Im Bereich der Akustik-Analysen wird von
der Firma MENCK und CADFEM ein gemeinsames Projekt realisiert, das die
Geräuschentwicklung bei der Pfahlgründung von Offshore-Windenergieanlage mit ANSYS numerisch simuliert. Bei
der Pfahlgründung werden zur Festigung
des Fundaments mächtige Stahlpfeiler mit
Hilfe von hydraulischen Rammhämmern in
den Meeresboden gerammt. Die massive
Lärmentwicklung dabei soll durch begleitende Lärmschutzmaßnahmen reduziert
werden.
ten Anforderungen an die Montagekrane.
Liebherr als führender Hersteller von Fahrzeugkranen begegnet den Bedürfnissen
der Windindustrie mit besonderen Krankonzepten und neuen Auslegersystemen,
die unter anderem mit Hilfe der ANSYS
<<
Software optimiert werden.
ANSYS Fachseminar
Windenergie
7. Juni 2011 in Hamburg
Informationen und Anmeldung
www.cadfem.de/fachseminar-windenergie
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| Information
Ansprechpartner
Nathalie Mattwich, CADFEM GmbH, Grafing
Tel. +49 (0) 80 92-70 05-387
E-Mail [email protected]
Quellen und weitergehende
Die Entwicklung immer leistungsstärkerer
und damit schwererer Windenergieanlagen geht einher mit immer höheren
Türmen, auf denen die Anlagen betrieben
werden. Dies führt zu erheblich gesteiger-
Informationen zum Thema Windenergie
www.wind-energie.de/de/statistiken/
www.erneuerbare-energien.de/inhalt/4642/
www.erneuerbare-energien.de/inhalt/44473/
www.erneuerbare-energien.de/inhalt/46826/4591/
www.cadfem.de/wind
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