BBTI-WEA

 

Boden-Bauwerk-Triebstrang-Interaktion von Windenergieanlagen

Kurze Beschreibung

Der Anteil erneuerbarer Energie aus Windenergieanlagen (WEA) stellt schon heute einen unverzichtbaren Anteil an der Energieversorgung in Deutschland dar. Ein weiterer Ausbau der Windenergie erfordert die Entwicklung immer leistungsfähigerer Anlagen mit hoher Wirtschaftlichkeit, die neben der Effektivität eine hohe Zuverlässigkeit über eine ausreichende Lebensdauer aufweisen müssen. Grundlage der Auslegung leistungsfähiger Anlagen ist die strukturdynamische Abbildung der Anlage als Gesamtsystem, da die schwingfähigen Einzelkomponenten Rotor, Antriebsstrang, Turmstruktur, Gründung und Boden in dem dynamisch beanspruchten System in ständiger Interaktion stehen.
Der klassische Entwurf basiert auf dem Ansatz, die untersten globalen Eigenfrequenzen der Komponenten und Systemanregungen im Frequenzbereich zu separieren, so dass die Eigenfrequenzen nicht zusammenfallen und hinreichende Frequenzabstände zu den tieffrequenten Anregungen aufweisen. Nur durch die Betrachtung im Gesamtsystem ist es jedoch möglich, die Anlagenkomponenten optimal aufeinander abzustimmen und in der Konsequenz die Wirtschaftlichkeit durch die Minimierung von Ausfall- und Wartungszeiten und die Verbesserung des Ermüdungs- und Verschleißverhaltens zu steigern. Aktuelle Probleme mit Gründungen und Turmstrukturen zeigen, dass die beschriebene dynamische Interaktion des Gesamtsystems in der Vergangenheit unzureichend verstanden worden ist.
Der Trend zu steigenden Leistungserträgen führt bedingt durch größere Rotoren zwangsweise zu immer höheren und schlankeren Turmstrukturen, wodurch sich die Effekte aus der dynamischen Boden-Bauwerk Interaktion (BBI) deutlich verstärken. Da diese auch das strukturdynamische Verhalten der Turmstruktur beeinflussen, sind die bodendynamischen Effekte bei Analysen der Systemantwort und des Verhalten der Gesamtanlage zu berücksichtigen. Eine offene Fragestellung ist, in wie weit der Einfluss der Elastizität und der Eigendynamik des Boden-Bauwerk Systems die Beanspruchungen des Antriebsstranges beeinflusst. Diese kann nur unter Berücksichtigung der dynamischen Boden-Bauwerk Interaktion am Gesamtsystem beantwortet werden. Die dazu notwendigen Informationen zum Übertragungs- und Dämpfungsverhalten des Turmes und der Fundament-Boden-Interaktion stehen aktuell aber nicht vollständig zur Verfügung. Bei der Auslegung und Planung von Windenergieanlagen kommen bereits komplexe Modelle zur Untersuchung der dynamischen Einwirkungen und Strukturbeanspruchungen zum Einsatz. Diese Modelle liegen in den einzelnen Fachdisziplinen (Aerodynamik, Maschinenbau, Bauingenieurwesen) in hohen Genauigkeitsgraden vor, jedoch fehlt bislang eine interdisziplinäre ganzheitliche Betrachtung unter Berücksichtigung der multiphysikalischen Interaktionen. Deshalb besteht ein Bedarf zur Entwicklung von Modellen, mit denen die komplexe Gesamtsystemdynamik durch die Kopplung von Aerodynamik, Maschinendynamik und Bauwerksstruktur erfasst werden kann. Damit soll das Projekt einen wichtigen Beitrag für die Entwicklung effizienter, ökonomischer und zuverlässiger Windenergieanlagen für eine umweltfreundliche Energieversorgung.

Forschungsförderung

PtJ - Projektträger Jülich

Partner

Laufzeit

01 / 2015 - 12 / 2017

Ansprechpartner

Frank Kemper