Jahresbericht SWE 2012

Jahresbericht 2012

Stiftungslehrstuhl Windenergie Universität Stuttgart

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Verfassers zulässig.

Stiftungslehrstuhl Windenergie (SWE)

am Institut für Flugzeugbau

Universität Stuttgart

Allmandring 5B

70550 Stuttgart

Tel. (+49) 711 685 68253

Fax (+49) 711 685 68293

eMail: [email protected]

URL: www.uni-stuttgart.de/windenergie

Titelfotos stammen aus diesem Jahresbericht

Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

1.1 Kurzporträt des Stiftungslehrstuhls Windenergie ---------------------------------------------------------------

1.2 Jahresrückblick --------------------------------------------------------------------------------------------------------------

2 Personalia ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

2.1 Mitarbeiter des SWE im Jahre 2011 ---------------------------------------------------------------------------------

2.2 Ehemalige Mitarbeiter des SWE (Fortgang im Jahr 2011)--------------------------------------------------

3 Lehre -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

3.1 Lehrkonzept -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

3.2 Lehrveranstaltungen ------------------------------------------------------------------------------------------------------

3.3 Studien- und Diplomarbeiten, Fachpraktika sowie Exkursionen ----------------------------------------

3.4 Fort- und Weiterbildung, internationale Studiengänge ------------------------------------------------------

4 Forschung --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

4.1 Forschungsbereich I: Betriebsverhalten von Windenergieanlagen ------------------------------------

4.2 Forschungsbereich II: Aeroelastisches Verhalten von Windenergieanlagen und deren Komponenten --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

4.3 Forschungsbereich III: Load Monitoring und Regelung -----------------------------------------------------

4.4 Forschungsbereich IV: Dynamik und Entwurf von Offshore-Windenergieanlagen ---------------

4.5 Darstellung einzelner Forschungsprojekte -----------------------------------------------------------------------

5 Nationale und internationale Zusammenarbeit -------------------------------------------------------------------

5.1 Gremienarbeit und Mitgliedschaften --------------------------------------------------------------------------------

5.2 Kooperationen---------------------------------------------------------------------------------------------------------------

6 Konferenzen, Symposien und Messen--------------------------------------------------------------------------------

7 Wissenschaftliche Vorträge und Publikationen ------------------------------------------------------------------

8 Neuer Lehrstuhlinhaber – Prof. Dr. Po Wen Cheng -------------------

9 WindForS-Gründung und Doktorandenseminar -----------------------

10 InVentus - Mit dem Wind gegen den Wind --------------------------------------------------------------------------

10.1 Das Inventus-Projekt -----------------------------------------------------------------------------------------------------

10.2 Aktuelles in 2011 -----------------------------------------------------------------------------------------------------------

11 Was war sonst noch im Jahr 2011 --------------------------------------------------------------------------------------

Installation der Kleinwindkraftanlage „Lakota“ auf dem SWE-Dach ---

Anhang I: Lehrveranstaltungen ------------------------------------------------------------------------------- Anhang II: Ausstattung -------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Einleitung 1

1 Einleitung

1.1 Kurzporträt des Stiftungslehrstuhls Windenergie Der Stiftungslehrstuhl Windenergie (SWE) ist als Lehrstuhl am Institut für Flugzeugbau der Fakultät für Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie der Universität Stuttgart verankert.

Mit dem Lehrstuhl wird die Forschung und Lehre des Windenergiepioniers Prof. Dr.-Ing. Ulrich Hütter (1910 - 1989) am Institut für Flugzeugbau fortgesetzt. Der SWE betreibt eine multidisziplinär und international ausgerichtete Forschung und Lehre im Bereich der Windenergie, die Studierenden aller Fakultäten der Universität Stuttgart offen steht. Der SWE ist der erste universitäre Lehrstuhl für Windenergie in Deutschland. Durch die Zusammenarbeit innerhalb der Universität, mit Unternehmen, Hochschul- sowie Forschungseinrichtungen wird die Nutzung der Windenergie und anderer erneuerbarer Energiequellen aktiv gefördert.

Der SWE beruht auf einer Stiftung von Dipl.-Ing. Karl Schlecht, Gründer der Putzmeister AG, Aichtal.1 Die Karl-Schlecht-Stiftung unterstützt den SWE jährlich mit einem Betrag von 250.000 €. Weitere Personal- und Sachmittel sowie die Infrastruktur werden von der Universität Stuttgart bereitgestellt. Des Weiteren tragen Drittmittel aus nationalen wie internationalen Forschungsprojekten bzw. Industriekooperationen zum jährlichen Finanzbudget bei.

1.2 Jahresrückblick Der Jahresbericht 2012 gibt einen Überblick über das neunte Jahr seit der Einrichtung des Lehrstuhls zum 1. Januar 2004.

Im Kreis der Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter gab es wieder Veränderungen. Im Laufe des Jahres traten fünf ehemalige Diplomanten, darunter drei ehemalige HIWI, ihre Stelle am SWE an. Allen weiteren Mitarbeitern konnte aufgrund des gesunden Finanzhaushalts die Verträge verlängert werden. Insgesamt waren über das Jahr ca. 30 studentische oder wissenschaftliche Hilfskräfte am SWE tätig.

Die Hörerzahl in den Windenergievorlesungen stieg weiter an: Die Grundlagenvorlesung „Windenergienutzung I“ wurde im Sommersemester 2012 von mehr als 150 Studierenden verschiedener Studiengänge besucht. In der weiterführenden Vorlesung „Windenergienutzung II“ stieg die Anzahl der Studierenden auf nunmehr 75 an. Die vertiefende Vorlesung „Entwurf von Windenergieanlagen I“ wurde von mehr als 20 Studierenden besucht. Im akademischen Jahr 2012/2013 konnten 20 Studien- und Diplomarbeiten abgeschlossen werden.

Der Lehrstuhl und dessen Forschungsgebiete wurde auch 2012 auf verschiedenen Informations- und Fortbildungsveranstaltungen vorgestellt. Darüber hinaus wurden bei diversen Workshops im In- und Ausland die Interessen des SWE vertreten und seine Position als Forschungsinstitution gestärkt. Die Forschung am SWE resultiert in einer zunehmenden Zahl von wissenschaftlichen Vorträgen und Veröffentlichungen, z.B. auf der Science of Making Torque from Wind in Oldenburg, DEWEK in Bremen, EWEA 2012 in Kopenhagen oder der ISOPE 2012 in Rhodos,

Im September hat SWE hat imRahmen des Forschungsnetzwerks WindForS einen Workshop organisiert, um die zukünftige Strategie von WindForS zu formulieren. Man einigte sich auf das Kernthema Windenergienutzung in komplexem Gelände, worauf sich die wichtigen Kompetenzen von WindForS Mitgliedern konzentrieren. Gleichzeitig verleiht das Thema WindForS ein Forschungsprofil, das sie von anderen Forschungsverbündeten deutlich unterscheidet. Es wurden Arbeitsgruppen für verschiedene Forschungsthemen gegründet und eine Skizze für die Konzeption eines Windtestfelds in komplexem Gelände entworfen.

Auf nationaler Ebene gewinnt WindForS ebenfalls an Bedeutung. So wurde SWE, als WindForS Sprecher, für das Strategiegespräch vom Bundesumweltministerium eingeladen, um über den langfristigen Forschungsbedarf von WindForS zu berichten. Dabei wurde das Thema Wind im Binnenland und insbesondere in komplexem Gelände hervorgehoben. Windenergie im Binnenland und in komplexem Gelände ist wirtschaftlich und sozial ein sinnvoller Bestandteil der Energiewende.

1 Weitere Informationen siehe: www.karl-schlecht.de

http://www.ifb.uni-stuttgart.de/

http://www.ifb.uni-stuttgart.de/~doerner/windenergiebuch.html

http://www.karl-schlecht.de/

2 Einleitung

SWE war auch maßgeblich an der Entwicklung einer Technologie-Roadmap für Windenergie beteiligt. Die Roadmap dient der KIC Innoenergy in den nächsten 5 Jahren als Basis für Projektausschreibungen . In der Roadmap ist die Vision für die Zukunft der Windenergie, aus SWE Sicht, abgebildet.

2012 fand auch eine Delegationsreise zum Thema Energie mit der Ministerin Bauer vom Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst des Landes Baden-Württemberg statt. Unter anderemwurden Gespräche mit dem EU Kommissar für Energie, Günther Öttinger, geführt. Herr Öttinger berichtete über die zukünftigen Herausforderungen und die Politik der EU in Sachen Energiesicherheit, nachhaltige Energieversorgung und Energieforschung. Die EU hält an den Ausbauzielen der Erneuerbaren Energie fest und wird auch in Zukunft viel in diesen wichtigen Industriebereich investieren, damit der technologische Vorsprung weiter ausgebaut werden kann.

Auf der weltweit wichtigsten Windmesse in Husum hat Po Wen Cheng, im Rahmen der Career Messe, einen Vortrag über die Möglichkeiten einer wissenschaftlichen Karriere im Sektor Windenergie gehalten. Die jungen Absolventen wissen oft nicht, welche wichtigen Vorteile, aber auch Nachteile, mit einer wissenschaftlichen Karriere verbunden sind. Für die Windenergie ist es sehr wichtig, einen stetigen Pool vonhochqualifiziertem Nachwuchs in der Windenergieforschung zu bilden, damit die technologische Entwicklung, die einen Wettbewerbsvorteil schafft, vorangetrieben wird.

In der Forschung wird in den vier Bereichen

I Betriebsverhalten von Windenergieanlagen

II Aeroelastisches Verhalten von Windenergieanlagen und deren Komponenten

III Load-Monitoring und Regelung

IV Dynamik und Entwurf von Offshore-Windenergieanlagen

und damit zum Teil verbunden an 14 Promotionsprojekten gearbeitet.

Insgesamt werden derzeit zehn größere Drittmittelvorhaben bearbeitet: Zwei sind in der Forschungsinitiative RAVE (research at alpha ventus) verankert, in dessen Rahmen u.a. Forschungsarbeiten im ersten deutschen Offshore Testfeld durchgeführt werden. Des Weiteren ist der SWE an den zwei europäischen Forschungsprojekten „InnWind“ und „Floatgen“ involviert. Außerdemist der SWE innerhalb der KIC Inno Energy Initiative an insgesamt drei Forschungsprojekten „Offwindtech“, „Neptune“ und AFOSP“ beteiligt. Auf nationaler Ebene startete im Herbst 2012 das Forschungsprojekt „Lidar Complex“ als erstes WindForS Projekt. Ziel ist die Optimierung der Windfeldmessung im bergig komplexen Gelände.

Personalia 3

2 Personalia

2.1 Mitarbeiter des SWE im Jahre 2012

Prof. Dr. Po Wen Cheng Lehrstuhlinhaber seit 09/2011

Katharina Thomm, Dipl.-Übers. (Englisch, Spanisch) Verwaltungsangestellte Tätigkeitsbereich: Sekretariat, Verwaltungs- und Übersetzungsaufgaben, Mittelüberwachung

Katrin Rettenmeier Verwaltungsangestellte Tätigkeitsbereich: Sekretariat, Verwaltungsaufgaben

Jan Anger, Dipl.-Ing. (Umweltschutztechnik) Akademischer Beschäftigter Tätigkeitsbereich: Messtechnik, Installationsarbeiten On- und Offshore, SWE-Labor und -Werkstatt, Betreuung des Praktikums „Windenergie“ und Projektarbeiten im Studiengang Erneuerbare Energien, Übungen in Windenergienutzung II

4 Personalia

Matthias Arnold, Dipl.-Ing. (Luft- und Raumfahrttechnik) Akademischer Beschäftigter Tätigkeitsbereich: Fluid-Struktur-Interaktion an Gezeitenströmungsanlagen, Mehrkörpermodellierung, CFD Promotionsthema: Hydroelasticity of Tidal Current Turbines

Stefan Baehr, Dipl.-Ing. (Luft- und Raumfahrttechnik) Akademischer Beschäftigter Tätigkeitsbereich: Pitchregelung von Windenergieanlagen, Pitchteststand, Aero-elastische Simulation mit Flex5 und FAST Promotionsthema: „Dynamisches Verhalten und Entwurf von Pitchsystemen beim Einsatz verschiedener Regelungsstrategien“

Friedemann Beyer, Dipl.-Ing. (Luft- und Raumfahrttechnik) Akademischer Beschäftigter Tätigkeitsbereich: Mehrkörpersimulation schwimmender Windenergieanlagen, Hydrodynamik, CFD, Free Vortex Methoden Promotionsthema: Dynamisches Verhalten schwimmender Windenergieanlagen unter besonderer Berücksichtigung der Modellierung der Hydrodynamik

Oliver Bischoff, Dipl.-Ing. (Luft- und Raumfahrttechnik) Akademischer Beschäftigter Tätigkeitsbereich: Lidar Technologie, Lastanalyse von Windenergieanlagen basierend auf Windmessungen mit Lidar, NEPTUNE-Projekt,

Mark Capellaro, MSc (Wind Energy) Akademischer Beschäftigter Tätigkeitsbereich: Faserverbundanwendungen in der Windenergie Promotionsthema: „Passive Belastungsreduktion durch Biege-Torsionskopplung von Rotorblättern“ Wissenschaftlicher Austausch mit Sandia National Laboratories, USA June 2012

Personalia 5

Stefan Hauptmann, Dipl.-Ing. (Luft- und Raumfahrttechnik) Akademischer Beschäftigter Tätigkeitsbereich: Aero-elastische Analyse von Windenergieanlagen durch Mehrkörpersimulation Promotionsthema: „Bedeutung von rotoraerodynamischen und aero-elastischen Effekten für das strukturdynamische Verhalten von Windenergieanlagen“

Florian Haizmann, Dipl.-Ing. (Technische Kybernetik) Akademischer Beschäftigter Tätigkeitsbereich: Regelung von Windkraftanlagen mittels LiDAR, Windfelderfassung mittels LiDAR

Martin Hofsäß, Dipl.-Ing. (Luft- und Raumfahrttechnik) Akademischer Beschäftigter Tätigkeitsbereich: Entwicklung und Betrieb eines LiDAR-Scanners, Messtechnik, Computeradministration Lidar Complex Projekt

Daniel Kaufer, Dipl.-Ing. (Luft- und Raumfahrttechnik) Akademischer Beschäftigter Tätigkeitsbereich: Integrierte Lastsimulation von Offshore-Windenergieanlagen mit Flex5 und Finite Element Programmen, Inventus, Computeradministration Promotionsthema: „Validation of an integrated load simulation method and modeling requirements of offshore wind turbines during the design process”

Denis Matha, Dipl.-Ing. (Luft- und Raumfahrttechnik) Akademischer Beschäftigter Promotionsthema: „Aerodynamische, hydrodynamische und aero-elastische Modellierung und Analyse von Windenergieanlagen zur Auslegung von Rotoren und zur Analyse der Gesamtdynamik“

6 Personalia

Andreas Rettenmeier, Dipl.-Ing. (Luft- und Raumfahrttechnik) Dipl.-Ing. (FH) Maschinenbau Kommissarischer Leiter des SWE während der Vakanz bis 08/2011 Tätigkeitsbereich: Lidar Technologie, Messtechnik

Frank Sandner, Dipl.-Ing. (Maschinenwesen) Akademischer Beschäftigter Tätigkeitsbereich: Modellierung und Regelung von schwimmenden Windkraftanlagen Promotionsthema: „Konzeptionierung, Modellierung und Regelung von schwimmenden Windkraftsystemen“

David Schlipf, Dipl.-Ing. (Technische Kybernetik) Akademischer Beschäftigter Tätigkeitsbereich: Regelung von Windenergieanlagen mittels LiDAR, Messung einströmendes Windfeld Promotionsthema: „Prädiktive modellbasierte Regelung von Windenergieanlagen mit LiDAR-Windmessung“

Ursula Smolka, Dipl.-Ing. (Technische Kybernetik) Akademische Beschäftigte Tätigkeitsbereich: Online-Lastmessung und Lastschätzung an Windkraftanlagen Promotionsthema: „Kontinuierliche Belastungsüberwachung von Windenergieanlagen für moderne Regelstrategien und eine optimierte Betriebsführung“

Jan Quappen, Dipl.-Ing. (Bauingenieurwesen) Akademischer Beschäftigter Tätigkeitsbereich: Integrierte Simulation, Lastrechnung und Gesamtdynamik von Offshore-Windenergieanlagen, Gründungskonzepte Promotionsthema: „Gesamtdynamik und integrierter Entwurf von Offshore-Windenergieanlagen (OWEA) der Multi-MW-Klasse“

Personalia 7

Ines Würth, Dipl.-Ing. (Luft- und Raumfahrttechnik) Akademische Beschäftigte Tätigkeitsbereich: Bojenbasierte LiDAR Messungen zur Offshore-Windfeldvermessung, Gondelbasierte LiDAR Messungen zur Leistungskurvenbestimmung

Oliver Zobel, Dipl.-Ing. (Luft- und Raumfahrttechnik) Akademischer Beschäftigter Tätigkeitsbereich: Messtechnik, Konstruktion Hardware-in-the–loop-Teststand Betretung der Veranstaltungen Windenergienutzung II und des WindPro-Seminars

8 Personalia

2.2 Ehemalige Mitarbeiter des SWE (Fortgang im Jahr 2012) Im Jahr 2012 hat kein Mitarbeiter das SWE verlassen.

Lehre 9

3 Lehre

Die Lehre im Gebiet der Windenergie hat am Institut für Flugzeugbau der Universität Stuttgart eine lange Tradition. Nach dem Ausscheiden von Prof. Dr.-Ing. Ulrich Hütter (1980) wurde sie durch Herrn Dipl.-Ing. Heiner Dörner fortgeführt, bis im Sommersemester 2004 eine umfangreiche Umstrukturierung und Erweiterung durch den neu gegründeten Lehrstuhl erfolgte.

3.1 Lehrkonzept Der SWE ist der erste Lehrstuhl für Windenergie in Deutschland. Eine herausragende Bedeutung kommt daher der Lehre zu. Sie zeigt die volle Breite der technisch-ökonomischen Aspekte der Windenergienutzung. Primäres Lehrziel ist die Förderung des System-verständnisses am Beispiel von Windenergieanlagen und Windparks als Teil des Energiesystems.

Dieses in Deutschland einmalige Windenergie-Lehrkonzept wird durch die Studierenden und die Industrie sehr positiv bewertet. Belegt wird das durch die hohe Anzahl von Studien- und Diplomarbeiten sowie der stetig steigenden Anzahl von Bachelor und Masterarbeiten (Abschnitt 3.3).

Windenergie-Labor: Bestimmung der Blatteigenfrequenzen

In den Veranstaltungen des Fachgebiets wird zudem auch deutlich, wie anspruchsvoll das Verbinden von Wissen aus mehr oder weniger isoliert gelernten Fächern wie z.B. Aerodynamik, Strukturdynamik, Konstruktion, Elektrotechnik, Regelungstechnik und Betriebswirtschaft ist.

Integraler Teil der neuen Lehrveranstaltungen sind Hörsaalübungen und Tutorien im PC-Pool mit in der Industrie eingesetzten Programmen wie Bladed (aero-elastische Simulation von WEA), WindPro (Windparkplanung) und SIMPACK (Mehrkörpersimulation). Ergänzend wird ein Laborversuch zur Leistungskurvenvermessung eines Modellrotors im Böenwindkanal des Instituts für Aero- und Gasdynamik durchgeführt. In zwei Vorlesungen (WEN I , WEA I) werden jeweils fünf Hausübungen ausgegeben, die nach je 14-tägiger Bearbeitungszeit zur Korrektur beim Dozenten abgegeben werden. Bei einer Mindestanzahl

10 Lehre

von erfolgreich bearbeiteten Hausübungen wird ein unbenoteter Übungsschein vergeben, der Prüfungsvorleistung für eine mündliche Prüfung ist. Auf Grund der steigenden Anzahl von Studierenden musste jedoch ab dem Wintersemester 2012/13 auf die Hausübungen in der Vorlesung Windenergienutzung II verzichtet werden. Auch in diesem Jahr konnten externe Referenten aus der Wirtschaft für zusätzliche Fachvorträge gewonnen werden. Aktuelle Themen der Studien- und Diplomarbeiten und Promotionsprojekte werden im wöchentlich stattfindenden SWE-Seminar vorgetragen und von MitarbeiterInnen und Studierenden diskutiert.

Auf dem Gebiet der Windenergie ist die Möglichkeit der Projektarbeit gegeben und wird in drei Lehrveranstaltungen angeboten:

In der Übung und im Seminar zur „Windenergienutzung II“ planen die Studierenden in Zweierteams einen Windpark an einem gegebenen Standort und beurteilen dessen Wirtschaftlichkeit. Mit dem Programm WindPro werden an sieben Terminen folgende Themen bearbeitet: Einführung WindPro, Ertrag einer Einzel-WEA, Windparkertrag, Optimierung der Nachlaufverluste eines Windparks, Netzanschluss und Netzauswirkungen, Schallemission und Schattenwurf.

Im „Windenergie-Projekt – Entwurf von Windenergieanlagen II“, einer Lehrveranstaltung in Form eines Entwurfs-Seminars, wurde im WS 2012/2013 das Thema „Active Flow Control am Rotorblatt mit Flaps“ von 20 Studenten bearbeitet. Inspiriert wurde das Projekt von aktuellen Forschungsarbeiten im Upwind Projekt zu diesem Thema und aktuellen neuen Anlagenkonzepten mit dieser Regelungsmethode. Die Aufgabenstellung umfasste den gesamten Entwicklungsprozess einer Flapregelung zur Lastenreduktion. Basierend auf der Identifikation sog. CTQs (Critical to Quality) wurden die Einzelkomponenten im Detail entworfen. Die Lösung der Aufgabe erfolgte in zwei konkurrierenden Teams aus jeweils zehn TeilnehmerInnen, wobei jedes Mitglied an mehreren Teilaufgaben mitwirkte. Die TeilnehmerInnen steuerten und kontrollierten den Projektfortschritt anhand eigens definierter Zeitpläne und Milestones. In jedem Team gab es vier Gruppen, welche die Aerodynamik, die Mechanik, die Regelung und die Simulation der Flaps bearbeiteten. Die Ergebnisse wurden durch Zwischenpräsentationen, Versuchsprotokolle sowie einen Endbericht und Abschlusspräsentation dokumentiert.

Flap Entwurf eines Teams des Windprojektes

Die dritte Projektmöglichkeit ist Bestandteil des Bachelor Studiengangs Erneuerbare Energien und fand im Wintersemester 2011/2012 zum ersten Mal statt. In Kleingruppen von 4-6 Studierenden werden zum Teil aktuelle Forschungsthemen mit eingebunden. Thematisch werden Arbeiten auf allen Forschungsgebieten des SWE angeboten. Die Projekte sind sowohl theoretisch als auch praktisch ausgerichtet.

Lehre 11

Standardlehrbuch ist das Buch „Windkraftanlagen“ von R. Gasch und J. Twele.2 Zusätzlich werden die Vorlesungs- und Übungsunterlagen und ein Prüfungsfragenkatalog als Umdrucke oder zum Herunterladen angeboten.

Ein praktischer Bezug zu Windenergieanlagen und Windparks ist essentiell und wird durch Exkursionen und Praktika und, soweit sicherheitstechnisch, organisatorisch und finanziell möglich, auch durch Experimente an Windenergieanlagen im Windkanal oder Freifeld gefördert (siehe Windkanalversuch und „Windenergie-Labor“). Gleiches gilt für Studien- und Diplomarbeiten (s. Abschnitt 3.3).

2 R. Gasch und J. Twele (Hrsg.), Windkraftanlagen – Grundlagen und Entwurf, 6. Aufl., Teubner, Stuttgart, 2009.

12 Lehre

3.2 Lehrveranstaltungen

3.2.1 Vorlesungen Der SWE bietet inzwischen Veranstaltungen in allen Studienphasen an. Seit dem WS 2009/10 übernimmt der SWE ein Drittel der neuen Lehrveranstaltung „Einführung Erneuerbare Energien“ (4V, 2Ü) im ersten Semester des Bachelorstudiengangs „Erneuerbare Energien“. Im zweiten und dritten Semester wird die Pflichtveranstaltung „Konstruktionselemente I & II“ für die Studiengänge „Luft- und Raumfahrttechnik“ sowie „Erneuerbare Energien“ gehalten.

Seit dem Wintersemester 12/13 wird das Pflichtmodul „Nachhaltige Energie- und Verkehrssysteme“ mit drei Leistungspunkten für MSc.-Studenten der Luft- und Raumfahrttechnik angeboten Das Modul wird sowohl im Winter- als auch Sommersemester angeboten. Die Vorlesung fand im WS12/13 in einem kleinen Rahmen von 24 Studenten statt, und in Form einer Projektarbeit durchgeführt. Dieses Format, auch wenn es in Zukunft nicht mehr so stattfinden wird, wurde von den Studenten sehr positiv aufgenommen und bewertet.

Individuelle Schwerpunkte können im Hauptstudium gesetzt werden. Wahlfächer werden für Studierende aller Studiengänge angeboten. Vertiefungen mit vier bis zehn Semesterwochen-stunden sind in den Studiengängen „Luft- und Raumfahrttechnik“, und teilweise „Umweltschutztechnik“, „Maschinenbau“, „Technologiemanagement“ sowie „Technische Kybernetik“ möglich. Hierbei können folgende Veranstaltungen ausgewählt werden, wobei die „Windenergienutzung I“ (WEN I) jeweils den Ausgangspunkt darstellt.

„Windenergienutzung I“ (WEN I)

„Entwurf von Windenergieanlagen I“ (WEA I)

Seminar „Simulation von Windenergieanlagen – Bladed und SIMPACK“

„Windenergienutzung II“ (WEN II) mit Seminar „Windparkplanung – WindPro“

„Windenergie-Projekt – Entwurf von Windenergieanlagen II“ (WEA II)

„Windenergie-Labor“ (WEL)

„Windenergieseminar“ (Zusatzangebot ohne Prüfung)

In der Abbildung „Lehrangebot des SWE“ sind jeweils bestimmte Kombinationen von Lehrveranstaltungen einem Berufsfeld zugeordnet. So passt z.B. „Windenergienutzung I & II“ sehr gut zu Tätigkeiten in der Planung und dem Betrieb von Windparks, während die Zusammenstellung „Windenergienutzung I“, „Entwurf von Windenergieanlagen I“, „Simulation von Windenergieanlagen“ sowie das „Windenergieprojekt“ für eine Entwicklungsaufgabe im Bereich „Auslegung und Simulation“ bei einem Hersteller von Windenergieanlagen qualifiziert. Die Kombination von „Windenergienutzung I“, „Entwurf von Windenergieanlagen I“ sowie „Windenergielabor“ eignet sich sehr gut als Basis für eine Tätigkeit im Gebiet „Test und Betrieb von Windenergieanlagen“.

Die Lehrveranstaltung „Konstruktionselemente der Luft- und Raumfahrttechnik I & II“ und das ergänzende Prüfungsseminar sind aufgrund der großen Anzahl von Hörern (ca. 350 Studierende aus LRT und EE) als „klassische“ Vorlesung mit Übung konzipiert und in den Pflichtfächerkanon der konstruktiven Ausbildung der Luft- und Raumfahrttechnik und Erneuerbaren Energien eingebunden. Der in der Vorlesung behandelte Stoff wird in Vortragsübungen an exemplarischen Aufgabenstellungen vertieft. Eine Leistungsüberprüfung findet in Form von zwei studienbegleitenden Klausuren statt. Zusätzliche Tutorenseminare (betreutes Rechnen von Aufgaben) dienen den Studierenden zur Vorbereitung auf die Prüfungen.

Im Anhang I werden die einzelnen Lehrveranstaltungen näher beschrieben.

Lehre 13

3.2.2 Umstellung der Lehrveranstaltungen von einem vorlesungsorientierten zu einem modulorientierten Lehrkonzept

Im Zuge des Bologna-Prozesses ist die Umstellung von Vorlesungsveranstaltungen auf Modulvorlesungen vorgesehen. Der SWE ist bei dieser Umstellung bemüht, das bewährte berufsorientierte Lehrkonzept weiter zu verfolgen. So wurden alle Vorlesungen in thematisch sehr ähnliche Module umgewandelt und die Arbeitsbelastung während der Präsenzzeit und der Zeit zur Nacharbeitung angepasst. Im Laufe der kommenden Semester wird die Hörerzahl in den Windenergiemodulen weiter steigen. So konnte im Sommersemester 2011 ein Zuwachs um 50 Studierende auf etwa 80 Studierende verzeichnet werden. Im Sommersemester 2012 werden voraussichtlich weitere 50-80 Studierende die Windenergiemodule besuchen, so dass von weit mehr als 150 Studierenden auszugehen ist. Es wurde daher das Übungskonzept dahingehend angepasst, dass vermehrt Gruppenarbeiten und –auswertungen stattfinden werden.

Es konnten die zuvor genannten Vorlesungen in die Module

Windenergie 1 - Grundlagen Windenergie (6LP)

Windenergie 2 - Planung und Betrieb von Windparks (6LP)

Windenergie 3 - Entwurf von Windenergieanlagen (6LP)

Windenergie 4 - Windenergie-Projekt (6LP)

Windenergie 5 - Windenergie-Labor (3LP)

überführt werden. Im Masterstudiengang Luft- und Raumfahrttechnik wird der SWE das neue Modul „Nachhaltige Energie- u. Verkehrssysteme“ im Pflichtbereich des Studiengangs anbieten.

Die sechs aufgeführten Module werden in den Studiengängen B.Sc. Erneuerbare Energien

B.Sc. Elektrotechnik und Informationstechnik

B.Sc. Technische Kybernetik

B.Sc. Umweltschutztechnik

M.Sc. Nachhaltige Elektrische Energieversorgung

M.Sc. Energietechnik

M.Sc. Luft- und Raumfahrttechnik

an der Universität Stuttgart angeboten.

Zwei weitere, englischsprachige Module in Blockveranstaltung bietet der SWE im Studiengang „Renewable Energy Management“ an der Albert Ludwigs Universität in Freiburg an. Hierbei werden Studierende aus der ganzen Welt an die Thematik der Windenergienutzung herangeführt und arbeiten in einem weiteren Blockmodul an einem fiktiven Projekt eines zu planenden Windparks.

14 Lehre

3.3 Studien- und Diplomarbeiten, Fachpraktika sowie Exkursionen Studien-, Bachelor- undDiplomarbeiten Im Jahr 2012 (SS 2012 & WS 2012/13) wurden folgende Studien- (S), Diplom- (D) oder Masterarbeiten (M) bzw. Praktika (P) abgeschlossen – teilweise in Zusammenarbeit mit anderen Instituten oder Universitäten:

Timo Koch, Genauigkeit von neuronalen Netzen beim Schätzen von Ermüdungslasten von offshore Windenergieanlagen, (BSc)

Sarah Lott, Verifikation der Software Flex5-ASAS mit State-of-The-Art Programmen, (D)

Tanja Jenter, Vergleich der Ertragsberechnung zwischen integrierten und reduzierten Modellansätzen einer Offshore Windenergieanlage, (BSc)

Frank Sandner, Reduced Model Design of a Floating Wind Turbine (E, in Kooperation mit ITM – Institut für Technische und Numerische Mechanik)

Philip Göbel, Innovative Offshore Structures - Effectiveness of jacket designs using mass-producible approaches, (D)

Florian Haizmann, Implementation of an Adaptive Feed-Forward Control for Load Reduction of Wind Turbines, (D, teilweise am NREL in Boulder, CO)

Jenny Rieck, Lastanalyse einer Windenergieanlage mittels eines gondelbasierten Lidar-Geräts, (S)

Bernd Maier, Datenanalyse hinsichtlich des Einflusses des vertikalen Windprofils auf die Belastung einer Windenergieanlage (BSc)

Manuel Werner, Untersuchung transienter aerodynamischer Effekte schwimmender Offshore Windturbinen mit CFD (D)

Uwe Fechter, Verbesserung der MKS Modellierung eines Vertäuungs-Systems für schwimmende Offshore Windturbinen (D)

Matti Scheu, The economics of large-scale offshore wind energy developments with a focus on the Dogger Bank project (D)

Lorenz Haid, Conceptual 10MW Wind Turbine Design for the University of Stuttgart Instructional Turbine, (S)

Paul Brodbeck, Adaptive Regelung von Windenergieanlagen mit Hilfe von LIDAR, (S).

Julia Hahn, Auslegung und Konstruktion eines Hochlaufteststandes für die Vermessung von Rotorblättern von Klein-Windkraftanlagen (BSc)

Janina Zabitzki, Akzeptanz Windenergie in Süddeutschland – Begleitstudie an Windenergieprojekten in Baden-Württemberg, (BSc)

Josua Schwenk, Auslegung und Entwicklung eines Do-It-Yourself (DIY) – Rotorkonzeptes für eine Kleinwindkraftanlage, (BSc)

Ines Würth, Optimization of Chordwise Position, Spanwise Spacing and Angular Placement of Vortex Generators on Wind Turbine Blades (D)

Ann-Kathrin Weller, Lastanalyse und Messdatenauswertungen von Windenergieanlage (D)

Alexander Rautenberg, validierung des Modells einer Windenergieanlage vom Typ Nordex N80 anhand von Messdaten (D)

Philipp Gebhardt, Erstellung eines CFD Modells zur Simulation des Schwertes eines

Lehre 15

Segelbootes, (BSc)

Folgende Arbeiten wurden begonnen:

Sven Fischer, Analyse der Aerodynamik einer schwimmenden Offshore Windturbine mit Free Wake Verfahren (S)

Axel Rank, Analyse eines nichtlinearen MKS Vertäuungs-System Modells für schwimmende Offshore Windturbinen (S)

Victor Hocke, Nichtlineare Modelprädiktive Regelung einer schwimmenden Windkraftanlage (S).

Steffen Raach, Nichtlineare Modelprädiktive Regelung von schwimmenden Windenergieanlagen mit Einzelblattverstellung (D).

Sebastian Kaus, Optimierung eines Lidar-Systems (BSc).

Markus Stehle, Analyse des Parkwirkungsgrades des Offshore Windparks EnBW Baltic-I, (D)

Christian Geiss, Validierung von Ermüdungslasten an einer 5 MW Windturbine im offshore Testfeld „alpha venuts“, (MSc)

Manuel Stapf, Vorhersage der Ermüdungslebensdauer mit Hilfe von Support Vector Maschinen am Beispiel einer offshore Windenergieanlage, (S)

Kerstin Pöhl, Vergleich zweier Schätzalgorithmen des maschinellen Lernens am Beispiel der Blattwurzelbelastung an WEA, (S)

Yie Xie, Temperatureeinflüsse auf die Genauigkeit von Dehnungsmessungen an WEA Türmen, (DA)

Raimund Abele, Lastfallanalyse einer schwimmenden Windenergieanlage auf einer Semi-Submersible Plattform (DA)

Fabian Frank, Entwurf und Entwicklung eines Fahrwerks für ein Gegenwindfahrzeug (BSc)

Mathias Schempp, Entwurf und Entwicklung eines Fahrzeugrahmens für ein Gegenwindfahrzeug (BSc)

Mona Knupfer, Untersuchung von Tuberkeln auf ihre Eignung zur Verbesserung der Hydrodynamik an Gezeitenströmungsrotoren

Fachpraktika Im Rahmen des Praxissemesters in den Studiengängen „Erneuerbare Energien“ und „Luft- und Raumfahrtechnik“ absolvierten Studierende wieder drei- bzw. sechsmonatige Praktika in der Windenergiebranche. Bei verschiedenen Windenergieanlagenherstellern, Windpark-planern und Forschungsinstituten bekamen die Studierenden in den letzten Jahren die Chance, ihr theoretisches Wissen in der Praxis anzuwenden.

Exkursionen Inzwischen hat sich ein fester jährlicher Turnus von zwei Studienexkursionen etabliert. Die Kosten werden aus Mitteln der Karl-Schlecht-Stiftung, Studiengebühren und der Teilnehmer gedeckt.

Das Programm der Industrieexkursion im Februar 2012 war wieder straff durchgeplant und führte die 22 Teilnehmer quer durch Ost-Deutschland. Die Firma Voith Turbo in Crailsheim

16 Lehre

bot einen Einblick in die Technologie des hydrodynamisch regelbaren Getriebes WinDrive inklusive einer Führung durch die Fertigungshallen. Dieses Jahr ebenfalls im Programm: die begehrte Besichtigung des Pumpspeicherkraftwerks Goldisthal als unverzichtbarer Baustein zur Netzintegration der Windenergie. Beeindruckend für die Studenten waren die Dimensionen des Kraftwerks und das hautnahe Erleben der Pumpleistung in der Generatorhalle. Am zweiten Tag stand der Besuch der Firma VEW in Dresden auf dem Programm. Die Fertigung der VEM Generatoren für Windenergieanlagen konnte im Rahmen einer Führung erklärt werden. Zudem wurde die höchste Windkraftanlage der Welt im Windpark Spremberg besichtigt. Zum Abschluss hatten die Studierenden die Möglichkeit, die unterschiedlichen Fertigungstiefen bei Enercon in Magdeburg zu erleben. Nebst Einblicken in die fertigungstechnischen Prozesse boten die meisten Unternehmen Informationen zu Berufsperspektiven und Einstiegsmöglichkeiten an. Diese trugen zu reger Diskussion bei und wurden von den Studierenden gerne angenommen um Kontakte zu knüpfen.

. Besichtigung der Fertigungshallen der Firma VEM (li.)und zu Gast im Windpark Spremberg (re.)

3.4 Fort- und Weiterbildung, internationale Studiengänge Die national und international stark wachsende Bedeutung der Windenergienutzung bewirkt einen zunehmenden Bedarf an Fort- und Weiterbildung. Mitarbeiter des Stiftungslehrstuhls Windenergie sind daher im Rahmen unterschiedlicher Maßnahmen aktiv.

Fortbildungsseminare Mitarbeiter des SWE referierten im Jahre 2012 bei den folgenden Fortbildungsseminaren:

Risø-DTU PhD Summer school: David Schlipf und Andreas Rettenmeier waren als Gastdozenten zur PhD Summer School „Remote sensing for wind energy“ zur University of Colorado nach Boulder, USA im Juni 2012 eingeladen. Sie referierten zu den Themen „Lidar assisted control“ und „Nacelle Wind Lidar“

Zum Thema „Zukünftige Lidar Entwicklungen“ hielt Andreas Rettenmeier einen Fachvortrag im Seminar „LiDAR – Windmessung für On- und Offshore-Windparks, Theorie, Erfahrungen und Praxisempfehlungen“ der ForWind Academy in Bremen

Bei der IQPC International Conference – Advances in Wind Turbine Rotor Blades hielten Po Wen Cheng, Thorsten Lutz und Stefan Hauptmann einen Workshop zum Thema „CFD applications for wind turbine blade design“ ab.

Bei der VDI Fachkonferenz Offshore Windenergieanlagen hielt Po Wen Cheng einen Vortrag über Lidar Anwendungen für die Windenergieanlage Regelung.

Forschung 17

4 Forschung

In der Forschung konzentriert sich der Stiftungslehrstuhl Windenergie auf das System-verständnis von Windenergieanlagen. Übergeordnete Forschungsziele sind die Erhöhung der Zuverlässigkeit und die weitere Senkung der Energiegestehungskosten von Anlagen, die Elektrizität in das internationale Verbundnetz einspeisen. Die zentralen Themen am Lehrstuhl umfassen daher die Dynamik, den Entwurf und den Betrieb von großen netzgebundenen Windenergieanlagen an Land und insbesondere offshore. Die Umsetzung der Forschungsvorhaben erfolgt durch Promotionsprojekte in vier Bereichen:

Promotionsprojekte zum Forschungsgebiet „Betriebsverhalten von Windenergieanlagen“:

Andreas Rettenmeier Determination of power curves at inhomogeneous inflow

using a nacelle-based LiDAR system

Martin Hofsäß Wind field analysis in complex terrain using novel lidar scanning approaches

Oliver Bischoff Statistical load estimation using a nacelle-based lidar system

Promotionsprojekte zum Forschungsgebiet „Aeroelastisches Verhalten von Windenergieanlagen“

Friedemann Beyer Modelling and Analysis of the dynamic behaviour of Floating

Offshore Wind Turbines using multi-body simulation and CFD

Mark Capellaro Advanced composite design of wind turbine blades

Stefan Hauptmann Rotor aerodynamic and aeroelastic effects on the structural dynamics of large wind turbines

Denis Matha Advanced aerodynamic, hydrodynamic and aero-elastic modeling and analysis of floating wind turbines with multi-body simulation and CFD

Matthias Arnold Tidal hydroelasticity, simulation of hydrodynamic and structural responses to transient conditions with Multibody systems and CFD

Frank Sandner Conceptioning, modeling and control of floating wind turbine systems

18 Forschung

Promotionsprojekte zum Forschungsgebiet „Load-Monitoring und Regelung“

Stefan Baehr Dynamics & design of pitch systems employing different

control concepts

David Schlipf Model predictive control of wind turbines with lidar wind measurements

Ursula Smolka Online load monitoring of wind turbines for advanced control and optimized operation

Promotionsprojekte zum Forschungsgebiet „Dynamik und Entwurf von Offshore-Windenergieanlagen“

Daniel Kaufer Validation of an integrated load simulation method and modeling requirements of offshore wind turbines during the design process

Jan Quappen Overall dynamics and integrated design of offshore wind turbines

Das Forschungsprogramm des Lehrstuhls definiert sich im Wesentlichen über Promotionsprojekte. Damit wird dessen wissenschaftliche Qualität gesichert. Ein mittel- bis langfristiger Zeithorizont der Forschungsthemen ergänzt die schnelle angewandte industrielle Entwicklung in der Branche und dient der Ausbildung von qualifiziertem wissenschaftlichem Nachwuchs. Obwohl die Finanzierung hauptsächlich durch Drittmittel erfolgt, werden im Idealfall Forschungsprojekte passend zu den Promotionsprojekten akquiriert und bearbeitet, nicht umgekehrt.

Die nächsten vier Abschnitte beschreiben die einzelnen Forschungsbereiche und Promotionsprojekte näher. Das darauf folgende Kapitel widmet sich den Drittmittelprojekten am SWE, die zur Finanzierung der Promotionen in enger Kooperation mit lokalen, nationalen und internationalen Partnern aus Wissenschaft und Industrie durchgeführt werden.

Forschung 19

4.1 Forschungsbereich I: Betriebsverhalten von Windenergieanlagen Der erste Forschungsbereich am SWE untersucht die dynamischen Belastungen, Leistungskurven und das Betriebsverhalten von Windenergieanlagen unter besonderen Windverhältnissen, wie diese insbesondere in Windparks, auf See und bei bestimmten meteorologischen Bedingungen auftreten. Derzeit werden drei Promotionsvorhaben am SWE bearbeitet (Tabelle 1).

Tabelle 1: Promotionsprojekte: Betriebsverhalten von Windenergieanlagen

Name Projekt (Arbeitstitel)

A. Rettenmeier Determination of power curves at inhomogeneous inflow using a nacelle-based LiDAR system Bestimmung der Leistungskurve mithilfe eines gondelbasierten Lidar Systems bei inhomogener Einströmung

M. Hofsäss Wind field analysis in complex terrain using novel LiDAR scanning approaches Windfelduntersuchungen im komplexen, bergigen Gelände mit neuartigen Lidar Messmethoden

O. Bischoff Statistical load estimation using a nacelle-based LiDAR system Statistische Lastmessung mittels gondelbasiertem Lidar

Dieser Forschungsbereich beschäftigt sich mit der experimentellen und numerischen Untersuchung des Betriebsverhaltens von Windenergieanlagen in inhomogener Einströmung. Die bisherigen Richtlinien zur Messung oder Simulation der Belastungen bzw. der Leistung von Windenergieanlagen gehen häufig von sehr vereinfachten Windbedingungen aus (z.B. gleichmäßige, mittlere Windscherung und Turbulenzverteilung in der überstrichenen Rotorfläche). Hierdurch kommt es z.B. zu größeren Unsicherheiten in der Leistungsprognose bei unterschiedlichen atmosphärischen Schichtungen und assoziierten Windscherungen oder zu zusätzlichen Belastungen bei Teilabschattung in Windparks. In zahlreichen Promotionsprojekten werden seit dem Jahr 2005 mit dem Vielkanalmesssystem, dem Windmessmast und dem LiDAR-

Gerät des SWE Messungen am Prototypen M5000 der AREVA Wind GmbH in Bremerhaven und auf dem Risø Campus bei Roskilde, Dänemark durchgeführt. Seit 2010 werden ergänzend auch Messungen und Auswertungen im Offshore-Testfeld alpha ventus durchgeführt. Die Entwicklung neuer Messverfahren und einer verbesserten analytischen Beschreibung des Betriebsverhaltens wird durch aeroelastische Simulationen unterstützt.

Wie zuvor beschrieben, liegen die Anwendungen in der genaueren Beschreibung des Belastungs- und Leistungsverhaltens. Die Untersuchungen öffnen jedoch auch den Weg zu avancierteren Monitoring- und Regelungsverfahren zur Belastungsreduktion und Ertragserhöhung (s. Forschungsbereich III). Die genannten Promotionsprojekte setzen das neuartige laser-optische Windmessverfahren LiDAR (Light Detecting and Ranging) ein.

20 Forschung

4.2 Forschungsbereich II: Aeroelastisches Verhalten von Windenergieanlagen und deren Komponenten

Bei großen Windenergieanlagen treten komplexe Interaktionen auf, einerseits zwischen der Dynamik des Gesamtsystems, einschließlich der äußeren Wind- und Wellenlasten und der Aeroelastizität, andererseits zwischen den Belastungen sowie dem Verhalten von Hauptkomponenten. In diesem Themengebiet sind fünf Promotionsvorhaben am SWE angesiedelt (Tabelle 2).

Tabelle 2: Promotionsprojekte: Aeroelastisches Verhalten von Windenergieanlagen und deren

Komponenten


F. Beyer Modelling and analysis of the dynamic behaviour of floating offshore wind turbines using multi-body simulation and CFD (Modellierung und Analyse des dynamischen Verhaltens schwimmender Windenergieanlagen unter Verwendung von Mehrkörpersimulation und CFD)

M. Capellaro Passive load control through bend twist coupled blades (Passive Belastungsreduktion durch Biege-Torsionskopplung von Rotorblättern)

S. Hauptmann Rotor aerodynamic and aero-elastic effects on the structural dynamics of wind turbines (Bedeutung von rotoraerodynamischen und aeroelastischen Effekten für das strukturdynamische Verhalten von Windenergieanlagen)

D. Matha

Advanced aerodynamic, hydrodynamic and aero-elastic modeling and analysis of floating wind turbines with multi-body simulation and CFD (Aero-, hydro- und aeroelastische Modellierung und Analyse schwimmender Windturbinen mit Mehrkörpersimulation und CFD)

F.Sandner

Conceptioning, Modeling and Control of Floating Wind Turbines (Konzeptionierung, Modellierung und Regelung Schwimmender Windkraftanlagen)

Matthias Arnold Hydroelasticity of Tidal Current Turbines

Das anisotrope elastische Verhalten von Faserverbundmaterialien kann zur Kopplung von Biege- und Torsionsverformung von Rotorblättern genutzt werden. Dieses „Aeroelastic Tailoring“ genannte Prinzip ist seit Längerem in der Luftfahrt bekannt, wird aber noch wenig eingesetzt. Bei geeigneter Abstimmung lassen sich durch eine an die Blattdurchbiegung in Schlagrichtung gekoppelte Blatttorsion in Richtung der Fahnenstellung sowohl Ermüdungs- als auch Extremlasten von Windturbinen reduzieren.

Im Promotionsprojekt „Passive Belastungsreduktion durch Biege-Torsionskopplung von Rotorblättern“ von Mark Capellaro werden zunächst dynamische Simulationen von Windenergieanlagen mit einer fiktiven Biege-Torsionskopplung durchgeführt, um die Möglichkeiten zur Lastreduktion und deren Einflüsse auf den Energieertrag zu untersuchen. Anschließend werden reale

0 50 100 150 200 250 3000

10

20

30

Time History Comparison V0 = 14 (m/s)

V0 (

m/s

)

0 50 100 150 200 250 3000

1

2

3

4

5

6

Fla

p D

isp.

@ r

= 6

0m

(m

)

Time (s)

T1

T2

Vergleich des simulierten Schlagmoments mit und ohne Biege-Torsionskopplung im Rotorblatt

Forschung 21

Testkörper der tragenden Blattstruktur im Labor getestet, um die Finite-Elemente-Modellierung von neu-artigen Blattbauweisen zu unterstützen.

Die bisher in der Windenergieindustrie fast ausnahmslos eingesetzten Simulations-verfahren für die Dynamik von Wind-energieanlagen nutzen stark vereinfachte Modellierungen. Die Strukturmodelle besitzen nur relativ wenige Freiheitsgrade und das rotoraerodynamische Blattelement-Impulsverfahren ist nur mit einer Vielzahl empirischer Korrekturen anwendbar. Vor diesem Hintergrund beteiligt sich der SWE mit den folgenden drei Promotionsprojekten an der Entwicklung einer industrietauglichen Simulationsumgebung der nächsten Generation.

Im Promotionsprojekt Bedeutung von rotoraerodynamischen und aeroelastischen Effekten für das strukturdynamische Verhalten von Windenergieanlagen von Stefan Hauptmann werden zunächst Simulationsverfahren durch den Einsatz des allgemeinen Mehrkörpersimulationsprogramms SIMPACK und erweiterte aerodynamische und aeroelastische Berechnungsmethoden (z.B. Wirbelleitermethoden, CFD) weiterentwickelt. Hierdurch wird eine genauere Beschreibung besonderer aerodynamischer Zustände, der Gesamtdynamik, der Komponentenbelastungen und deren Interaktion ermöglicht. Durch den systematischen Vergleich der Anwendung verschiedener struktur- und aerodynamischer Modelle innerhalb einer einzigen Simulationsumgebung soll die Bedeutung verschiedener aeroelastischer Einflüsse bei unterschiedlichen Anlagenkonzepten und Betriebsbedingungen systematisch untersucht werden.

In Fortführung des zuvor genannten Projekts untersucht Denis Matha am Thema Aero-, hydro- und aeroelastische Modellierung und Analyse schwimmender Windturbinen mit Mehrkörpersimulation und CFD den Einsatz von CFD-Verfahren (Computational Fluid Dynamics) und Potential-strömungs-Verfahren (Free Wake Methods) in Kombination mit Mehrkörpersimulation und linearer Hydrodynamik zur Abbildung komplexer aerodynamischer Effekte schwimmender Windturbinen. Durch die teils großen Bewegungen der schwimmenden Plattform entstehen am Rotor aerodynamisch sehr komplexe Zustände, so dass nur CFD

und Potentialströmungs-Verfahren in der Lage sind insbesondere die Interaktion mit dem eigenen Rotornachlauf, den dynamischen Strömungsabriss und ein erhöhtes Auftreten von starker Schräganströmung korrekt darzustellen. Die Integration dieser Verfahren in die Simulation der Gesamtdynamik und der Entwurfsbelastungen mit einfacheren und schnelleren Methoden wird ebenfalls untersucht. Die eigentliche Weiterentwicklung der CFD-Verfahren findet in einem weiteren Promotionsprojekt am Institut für Aero- und Gasdynamik (IAG) statt, mit dem eng kooperiert wird.

Rotoraerodynamische Simulation mit einem Wirbelleiterverfahren

CFD-Simulation der Rotor-strömung [IAG, Univ. Stuttgart]

Mehrkörpersimulation einer schwimmenden Windturbine

22 Forschung

Die komplexe Dynamik des Gesamtsystems und der Anlagenkomponenten kann zu erheblichen Unsicherheiten in den Entwurfsannahmen und der Lebensdauer von Komponenten wie z.B. Triebstrang, Pitch- und Azimutsystem führen. Weitergehende Untersuchungen mit Mehrkörper-simulationen und neuen aerodynamischen Verfahren erfolgen im Promotionsprojekt von Thomas Hecquet Simulation und Verifikation des Einflusses der Anlagendynamik auf Triebstrangkomponenten von WEA. Es sollen verbesserte Verfahren für die Ermittlung der relevanten Auslegungslasten erarbeitet und durch Messungen validiert werden. Neue Wege zur Verringerung der Auslegungslasten und Verbesserung der Zuverlässigkeit sind zu suchen. Im Jahr 2010 konnten besonders relevante Erkenntnissen aus dem EU-Projekt ProTEST (bezüglich des Aufbaus von detaillierten Getriebemodellen und deren Validierung mit Messdaten) und aus der Kooperation mit der Fa. Intes (Einfluss der Verformungen des Triebstrangs auf Lasten, siehe Protest-Abschlussbericht, Unterkapitel 5.2) in 2011 gewonnen werden.

CFD Simulation des Nachlaufs eines Windturbinen Rotors (li.), MKS Simulation einer schwimmenden

Windturbine mit turbulentem Wind und Visualisierung der Blattbelastung (re.)

Basierend auf den Erkenntnissen aus der Simulation von Windturbinen mit Mehrkörpersystem arbeitet Matthias Arnold im Rahmen des Forschungsprojekts Tidal Hydroelasticity in Kooperation mit der Fa. Voith bzw. Promotionsprojekt Hydroelasticity of Tidal Current Turbines an der Übertragung der Methodik auf Gezeitenströmungsturbinen. Hierzu wird ein detailliertes Modell einer Gezeitenströmungsturbine im Mehrkörpersimulationsprogramm Simpack aufgebaut und die Interaktion mit der Strömung analysiert. Hierzu wird die Strömung mit dem CFD-Code Ansys CFX simuliert. Die Kopplung dieser beiden Anwendungen stellt dabei den ersten Schritt dar. Diesem folgend werden dann diskrete Lastfallsituation ausgewählt und simuliert, um die für die Fluid-Struktur-Interaktion relevanten Komponenten zu identifizieren

Mehrkörpersimulation des Gesamtsystems, einschließlich der Flexibilität des Maschinenträgers

CAD-Modell der untersuchten Voith HyTide 100-16 Gezeitenströmungsturbine

Forschung 23

und deren Optimierungspotential zu identifizieren. Die Ergebnisse dieses Projekts sollen zum Abschluss in 2015 in Vorschlägen zur Optimierung und Konzeptanpassung von Gezeitenströmungsturbinen münden.

24 Forschung

4.3 Forschungsbereich III: Load Monitoring und Regelung Lange Betriebszeiten unter rauen und lokal stark streuenden Umgebungsbedingungen sowie die Forderung nach niedrigen Investitions- und Betriebskosten stellen hohe Anforderungen an die Überwachung und Regelung von Windenergieanlagen. Am SWE werden derzeit drei Promotionsvorhaben auf diesem Gebiet bearbeitet (Tabelle 3). Ein weiteres wurde bereits 2010 erfolgreich abgeschlossen.

Tabelle 3: Promotionsprojekte: Load Monitoring und Regelung


U. Smolka Online load monitoring of wind turbines for advanced control and optimized operation (Kontinuierliche Belastungsüberwachung von Windenergieanlagen für moderne Regelstrategien und eine optimierte Betriebsführung)

S. Baehr Dynamics & design of pitch systems employing different control concepts (Dynamisches Verhalten und Entwurf von Pitchsystemen beim Einsatz verschiedener Regelungsstrategien)

D. Schlipf Model predictive control of wind turbines with lidar wind measurements (Prädiktive modellbasierte Regelung von Windenergieanlagen mit LiDAR Windmessung)

Verfahren des Condition Monitorings, d.h. der

Schädigungsbeobachtung, haben einen gewissen Stand der Technik erreicht. Daher konzentriert sich der Lehrstuhl verstärkt auf die Analyse der den Schädigungen vorausgehenden Belastungen, das so genannte Load Monitoring.

Zuverlässige Lastermittlung an Windenergieanlagen erfordert

einen hohen messtechnischen Aufwand und wird im Wesentlichen nur an einzelnen Anlagen durchgeführt. Für den weitaus größten Teil von ihnen liegen daher keine Informationen über deren Belastungshistorie vor. Im Rahmen des abgeschlossenen Promotionsprojekts von Nicolai Cosack Lastüberwachung von Windenergieanlagen anhand von Standardsignalen konnte gezeigt werden, dass Verfahren zur Schätzung der aktuellen Lastsituation aus standardmäßig ermittelten Anlagensignalen wie Leistung, Drehzahl, Pitchwinkel und Turmkopfschwingungen mittels neuronaler Netze für den Normalbetrieb von Onshore-Anlagen gut geeignet ist. Vielfältige Anwendungen dieses prinzipiell kostengünstigen Monitorings für die Überprüfung von Entwurfsannahmen, die standort-spezifische Optimierung der Betriebsführung und des Energieertrags sowie vorsorgende Betriebs- und Wartungsstrategien sind somit näher gerückt. Die Anwendbarkeit des Load Monitoring Verfahrens ist noch für Offshore- Standorte, für transiente Lastfälle -die durch unerwartete singuläre Ereignisse eintreten-, hinsichtlich der Dauerbetriebseigenschaften sowie der Übertragbarkeit trainierter neuronaler Netze innerhalb eines Windparks zu untersuchen. Da im Rahmen des RAVE-Verbundforschungsprojektes Betriebsdaten aus dem Testfeld „alpha ventus“ vorliegen, können im Rahmen der Promotion von Ursula Smolka solche Fragestellungen praxisnah betrachtet werden.

Monitoring System für die Schätzung von Ermüdungslasten anhand von Standardbetriebsdaten

Forschung 25

Die Brücke vom Load Monitoring zur Regelung schlägt das Promotionsprojekt von Ursula Smolka Kontinuierliche Belastungsüberwachung von Windenergieanlagen für moderne Regelstrategien und eine optimierte Betriebsführung. Für neuartige Regelungsverfahren wie die individuelle Pitchverstellung sind äußerst zuverlässige Belastungsmessungen z.B. der Blattbiegung und Turmbiegung in Echtzeit erforderlich. Es werden Mess- und Analyse-verfahren entwickelt, die kontinuierliche Lastmessungen überwachen, und einerseits fehlerhafte Daten identifizieren sowie anderseits durch Gegenmaßnahmen wie aktive Redundanz und Schätzverfahren korrigieren. Im Falle einer dauerhaften Störung können betroffene Reglereingriffe rechtzeitig ausgeschaltet werden. In einer weiteren Anwendung sollen die ermittelten Belastungsinformationen durch die Betriebsführung für die Lastreduktion bei gleichzeitiger Optimierung des Ertrages genutzt werden.

Mit dem Aufkommen neuer Regelungsstrategien steigen die Anforderungen an die Pitch-Verstelleinrichtung stark an. Im Promotionsprojekt Dynamisches Verhalten und Entwurf von Pitchsystemen beim Einsatz verschiedener Regelungsstrategien von Stefan Baehr werden Modelle der elektrischen oder hydraulischen Systeme sowie der verwendeten Regelungs-algorithmen und Sensoriken durch Hardware-in-the-Loop-Simulation und Feldversuche validiert. Ziel ist es, die derzeitig vorhandenen erheblichen Unsicherheiten bei der Auslegung von Pitch-Systemen zu reduzieren und dabei neben konventionellen Regelungsansätzen auch die individuelle Blattverstellung mit Rückführung von gemessenen Belastungen zu berücksichtigen. Ein weiteres wissenschaftliches Ziel liegt in der Bewertung neuer lastreduzierender Regelungskonzepte hinsichtlich der Auswirkungen auf die einzelnen Komponenten und die Wirtschaftlichkeit der gesamten Windenergieanlage. Die Arbeit wird in enger Kooperation mit einem Komponentenhersteller durchgeführt.

Einen völlig anderen Ansatz verfolgt das Promotionsprojekt Prädiktive modellbasierte Regelung von Windenergieanlagen mit LiDAR-Windmessung von David Schlipf. Ein Nachteil aller bisherigen Regelungs-verfahren besteht darin, dass auf Windschwankungen erst nach einer Änderung der Drehzahl bzw. der lokalen Belastungen durch die Regelung reagiert werden kann. Erforderlich sind daher relativ schnelle Regelungseingriffe, die wiederum zu Belastungen und Ertragseinbußen führen können. Im Gegensatz dazu soll durch die frühzeitige Erfassung der Einströmung mittels Fernerkundungsverfahren wie LiDAR und einer modellbasierten Regelung eine weitgehende Kompensation der Windstörung bei minimaler Regleraktivität erfolgen. Da die

Soft- or Hardware SoftwareHardware

HardwareHardware-Model

Soft- or Hardware SoftwareHardware

HardwareHardware-Model

Load Monitoring und Hardware-in-the-Loop-Simulation des Pitchsystems und der Gesamtanlage

model predictivecontrol strategies

wind modeling

future wind fields on rotor

remote sensingmeasurements

current wind fields in distance

wind

enhanced control

Arbeitspakete für die Verbesserung der Regelung durch Fernerkundungsverfahren

26 Forschung

sich rasant entwickelnde LiDAR-Technik zwar äußerst vielversprechend, derzeit aber noch sehr teuer und nicht ausreichend zuverlässig ist, liegt der Nachdruck der Arbeit auf der Erarbeitung und numerischen sowie experimentellen Erprobung von geeigneten modellbasierten Regelungsverfahren.

Forschung 27

4.4 Forschungsbereich IV: Dynamik und Entwurf von Offshore-Windenergieanlagen

Im Mittelpunkt der derzeitigen Promotionsprojekte steht die Gesamtdynamik von Offshore-Windenergieanlagen, deren Verhalten unter gleichzeitig auftretenden aero- und hydrodynamischen Belastungen, die Untersuchung von Lastminderungsverfahren sowie spezifische Auslegungsverfahren, die eine weitere Kostensenkung ermöglichen sollen. Aktuell werden drei Vorhaben im Offshore-Bereich bearbeitet.

Tabelle 4: Promotionsprojekte: Dynamik und Entwurf von Offshore-Windenergieanlagen


J. Quappen Overall dynamics and Integrated design of offshore wind turbines (Gesamtdynamik und integrierter Entwurf von Offshore-Windenergieanlagen der Multi-MW-Klasse)

D. Kaufer Validation of an integrated load simulation method and modeling requirements of offshore wind turbines during the design process (Validierung einer integrierten Lastsimulationsmethode und Modellierungsanforderungen von Offshore Windenergieanlagen während des Entwurfsprozesses)

Zukünftige Offshore-Windenergieanlagen in Wassertiefen über 25 Meter werden vor allem durch die hydrodynamischen Lasten dimensioniert. Tim Fischer entwickelte aus diesem Grund in seinem Promotionsvorhaben Reduktion von aerodynamisch und hydrodynamisch angeregten Belastungen von Offshore-Windenergieanlagen Verfahren zur Lastverminderung, die insbesondere die Regelungs-möglichkeiten der Turbine aktiv einsetzen. Im Gegensatz dazu

wird in der bisherigen Praxis die Tragstruktur anhand vorgegebener, quasi unveränderlicher Anlageneigenschaften ausgelegt und die Regelung lediglich zur Reduktion der Windbelastungen genutzt. In dem Projekt werden beispielhaft folgende neue Ansätze verfolgt und anhand von fiktiven Anlagen der 5- und 10-MW-Klasse bewertet: Einsatz der kollektiven oder einer individuellen Pitchverstellung zur aktiven Dämpfung von Turmkopfschwingungen, Einsatz eines Turmkopf-Massendämpfers, Anpassung der Betriebsführung an die meteorologisch-ozeanographischen Bedingungen (z.B. Frequenz- und Energieinhalt des Seegangs, Verhältnis von Wind- und Wellenlasten, Missweisung von Wind- und Wellenrichtung) und Reduktion der Auswirkungen variabler Standortbedingungen wie Wassertiefe und Bodeneigenschaften durch die Anlagenregelung.

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Hydrodynamic loadingIncrease Neutral Reduction

Yaw control

Variable airfoil geometryAeroelastic tailoring

Peak shaver

Individual pitch

Variable airfoil geometryAeroelastic tailoring

Peak shaver

Individual pitch

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Tower feedback control(collective pitch)

Tower vibration damper

Tower feedback control(individual pitch)

Tower feedback control(collective pitch)

Tower vibration damper

Tower feedback control(individual pitch)

Qualitativer Vergleich verschiedener Konzepte zur gleichzeitigen Reduktion von aero- und hydrodynamischen Belastungen

28 Forschung

Zwei weitere Promotionsprojekte stehen in direktem Zusammenhang mit den Forschungsarbeiten, welche im deutschen Offshore-Testfeld alpha ventus durchgeführt werden. Jan Quappen bearbeitet das Thema Gesamtdynamik und integrierter Entwurf von Offshore-Windenergieanlagen der Multi-MW-Klasse. Im Mittelpunkt steht dabei die Verifikation der Gesamtdynamik und der Belastungen am Beispiel der WEA M5000 der AREVA Wind GmbH mit einer Tripod-Tragstruktur. Zudem sollen Entwurfsverfahren für den integrierten Entwurf von OWEA – jeweils geeignet für die entsprechende Projektphase beschrieben werden. So wurden Messungen des SWE am Onshore-Prototyp der AREVA-Anlage in Bremerhaven ausgewertet welche mit Offshore-Messungen verglichen werden. Es sollen die Besonderheiten der Anlagen-konfiguration analysiert werden, wie z.B. hydrodynamisch relativ kompaktes Verhalten des Tripods, moderate dynamische Steifigkeit der Gesamtstruktur, integrierter Triebstrang und die spezifische Anlagenregelung. Weiterhin ist ein Vergleich mit dem Verhalten dieses WEA-Typs an einem anderen Standort und/oder mit einer anderen Tragstruktur anhand von Simulationen und, soweit verfügbar, Messungen vorgesehen.

Daniel Kaufer beschäftigt sich mit der Weiterentwicklung von Analysemethoden und Entwurfsanforderungen von OWEA. Diese Untersuchungen setzen seine Studien- wie auch Diplomarbeit zur Kopplung jeweils verschiedener aeroelastischer und strukturdynamischer Simulationsprogramme fort und bauen auf den Forschungsarbeiten von Patrik Passon auf, der bis August 2008 als wissenschaftlicher Mitarbeiter am SWE tätig war. Das Promotionsprojekt von Daniel Kaufer konzentriert sich auf die Weiterentwicklung und Validierung von Berechnungswerkzeugen für die integrierte Analyse von Offshore-WEA mit komplexen Tragstrukturen. Diese methodischen Arbeiten werden durch Messungen der Gesamtdynamik und der Belastungen der Anlage REpower 5M mit einer Jacket-Tragstruktur im Windpark alpha ventus validiert. Vergleichbar mit der o.g. Arbeit von Jan Quappen werden die spezifischen Besonderheiten dieser Anlagenkonfiguration wie z.B. Jacket mit hydrodynamisch relativ transparentem Verhalten, hohe dynamische Steifigkeit der Gesamtstruktur, aufgelöster Triebstrang und die spezifische Anlagenregelung analysiert. Zur weiteren Absicherung der gesuchten Erkenntnisse bietet es sich an, diese mit dem Verhalten dieses WEA-Typs an einem anderen Standort zu vergleichen und/oder mit einer anderen Tragstruktur wie z.B. der Schwerkraftgründung und Monopile. Des Weiteren ist an die Entwicklung von Simulationsmethoden gedacht, die sich für die jeweilige Entwurfsphase eignen wie z.B. parametrisierte Modelle oder an vereinfachte, schnelle Verfahren für den Vorentwurf.

AREVA M5000 mit Tripod-Tragstruktur Quelle: DOTI GmbH

REpower 5M mit Jacket-Tragstruktur Quelle: DOTI GmbH

Forschung 29

4.5 Darstellung einzelner Forschungsprojekte Die befristete Grundfinanzierung des SWE besteht aus einer jährlichen Zuwendung der Karl Schlecht Stiftung in Höhe von 250.000 € und einem fünfjährigen Anschub aus zentralen Universitätsmitteln. 2007, vier Jahre nach Gründung des SWE, überstiegen dessen Drittmitteleinnahmen erstmals die Zuwendungen aus der Stiftung. Ab dem Jahr 2008 wurden nochmals jeweils erheblich höhere Einnahmen durch die Einwerbung von großen Verbundforschungsvorhaben realisiert.

4.5.1 Forschungsprojekte im Rahmen der BMU-Programms Research at alpha ventus (RAVE)

LiDAR II – Entwicklung gondelbasierter LiDAR-Technologien für die Messung des Leistungsverhaltens und die Regelung von Windenergieanlagen Projektinhalt 1. Entwicklung und Erprobung eines robusten gondelbasierten LiDAR-Systems

2. Erprobung LiDAR-Regelung 3. Leistungscharakteristik und -monitoring bei inhomogener Einströmung

SWE-Beitrag Stationäres Leistungs- und Ertragsverhalten mit gondelbasiertem LiDAR im Offshore-Testfeld „alpha ventus“ Untersuchung des einströmenden Windfeldes Prädiktive Regelung mit gondelbasierter LiDAR-Technologie zur Böenkompensation und Ertragsoptimierung

Projektpartner Universität Oldenburg, Deutsches Windenergie Institut GmbH (DEWI), Fördergesellschaft Windenergie e.V. (FGW), AREVA Wind GmbH

Finanzierung BMU

Laufzeit 1.November 2010 bis 31. Oktober 2013

Kontakt Dipl.-Ing. D. Schlipf

OWEA – Verifikation von Offshore-WEA (im Offshore-Testfeld alpha ventus) Projektinhalt In diesem Verbundprojekt werden in fünf Arbeitspaketen essentielle Aspekte der Offshore-

WEA (d.h. Rotor-Gondeleinheit und Tragstruktur) und der untrennbar mit der Anlagendynamik verbundenen Belastungen und Betriebseigenschaften sowie die meteorologischen Umgebungsbedingungen in Windparks untersucht. Das Projekt befasst sich speziell mit den Offshore-Windenergieanlagen und untersucht deren Leistungskurven als Einzelanlage und im Windpark unter Offshore-Bedingungen, ihre Dynamik einschließlich Wind-, Wellen- und Windparkbelastungen und die Entwicklung von Monitoring-Verfahren zur Überwachung des Betriebsverhaltens. Insgesamt sind elf Partner an diesem Forschungsvorhaben beteiligt; jeweils mit eigenen Anträgen vertreten sind die Universität Stuttgart, die Universität Oldenburg, die Universität Hannover, das Deutsche Windenergie-Institut, das Karlsruher Institut für Technologie (KIT), die AREVA Wind GmbH und die REpower Systems AG. Folgende Arbeitspakete werden bearbeitet: 1. Leistungskurve offshore – Bestimmung und atmosphärische Einflüsse 2. Verifikation der Strömungsbedingungen und Nachlaufbelastungen in Offshore-

Windparks 3. Verifikation der Anlagendynamik und der Belastungen 4. Online-Monitoring des Belastungsverhaltens 5. Verifikation der Turbulenzparametrisierung in numerischen Simulationsmodellen zur

Windanalyse und –vorhersage

SWE-Beitrag Leitung und inhaltliche Arbeiten der Arbeitspakete 3 und 4, Inhaltliche Mitarbeit in den Arbeitspaketen 1 und 2

30 Forschung

Projektpartner - Universität Stuttgart, Stiftungslehrstuhl Windenergie am Institut für Flugzeugbau und Institut für Aerodynamik und Gasdynamik

- Carl von Ossietzky Universität Oldenburg, Institut für Physik

- Leibniz Universität Hannover

- DEWI GmbH

- Institut für Solare Energieversorgungstechnik e.V., Kassel

- DEWI-OCC GmbH

- Germanischer Lloyd Industrial Services GmbH

- Fördergesellschaft Windenergie e.V.

- Institut für Meteorologie und Klimaforschung, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

- REpower Systems AG

- AREVA Wind GmbH

Finanzierung BMU

Laufzeit ab 1. Dezember 2007 bis 31. Juni 2012,

Kontakt Prof. Dr. Po Wen Cheng

OWEA Loads – Probabilistische Lastbeschreibung, Monitoring und Reduktion der Lasten zukünftiger Offshore-Windenergieanlagen (im Offshore-Testfeld alpha ventus) Projektinhalt In diesem Verbundprojekt werden in drei Arbeitspaketen meteorologische

Umgebungsbedingungen und deren spezifische Einwirkungen auf die Belastungen der Offshore-WEA untersucht. Der SWE konzentriert sich hierbei auf die möglichst exakte Erfassung und Beschreibung der gewonnenen Messdaten. Forschungsziele sind hierbei zum einen, ein Verfahren zu entwickeln, um Messdaten der Betriebsparamter, der Belastungen und der Schwingungen, möglichst effizient und rationell zu plausibilisieren und automatisiert weiterverarbeiten zu können. In einem weiteren Schritt sollen Simulationsmodelle anhand der plausibilisierten Datensätze weiter verifiziert und auf Ihre Anwendbarkeit und spezifische Eignung untersucht werden. Ferner ist vorgesehen, anhand der plausibilisierten Messdaten probabilistische Lastbeschreibungen abzuleiten, sowie das Lastmonitoring mittels SCADA-Daten weiterzuentwickeln.

SWE-Beitrag Gesamtkoordination des Projektes, Inhaltliche Leitung einzelner Arbeitspakete

Projektpartner - Universität Stuttgart, Stiftungslehrstuhl Windenergie am Institut für Flugzeugbau und Institut für Aerodynamik und Gasdynamik

- Carl von Ossietzky Universität Oldenburg, Institut für Physik

- REpower Systems AG

- AREVA Wind GmbH

- Leibniz Universität Hannover

- Germanischer Lloyd Industrial Services GmbH

Finanzierung BMU

Laufzeit ab 01. Dezember 2012 bis 30. November 2015

Kontakt Prof. Dr. Po Wen Cheng

Forschung 31

4.5.2 Forschungsprojekte gefördert durch Bundesministerien Lidar complex – Entwicklung von Lidar-Technologien zur Erfassung von Windfeldstrukturen hinsichtlich der Optimierung der Windenergienutzung im bergigen, komplexen Gelände Projektinhalt 1. Messverfahren im komplexen Gelände

2. Windfelduntersuchung und Modellierung 3. Übertragung der Ergebnisse auf WEA-Kenngrößen

SWE-Beitrag Metrologische Messungen nach IEC an einem komplexen Standort Lidar Messungen im IEC konformen und komplexen Gelände Entwicklung von Messstrategien für Lidar Messungen im komplexen Gelände Simulation und Auswertung eines realen WEA-Modells im IEC konformen Gelände Simulation und Auswertung generischer WEA-Modelle im komplexen Gelände Erstellung und Validierung eines Windfeldgenerators

Projektpartner Universität Tübingen, Zentrum für angewandte Geophysik Universität Stuttgart, Institut für Flugzeugbau und Institut für Aerodynamik und Gasdynamik Institut für Meteorologie und Klimaforschung, Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Kenersys GmbH Fördergesellschaft Windenergie e.V. (FGW)

Finanzierung BMU

Laufzeit 1.Oktober 2012 bis 30. September 2015

Kontakt Dipl.-Ing. M. Hofsäß

Strukturoptimierte Türme für Offshore-Windkraftanlagen aus UHFFB Projektinhalt Ziel des Forschungsvorhabens ist die Durchführung von Forschungs- und

Entwicklungsarbeiten für den Entwurf von strukturoptimierten Türmen von Offshore-Windenergieanlagen aus ultrahochfestem Faserfeinkornbeton (UHFFB) in Segmentbauweise. Im Forschungsvorhaben sollen die Entwurfs- und Berechnungsgrundlagen für Türme von Offshore-Windenergieanlagen aus UHFFB erarbeitet und die konstruktiven Detailausbildungen entwickelt und untersucht werden. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf den hohen dynamischen Anforderungen. Für den Turm sollen die herausragenden Materialeigenschaften von UHFFB wie z.B. die enorme Dauerhaftigkeit und die sehr hohe Materialfestigkeit ausgenutzt werden, die eine materialsparende Bauweise ermöglichen. Das Vorhaben wird in enger Zusammenarbeit mit Lafarge, der Ed. Züblin AG und dem Stiftungslehrstuhl Windenergie der Universität Stuttgart durchgeführt. Die Ed. Züblin AG wird eine wirtschaftliche Verfahrenstechnik für die Errichtung von UHFFB Offshore-Windenergieanlagen entwickeln. Sie verfügt bereits über ein innovatives Gründungskonzept für derartige Konstruktionen. Lafarge hat mit Ductal® einen praxistauglichen UHFFB entwickelt, der bereits bei vielen Bauwerken im Ausland erfolgreich eingesetzt wurde.

SWE-Beitrag Lastrechnungen und generische Anlagenmodelle

Projektpartner Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren der Universität Stuttgart, Lafarge, Ed. Züblin AG

Auftraggeber Bundesamt für Bauwesen und Raumordnung [Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung]

Finanzierung Drittmittel mit Eigenanteil

Laufzeit 1. Januar 2010 bis 31. Dezember 2012

Kontakt Dipl.-Ing. J. Quappen

Baltic I

32 Forschung

Projektinhalt Der erste rein kommerzielle deutsche offshore Windpark Baltic I wird in den ersten Betriebsjahren von einem Forschungsvorhaben begleitet. Der kommerzielle Betrieb, bietet die Möglichkeit, wichtige Forschungsergebnisse direkt in ein kommerzielles Windparkmanagementsystem zu integrieren und Optimierungspotenziale sichtbar zu machen.

Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Netzintegration von Windparks unter Einbeziehung von Leistungsprognosen und neuartiger Strategien zur Überwachung des Betriebsverhaltens der einzelnen Windenergieanlagen sowie des Windparks als Ganzes. Das Projekt verfolgt die Optimierung des wirtschaftlichen Betriebs großer offshore Windparks und der Erzeugung im Verbundnetz. Letztendlich soll das Projekt dazu beitragen, die Ertragsrisiken von offshore Parks unter den spezifischen meteorologischen Bedingungen der Ostsee zu verringern.

SWE-Beitrag Weiterentwicklung von Load Monitoring Verfahren und long-range LiDAR Windmessungen für Windpark Nachlaufuntersuchungen

Projektpartner EnBW Erneuerbare Energien GmbH, Universität Oldenburg

Finanzierung BMU

Laufzeit 01.3.2011 - 31.05.2014

Kontakt Dipl.-Ing. J. Anger

OptiWin - LARS Projektinhalt Ziel des Ziel des Vorhabens LARS ist die Entwicklung eines Systems zur Verbesserung der

Lastsituation an großen 2-Blatt-Rotoren durch gezielte Gestaltung bzw. aktive Regelung neu eingeführter Elastizitäten (Nachgiebigkeiten) innerhalb der Anlage.

Bei Windenergieanlagen mit 2-Blatt Rotoren, von deren Einsatz insbesondere im Offshore-Bereich Kostenvorteile gegenüber den 3-Blatt-Rotoren erwartet werden, ist das dynamische Lastverhalten aufgrund wechselnder Trägheitsmomente deutlich komplexer als bei 3-Blatt-Rotoren. In dem Forschungsvorhaben werden Möglichkeiten untersucht, durch das Regeln von aktiven, elastischen Schnittstellen in der Konstruktion die Lasten an der Windenergieanlage zu reduzieren. Hierzu werden zunächst Methoden entwickelt, bzw. angepasst, mit denen das Verhalten der Anlage mit den geplanten Schnittstellen berechnet werden kann. Hierauf aufbauend werden geeignete Schnittstellenparameter und Regelalgorithmen entwickelt und das Gesamtverhalten der Anlage simuliert.

SWE-Beitrag Berechnung des aeroelastischen Verhaltens mit Hilfe von Free-Wake-MBS-Kopplung; Analyse und Optmierung der Lastsituation

Projektpartner SkyWind GmbH IAG Stuttgart DLR

Finanzierung BMU

Laufzeit 01.12.2012 - 30.09.2015

Kontakt Dipl.-Ing. S. Hauptmann (ab vorauss. 01.04.2013: Dipl.-Ing. Birger Luhmann)

Forschung 33

4.5.3 Forschungsprojekte, gefördert durch die Europäische Union

KIC Inno Energy - OFFWINDTECH – Work Package 3: Offshore Blades Projektinhalt Ziel des Projekts ist die Entwicklung von Rotorblattprofilen, spezifisch entwickelt für die

aerodynamischen Bedingungen von schwimmenden Offshore-Windturbinen. Dazu werden Simulationsmodelle und Methoden basierend auf Mehrkörpersimulation und linearer Hydrodynamik entwickelt, um die Einströmbedingungen am Rotorblatt möglichst genau vorherzusagen. Weiter wird eine CFD-Prozesskette entwickelt, um einen optimalen aerodynamischen Blattentwurf zu bestimmen. Zum Abschluss des Projekts findet eine detaillierte Lastanalyse der Turbine mit dem neuen Entwurf statt.

SWE-Beitrag Entwicklung von Simulationsmodellen und Methoden basierend auf Mehrkörpersimulation und linearer Hydrodynamik, um die Einströmbedingungen am Rotorblatt möglichst genau vorherzusagen und eine detaillierte Analyse der Gesamtanlage mit den neu entwickelten Profilen.

Projektpartner IAG, IREC, IST, KTH

Finanzierung KIC Inno Energy

Laufzeit Januar 2011 – Juli 2013

Kontakt Dipl.-Ing. D. Matha

KIC Inno Energy – NEPTUNE Projektinhalt Das Hauptziel dieses Projekts besteht in der Entwicklung einer schwimmenden Plattform

bzw. einer Boje für meteorologische und ozeaonographische Messungen auf hoher See. Für die Messungen des Windfelds soll zu diesem Zweck ein Lidar-Gerät eingesetzt werden. Weitere Ziele im Rahmen dieses Projekts sind u.a die Entwicklung von Verfahren zur Kompensation von Auswirkungen der Bewegung solch einer schwimmenden Plattform, auf die Messung des Windfelds. die Aufbereitung der gesammelten Daten für mögliche Anwender im Bereich der Windenergie sowie die Entwicklung von Methoden welche ,basierend auf Messdaten dieser Boje, eine genauere Vorhersage von Wind und Wellenbedingungen ermöglichen.

SWE-Beitrag Mitarbeit und Betreuung von Messkampagnen der Boje sowie des Lidar-Systems. Analyse und Weiterverarbeitung der bei diesen Messkampagnen erfassten Messdaten. Entwicklung von Methoden zur Kompensation der Bojenbewegung auf die Lidar-Messung sowie. Entwicklung von Software-Lösungen zur Aufbereitung der gesammelten Daten für Anwendungen im Bereich der Windenergie. Ausserdem beratende Tätigkeit bei der Lidarbeschaffung, Kalibrierung, Zertifizierung und Evaluation für einen Einsatz auf einer schwimmenden Plattform.

Projektpartner IREC, GasNatural, UPC-RSLab, UPC-LIM, CIEMAT, SIMO

Finanzierung KIC InnoEnergy

Laufzeit Dezember 2011-Oktober 2014

Kontakt Dipl.-Ing. O. Bischoff

34 Forschung

KIC Inno Energy - AFOSP Projektinhalt Ziel des Projekts ist das Design einer schwimmenden Offshore Substruktur und Verifikation

des Verhaltens mit Hilfe von Wassertank Tests.

SWE-Beitrag Erstellung eines State-of-the-art reports zu aktuellen schwimmenden Offshore Substruktur Designs und Auslegemethoden.

Design und Simulation verschiedener möglicher Konzepte Auswahl eines Konzepts und detaillierteres Design Unterstützung der Partner bei Wellentank Tests Verifikation des Designs und der Simulationsergebnisse mit Testdaten

Projektpartner UPC, Gas Natural Fenosa

Finanzierung KIC Inno Energy

Laufzeit Juli 2012 – Juni 2014


MaRINET Projektinhalt MARINET is an EC-funded network of research centres and organisations that are working

together to accelerate the development of marine renewable energy technologies - wave, tidal & offshore-wind - by offering periods of free-of-charge access to their world-class testing facilities and conducting joint activities in parallel to standardise testing, improve testing capabilities and enhance training and networking.

SWE-Beitrag - Koordinierung der Arbeitspakete und Anfragen an die Einrichtungen der Universität Stuttgart (http://www.fp7-marinet.eu/USTUTT.html)

- Mitarbeit in den Arbeitspaketen „2 Ocean Energy System Testing – Standardisation and best practice” und “Research to innovate and improve Infrastructures, technologies and techniques.”

Projektpartner http://www.fp7-marinet.eu/about_network_partners.html

Finanzierung EU

Laufzeit April 2011 – März 2015

Kontakt Dipl.-Ing. A. Rettenmeier

4.5.4 Forschungsprojekte, gefördert durch Industriepartner

SIMPACK Add-on Module Wind Turbine Projektinhalt In diesem Projekt wird das Mehrkörpersimulationsprogramm SIMPACK zu einem

vollwertigen Simulationsprogramm für Windenergieanlagen weiterentwickelt. Zu diesem Zweck wird SIMPACK um die Charakteristika von Windturbinen (Rotoraerodynamik, Windfeldmodellierung, Regelung, Generator/Umrichter, etc.) erweitert und es werden parametrisierte Modelle von Windenergieanlagen erstellt. Das entstehende Softwarepaket wird im Anschluss zertifiziert.

SWE-Beitrag Koppelung von SIMPACK mit rotoraerodynamischen Modellen, Modellierung der Windenergieanlage, spezifisches Pre- und Postprocessing, Erprobung und Validierung

Projektpartner INTEC GmbH, Wessling

Finanzierung INTEC GmbH und Eigenmittel

Laufzeit 1. Juli 2006 bis 30. Juni 2012


Forschung 35

IPC – Individuelle Pitchregelung von Windenergieanlagen und Validierung durch Hardware-in-the-Loop-Tests Projektinhalt Mit dem Aufkommen neuer Regelungsstrategien, wie der Einzelblattverstellung zur

Reduktion der Lasten auf das Gesamtsystem Windkraftanlage, steigen die Anforderungen an die Pitch-Verstelleinrichtungen weiter an, da für diese Art der Regelung die Blattverstellung auch im Teillastbereich und mit teilweise hohen Verstellgeschwindigkeiten (bis zu 10° pro Sekunde) aktiv sein muss. In diesem Industrieprojekt werden Verfahren und Komponenten für die individuelle Pitchregelung entwickelt und erprobt.

SWE-Beitrag Verschiedene inhaltliche und organisatorische Aufgaben, u.a. Entwicklung und Betrieb eines Hardware-in-the-Loop-Teststands für Pitchsysteme

Projektpartner Robert Bosch GmbH

Finanzierung Robert Bosch GmbH

Laufzeit 1. Juni 2008 bis 30. April 2012

Kontakt Dipl.-Ing. S. Baehr

Voith Tidal Hydroelasticity Projektinhalt In diesem Projekt wird die Fluid-Struktur-Interaktion an Gezeitenströmungsturbinen

simuliert, analysiert und optimiert.

SWE-Beitrag Aufbau der Simulationsumgebung und Identifizierung relevanter Lastfälle, Durchführung und Auswertung der Simulationsergebnisse

Projektpartner Voith Hydro Ocean Current Technologies GmbH & Co. KG

Finanzierung Voith Hydro Ocean Current Technologies GmbH & Co. KG

Laufzeit 1. Januar 2012 bis 31. Dezember 2015

Kontakt Dipl.-Ing. M. Arnold

36 Forschung

4.5.5 Sonstige Forschungsprojekte, finanziert durch Eigenmittel bzw. internationale Gemeinschaft

OC-4: IEA Wind Annex 30 – Offshore Code Comparison Collaboration Continuation Projektinhalt Internationaler Vergleich und Weiterentwicklung aeroelastischer Simulationsprogramme für

Offshore-WEA. Hierbei wird insbesondere die Gesamtdynamik bei Verwendung unterschiedlicher bodengegründeter und schwimmender Tragstrukturen für ein breites Spektrum von Belastungssituationen untersucht.

SWE-Beitrag Verifikation und Erweiterung des Flex5-Codes und der Simpack Offshore Module

Projektpartner ca. zehn internationale Partner, Koordination National Renewable Energy Laboratory NREL (USA) und Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik Fraunhofer IWES

Auftraggeber International Energy Agency (IEA)

Finanzierung Eigenmittel

Laufzeit 3 Jahre (Beginn Mai 2010)

Kontakt Dipl.-Ing. D. Kaufer, Dipl.-Ing. D. Matha

IEA Annex 32 – Wind Lidar for Wind Energy Deployment Projektinhalt Weiterentwicklung der Lidar Technologie hinsichtlich

- Kalibrierung und Klassifizierung

- Windpotenzialbestimmung im bergigen Gelände und auf schwimmenden Plattformen, Turbulenzmessung und extremen Windereignissen

- Anwendungen bei der Zertifizierung von Windenergieanalgen (Leistungskurven-messung und Lastbestimmung)

SWE-Beitrag - Arbeitspaketleitung des Subtask III „Procedures for wind turbine assessment“

- Mitarbeit in den weiteren subtasks

Projektpartner Weltweit

Auftraggeber International Energy Agency (IEA)

Finanzierung IEA Mitgliedsländer

Laufzeit 3 Jahre


NREL-Zusammenarbeit: Erprobung von LiDAR basierter Regelung Projektinhalt An den Testanlagen des National Wind Technology Centers in Boulder Colorado soll die am

SWE entwickelte LiDAR basierte Feed-Forward Regelung getestet werden.

SWE-Beitrag Bereitstellung LiDAR System und Regelungsalgorithmen

Projektpartner National Wind Technology Center am National Renewable Energy Laboratory NREL (USA)

Finanzierung Eigenmittel

Laufzeit Seit Dezember 2011

Kontakt Dipl.-Ing. D.Schlipf, Dipl.-Ing. F. Haizmann

4.5.6 Abgeschlossene Forschungsprojekte

RAVE – Research at alpha ventus (RAVE)

Forschung 37

Projektinhalt Ziel des Projekts ist es, die verschiedenen Forschungsvorhaben zum Offshore-Testfeld alpha ventus zu vernetzen und zu koordinieren. Weiter sollen die Ergebnisse der einzelnen Vorhaben zusammengefasst und regelmäßig dem Projektträger, dem Projektbeirat und dem wissenschaftlichen Beirat sowie der Öffentlichkeit in geeigneter Form präsentiert werden.

SWE-Beitrag Vertretung der Verbundforschungsvorhaben LiDAR und OWEA

Projektpartner ca. 15 Institute und Firmen

Auftraggeber ISET – Institut für Solare Energieversorgungstechnik e.V., Kassel

Finanzierung BMU

Laufzeit ab 1. Mai 2007 bis 30. April 2010

Kontakt Prof. Dr. M. Kühn, Dipl.-Ing. J. Quappen, Dipl.-Ing. (Uni, FH) A. Rettenmeier

RAVE-LiDAR – Entwicklung von LiDAR-Windmessung für das Offshore-Testfeld Projektinhalt 1. Entwicklung und Demonstration von zeitlich und/oder räumlich hoch aufgelösten

Windgeschwindigkeits- und Windfeldmessungen mittels LiDAR in drei typischen Anwendungen in der Windenergienutzung

2. Entwicklung und Validierung von Simulationsverfahren für Belastungen durch dynamische Nachläufe in Windparks

3. Erarbeitung von standardisierten Messverfahren für Leistungskurvenmessung und Austausch von Erfahrungen mit der Windenergiebranche.

SWE-Beitrag Koordination des Verbundvorhabens Beschaffung und Betrieb des LiDAR-Messgeräts Entwicklung von Messverfahren in der Einströmung und im Nachlauf, Voruntersuchungen zur Anlagenregelung Entwicklung und Validierung von Simulationsverfahren für Nachlaufbelastungen Entwicklung eines Lidar Scanners, für den Einsatz auf der Gondel (on- und offshore)

Projektpartner ForWind – Universität Oldenburg, Deutsches Windenergie Institut GmbH (DEWI), DLR Oberpfaffenhofen, Fördergesellschaft Windenergie e.V. (FGW) AREVA Wind GmbH

Finanzierung BMU

Laufzeit 1. August 2007 bis 31. Oktober 2010


WinReNN – Ertragsprognosen von Windenergieanlagen mit rekurrenten neuronalen Netzen Projektinhalt Ein wichtiger Schritt für eine optimierte Nutzung der Windenergie ist eine möglichst hohe

Genauigkeit der Ertragsprognosen für WEA. Diese ist grundsätzlich erforderlich, um z. B. Instabilitäten im Stromnetz durch die fluktuierende Einspeisung und damit den Bedarf an Regelleistung für den Kurzzeitbereich (Nowcasting: 1 – 6 h) zu minimieren. Weiterhin ist es wichtig, die Prognosen für den Vorhersagezeitraum von 12 – 72 h zu verbessern, damit die Kraftwerkseinsatzplanung (z. B. Warmreserven) weiter optimiert werden kann. Oberstes Ziel des Vorhabens ist, den Prognosefehler für den Ertrag von Windenergieanlagen mit einem neuen Ansatz basierend auf rekurrenten neuronalen Netzen (RNN) zu minimieren und gegenüber den aktuell eingesetzten Verfahren um mindestens einen Prozentpunkt zu senken. Aufgrund der Überlegenheit von RNNs gegenüber traditionellen Methoden und Multilayer-Perzeptron-Netzen (MLP) bei der Bearbeitung von Zeitreihen und nach den bisherigen Erfahrungen der Projektpartner erscheinen deutlich größere Verbesserungen jedoch durchaus erreichbar. Weiterhin wird besonders auf die Vorhersage von Sturmabschaltungen Wert gelegt, da diese das Vorhalten hoher Reserveleistungen bedingen.

SWE-Beitrag Arbeitspaket 2.1: Aufbereitung und Validierung von WEA-Daten Arbeitspaket 4: Unterstützung beim Aufbau und der Erprobung eines Online-Systems

Projektpartner Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoffforschung Stuttgart (ZSW), TU München

38 Forschung

Auftraggeber ZSW

Finanzierung BMU

Laufzeit 01.10.2008 - 30.04.2011

Kontakt Dipl.-Ing. O. Bischoff

Forschung 39

Integrated Project „UPWIND – Integrated Wind Turbine Design“ Work Package 4: (Offshore) Support Structures and Foundations Projektinhalt Innerhalb des integrierten Projekts „UpWind“, mit 16 Arbeitspaketen und 39 Partnern,

bestehen die Hauptaufgaben des Arbeitspakets 4 aus den Teilpaketen:

- Integrierter Entwurf von Anlage und Tragstruktur sowie Einsatz der Anlagenregelung zur Reduktion der Belastungen und der Empfindlichkeit gegenüber wechselnden Standortbedingungen

- Entwicklung innovativer, kostengünstiger Tragstrukturen, d. h. bodengegründeter Strukturen, wie Fachwerk und strukturell weiche Monopiles sowie schwimmender Strukturen, die neue Anforderungen auch an die Anlage stellen

- Entwicklung von Entwurfswerkzeugen und -methoden sowie Unterstützung der Revision der 1. Ausgabe der Norm IEC 61400-3

SWE-Beitrag Koordination des gesamten Arbeitspakets 4 sowie der Teilaufgaben 4.1 „Integrierter Entwurf von Anlage und Tragstruktur“ und 4.3 „Weiterentwicklung von Entwurfsmethoden und Normen“

Projektpartner TU Delft, Garrad Hassan, Rambøll, Risø-DTU, Germanischer Lloyd, General Electric, Dong, Shell, Vattenfall, NREL (USA), Fraunhofer-IWES

Finanzierung EU, 6. Rahmenprogramm

Laufzeit 1. März 2006 bis 27. Februar 2011

Kontakt M.Sc. Dipl.-Ing. (FH) T. Fischer

Integrated Project „UPWIND – Integrated Wind Turbine Design“ Work Package 1A3: Training and Education Projektinhalt Analyse der existierenden europäischen Schulungs- und Fortbildungsangebote im

Fachgebiet Windenergie. Daran anschließend soll eine Windenergieinformations- und Schulungsplattform im Internet aufgebaut werden, in die auch modular die Ergebnisse des UpWind-Projekts einfließen.

SWE-Beitrag inhaltliche Mitarbeit

Projektpartner TU Delft, WMC, ECN, Uni Aalborg, Risø -DTU, Uni Patras und Athen, ISET, SWE. Koordination: CRES, Griechenland


Laufzeit 1. März 2006 bis 27. Februar 2011

Kontakt M.Sc. Dipl.-Ing. (FH) T. Fischer

ProTest – PROcedures for TESTing and measuring wind energy systems Projektinhalt Verbesserung der experimentellen und numerischen Verfahren zur Ermittlung der

Auslegungslasten für Triebstrang, Pitchsystem und Giersystem einschließlich Richtlinien-empfehlungen

SWE-Beitrag State-of-the-Art-Report, Mehrkörpersimulation mit SIMPACK, Simulation von Verhalten und Belastungen des Triebstrangs wie auch des Pitchsystems

Projektpartner Energy Research Center of the Netherlands (ECN) (Koordinator), Deutsches Windenergieinstitut GmbH (DEWI), Centre for Renewable Energy Sources (CRES), Hansen Transmissions International N.V., Suzlon Windkraft GmbH, Germanischer Lloyd AG, Universität Stuttgart


Laufzeit 1. März 2008 bis 31. August 2010

Kontakt Dipl.-Ing. T. Hecquet

40 Nationale und internationale Zusammenarbeit


5.1 Gremienarbeit und Mitgliedschaften Der SWE ist Mitglied in verschiedenen Gremien und wissenschaftlichen Vereinigungen.

National

WindForS – Windenergie Forschungsnetzwerk Süd www.windfors.de

Der SWE legte 2010 den Grundstein zum süddeutschen Windenergie Forschungsnetzwerk WindForS und ist seitdem Mitglied

Arbeitskreis Windenergie des Wirtschaftsministeriums Baden-Württemberg www.wm.baden-wuerttemberg.de Im Zuge der Neuerstellung des Windatlas Baden-Württemberg hat das Wirtschaftsministerium des Landes einen Arbeitskreis Windenergie initiiert, in dem Vertreter aus der Wirtschaft, Wissenschaft und Politik gemeinsame Überlegungen und Anstrengungen hinsichtlich einer Neukartierung des baden-württembergischen Atlasses unternehmen. Zu Treffen dieses Arbeitskreises wird auch der SWE geladen.

Fördergesellschaft Windenergie und andere erneuerbare Energien (FGW) e.V. www.wind-fgw.de Seit 2005 ist der SWE Mitglied bei der Fördergesellschaft Windenergie und andere erneuerbare Energien e.V. (FGW). Die FGW, gegründet 1985, ist als gemeinnütziger Verein organisiert und hat derzeit über 100 Mitglieder. Dazu zählen Forschungseinrichtungen und Messinstitute, Windkraftanlagenhersteller und -zulieferer, Planungs- und Ingenieurbüros, Banken und Versicherungen sowie Energieversorgungsunternehmen. Die FGW ist Herausgeber der achtteiligen „Technischen Richtlinien für Windenergieanlagen“ für die Entwicklung und Etablierung vergleichbarer Messverfahren zur Ermittlung von Leistungskurven, Schallemissionen und elektrischen Eigenschaften.

Fachausschüsse „Leistungskurve“ und „Windpotential“ Im Rahmen der Mitgliedschaft bei der FGW nimmt der Stiftungslehrstuhl Windenergie an regelmäßigen Sitzungen der Fachausschüsse „Leistungskurve“ und „Windpotential“ teil. Dieses Gremium, welchem Vertreter von Unternehmen und Messinstituten angehören, beschäftigt sich mit Fragestellungen neuer Messmethoden und Erweiterungen der gängigen Normen im Bereich der Leistungskurvenvermessung von Windenergieanlagen.

ForWind (Zentrum für Windenergieforschung der Universitäten Oldenburg, Hannover und Bremen www.forwind.de Seit 2005 ist der SWE assoziiertes Mitglied. Derzeit wird gemeinsam an den Forschungsprojekten LiDAR-II und OWEA im Rahmen des Offshore-Testfelds “alpha ventus“ geforscht.

Zentrum für Energieforschung Stuttgart (ZfES) www.zfes.uni-stuttgart.de Gegründet von der Universität Stuttgart, von verschiedenen Energieunternehmen und der Stadt Stuttgart, forschen im Rahmen des ZfES Hochschulinstitute aus dem Bereich der Energietechnik mit dem Ziel der Entwicklung innovativer und der Optimierung bekannter Energietechniken sowie der rationellen Energieverwendung.

http://www.wind-fgw.de/#_blank

http://www.forwind.de/

http://www.zfes.uni-stuttgart.de/

Nationale und internationale Zusammenarbeit 41

Deutsche Forschungsvereinigung für Mess-, Regelungs- und Systemtechnik e.V. (DFMRS) Die DFMRS, Mitgliedsvereinigung der AiF („Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke"), fördert Technik und Technologie der Mess-, Regelungs-, System- und Automatisierungstechnik sowie der systembezogenen Energietechnik in den Bereichen Forschung, Entwicklung und Anwendung. Besonderes Anliegen der DFMRS ist die industrielle Gemeinschaftsforschung auf den genannten Forschungs- und Entwicklungsgebieten.

International

European Academy of Wind Energy (EAWE) www.eawe.org Die „European Academy of Wind Energy“ vereinigt die wichtigsten europäischen Forschungszentren und Universitäten im Windenergiebereich aus den Ländern Dänemark, Deutschland, Griechenland, Großbritannien, Niederlande; Norwegen und Spanien. Damit vertritt sie ca. 80 Prozent der europäischen Forschung im akademischen Bereich. Die Universität Stuttgart ist durch den Stiftungslehrstuhl Windenergie und das Institut für Aero- und Gasdynamik vertreten.

ISOPE: Scientific Committee www.isope.org Denis Matha ist Mitglied in dem neu gegründeten Komitee (TPC) „Renewable Energies“ der ISOPE (The International Society of Offshore and Polar Engineers). Die ISOPE-Veranstaltungen zählen zu den größten Konferenzen im Bereich Offshore Engineering. Seit 2010 gibt es einen neuen Fokus auf Erneuerbare Energien und hier speziell Offshore-Windenergie. Hierfür wurde der SWE gebeten, an der Gestaltung und Organisation dieses neuen Teilgebietes der ISOPE mitzuwirken. D. Matha unterstützt die Organisation der Konferenz (reviews etc.) und ist Session Chair.

IEC TC88 PT 61400-3-2: New IEC Floating Standard Im September 2011 wurde die neue IEC TC88 PT 61400-3-2 Arbeitsgruppe geschaffen, welche sich mit der Entwicklung des neuen IEC Standards 61400-3-2 mit den speziellen normativen Anforderungen für schwimmende Windturbinen beschäftigt. Die Gruppe wird vom koreanischen Komitee geleitet. Denis Matha ist stimmberechtigtes Mitglied des zweiköpfigen deutschen Komitees und bearbeitet im Rahmen der Standardentwicklung u.a. Fragestellungen bezüglich zukünftiger Lastfalldefinitionen, Anforderungen an Simulationsprogramme.

IEA Annex 32: Wind Lidar for Wind Energy Deployment www. Ieawind.org Im Mai 2011 wurde der neue IEA Task 32 „Wind Lidar for Wind Energy Deployment“ dem Executive Comitee der Internationalen Energie Agentur vorgestellt und positiv bewertet. Der Task wird geleitet von der Universität Oldenburg, die weiteren Partner sind das dänische Forschungszentrum DTU Wind und der SWE. Die einzelnen Arbeitspakete sind wie folgt:

- Subtask I: Calibration and classification of lidar devices

- Subtask II: Procedures for site assessment

- Subtask III: Procedures for wind turbine assessment

- Subtask IV: Data management

Andreas Rettenmeier leitet den Subtask III.

http://www.eawe.org/

http://www.isope.org/


5.2 Kooperationen

WindForS – Windenergie Forschungsnetzwerk Süd

Gemeinsame Verbundprojekte der Partner (Universität Stuttgart, Karlsruher Institut für Technologie, der Technischen Universität München, der Universität Tübingen, dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden Württemberg (ZSW) und den Hochschulen Aalen und Esslingen) sowie Kooperationen mit der Industrie und internationalen Forschungseinrichtungen sollen das gesamte Spektrum von der Grundlagen- bis zur angewandten Windenergieforschung des Forschungsnetzwerks abdecken. Auch bei der Ausbildung des ingenieurwissenschaftlichen Nachwuchses werden die beteiligten Institute und Forschungseinrichtungen zusammenarbeiten, indem sie beispielsweise für ihre Doktoranden Seminare organisieren und Lehrveranstaltungen für die Mitglieder der anderen WindForS-Beteiligten öffnen. Die Wissenschaftler des Forschungsnetzwerks werden außerdem öffentliche Stellen beraten und in Gremien und Normungsausschüssen wie der Internationalen Elektrotechnischen Kommission mitarbeiten.

Deutsches Windenergie-Institut GmbH (DEWI), Wilhelmshaven Mit dem DEWI, das traditionell sehr gute Beziehungen zum DLR und zur Universität in Stuttgart besitzt, besteht seit 2004 eine Kooperationsvereinbarung, deren Ziel die Zusammenarbeit in Forschung und Lehre sowie in der Aus-, Fort- und Weiterbildung auf dem Gebiet der Windenergienutzung ist. Zwischen Winter 2004 und Frühjahr 2010 wurde gemeinsam der Prototyp der AREVA M5000 in Bremerhaven vermessen.

Im Rahmen von Forschungsprojekten mit teils öffentlicher, teils rein industrieller Finanzierung finden vielfältige Kooperation mit Forschungsinstituten statt, so z.B. mit ForWind, DEWI, ISET, ECN und mit Industrieunternehmen wie z.B. mit der AREVA Wind GmbH, REpower Systems SE, Robert Bosch GmbH und der SIMPACK AG. Im Zuge eines dreimonatigen Forschungsaufenthalts von Andreas Rettenmeier am dänischen Risø-DTU wurde die Kooperation mit dem renommierten europäischen Forschungszentrum im Bereich der Lidar-Technologie vertieft und gestärkt. Eine gemeinsame Messkampagne vom Boden und von der Gondel der Nordtank Windenergieanlage mit dem SWE-Lidar Scanner führte zu wertvollen Ergebnissen.

Eine neue Kooperation konnte mit dem National Renewable Energy Laboratoy in den

USA eingegangen werden, deren Ziel die gemeinsame Erprobung von LiDAR basierten Regelungsalgorithmen ist. Im Rahmen von mehrwöchigen Forschungsaufenthalten von David Schlipf sowie einem dreimonatigen Aufenthalt im

Nationale und internationale Zusammenarbeit 43

Rahmen der Diplomarbeit von Florian Haizmann am National Wind Technology Center in Boulder, Colorado wurden gute Kontakte zur Regelungsabteilung des NREL etabliert. Die gemeinsamen ersten öffentlichen Feldtests von LiDAR-Regelung waren ein großer Erfolg und eine weitere Zusammenarbeit zwischen NREL und SWE auf diesem Gebiet wird angestrebt.

44 Konferenzen, Symposien und Messen


RAVE International 2012 Im Zuge der Forschungsaktivitäten im Offshore Testfeld Alpha Ventus fand in diesem Jahr die „RAVE International“ Konferenz in Bremerhaven statt. Dabei wurden die aktuellsten Forschungsergebnisse der laufenden RAVE Projekte des SWE einem internationalen Publikum präsentiert. Die Arbeiten des OWEA und LIDAR Projektes stießen auf breites Interesse und förderten regen wissenschaftlichen Austausch.

ISARS - International Symposium for the Advancement of Boundary-Layer Remote Sensing

Bei dem alle zwei Jahre stattfindenden Symposium referierten David Schlipf und Andreas Rettenmeier zu ihren Forschungsthemen und stellten die aktuellsten Ergebnisse vor. Die dreitägige Veranstaltung (5.-8- Junni 2013) wurde von NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) und dem Cooperative Institute for Research in Environmental Sciences (CIRES) an der University of Colorado in Boulder, USA ausgerichtet.

The Science of Making Torque from Wind 2012 Die „Torgue“ Konferenz findet turnusmäßig aller zwei Jahre statt. Diesjähriger Gastgeber war die Carl von Ossietzky Universität in Oldenburg. Der SWE war mit insgesamt fünf Vorträgen Vertreten und wissenschaftlichen Abhandlungen vertreten. Teilgenommen haben in diesem Jahr Stefan Hauptmann, Ursula Smolka, Denis Matha, David Schlipf und Daniel Kaufer. Damit hat der SWE aktuelle Forschungsergebnisse zu den Themen Lastsimulationsmethoden und Monitoring Verfahren präsentiert.

ISOPE 2012 Die ISOPE-Veranstaltungen (The International Society of Offshore and Polar Engineers) zählen zu den größten Konferenzen im Bereich Offshore Engineering. Seit 2010 gibt es einen neuen Fokus auf Erneuerbare Energien und hier speziell Offshore-

Konferenzen, Symposien und Messen 45

Windenergie. D. Matha lieferte 2012 einen Vortrag zum Thema „Aerodynamic Inflow Conditions on Floating Offshore Wind Turbine Blades for Airfoil Design Purposes”.

DEWEK – Deutsche Windenergie Konferenz, 7.-8.11.12 Vom 7. bis 8. November fand die Deutsche Windenergie Konferenz in Bremen statt. Bei den Vorträgen und Posterpräsentationen wurden Forschungseinrichtungen, Betreibern, Herstellern, Dienstleistern und anderen Interessierten neueste Entwicklungen vorgestellt. David Schlipf, Ines Würth, Ursula Smolka und Frank Sandner lieferten vielbeachtete Vorträge im Bereich LiDAR-Regelung, LiDAR-Site Measurements, Lastensimulation und Modellierung schwimmender Windkraftanlagen. Außerdem waren Prof. Dr. Po Wen Cheng und Andreas Rettenmeier als Session Chair und Repräsentanten am WindForS-Stand anwesend. Am WindForS-Stand konnten sich Besucher an den zahlreichen Postern und bei einer Präsentation über die Kompetenzfelder des Netzwerks informieren. Die Ausstellung eines Modellflugzeugs zur Messung meteorologischer Parameter des ZAG im Original (Uni Tübingen) sowie ein Demonstator der Power-To-Gas Technologie des ZSW lockten zahlreiche Besucher an den Stand.

50th AIAA Aerospace Sciences Meeting – 31th Wind Energy Symposium Das 31. Wind Energy Symposium der AIAA Aerospace Sciences Meeting fand dieses Jahr vom 9.-12. Januar in den USA in Nashville, Tennessee statt. Die Konferenz zählt zu den weltweit größten im Bereich der Luft- und Raumfahrttechnik und das im Rahmen der Konferenz stattfindende Symposium für Windenergie ist insbesondere in den USA eine der bedeutendsten wissenschaftlichen Konferenzen in diesem Sektor, wobei Windturbinen Aerodynamik und Regelungstechnik einen Schwerpunkt bilden. Mit dem Vortrag Development, Validation and Application of a Curved Vortex Filament Model for Free Vortex Wake Analysis of Floating Offshore Wind Turbines präsentierte Friedemann Beyer Forschungsergebnisse im Bereich der Simulation schwimmender Windturbinen, welche in Kooperation mit der amerikanischen University of Massachusetts Amherst erarbeitet wurden.

8th PhD Seminar on Wind Energy in Europe Vom 12. bis 14. September fand das 8th PhD Seminar on Wind Energy in Europe in Zürich, Schweiz statt. Bei der von der EAWE jährlich organisierten Konferenz für Doktoranden aus


dem Forschungsbereich Windenergie nahmen Matthias Arnold (Fluid-Structure-Interaction on Tidal Current Turbines) und Friedemann Beyer (Dynamic Behaviour of Floating Offshore Wind Turbines) mit einer Posterpräsentation teil.

Conference on Decision and Control 2012 Die CDC ist die weltweit die größte Konferenz im Bereich Systemtheorie und Regelungstechnik. Dieses Jahr fand sie vom 10.-13. Dezember in Maui, USA statt. David Schlipf präsentierte hier einen Vergleich von Reglern für die LiDAR-basierte Regelung von Windenergieanlagen.

Konferenzen, Symposien und Messen 47

Energietag Baden-Württemberg auf dem Schlossplatz Auch in diesem Jahr war der SWE mit einem Stand auf dem Energietag Baden Württemberg vertreten. Neben zahlreichen Exponaten zum Anfassen hatten Spaziergänger auf der Königsstraße die Möglichkeit anregende Diskussionen rund um die Windenergieforschung zu führen.

Tag der Wissenschaft Auch am Tag der Wissenschaft der Universität Stuttgart am 30. Juni 2012 war der SWE mit einem Stand vertreten. Zusammen mit dem IFB wurde der Eingangsbereich des Pfaffenwaldring 31 mit diversem Ausstellungs- und Informationsmaterial dekoriert um neugierigen Besuchern einen Einblick in den Forschungsbetrieb zu bieten. Ein Highlight für die kleinen Nachwuchswissenschaftler: anstatt Harz wurde mit flüssiger Schokolade Formen infiltriert. Während diese dann im Wasserbad härten mussten, konnten die Kinder ihr handwerkliches Geschick beim Windräder basteln unter Beweis stellen.

48 Wissenschaftliche Vorträge und Publikationen


Matha, D., Sandner, F., & Schlipf, D. (2012). Efficient Critical Design Load Case Identification for Floating Offshore Wind Turbines with a Reduced Nonlinear Model. The Science of Making Torque from Wind. Oldenburg, 2012

Schafhirt, S., Kaufer, D., Cheng, P.W., “Optimization and evaluation of pre-design models for offshore wind turbines with jacket support structures and their influence on integrated load simulations, paper, The Science of Making Torque from Wind. Oldenburg, 2012

F. Sandner, D. Schlipf, D. Matha, R. Seifried, P.W. Cheng: Reduced Nonlinear Model of a Spar-Mounted Floating Wind Turbine, DEWEK, Bremen, 2012.

Fischer, T., “Mitigation of Aerodynamic and Hydrodynamic Induced Loads of Offshore Wind Turbines”, Dissertation, Shaker Verlag, Stuttgart

Matha, D., Lutz, T., Wendt, F., Cheng, P.W.; “Aerodynamic Inflow Conditions on Floating Offshore Wind Turbine Blades for Airfoil Design Purposes”, ISOPE 2012, Rhodes, Greece, 2012

Scheu, M., Muskulus, M., Matha, D.; “Maintenance strategies for large offshore wind farms”, 9th Deep Sea Offshore Wind R&D Seminar, 19-20 January 2012, Trondheim, NORWAY

Scheu, M., Muskulus, M., Matha, D.; “Validation of a Markov-based Weather Model for Simulation of O&M for Offshore Wind Farms”, ISOPE 2012, Rhodes, Greece, 2012

Matha, D., Sandner, F., Schlipf, D.; “Efficient Critical Design Load Case Identification for Floating Offshore Wind Turbines with a Reduced Nonlinear Model”, The Science of Making Torque from Wind 2012 October 9-11, 2012 - Oldenburg, Germany

Bekiropoulos, D., Matha, D., Lutz, T., Cheng, P.W., Krämer, E.; “Simulation of Unsteady Aerodynamic Effects on Floating Offshore Wind Turbines”, DEWEK 2012, Bremen, Germany

Sandner, F., Schlipf, D., Matha, D., Seifried, R., Cheng, P.W.; „Reduced nonlinear model of a spar-mounted floating wind turbine”, DEWEK 2012, Bremen, Germany

Haid, L., Stewart, G., Jonkman, J., Lackner, M., Matha, D., Robertson, A.; “Simulation-Length Requirements in the Loads Analysis of Offshore Floating Wind Turbines” , OMAE 2013, Nantes, France

Duarte, T., Tomas, D., Matha, D., Schuon, F.; “Verification of engineering modeling tools for floating offshore wind turbines”, OMAE 2013, Nantes, France

Matha, D., Bekiropoulos, D., Fischer, S., Duarte, T., Boorsma, K., Lutz, T., Cheng, P.W.;“Variations in Extreme Load Predictions for Floating Offshore Wind Turbine extreme Pitching Motions applying different Aerodynamic Methodologies”, ISOPE 2013, Anchorage, USA

Arnold, M., Cheng, P.W.; "Fluid-Structure-Interaction on Tidal Current Turbines", 8th PhD Seminar on Wind Energy in Europe 2012, Zürich, Switzerland

Arnold, M., Biskup, F., Matha, D., Cheng, P.W.; "Simulation of Rotor-Foundation-Interaction on Tidal Current Turbines with Computational Fluid Dynamics", EWTEC 2013, Aalborg, Denmark

Wissenschaftliche Vorträge und Publikationen 49

Stewart, G., Lackner, M., Haid, L., Matha, D., Jonkman, J., Robertson, A.; “Assessing Fatigue and Ultimate Load Uncertainty in Floating Offshore Wind Turbines Due to Varying Simulation Length”, ICOSSAR 2013, Columbia University, New York, NY, USA

Schlipf, D., Sandner, F., Raach, S., Hocke, V., Matha, D., Cheng, P.W.; “Nonlinear Model Predictive Control of Floating Wind Turbines”, ISOPE 2013, Anchorage, USA

D. Schlipf, D. J. Schlipf, M. Kühn, Nonlinear Model Predictive Control of Wind Turbines Using LIDAR, Wind Energy, 2012.

A. Scholbrock, P. Fleming, L. Fingersh, A. Wright, D. Schlipf, F. Haizmann, F. Belen, Field Testing LIDAR-Based Feed-Forward Controls on the NREL Controls Advanced Research Turbine, 51th AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition, Grapevine, Texas, January 2013.

D. Schlipf, L. Y. Pao, P. W. Cheng, Comparison of Feedforward and Model Predictive Control of Wind Turbines Using LIDAR, 51st IEEE Conference on Decision and Control, Maui, USA, December 2012.

D. Schlipf, P. Fleming, F. Haizmann, A. K. Scholbrock, M. Hofsäß, A. Wright, P. W. Cheng, Field Testing of Feedforward Collective Pitch Control on the CART2 Using a Nacelle-Based Lidar Scanner, The Science of Making Torque from Wind, Oldenburg, Oldenburg, October 2012.

F. Dunne, D. Schlipf, L. Y. Pao, A. Wright, B. Jonkman, N. Kelly, E. Simley, Comparison of Two Independent Lidar-Based Pitch Control Designs, 50th AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition, Nashville, USA, January 2012.

D. Schlipf, A. Rettenmeier, F. Haizmann, M. Hofsäß, M. Courtney, P. W. Cheng, Model Based Wind Vector Field Reconstruction from Lidar Data, German Wind Energy Conference (DEWEK), Bremen, Germany, November 2012.

D. Schlipf, Lidars for Wind Turbine Control, Summer School in Remote Sensing for Wind Energy, Boulder Colorado, June 2012.

D. Schlipf, J. Mann, A. Rettenmeier, P.W. Cheng, Model of the Correlation between Lidar Systems and Wind Turbines for Lidar Assisted Control, 16th International Symposium for the Advancement of Boundary Layer Remote Sensing (ISARS), Boulder Colorado, June 2012.

F. Dunne, D. Schlipf, L. Pao, Comparison of Two Independent Lidar-Based Pitch Control Designs, NREL-report NREL/SR-5000-55544, August 2012

J. J. Trujillo, D. Trabucchi, A. Rettenmeier, D. Schlipf, M. Kühn, Numerical simulation of detailed lidar measurements in the near wake of a wind turbine, 16th International Symposium for the Advancement of Boundary Layer Remote Sensing (ISARS), Boulder Colorado, June 2012.

D. Schlipf, J. Anger, O. Bischoff, M. Hofsäß, A. Rettenmeier, I. Würth, B. Siegmeier, P. W. Cheng, Lidar Assisted Wind Turbine Control, RAVE International Conference, Bremerhaven, Germany, May 2012.

U. Smolka, D. Kühnel, J. Quappen, T. Neumann, and P. W. Cheng, “Verification of wind turbine loads using measurements: raw data and reality,” in Proceedings of the German Wind Energy Conference, Bremen, Germany, DEWI, November 2012

U. Smolka, D. Kaufer, and P.W. Cheng, “Are sea state measurements required for fatigue load monitoring of offshore wind turbines?” in Proceedings of The Science


of Making Torque from Wind, TORQUE, Oldenburg, Germany, October 2012. In peer review process.

Beyer F., Matha D., Sebastian T., Lackner M.A., "Development, Validation and Application of a Curved Vortex Filament Model for Free Vortex Wake Analysis of Floating Offshore Wind Turbines." 50th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Nashville, TN, 9 - 12 January 2012

A. Rettenmeier, „Future developments and nacelle-based Lidar systems“, Fachvortrag im Seminar „LiDAR – Windmessung für On- und Offshore-Windparks, Theorie, Erfahrungen und Praxisempfehlungen“, ForWind Academy, Bremen, Germany, November 2012

A. Rettenmeier, J. Anger, O. Bischoff, M. Hofsäß, D. Schlipf, I.Würth, "Nacelle-based Lidar Systems", Summer School in Remote Sensing for Wind Energy, University of Colorado, Boulder, June 2012

A. Rettenmeier, D. Schlipf, I. Würth, P.W. Cheng, A. Wright, P. Fleming, A. Scholbrock, P. Veers, "Power Performance Measurements of the NREL CART-2-Wind Turbine Using a nacelle-based Lidar scanner", ISARS, Boulder/Colorado, USA, June 2012

A. Rettenmeier, J. Anger, O. Bischoff, M. Hofsäß, D. Schlipf, I.Würth, P.W. Cheng, "Development of Lidar wind measurement techniques", RAVE International Conference, Bremerhaven, Germany, May 2012

A. Rettenmeier, R. Wagner, M. Courtney, J. Mann, O. Bischoff, D. Schlipf, J. Anger, M. Hofsäß, P. W. Cheng, "Turbulence and wind speed investigations using a nacelle-based Lidar scanner and a met mast", EWEA, Copenhagen, Denmark, April 2012

InVentus - Mit dem Wind gegen den Wind 51

8 InVentus - Mit dem Wind gegen den Wind

8.1 Das Inventus-Projekt Seit Herbst 2007 wird in dem studentischen Projekt „InVentus“ am SWE ein windgetriebenes Fahrzeug, das Ventomobil, konstruiert, gebaut und weiterentwickelt. Dieses Fahrzeug soll möglichst schnell gegen den Wind fahren können, ohne dabei wie ein Segelboot kreuzen zu müssen. Als Leuchtturmprojekt für nachhaltige Mobilität unter Nutzung erneuerbarer Energien muss die Fahrtrichtung von der Windrichtung unabhängig sein, denn nur so kann sich prinzipiell ein Fahrzeug auf einer Straße fortbewegen. Entsprechend besitzt das Ventomobil kein Segel, sondern einen in den Wind drehbaren Rotor. Mit dem Projekt setzten Studierende das in den Windenergievorlesungen am SWE Erlernte in die Praxis um. Die beiden Diplomarbeiten von Jan Lehmann und Alexander Miller sowie die Studienarbeit von Niko Mittelmeier bereiteten im Jahr 2008 die Basis für ein erfolgreiches Projekt, in dem das komplette Projektmanagement einschließlich Industriesponsoring und Öffentlichkeitsarbeit mit Unterstützung des SWE vom Team selbst übernommen wird. Im Berichtsjahr brachten etwa 10 Studierende ihr Engagement in das Projekt ein und konnten so Erfahrungen im Projekt-management und in der praktischen Umsetzung theoretischer Konzepte sammeln.

2009 wurden die beiden Diplomanden schließlich für ihre Diplomarbeiten vom Verein der Freunde der Luft- und Raumfahrttechnik der Universität Stuttgart e.V. mit dem Boysen-Preis für die besten Diplomarbeiten im Bereich Umwelttechnik ausgezeichnet. Das Team stellte das Fahrzeug am Tag der Wissenschaft, bei einem Symposium der EnBW sowie am Uni-Tag einem breiten Publikum vor.

Das Projekt zeigt nun bereits im vierten Jahr, dass sich studentisches Engagement sehr erfolgreich in die Arbeit des Lehrstuhls integrieren lässt. Unterstützt durch die Kompetenzen von SWE, Institut für Flugzeugbau und Institut für Aero- und Gasdynamik arbeiteten Studierende weitgehend in ihrer Freizeit an einem Vorhaben, das für die Studierenden eine wertvolle praktische Umsetzung und Ergänzung des im Studium Erlernten darstellt. Besonders motivierend war die Einladung zur Teilnahme am Jahrestag der Universität Stuttgart. Zahlreiche interessante Gespräche mit Ehrengästen kamen zustande und vielleicht auch das ein oder andere Angebot.

8.2 Aktuelles in 2012 Im Jahr 2012 wurde das Ventomobil vollständig überarbeitet und im Rahmen von 2 Bachelorarbeiten und umfangreicher Mitarbeit des studentischen Teams neu definiert. Um Hierbei zu einem optimalen Ergebnis zu kommen, hat sich das Team dagegen entschieden am Aeolus-Race 2012 teil zu nehmen und sich vollständig auf die Konstruktions- und Entwicklungsaufgabe konzentriert. Ziel dieses 2Jahres-Masterplans ist es für das Aeolus-Race 2013 basierend auf den Erkenntnissen aus den bisherigen Einsätzen des Ventomobils ein optimales Fahrzeug zu bauen und das langfristige Ziel aller Rennteilnehmer, die

Das Ventomobil beim Aeolus Race 2008

52 InVentus - Mit dem Wind gegen den Wind

Überschreitung der Grenze von 100% der Windgeschwindigkeit als Fahrgeschwindigkeit, zu erreichen.

Im Rahmen dieser Konstruktion wurde als zentrales Bauteil ein neuer Rahmen in Kastenrohrbauweise entworfen. Dieser bietet im Vergleich zur bisherigen Lösung aus geschwungenen Trägern den großen Vorteil einer höheren Flexibilität. Somit sind Einbauten wie z.B. das Getriebe durch eindeutig definierte, rechtwinklige Anschlusspunkte an den Rahmen angeschlossen. Neben dem Rahmen wurde auch ein neues Fahrwerk, welches nun 4rädrig ist, entwickelt. Hierdurch konnten die Abmessungen des Fahrzeuges reduziert werden, so dass sich die Transportmöglichkeiten mit einfach verfügbaren Sprinter-Transportern vereinfacht haben. Auch konnte in das Fahrwerk ein Federungssystem eingebaut werden, um den Anpressdruck der Räder besser zu verteilen.

Im Rahmen der Energiegewinnung und Übertragung wurde ebenfalls ein vollständig neu entwickeltes System aufgesetzt. Dieses besteht aus einem Rotor-Diffussor-System, welches unter Berücksichtigung der vollständigen Interaktion ausgelegt wurde. Das Grundkonzept des Triebstrangs wurde aus dem alten Fahrzeug übernommen, da sich dieser Ansatz bewährt hat. Jedoch wurden alle Komponenten neu konstruiert, um die Abstimmung der Elemente aufeinander zu optimieren. Hiervon erwarten das InVentus-Team eine Verbesserung der 3 Triebstrangparameter des Leistungs- und Schubbeiwerts cp und cs, sowie Triebstrangwirkungsgrades. 2012 wurde diese Konstruktionsarbeit vollständig abgeschlossen, so dass Ende 2012 mit der Fertigung begonnen werden konnte. Erste Bauteile aus dem Bereich des Rahmens und Fahrwerks wurden dabei aufgebaut und getestet.

Das Projekt und seine weitere Fortführung sind ohne die wertvolle ideelle wie auch materielle Unterstützung von Partnern aus der Industrie nicht denkbar. Durch die Kombination der industriellen und der akademischen Unterstützung durch Institute der Universität Stuttgart entwickelt sich das studentische InVentus-Team weiter und es ist in den nächsten Jahren wieder mit größeren Erfolgen zu rechnen.

Das Ventomobil beim Aeolus Race 2011

Was war sonst noch im Jahr 1 53

9 Was war sonst noch im Jahr 2012

Weltweit erste messtechnische Erfassung multipler Nachläufe von Windenergieanlagen in einem Offshore-Windpark Im Verbundforschungsprojekt Baltic-I ist es dem SWE als erste Forschungseinrichtung weltweitgelungen, multiple Nachläufe eines Offshore-Windparks messtechnisch zu erfassen und zu visualisieren. Der SWE verwendete hierbei ein 2012 für das Forschungsprojekt angeschafftes long range LiDAR. Dieses laseroptische Messgerät kann Windgeschwindigkeiten in einer Entfernung von bis zu 4km erfassen.

54 Anhang I: Lehrveranstaltungen

Anhang I: Lehrveranstaltungen

Einführung Erneuerbare Energien (EEE) Vorlesung (4 SWS) mit Hörsaalübungen (2 SWS), SS (SWE-Anteil ca. 1/3)

Diese Pflichtvorlesung im ersten Semester des Bachelorstudiengangs „Erneuerbare Energien“ wird gemeinsam mit dem Institut für Energieübertragung und Hochspannungstechnik (Modulverantwortlicher Prof. Dr. S. Tenbohlen) und anderen Instituten der Fakultäten 5 und 7 durchgeführt.

Die Veranstaltung vermittelt eine technisch-ökonomische Einführung in die Erneuerbaren Energien. Die Studierenden sind anschließend in der Lage, die Bedeutung und die Potenziale verschiedener Erneuerbarer Energien (Solarthermie, Photovoltaik, Windenergie, Wasserkraft, thermische Nutzung von Biomasse) quantitativ einzuschätzen. Weiterhin können sie Berechnungen des Energieertrags, des Wirkungsgrades und der Wirtschaftlichkeit durchführen sowie Erneuerbare Energien in unterschiedliche Energieanwendungen und ins internationale Energiesystem einordnen.

Konstruktionselemente der Luft- und Raumfahrttechnik I (KE I) Vorlesung (2 SWS) mit Hörsaalübungen und Seminar (je 1 SWS), SS

In dieser Pflichtvorlesung ab dem zweiten Semester der Studiengänge „Luft- und Raumfahrttechnik“ und „Erneuerbare Energien“ werden die Grundlagen für die konstruktive Ausbildung der Studierenden gelegt. Im Rahmen von studienbegleitenden Klausuren können zwei benotete Scheine erworben werden, die Voraussetzung für das Erlangen des Vordiploms sind.

Es werden folgende Aspekte behandelt: Entscheidungsverfahren im Konstruktionsprozess, Normen und Richtlinien, Passungssystem, Sicherheit und Konstruktionsphilosophien (fail-safe, safe-live, damage tolerant), Festigkeitsberechnung und Nachweise im Flugzeug- und Maschinenbau, Niet-, Bolzen-, Schraubverbindungen (Bauweisen, Anwendung, Auslegung und Berechnung), Federn, Wälz- und Gleitlager.

Konstruktionselemente der Luft- und Raumfahrttechnik II (KE II) Vorlesung (1 SWS) mit Hörsaalübungen und Seminar (je 1 SWS), WS

Als Fortführung der zuvor beschriebenen Veranstaltung werden folgende Aspekte behandelt: Auslegung und Gestaltung von Wellen, insbes. Gestaltfestigkeit, form-, kraft- und stoffschlüssige Welle-Nabe-Verbindungen, Kupplungen, Getriebe (Grundlagen der Verzahnung, Zahnradgetriebe, Auslegung von geradverzahnten Stirnradgetrieben), Schweiß- und Klebverbindungen (Bauweisen, Anwendung, Auslegung und Berechnung), Korrosion und industrielle Entwicklungsprozesse.

Technology II Modul, Renewable Energy Management Master Freiburg 3 tägiges Blockseminar, WS

Im Rahmen einer Kooperation mit dem Zentrum für Erneuerbare Energien (ZEE) der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg werden den Studierenden des internationalen Management Masters die technischen Grundlagen der Windenergienutzung vermittelt. 2012 besuchten dabei 29 Studenten aus 18 Ländern dieses Modul.

Anhang I: Lehrveranstaltungen 55

Elective II Modul, Renewable Energy Management Master Freiburg 2 wöchiges Blockseminar mit Exkursion, WS

Neben der oben erwähnten Einführung in die technologischen Aspekte der Windenergietechnik und –nutzung wird ein Wahlpflichtmodul zur vertiefenden Einarbeitung in den Bereich Windenergie an der Universität Freiburg angeboten. Der Fokus liegt hier auf dem Management und Planungsaspekt der Windparkplanung. Die durchgeführte Exkursion soll hierbei die konkrete Umsetzung unterschiedlichster Projekte im Bereich Erneuerbarer Energien praktisch veranschaulichen.

Windenergienutzung I – Grundlagen (WEN I) Vorlesung (2 SWS) mit Hörsaalübungen (1 SWS), Laborversuch und Exkursion, SS

In der Vorlesung „Windenergienutzung I“ im Sommersemester werden die physikalischen und technologischen sowie wirtschaftlichen Grundlagen der Windenergienutzung vorgestellt. Teil der Lehrveranstaltungen sind fünf Hörsaalübungen und ein Windkanalversuch.

Die Veranstaltung kann potenziell von Hörern aller Studiengänge besucht werden. Prüfungen sind in diversen Studiengängen möglich. Als Vorleistung für die mündliche Prüfung ist ein unbenoteter Übungsschein erforderlich, der durch die Teilnahme am Windkanallabor erworben werden kann.

Inhalte der Lehrveranstaltung:

- Einleitung, Historie & Potenziale (organisatorische Hinweise, Literatur) - Der Wind (Meteorologie, Windhistogramme, Ertragsberechnung) - Typologie und Funktion von Windenergieanlagen (Windleistung, Betz-Limit, Auftriebs-

und Widerstandsläufer, Horizontal- und Vertikal-Anlagen, elementare Funktionen) - Aerodynamische Auslegung nach Betz und aerodynamische Verluste - Konstruktiver Aufbau I: Mechanik (Komponenten von WEA, Rotor bis Gründung) - Kennlinien und Leistungsbegrenzung (Kennlinien für Leistung, Schub, Drehmoment eines

Schnellläufers, Leistungsbegrenzung und -regelung, Pitchregelung, Drehzahlregelung) - Laborübung im Böenwindkanal des IAG: Windkanalversuch zur Leistungskennlinie - Dynamische Belastungen (grundlegende Belastungen, Simulation von Belastungen,

Ähnlichkeitstheorie) - Elektrisches System, Anlagenkonzepte (elektrische Grundlagen, vier Anlagenprinzipien,

Sicherheitssystem, Regelung, Betriebsführung, Fernüberwachung) - Wirtschaftlichkeit (Ertrag und Energiegestehungskosten, Energiepreis) - Energiepolitische Fragen (Durchführung im Rahmen einer Pro & Contra-Diskussion) - Präsentation der Ergebnisse des Windkanalversuchs - Exkursion und Besteigung einer Windenergieanlage (Enercon E-66 in Dunningen)

Windenergienutzung II – Windparks (WEN II) Vorlesung mit Hörsaalübungen (2 SWS) und Seminar Windparkplanung – WindPro (1 SWS), sowie Exkursion, WS

Die Vorlesung „Windenergienutzung II“ vertieft die Grundlagen aus „Windenergienutzung I“ und legt einen Schwerpunkt auf die diversen technischen und nicht technischen Aspekte von Windparks, insbesondere offshore. Seit diesem Jahr wird die Vorlesung auf Englisch angeboten. Teil der Lehrveranstaltungen sind Hörsaalübungen sowie ein Seminar mit dem Windparkplanungsprogramm WindPro im PC-Pool – die Studierenden planen exemplarisch selbst einen Windpark.

Inhalte der Lehrveranstaltung: - Site Assessment - Wake Deficit - Site Specific Load Assessment Process


- Environmental Conditions Offshore - Foundation & Logistic - Other Environmental Impacts - Offshore Wind Farms O&M and Floating - Site Specific Loads Offshore - External Lecture: Dipl.-Ökon. I. Lange, Green Brokers GmbH: Wirtschaftliche & rechtliche

Aspekte der Windenergie Projektentwicklung - Grid Connection - Reliability - Dreitägige Exkursion zu Herstellern von Windenergieanlagen und Komponenten

Im Rahmen der Hörsaalübungen und des WindPro Seminars planen die Studierenden in Zweierteams einen Windpark an einem gegebenen Standort und beurteilen dessen Wirtschaftlichkeit. Mit dem Programm WindPro werden an sechs Terminen folgende Themen bearbeitet: Einführung WindPro, Ertrag einer Einzel-WEA, Windparkertrag, Optimierung der Nachlaufverluste eines Windparks, Schallemission und Schattenwurf.

Entwurf von Windenergieanlagen I – Simulation und Auslegung (WEA I) Vorlesung (2 SWS) mit Hörsaalübungen (1 SWS), Seminar Simulation von Windenergieanlagen (Bladed und SIMPACK) (1 SWS) und Exkursion, SS

In der Lehrveranstaltung werden die numerische und experimentelle Ermittlung der Belastungen von Windenergieanlagen (WEA), die Systemauslegung sowie die Bemessungsverfahren und Bauweisen der wichtigsten Komponenten behandelt.

Die Veranstaltung kann potenziell von Hörern im Hauptstudium aller technischen Studiengänge parallel zur „Windenergienutzung I“ besucht werden.


- Einleitung, Auslegungsmethodik & Richtlinien - Windfeldmodellierung (Begriffe, Turbulenzmodellierung, Extremereignisse) - Dynamik des Gesamtsystems (Campbell-Diagramm, Simulation, Strukturdynamik,

Modellierung, Messtechnik) - Blattentwurf mit Nachlaufdrall - Blattelement-Impulstheorie (BEM-Algorithmus, empirische Korrekturen, dynamische

Effekte, Schräganströmung) - Offshore-Umgebungsbedingungen (Wind, Wellen, Strömung, Eis) und Bodenbeding-

ungen - Hydrodynamische Belastungen - Laborübung im Böenwindkanal des IAG, Windkanalversuch zur Leistungskennlinie

(gegenüber WEN I erweiterte Übung) - Dynamik des Gesamtsystems - Regelung und Betriebsführung - Lastfälle und Nachweise nach IEC 61400-1 ed. 2 (Auslegungsprozess, Lastfälle und

Nachweise) - Messung von Belastungen und Leistung nach IEC 61400-12/-13 am Beispiel der

AREVA M5000 - Betriebsfestigkeit (Nachweiskonzepte für WEA, Rainflow, Palmgren-Miner, schädigungs-

äquivalente Lasten, Lastverweildauer) - Auslegung von WEA-Komponenten (Turm, Nabe, Blatt, maschinenbauliche

Komponenten) - Exkursion und Besteigung einer Windenergieanlage (Enercon E-66 in Dunningen,

Rottweil, zusammen mit WEN I)

Im Bladed-Seminar wird anhand einer typischen 2 MW-Windenergieanlage in die Benutzung des Programms und die Grundlagen aeroelastischer Berechnungen eingeführt. Ab dem SS 2009 findet zusätzlich auch ein Seminar mit dem Mehrkörpersimulationsprogramm SIMPACK statt.

Anhang I: Lehrveranstaltungen 57

Windenergie-Projekt – Entwurf von Windenergieanlagen II (WEA II) Lehrveranstaltung in Projektform mit Exkursion (2 SWS), WS

In der Veranstaltung Windenergieprojekt – Entwurf von Windenergienanlagen II (WEA II) werden die Teilnehmer mit dem Szenario konfrontiert, innerhalb der Entwicklungsabteilung eines Unternehmens – als eines von mehreren Teams – ein Produkt, z.B. eine Windenergieanlage, für einen speziellen Markt zu entwickeln. Nach einer Periode von ca. drei Monaten, während der die Gruppenarbeit durch den SWE theoretisch und praktisch unterstützt wird, ist ein Produktkonzept für Vertrieb, Konstruktion, Fertigung und Betrieb im Rahmen eines Vortrags und mittels eines Projektberichts vorzustellen. Bei den wöchentlichen Gruppenterminen mit den Betreuern wechseln sich Vorlesungsanteile, z.B. zu Organisation und Qualitätssicherung von industriellen Entwicklungsprozessen (Quality Gate Prozess), mit Gruppendiskussionen ab. Die konkrete Aufgabenstellung wechselt jährlich.

Die Veranstaltung kann potenziell von Hörern aller technischen Studiengänge als Fortführung von WEN I und WEA I besucht werden. Prüfungen sind als Wahlfach oder im Rahmen des Vertiefungsfaches „Flugzeugbau und Leichtbau“ möglich.

Bisherige Aufgabenstellungen: - „Entwurf einer WEA für einen subtropischen Markt am Beispiel Ägypten“ (WS 2004/05) - „Entwurf einer Kleinwindenergieanlage der kW-Klasse“ (WS 2005/06) - „Optimierung einer Starkwind-WEA für den deutschen Binnenmarkt“ (WS 2007/08) - „Entwicklung einer Windenergieanlage für ein Offshore-Projekt“ (WS 2008/09) - „Optimization of a Wind Turbine for Extreme Climatic Conditions in China“ (WS 2009/10) - „Konzeptioneller Entwurf einer 10MW Windenergieanlage für zukünftige Offshore-

Windparks“ (WS 2010/11) - “Frugal Innovation in Wind Energy: Windenergieanlagen Entwurf unter einfachsten

Bedingungen“ (WS 2011/12) - “Active Flow Control am Rotorblatt mit Flaps” (WS 2012/13)


- Aufgabenstellung, Quality Gate (QG) Process, Teambildung, Verteilung der Teilaufgaben - Quality Gate 1 – Marktanalyse und Produktdefinition - Konzeptentwurf von WEA – Kostenmodelle, Verfahren zur Investitionskostenrechnung,

Modellgesetze, Auswahl der WEA, Optimierung des Rating - Definition des Zielmarkts und des Endkunden - Festlegen der Standortbedingungen, Leistungsklasse der WEA, Fertigungskonzept - Produktspezifikation - Tutorium: Aerodynamische Rotorauslegung mit Bladed - Quality Gate 2 – Entwicklungsplanung - Produktplanung (Zeitplan, Teamstruktur) - Betriebliche Organisationsstrukturen und Organigramme - Risikoanalyse (Patentrecht, technische Risiken) - Quality Gate 3 – Konzeptanalyse - Konzept und Layout des Maschinenhauses - Anwendung von Kostenmodellen zur Optimierung relevanter Anlagenparameter

(Leistung, Rotordurchmesser, Nennwindgeschwindigkeit) - Rotorauslegung (aerodynamische Auslegung und Vergleich: Rechteckblatt und aero-

dynamisch optimiertes Blatt) - Regelungskonzept (Leistungsregelung, Sicherheitskonzept) - Konzept für Produktentwicklung, Vertrieb, Fertigung und Betrieb - Abschlusspräsentation am SWE mit externen Branchenexperten - dreitägige Exkursion zu Herstellern von Windenergieanlagen und Komponenten

Windenergie-Labor (WEL) Lehrveranstaltung in Seminarform (2 SWS), WS


Im Windenergielabor werden verschiedene Versuche an der Kleinwindkraftanlage HAWIAN (1,5 kW, 4 m Durchmesser, Eklipsenregelung, Baujahr 1983) und LAKOTA (1 kW, 2,1 m Durchmesser, Kipprotor, Baujahr 2007) durchgeführt. Beispiele sind: experimentelle Strukturanalyse eines Rotorblattes, Bestimmung der Generatorkennlinie und des Getriebe- bzw. Generatorwirkungsgrades, Untersuchung des Regelungskonzeptes experimentell und numerisch, Untersuchung des Abregelverhaltens und der Sicherheitssysteme.

Die Veranstaltung kann potenziell von Hörern im Hauptstudium aller technischen Studiengänge nach Teilnahme an „Windenergienutzung I“ besucht werden. Prüfungen sind als Wahlfach oder im Studiengang Luft- und Raumfahrttechnik im Rahmen des Vertiefungsfachs „Flugzeugbau und Leichtbau“ möglich.

Nachhaltige Energie und Verkehrssysteme Vorlesung (2 SWS), WS & SS

Ziel der Vorlesung ist es, den Studierenden einen Überblick über die aktuellen regenerativen Energiesysteme, deren volkswirtschaftlichen Potenziale und die Verbindung zu beispielhaften Verkehrssystemen zu geben. Die Studierenden sollen schließlich ein Systemverständnis verschiedener Energiewandlungsketten bekommen. Themen sind Biomasse, -gas, Biomass To Liquid (BTL), Windenergie, Photovoltaik, Brennstoffzellen, CO2-Methanisierung, Wasserstoff, Speicherung, Kombikraftwerk, Prognosesysteme, Elektromobilität, E-Genius, Icaré

Anhang II: Ausstattung 59

Anhang II: Ausstattung

Räume und Labore Der Lehrstuhl nutzt Büro- und Laborräume im Erdgeschoss und zweiten Stockwerk des Verfügungsgebäudes am Allmandring 5B. In der Halle des Verfügungsgebäudes stehen ca. 70 qm zur Verfügung.

Weitere Werkstatt- und Laboreinrichtungen des Instituts für Flugzeugbau (IFB) können im Faserverbundtechnikum, ebenfalls am Allmandring 5B, und am Hauptstandort des IFB, am Pfaffenwaldring 31, genutzt werden [www.ifb.uni-stuttgart.de]. Im Bedarfsfall kann auf Einrichtungen der Fakultät für Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie zurückgegriffen werden (z.B. Windkanäle des Instituts für Aero- und Gasdynamik (IAG) [www.iag.uni-stuttgart.de]).

Gerätetechnik, Hard- und Software Im Rahmen der Erstausstattung und mittels einer Anschubfinanzierung durch die Karl-Schlecht-Stiftung konnte der Lehrstuhl eine Grundausrüstung für die Büros und Labore beschaffen. Für den Forschungsbereich wurde in den letzten Jahren neben PC-Hardware und –Software vor allem ein Vielkanalmesssystem und ein 102 Meter hoher Windmessmast für Untersuchungen an Windenergieanlagen im Freifeld angeschafft. Im Rahmen eines Verbundforschungsprojekts des Bundesumweltministeriums wurde ein laser-optisches LiDAR-Windmessgerät der Fa. Leosphere erworben, mit dem u.a. Messungen vom Boden und von der Gondel der 5MW-Anlage AREVA M5000 in Bremerhaven durchgeführt wurden. Mit dem am SWE entwickelten Scanner wurden weitere Messungen des Nachlaufs und des einströmenden Windfelds von der Nordtank Windenergieanlage auf dem Risø-Campus (Dänemark) in 2011 durchgeführt. Für 2012 ist eine Lidar-Scanner Kampagne beim National Wind Technology Center (NWTC) des amerikanischen Forschungszentrums NREL geplant. Ziel ist die praktische Erprobung einer Lidar gestützten Regelung auf einer Anlage.

Tabelle A1: Hardwareausstattung

Name Beschreibung

Cronos PL13

Vielkanalmesssystem der Firma IMC; wird im Rahmen der Vermessung der AREVA M5000 eingesetzt. Es bietet Platz für 13 Messmodule, belegt sind 7 Steckplätze. Damit werden Sensoren aufgezeichnet, die folgende Signale ausgeben: Strom, Spannung, Feldbus (CANBUS), Signale von Brückenschaltungen und Digital-Signale.

Cronos PL 8

Vielkanalmesssystem der Firma IMC; wird im Rahmen der Lehre am Institut eingesetzt. Es bietet Platz für 8 Messmodule, verbaut sind 5 unterschiedliche Module. Damit können Sensoren mit unterschiedlichen Ausgängen aufgezeichnet werden: Feldbus-Signale, Inkremental-Messgeber, Signale von Brückenschaltungen, Sensoren mit Stromspeisung und zusätzliche normale Spannungs- und Stromsignale.

Messmast, 102m Höhe

Standort: Schnittlingen/Schwäbische Alb; Ausgerüstet mit einer großen Anzahl an Sensoren (z.B.: 6x Windgeschwindigkeit, 4x Windrichtung, 2x Temperatur…) zur Messung der meteorologischen Bedingungen.

LiDAR „Windcube“ Laser-optisches Messgerät der französischen Firma Leosphere ergänzt durch einen am SWE entwickelten Windscanner. Anwendung: Berührungslose Messung der Windgeschwindigkeit in bis zu 200 m Entfernung.

60 Anhang II: Ausstattung

Lakota Klein-Windkraftanlage mit einer Leistung von 1kW. Installation erfolgte 2011 auf dem Dach des SWE

Schallanalysator 2250

Schallanalysator der Firma Brüel & Kjaer für den Einsatz im Freien und unter schwierigen Umgebungsbedingungen, daher robust, leicht und ergonomisch gestaltet.

HIL

Teststand für typische Blattverstellsysteme von Windturbinen der 2,5MW Klasse in einer Hardware-in-the-loop Simulationsumgebung.

In Echtzeit simulierte Belastungen werden über einen hydraulischen Lastaktuator dem Blattverstellsystem aufgeprägt. Die Regelalgorithmen der Blattverstellung werden anwendungsnah in einem Rapid-Control-Prototyping System abgebildet.

LiDAR „Galion“ Scanfähiges,laser-optisches Messgerät der schottischen Firma Sgurr.Energy Ltd. Anwendung: Berührungslose Messung der Windgeschwindigkeit in bis zu 4000 m Entfernung.

LiDAR-"Windcube" auf SWE-Dach

Vergleichsmessung LiDAR-Windmessmast

Anhang II: Ausstattung 61

LiDAR-"Galion" bei Testmessungen in Schnittlingen, Schw. Alb

62 Anhang II: Ausstattung

Der Lehrstuhl nutzt umfangreiche windenergiespezifische Software (Tabelle A2). Im Rahmen des Instituts für Flugzeugbau bzw. des Rechenzentrums kann auf weitere Software z.B. Catia V5, NASTRAN, ANSYS, etc. zurückgegriffen werden.

Tabelle A2: Windenergiespezifische Software

Name Beschreibung

Bladed (Educational Version und Full Version)

Strukturdynamische Simulation von Windenergieanlagen (Industriestandard)

DELPHI Objektorientierte Programmiersprache

FAMOS Scriptsprache zur Messdatenanalyse und Visualisierung, vom SWE programmierte Sequenzen zur Lastanalyse und Leistungskurvenmessung

FAST Strukturdynamische Simulation von Windenergieanlagen

FLAP Berechnung der Strömungsverhältnisse und des Energieertrags in Windparks

FLEX5 (Quellcode) Strukturdynamische Simulation von Windenergieanlagen (Industriestandard). Auch mit Erweiterungen für Offshore Anwendungen durch Kopplung mit finite Elemente Software (z.B. Poseidon, ANSYS ASAS)

FOCUS Strukturdynamische Simulation von Windenergieanlagen (PHATAS) und Strukturberechnung von Rotorblättern (FAROB)

LPile 4.0 Berechnung lateral gebetteter Pfahlgründungen

MatLAB - WITLIS: vom SWE programmierte Software zum Design von Scan-Trajektorien, zum Auswerten von LIDAR Daten und für den Entwurf von Regelungsalgorithmen

- Plausibilisierungstools für Messdaten aus dem Offshore Testsfeld alpha ventus sowie Baltic I

SIMPACK Allgemeines Mehrkörpersimulationsprogramm, SWE Erweiterungen: SIMPACK Add-on Module Wind Turbine

WAsP Berechnung des Windpotenzials sowie des Ertrags von Windparks (Industriestandard)

WindPro Planungsprogramm für Windparks (Micrositing, Ertrag, Umweltauswirkungen, Wirtschaftlichkeit) (Industriestandard)

Permas Finite Element Programm der Firma Intes, Stuttgart.Es wurden Schnittstellen zu SIMPACK Add-on Module Wind Turbine geschaffen

ANSYS CFX CFD RANS Code zur Simulation der Aero- und Hydrodynamik von Windenergieanlagen und Gezeitenströmungsturbinen

ANSYS AQWA Hydrodynamischer Panel Code zur Berechnung hydrodynamischer Daten von Offshore wind Substrukturen im Zeit und Frequenzbereich

DLR FLOWER CFD URANS Code zur Simulation der Aerodynamik von Windturbinen.

NetOP Remote-Software zur Steuerung und Fernüberwachung von PC

Windtestfeld „Ulrich Hütter“ Seit fast 50 Jahren besteht das Windenergietestfeld „Ulrich Hütter“ bei Schnittlingen auf der Schwäbischen Alb, ca. 70 km von der Universität entfernt. Verschiedene Institute der Universität, des DLR, der Universität Karlsruhe und der Fachhochschule Aalen haben hier wichtige Forschungsarbeiten durchgeführt. Derzeit betreibt die EnBW eine kommerzielle Windenergieanlage mit 1 MW Leistung auf dem Gelände. Nachdem die Nutzungs-vereinbarung mit der EnBW im Jahre 2001 auslief, konnte der SWE eine weitere Nutzung für Forschung und Lehre an baden-württembergischen Hochschulen erreichen.

Jahresbericht SWE 2012

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