On the validation of aeroelastic simulations of wind turbines using digital image correlation

Die moderne Entwicklung von Windenergieanlagen (WEA) führt zu einem stetigen Wachstum der Rotorgröße. Mit der Länge der Rotorblätter wächst auch die Notwendigkeit einer genauen Validierung aeroelastischer Simulationen. Diese Arbeit handelt von der Validierung aeroelastischer Simulationen von WEAs mittels Feldmessungen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Rotorblattverformung und -torsion, da diese Größen mit der strukturellen Entwicklung der Rotorblätter an Bedeutung gewinnen. Diese können mit optischen Messverfahren, wie der Digital Image Correlation (DIC), gemessen werden. Da DIC stark wetterabhängig ist, ist die Verfügbarkeit von Messungen über einen langen Zeitraum hinweg begrenzt. Es stellt sich die Frage, ob DIC dennoch für die Validierung von aeroelastischen Simulationen von WEAs verwendet werden kann. Nach einer Einführung in alle relevanten Bereiche, wie die Grundlagen von WEAs, Lidar-Messungen, aeroelastische Modelle und deren Validierung, sowie DIC und andere relevante Rotorblattverformungsmessverfahren, wird ein Messaufbau definiert, um das Potential von DIC zu bewerten. Eine Messkampagne wurde im Januar 2019 am National Wind Technology Center (NWTC) des National Renewable Energy Laboratory (NREL) in Boulder, Colorado, durchgeführt. Eine 600 kW WEA wurde mit Rotorblättern ausgestattet, die im Rahmen des Forschungskonsortiums SmartBlades2 entwickelt und hergestellt wurden. Diese Blätter wurden intensiv mit Messtechnik ausgestattet. Zusätzlich wurde ein SpinnerLidar auf der Turbine installiert, um das einströmende Windfeld mit hoher Auflösung zu erfassen. Die hochauflösende Messung der Rotorblattverformung und -torsion mittels DIC, kombiniert mit der räumlich und zeitlich hochauflösenden Erfassung des Windfeldes mittels SpinnerLidar, stellt einen einzigartigen Ansatz dar. Insgesamt werden 13 Messreihen ausgewertet, die eine Gesamtmessdauer von 45,3 Minuten an vier verschiedenen Tagen umfassen. Auf der Grundlage dieses Aufbaus werden die DIC-Messungen durch Vergleichsmesstechnik verifiziert. Dies ist das erste Mal, dass DIC im Feld an WEAs verifiziert wird. Ein aeroelastisches Simulationsmodell der WEA wird mit OpenFAST erstellt. Um eine Validierung auf der Grundlage von DIC-Messungen im Minutenbereich zu ermöglichen, müssen die Simulationen die realen Bedingungen genau nachbilden. Daher wird eine Methode entwickelt, um so viele Windmessdaten wie möglich direkt einzuspeisen. Diese Einspeisemethode wird mit Vergleichsmesstechnik im Feld verifiziert. Das Simulationsmodell und die Einspeisemethode werden zur Durchführung instationärer Post-Test-Simulationen der Messreihen verwendet. Es wird eine Validierung des WEA-Verhaltens sowie der Rotorblattverformung und -torsion durchgeführt und bewertet. Abschließend werden Verbesserungsvorschläge erarbeitet, um das bereits hohe Potential von DIC für die zukünftige Entwicklung von WEAs weiter auszubauen.