Development of Form-Adaptive Airfoil Profiles for Wind Turbine Application

In den letzten Jahrzehnten hat der Bedarf der erneuerbaren Energieumwandlung aufgrund der Energiewende stark zugenommen. Die Nutzung von regenerativer Energien zur Erfüllung des Strombedarfs ist durch national und regional unterstützte Energiegesetze bereits vorangeschritten. Die Windenergie stellt einen wichtigen Bestandteil der erneuerbaren Energiequellen dar. Eine Steigerung der Energieausbeute für zukünftigen Windkraftanlage ist daher von besonderem Interesse. Der Einsatz von formvariablen Windturbinenblättern stellt eine effiziente Form der Energieumwandlung dar und kann somit einen Beitrag für den Einsatz in der nächsten Generation von Windkraftanlagen leisten. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der grundlegenden Untersuchung und Entwicklung eines Konzeptes für den Einsatz von formvariablen Schaufelprofilen in Windkraftanlagen. Hierzu wird ein Prototyp mit zugehörigen Aktuatorsystem entwickelt, um eine aerodynamische Optimierung der Profilumströmung zu erzielen. Für die Auslegung solcher Schaufelprofile wird ein neuartiger numerischer Ansatz zur Simulation der Fluid-Struktur Wechselwirkung entwickelt. Zur Validierung des Konzeptes werden experimentelle Untersuchungen an dem entsprechenden Prototyp durchgeführt und mit einem starren NACA 0012 Schaufelprofil gegenübergestellt. Hierzu werden neben pneumatischen Fünflochsonden Messungen in der Zu- und Abströmung der Schaufelprofile ebenfalls Particle Image Velocimetry Messungen im Nachlauf durchgeführt. Bedingt durch die begrenzte räumliche Auflösung der experimentellen Untersuchungen dienen die gemessenen Strömungsgröße in der Zu- und Abströmebene als Randbedingung für weiterführende numerische Strömumngssimulationen. Hieraus lassen sich die zugehörigen Leistungscharakteristiken ableiten und vergleichen.

The following work summarizes the development of shape-adaptive airfoil profiles for wind turbine application. The underlying motivation of this work is the potential cost effectiveness of wind power conversion through the introduction of shape-adaptive airfoils in future wind turbine blades. The employment of shape adaption system in the wind turbine blade geometry would facilitate a more efficient power harvesting for the next generation of smart wind turbines. In the scope of this work, the concepts of the dedicated shape-adaptive airfoil profiles for wind turbine application are investigated in light of their aerodynamic performances. The concepts of the actuation system are developed while taking pre-defined design boundary conditions suitable for wind turbine application into consideration. A novel numerical approach is developed towards the simulation of fluid-structure interaction for prototype shape-adaptive airfoils. The numerical scheme is employed in designing the shape-adaptive blade prototypes. Effort has been given to develop a unique actuator system for wind turbine application. In a next step, experimental investigations are carried out to quantize the aerodynamic flow-field around the shape-adaptive airfoils. Parallelly, experimental investigations are carried out on a rigid NACA 0012 airfoil to log its performance at different stagger angles. In a further step, numerical investigations are carried out on the different airfoil configurations. Finally, performance analyses of the airfoils are carried out. The shape-adaptive airfoils outperform the rigid NACA 0012 airfoil for the desired performance envelope.