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Experimental assessment of fatigue and extreme load alleviation capabilities of trailing edge flaps for wind turbine blades
Bartholomay, Sirko
The demand for wind energy has grown significantly in the last decades. One way to meet this, is to enlarge the swept rotor area of the single wind turbines by employing longer blades. However, increasing the blade length leads to a disproportionate increase in the acting loads. To withstand these loads, proportionally more or stiffer material is necessary, which increases the costs. This issue can be addressed by employing either conventional pitch actuators or by smart rotor control, for example by trailing edge flaps, to alleviate the loads. Thereby, longer but proportionally lighter blades can be built.
This thesis concentrates on trailing edge flap actuators as active flow control devices, as they have a similar control authority but significantly higher bandwidth in comparison to state-of-the-art full-span blade pitch actuators. The load control performance of trailing edge flaps is assessed in two- and three-dimensional experimental setups.
Within a two-dimensional experimental campaign in an active grid wind tunnel of the University of Oldenburg, the performance of lift estimation by a three-hole probe and a reduced set of surface pressure measurements is assessed. The information of the probes is employed in the feed-forward controller of the trailing edge flap.
Further test cases with static disturbances were performed in the large wind tunnel of the TU Berlin. Thereby, the fatigue load control potential of trailing edge flaps was assessed. In particular, a state-of-the-art individual flap control strategy was compared to an advanced repetitive model predictive controller on the Berlin Research Turbine.
The final study of this dissertation concentrates on the assessment of extreme load control performance of trailing edge flaps. Therefore, the large wind tunnel was redesigned, enabling the wind tunnel to generate extreme inflow conditions. In this study, a blended controller was developed that switches between dedicated fatigue and extreme load controllers.
In this thesis, it is shown that trailing edge flaps are suitable for fatigue and extreme load control. Repetitive model predictive control outperforms individual flap control in terms of fatigue load control, with a limited increase in actuator travel. Enhancing a blended controller with on-blade inflow measurements allows for a successful extreme load control by trailing edge flaps.
This thesis is concluded by a discussion of the shortcomings of the experimental test rigs and an outlook for the use of trailing edge flaps on industrial-scale machines. It is expected that, despite their advantages, trailing edge flaps will not replace pitch actuators for fatigue load control. However, for extreme load control, trailing edge flaps might be a technology enabler to further enlarge the blade length with limited increase in blade mass.
Die Nachfrage nach Windenergie hat in den vergangenen Jahren beträchtlich zugenommen. Diese Nachfrage kann unter anderem durch die Vergrößerung der überstrichenen Rotorfläche einzelner Windkraftanlagen erreicht werden. Dadurch steigen allerdings die Lasten auf den längeren Rotorblättern überproportional an. Um diesen Lasten zu begegnen, kann mehr oder steiferes Material verwendet werden. Dies führt allerdings zu erhöhten Kosten. Ein anderer Weg ist die Lasten zu reduzieren, was zum Beispiel durch konventionelle Drehung der Rotorblätter (Pitch) oder durch intelligente Aktuatoren (zum Beispiel Hinterkantenklappen) auf den Rotorblättern, erreicht werden kann. Dadurch können längere, aber proportional leichtere Rotorblätter gebaut werden.
Diese Arbeit konzentriert sich auf Hinterkantenklappen als Methode der aktiven Strömungskontrolle. Dies ist darin begründet, da sie einen vergleichbaren Effekt, bei bedeutend höherer Frequenz-Bandbreite, auf die wirkenden Lasten im Vergleich zur Verdrehung der Rotorblätter (Pitch) haben. Die Leistungsfähigkeit von Hinterkantenklappen wurde in dieser Arbeit an einem zwei- und an einem drei-dimensionalen Versuchsträger untersucht. Durch die zwei-dimensionale experimentelle Studie in einem Windkanal der Universität Oldenburg konnte die Effektivität von Auftriebsabschätzungen durch Dreilochsonden und durch eine reduzierte Anzahl von Oberflächendruckbohrungen untersucht werden. Die Ergebnisse wurden zur Vorsteuerung einer aktiven Hinterkantenklappe genutzt. Durch statische Testfälle wurde an der Berlin Research Turbine die Möglichkeit zur Reduktion von Ermüdungslasten durch Hinterkantenklappen untersucht. Dabei wurde die industrienahe individuelle Hinterkantenklappenregelung mit der fortschrittlichen repetitiven, modellprädiktiven Regelung verglichen.
Schließlich wurde das Potenzial von Hinterkantenklappen zur Reduktion von Extremlasten untersucht. Dafür wurde im Großen Windkanal (GroWiKa) der Technischen Universität Berlin, die Möglichkeit geschaffen, extreme Einströmbedingungen zu erzeugen. In dieser Studie wurde ein Regelungskonzept entworfen, dass je nach gemessener Einströmbedingung, eine Ermüdungs- oder eine Extremlastregelung einsetzt. Damit wurde der erste experimentelle Machbarkeitsnachweis zur Extremlastkontrolle durch aktive Hinterkantenklappen geführt. Die Ergebnisse dieser Dissertation können in Kürze wie folgt zusammengefasst werden: Hinterkantenklappen sind geeignete Aktuatoren für die aktive Regelung von Ermüdungs- und Extremlasten; die repetitive, modellprädiktive Regelung ist der individuellen Hinterkantenklappenregelung deutlich überlegen und eine durch Einströmsensoren erweiterte Regelung kann erfolgreich zur Reduktion von Extremlasten eingesetzt werden. Diese Dissertation wird durch eine Diskussion der Grenzen der verwendeten Versuchsträger und einen Ausblick zur Nutzung von Hinterkantenklappen an industriellen Windkraftanlagen abgeschlossen. Es wird erwartet, dass trotz einiger Vorteile, Hinterkantenklappen nicht für die Reduktion von Ermüdungslasten in der Praxis eingesetzt werden. Für die Reduktion von Extremlasten kann diese Technologie allerdings einen signifikanten Beitrag leisten, um längere, aber proportional leichtere Rotorblätter zu entwerfen.
