In der vorliegenden Bachelorarbeit wird der Aufbau eines numerischen Modells der Gesamtanlage eines vollmaßstäblichen Prototyps einer drehzahlvariablen Flussturbine beschrieben. Bei dieser Flussturbine handelt es sich um eine horizontal durchströmte Mantelturbine mit einem zweiblättrigen Rotor. Die Hydrodynamik des Rotors wird, basierend auf der Theorie für Windkraftroten, mit der Blattelementtheorie (BET) beschrieben. Für die strukturelle Beschreibung der Rotorblätter wird ein FEM-Balkenmodell, basierend auf der Euler-Bernoulli-Balkentheorie, verwendet. Die Anlage wird mithilfe eines Maximum Power Point Trackings auf den optimalen Betriebspunkt geregelt. Das Modell wird mit der Modellierungssprache Modelica entwickelt und in der Entwicklungsumgebung Dymola implementiert.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Aufgabenstellung und Ziel der Arbeit
1.2 Stand der Technik und der Forschung
2 Grundlagen und Konzeptentwicklung
2.1 Grundlagen der Modellbildung
2.2 IWES Windenergieanlagenmodell
2.3 Abgrenzung und Unterschiede zur Windenergieanlage
2.4 Aufbau und Funktionsweise der Flussturbine
2.5 Konzept des Modells der Gesamtanlage
3 Bestimmung der Profilpolaren
3.1 Beschreibung der Software JavaFoil
3.2 Geometriebeschreibung eines Profils
3.3 Profilkennwerte
3.4 Darstellung und Vergleich der Profilpolaren aus JavaFoil und FLUENT
4 Modellbildung
4.1 Einführung in Modelica
4.2 Schnittstellen
4.2.1 Fluid Konnektor
4.2.2 Mechanische Konnektoren
4.2.3 Elektrische Konnektoren
4.2.4 Signalbus
4.3 Flussströmung
4.4 Hydromechanik
4.4.1 Einlaufdüse und Diffusor
4.4.2 Rotor
4.4.2.1 Blattelement
4.4.2.2 Rotorblatt
4.4.2.3 Nabe
4.4.3 Rotormodell
4.4.4 Hydromechanikmodell
4.5 Triebstrang
4.5.1 Getriebe
4.5.2 Bremse
4.5.3 Generator
4.5.4 Leistungselektronik
4.5.5 Triebstrangmodell
4.6 Regelung und Betriebsführung
4.6.1 Steuerung der Bremse
4.6.2 Maximum Power Point (MPP) Tracking
4.6.3 Drehzahlregelung des Generators
4.6.4 Regelungs- und Betriebsführungsmodell
4.7 Stromnetz
4.8 Gesamtanlagenmodell der Flussturbine
5 Simulation
5.1 Anlaufen der Anlage aus dem Stillstand
5.2 Einschalten der Regelung und Suchen des MPP
5.3 Verhalten der Anlage bei einer linear ansteigenden Flussgeschwindigkeit
5.4 Schnittgrößen und Verschiebungen am Rotorblatt
6 Validierung
6.1 Grundlagen der Ähnlichkeitstheorie
6.2 Vergleich der dimensionslosen Kennzahlen des Rotors
6.3 Validierung des Euler-Bernoulli-Balkenmodells
6.4 Vergleich der Euler-Bernoulli- mit der Timoshenko-Balkentheorie
7 Fazit und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Diese Bachelorarbeit verfolgt das Ziel, ein dynamisches Gesamtanlagenmodell einer horizontal durchströmten Flussturbine mit der Modellierungssprache Modelica zu entwickeln und zu validieren, um eine flexible, modulare Simulationsumgebung für die Systemoptimierung zu schaffen.
- Entwicklung eines objektorientierten Simulationsmodells der Flussturbine.
- Integration hydromechanischer, mechanischer und elektrischer Teilsysteme.
- Implementierung eines Maximum Power Point (MPP) Trackings zur drehzahlvariablen Betriebsführung.
- Strukturelle Validierung mittels FEM-Balkenmodellen und physikalischer Ähnlichkeitstheorie.
- Analyse des dynamischen Anlagenverhaltens unter verschiedenen Strömungsbedingungen.
Auszug aus dem Buch
1.1 Aufgabenstellung und Ziel der Arbeit
Im Rahmen eines Industrieprojekts wird ein erstes Modell einer horizontal durchströmten Flussturbine zur dynamischen Gesamtanlagensimulation erstellt. Ziel dieser Arbeit ist es, mit Hilfe von bereits vorhandenen Teilkomponenten eines Windenergieanlagenmodells, eine drehzahlvariable, hydraulische Strömungsturbine mit einem horizontalachsigen Auftriebsläufer als physikalisches Gesamtanlagenmodell mit der Modellierungssprache Modelica abzubilden. Ein Teil der Arbeit liegt im Auffinden von Möglichkeiten zur Modellwiederverwendung und die Grenzen der Übertragbarkeit der WEA-Theorien auf die Flussturbine aufzuzeigen.
In dem Computermodell werden alle wichtigen Komponenten, die in der realen Anlage vorhanden sind, modelliert. Dazu gehören insbesondere der Rotor, Triebstrang und Regelsystem der Anlage. Die Drehzahlregelung des Rotors erfolgt über eine sogenannte Maximum Power Point (MPP) Regelung.
Die Struktur des Modells soll möglichst generisch aufgebaut werden. Damit ist gemeint, dass das Modell der Flussturbine modular und parametrisiert konzipiert wird. Dadurch gewährleistet, dass einzelne Komponenten ohne großen zeitlichen Aufwand verändert oder ausgetauscht werden können und dass das Modell erweiterbar ist.
Anhand der Simulationsergebnisse werden die wesentlichen Funktionen und das Betriebsverhalten dieses Gesamtanlagenmodells dargelegt. Abschließend werden die Simulationsergebnisse des Computermodells mit Messergebnissen eines realen Flussturbinenmodells im Maßstab 1:5 validiert und kritisch begutachtet.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Beschreibt die Relevanz der Nutzung von Strömungsenergie und definiert die Zielsetzung der Arbeit zur Erstellung eines dynamischen Modells.
2 Grundlagen und Konzeptentwicklung: Vermittelt die theoretischen Basis für die Modellbildung, das Anlagenkonzept und die Abgrenzung zur Windenergie.
3 Bestimmung der Profilpolaren: Behandelt die Gewinnung von Profilkennwerten durch die Software JavaFoil und den Vergleich mit CFD-Daten.
4 Modellbildung: Erläutert die Umsetzung der physikalischen Komponenten in Modelica, von der Schnittstellendefinition bis zum Gesamtsystem.
5 Simulation: Zeigt die dynamische Erprobung des Modells unter verschiedenen Betriebszuständen wie Anlauf und MPP-Tracking.
6 Validierung: Überprüft die Modellgüte mittels Ähnlichkeitstheorie sowie struktureller FEM-Balkenmodell-Analysen.
7 Fazit und Ausblick: Fasst die Ergebnisse zusammen und bewertet die Eignung des Modells sowie zukünftige Erweiterungsmöglichkeiten.
Schlüsselwörter
Flussturbine, Modelica, Dymola, Dynamische Simulation, Blattelementtheorie, MPP-Tracking, Drehzahlregelung, Hydromechanik, Triebstrang, Finite-Elemente-Methode, Euler-Bernoulli-Balken, Validierung, Strömungsenergiekonverter, Gesamtanlagenmodell
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines numerischen Gesamtanlagenmodells einer horizontal durchströmten Flussturbine in der Modellierungsumgebung Modelica/Dymola.
Was sind die zentralen Themenfelder der Publikation?
Zentrale Themen sind die physikalische Modellbildung rotierender Strömungsmaschinen, die Systemregelung mittels MPP-Tracking sowie die Validierung numerischer Ergebnisse durch Vergleich mit realen Versuchsdaten.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das primäre Ziel ist die Schaffung eines modularen, parametrisierbaren Computermodells, das eine drehzahlvariable Simulation der Turbine ermöglicht und durch eine Validierung gegen reale Messdaten seine Zuverlässigkeit beweist.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird die Blattelementtheorie (BET) zur hydrodynamischen Beschreibung des Rotors und die Euler-Bernoulli-Balkentheorie für das strukturelle Verhalten verwendet, umgesetzt in einer objektorientierten Simulationssprache.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die Modellierung der Teilsysteme (Rotor, Triebstrang, Regelung, Stromnetz), deren Simulation unter verschiedenen Betriebspunkten und die anschließende Validierung.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Flussturbine, Modelica, Dynamische Simulation, MPP-Tracking, Blattelementtheorie und Validierung.
Wie erfolgt die Drehzahlregelung bei dieser Flussturbine?
Die Regelung erfolgt über ein sogenanntes Maximum Power Point (MPP) Tracking, welches die Drehzahl iterativ so anpasst, dass der optimale Betriebspunkt in Bezug auf die elektrische Wirkleistung gefunden wird.
Warum wurde ein FEM-Balkenmodell für die Rotorblätter implementiert?
Das FEM-Balkenmodell dient dazu, die strukturellen Auswirkungen der auf das Rotorblatt wirkenden Lasten, wie Verbiegungen und Verdrillungen, unter verschiedenen Strömungsbedingungen zu untersuchen.
Inwieweit lässt sich das Modell auf andere Turbinengrößen skalieren?
Die Arbeit nutzt die Ähnlichkeitstheorie und dimensionslose Kennzahlen, um zu zeigen, dass Ergebnisse zwischen Modellen verschiedener Skalierung (im Beispiel 1:5) vergleichbar und übertragbar sind.
- Quote paper
- M.Sc Timo Jurado Ramírez (Author), 2010, Entwicklung und Validierung des Modells einer Flussturbine als dynamisches Gesamtsystem mit Modelica, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/295239
