Entwicklung und Validierung des Modells einer Flussturbine als dynamisches Gesamtsystem mit Modelica

Bachelor Thesis , 2010 , 84 Pages , Grade: 1,3

Engineering - Power Engineering

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 und Themenschwerpunkte

Diese Bachelorarbeit zielt darauf ab, ein numerisches Modell einer drehzahlvariablen Flussturbine als dynamisches Gesamtsystem zu entwickeln und zu validieren.

• Entwicklung eines Modells für eine Flussturbine mit Hilfe der Modellierungssprache Modelica.
• Anwendung der Blattelementtheorie (BET) zur Beschreibung der Hydrodynamik des Rotors.
• Implementierung eines FEM-Balkenmodells für die strukturelle Beschreibung der Rotorblätter.
• Entwicklung einer Regelung für die Flussturbine, die den Betriebspunkt auf den optimalen Wert (MPP) regelt.
• Validierung des entwickelten Modells durch Vergleich mit experimentellen Daten.

Zusammenfassung der Kapitel

Kapitel 1 führt in die Aufgabenstellung und das Ziel der Arbeit ein. Es wird ein Überblick über den Stand der Technik und der Forschung gegeben.

Kapitel 2 behandelt die Grundlagen der Modellbildung und stellt das Konzept des Modells der Flussturbine vor. Es werden die Unterschiede zur Windenergieanlage und die Funktionsweise der Flussturbine erläutert.

Kapitel 3 beschreibt die Bestimmung der Profilpolaren, die für die Berechnung der aerodynamischen Kräfte am Rotor benötigt werden. Es wird die Software JavaFoil vorgestellt und die Ergebnisse mit CFD-Simulationen verglichen.

Kapitel 4 behandelt die Modellbildung der Flussturbine. Es werden die einzelnen Komponenten des Modells, wie Fluid Konnektoren, mechanische Konnektoren, elektrische Konnektoren, Flussströmung, Hydromechanik, Triebstrang, Regelung und Betriebsführung, sowie das Stromnetz vorgestellt und erläutert.

Kapitel 5 beschreibt die Simulation der Flussturbine. Es werden die Ergebnisse der Simulationen für verschiedene Betriebspunkte dargestellt und analysiert.

Kapitel 6 behandelt die Validierung des entwickelten Modells. Es wird die Ähnlichkeitstheorie angewendet und die Ergebnisse mit experimentellen Daten verglichen.

Kapitel 7 fasst die Ergebnisse der Arbeit zusammen und gibt einen Ausblick auf zukünftige Forschungsarbeiten.

Schlüsselwörter

Die Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Validierung eines Modells einer Flussturbine als dynamisches Gesamtsystem mit Modelica. Die wichtigsten Schlüsselwörter sind: Flussturbine, Modelica, dynamische Simulation, Blattelementtheorie (BET), Maximum Power Point Tracking (MPP-Tracking).

• College: University of Applied Sciences Offenburg (Fakultät Maschinenbau und Verfahrenstechnik)
• Grade: 1,3
• Author: M.Sc Timo Jurado Ramírez (Author)
• Publication Year: 2010
• Pages: 84
• Catalog Number: V295239
• ISBN (eBook): 9783656934011
• ISBN (Book): 9783656934028
• Language: German
• Tags: Flussturbine, Mantelturbine, Modelica, dynamische Simulation, BET, MPP-Tracking