06 Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie
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Item Open Access Experimental investigation of low-frequency sound and infrasound induced by onshore wind turbines(2024) Blumendeller, Esther; Cheng, Po Wen (Prof. Dr.)Climate change has a global impact and is increasingly affecting our environment. This is driving the continuous expansion of renewable energies, with wind energy playing a major role. As wind energy becomes more widespread, an increasing number of people will live near wind turbines in complex terrain. In such scenarios, wind turbines are often positioned at elevated locations, while residents live in valleys. In complex terrain, such as a steep escarpment, local turbulence, wind speed, and direction are strongly influenced by topography, contributing to the complexity of sound propagation or impacts the background noise situation in valleys, for example, due to shielding effects. The operation of wind turbines is associated with both visual and sound-related impact, with sound being generated at various frequencies. There is a growing interest in low-frequency sound and infrasound, characterized by long wavelengths that propagate over considerable distances without significant attenuation. This is in contrast to higher-frequency sound, and might increase the impact of wind turbine sound at residential areas located several hundred meters or a few kilometers away from the wind farm. In the context of complex terrain, this work investigates wind turbines in complex terrain as sources of low-frequency sound and infrasound. The investigations on characterization of sound generation and propagation are based on measurements in the vicinity of two wind farms. Measurements were conducted within four measurement campaigns at two wind farms located close to an escarpment at the Swabian Alb in Southern Germany over a period of about nine month. Acoustic data was obtained in the proximity of the wind turbines and at residential buildings in 1–1.7km distance to the wind farms in municipalities located within a valley. Besides acoustic measurements including the infrasonic frequency range, a comprehensive data set with ground motion data, wind turbine operating data, meteorological data and data from a noise reporting app supports the investigation. Two aspects require analysis: Firstly, the aspect of generation and propagation of wind turbine low-frequency sound and infrasound in complex terrain, and secondly, the relation with annoyance. Results show that sounds within the infrasonic range assigned to the blade passage at the tower are transmitted through the air over distances of 1 km. Low-frequency sounds were found to be amplitude-modulated and were investigated as amplitude modulation. Infrasound and amplitude modulation occurrences were more likely during morning, evening and night hours and during atmospheric conditions with positive lapse rate, vertical wind shear and low turbulence intensity. The occurrence of both infrasound and amplitude modulation was typically observed during rated rotational speed but below-rated power. To allow predictions, a standard prediction method was extended to include the lowfrequency sound and infrasound range and adapted to the measurement data in order to apply it to complex terrain. The sound level difference of the measured data aligns well with the predictions within the frequency range of 8 Hz and 250 Hz. Investigations regarding outdoor-to-indoor sound reductions showed influences from structural resonances and room modes, which depend on the characteristics of the building and the specific room under investigation. Combining acoustic measurements with annoyance reports showed that rated wind turbine operation appears to be a contributing factor in annoyance ratings obtained through a noise reporting app, ranging from “somewhat” to “very” levels. Furthermore, the analysis indicates that varying levels of annoyance at a distance of 1km from the wind farm, both outside and inside buildings, do not correspond to significant differences in the averaged and A-weighted sound pressure levels. Overall, this work contributes to a better understanding of the low-frequency sound and infrasound generated from wind turbines and provides insight into the sound characteristics of measured wind turbine sound at residential locations in complex terrains.Item Open Access Comparison of feedforward and model predictive control of wind turbines using LIDAR(2012) Schlipf, David; Pao, Lucy Y.; Cheng, Po WenLIDAR systems are able to provide preview information of wind disturbances at various distances in front of wind turbines. This technology paves the way for new control concepts such as feedforward control and model predictive control. This paper compares a nonlinear model predictive controller and a feedforward controller to a baseline controller. Realistic wind "measurements" are obtained using a detailed simulation of a LIDAR system. A full lifetime comparison shows the advantages of using the wind predictions to reduce wind turbine fatigue loads on the tower and blades as well as to limit the blade pitch rates. The results illustrate that the feedforward controller can be combined with a tower feedback controller to yield similar load reductions as the model predictive controller.Item Open Access Messungen im Bereich eines Windparks mit Fokus auf tief- und niederfrequente Schallemissionen und -immissionen(2022) Blumendeller, Esther; Gaßner, Laura; Müller, Florian; Wigger, Maayen; Berlinger, Philipp; Cheng, Po WenDie Nutzung von Windenergie wird einen entscheidenden Anteil am erneuerbaren Energiemix der Zukunft haben. Während der Stromgewinnung geben Windenergieanlagen (WEA) Schall und Erschütterungen (seismische Wellen) in die Umgebung ab, vor allem im tieffrequenten Bereich. Im Zuge des interdisziplinären Verbundprojektes Inter-Wind werden akustische Messungen zur Unterstützung psychologischer Fragebögen, kombiniert mit seismischen und meteorologischen Messungen an Windparks auf der Schwäbischen Alb durchgeführt. Ziel des Projektes ist es, die Gründe für Belästigung der Anwohner in Zusammenhang mit den Immissionen der WEA zu verstehen. Hierbei liegt der Fokus auf dem tieffrequenten (20-200 Hz) und niederfrequenten (1-20 Hz) Bereich. Akustische und seismische Messungen wurden an einem Windpark auf der Schwäbischen Alb, mit drei WEA des Typs GE 2.75-120 durchgeführt. Parallel dazu konnten Anwohner Belästigungszeiträume über eine Geräuschmelde-App dokumentieren. In diesem Beitrag wird die Umsetzung einer interdisziplinären Messkampagne im Bereich des Tegelberg Windparks und eines Wohngebäudes in Tallage in ca. 1 km Entfernung zum Windpark beschrieben. Schließlich werden erste Ergebnisse der akustischen Messungen und interdisziplinären Untersuchung vorgestellt und diskutiert.Item Open Access Parameterreduktion zur ähnlichkeitsmechanischen Gewichtsprognose im Flugzeugvorentwurf am Beispiel des Tragflügels(2008) Pfaff, Jan-Michael; Voit-Nitschmann, Rudolf (Prof. Dipl.-Ing.)Realistische Aussagen bei Vorentwürfen und Neuentwicklungen von Produkten über deren letztendliches Leistungsvermögen bereits in der Konzeptphase zu treffen, ist eine zentrale Aufgabe in vielen technischen Entwicklungsbereichen. Im Zeitalter der Globalisierung und dadurch oftmals entstehender Dezentralisierung der Entwicklungsstandorte eines Herstellerbetriebs ist es darum notwendig, das vorhandene Wissen auszutauschen und zu strukturieren, um so im Sinne eines erfolgreichen Wissensmanagements eine Methodik für die Vorgehensweise bei neuen Entwürfen zu entwickeln. Auch beim Flugzeughersteller Airbus befindet man sich in einer solchen Phase, in der das Wissensmanagement eine große Rolle spielt. Dabei ist es das Ziel, eine Wissensdatenbank aufzubauen, mit deren Hilfe dann eine Teilautomatisierung im Entwurfsprozess mittels Computerprogrammen (Tools) verwirklicht werden kann. Lag bei der bisherigen Vorgehensweise zur Ermittlung von Entwurfsparametern im Flugzeugvorentwurf das Schwergewicht auf dem statistischen Auswerten empirisch unterstellter Zusammenhänge aus bestehenden Daten, wird in der Vorentwurfsabteilung (Future Project Office) der Firma Airbus im Bereich der Gewichtsabschätzung des Tragflügels seit einiger Zeit ein analytisches Prognoseverfahren eingesetzt, das in ein computergestütztes Tool implementiert ist. Zur Nutzung dieses Tools werden jedoch Parameter benötigt, die in dieser frühen Entwicklungsphase zum Teil noch nicht zur Verfügung stehen. Im Rahmen dieser Arbeit wird, ausgehend von diesen zu ermittelnden Parametern, ein theoretischer Ansatz zur Kategorisierung des vorhandenen Wissens in drei Bereiche aufgezeigt. Dabei wird unterschieden zwischen dem wissensbasierten Schließen bei mathematisch geschlossen lösbaren Problemen, dem randbedingungsbasierten Schließen bei äußeren Vorgaben und dem fall- bzw. regelbasierten Schließen, bei dem es sich um ähnlichkeitsmechanische Ansätze handelt, deren Mechanismen die unbekannte exakte Lösungsfunktion approximieren. Das Hauptaugenmerk in dieser Abhandlung ist speziell auf den nutzbringenden Einsatz des fall- bzw. regelbasierten Schließens im Flugzeugvorentwurf gerichtet. Dabei wird diese Vorgehensweise an der geschlossen lösbaren Entwurfsgleichung der Startrollstrecke validiert, um sie dann auf das nicht geschlossen lösbare Problem der Startstrecke anzuwenden und mit dem bisherigen empirischen Ansatz von Raymer zu vergleichen. Danach wird in Bezug auf die hier speziell gestellte Aufgabe der Ansatz auf die Ermittlung der Größen der Sekundärstrukturflächen des Tragflügels erweitert.Item Open Access Beitrag zur Gestaltung und Auslegung von 3D-verstärkten Faserverbundschlaufen(2007) Havar, Tamas; Drechsler, Klaus (Prof. Dr.)Zukünftige Verkehrsflugzeuge haben das Ziel wirtschaftlicher und leistungsfähiger zu werden. Zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit wurde eine so genannte Miniature Trailinge Edge Device (kurz: Mini-TED) entwickelt. Die Mini-TED ist eine Spreizklappe aus einem Kohlenstofffaserverbund (CFK), die an die Unterseite der Flügel-Hinterkante mittels integraler Scharnierschlaufen aus CFK angebunden wird. Die hierbei auftretenden Belastungen wirken auf die CFK Scharnier-Schlaufen in unterschiedlichen Richtungen. Hierbei handelt es sich zum einen um schlaufentypische Belastungen, wie reine Zuglasten in Schlaufenrichtung (0° Lastrichtung). Zum Anderen treten schlaufenuntypische Lasten auf, die senkrecht zur Schlaufe wirken (Querzuglasten mit 90° Lastrichtung) und dadurch zum frühzeitigen Versagen führen. Dabei beträgt die Querzugfestigkeit ca. 10% der Zugfestigkeit. Als weiteres Beispiel wurde ein Querlenker aus der Automobilindustrie untersucht. Aufgrund von Reiblasten in den Augen treten hier ebenfalls Lasten senkrecht zur Schlaufe auf. Mittels Verstärkungen in der dritten Richtung von Faserverbundschlaufen soll primär die Festigkeit gegenüber Querzuglasten verbessert werden. In der vorliegenden Arbeit wurden drei unterschiedliche Schlaufentopologien betrachtet. Die erste Schlaufentopologie ist eine Parallel-Schlaufe, die sich dadurch kennzeichnet, dass die Schlaufenlagen gerade in das Bauteil laufen und dabei meist ein Mittellaminat mit einschließen. Die Taillierten-Schlaufe zeichnet sich durch eine Zusammenführung der Schlaufenlagen hinter dem Bolzen aus. Die Halbtaillierten-Schlaufe ist eine Mischung der beiden vorherigen Varianten. Die äußeren Schlaufenlagen verlaufen gerade ins Bauteil, während die inneren Schlaufenlagen hinter dem Bolzen zusammengefügt werden. Mittels nichtlinearer FEM Analysen wurden die verschiedenen Schlaufentopologien bei unterschiedlicher Belasten untersucht und die internen Lastverteilung berechnet. Hierbei hat sich gezeigt, dass ein Erstversagen bei allen Schlaufentopologien und Belastungen auf die interlaminare Schäl- und Scherbelastung der Zwischenschicht zwischen Schlaufenlagen und Mittellaminat zurückzuführen ist. Es wurden interlaminare Schäl- und Scherversuche von 3D-verstärkten Proben durchgeführt. Die Probengeometrie wurde an die Parallel-Schlaufe angelehnt um eine direkte Übertragbarkeit der Versuche zu gewährleisten. Des Weiteren wurden 3D-Verstärkungen mit unterschiedlichem Nahtwinkel und Stichabstand untersucht. Die Versuche haben gezeigt, dass die interlaminare Schälfestigkeit enorm gesteigert werden kann. Gleichzeitig konnte die interlaminare Scherfestigkeit kaum verbessert werden bzw. bei Nähten unter 90° zeigte sich sogar eine leichte Schwächung. Die Auswirkung der 3D-Verstärkung auf die verschiedenen Schlaufentopologien wurde in statischen Versuchen untersucht. Die Versuche mit 3D-Verstärkungen zeigten, dass das Erstversagen bei reiner Zuglast unter 0° nur bei der Taillierten-Schlaufe verbessert werden kann und bei den anderen Schlaufentopolgoien eher zu einer Verschlechterung führt. Bei gemischter Belastung unter 45° konnte eine leichte Verbesserung des Erstversagens infolge einer 3D-Verstärkung aufgezeigt werden. Die Verbesserung der Restversagens konnte jedoch erheblich gesteigert werden, da die 3D-Verstärkung die fortschreitende Delamination behindern. Die größte Verbesserung der Festigkeiten zeigte sich bei der Querzugbelastung unter 90°. Hierbei zeigte sich eine deutliche Steigerung des Erst- und Restversagens. Die Versuche haben ebenfalls gezeigt, dass eine Implementierung eines Innenrings in die Schlaufe das Erst- und Restversagen zusätzlich erheblich verbessern kann, da hierdurch die Anbindung der Schlaufenlagen an das Mittellaminat im kritischen Bereich zusätzlich verstärkt wird. Die Ermüdungsfestigkeit wurde in Lebensdauerversuchen untersucht. Hierbei hat sich gezeigt, dass mittels einer 3D-Verstärkung die Ermüdungsfestigkeit bei 0° Zuglasten deutlich verbessert werden kann. Bei Zuglasten in 90° Lastrichtung konnte die Ermüdungsfestigkeit durch eine 3D-Verstärkung mit zusätzlichen Innenring sogar über die statische Festigkeit der unverstärkten Probe hinaus verbessert werden. Das Schädigungsverhalten der 3D-verstärkten interlaminaren Schäl- und Scherversuche so wie der Parallel-Schlaufe, wurde in nicht linearen FEM Analysen mit numerischen Degradationsmodellen nachgebildet. Die angewandten Versagensmechanismen unterschieden sich für eine Schädigung in einer unidirektionalen (UD) Schicht und einer Delamination zwischen zwei UD-Schichten. Diese wurden mittels Unterprogrammen in das nicht lineare FEM Tool "Marc-Mentat" der Firma MSC Software integriert. Es hat sich gezeigt, dass das Schadensverhalten sehr gut nachgebildet werden kann. Die Abweichung zwischen den berechneten und den experimentell ermittelten Versagenslasten war moderat. Zuletzt wurden anhand der Ergebnisse aus den durchgeführten Arbeiten Gestaltungsrichtlinien für Faserverbundschlaufen abgeleitet.Item Open Access Rheology, dispersion, and cure kinetics of epoxy filled with amine‐ and non‐functionalized reduced graphene oxide for composite manufacturing(2021) Ackermann, Annika C.; Carosella, Stefan; Rettenmayr, Markus; Fox, Bronwyn L.; Middendorf, PeterThis study evaluates the effect of plasma surface functionalization of reduced graphene oxide particles on the processing characteristics and homogeneity of dispersion of a bisphenol A‐(epichlorhydrin) epoxy matrix and amine‐based hardener with varying weight fractions from 0.00 to 1.50 wt%. It was observed that amine‐functionalized reduced graphene oxide leads to a more drastic viscosity increase of up to 18‐fold of the uncured suspensions and that its presence influences the conversion rates of the curing reaction. Optical microscopy of thin sections and transmission electron microscopy analysis showed that a more homogeneous dispersion of the particles could be achieved especially at higher weight fractions by using an appropriate surface functionalization. This knowledge can be used to define suitable processing conditions for epoxies with amine‐based hardeners depending on the loading and functionalization of graphene‐related particles.Item Open Access Development of a model predictive controller for floating offshore wind turbines(2020) Nann, SamuelIn this work, an Economic Model Predictive Controller for a floating offshore wind turbine is presented. The classical Model Predictive Control for floating offshore wind turbines provides promising results. In addition, research on onshore wind turbines revealed the potential of the economic control method, which can improve the closed-loop behavior and simplify the control design in comparison to the classical version of this control method. The aim of this work is, to develop a novel Economic Model Predictive Controller for a floating offshore wind turbine based on these two research results. A simplified low order model of a floating offshore wind turbine serves as a basis for the controller design. Including the disturbance preview and constraints, the controller computes optimal trajectories for the blade pitch and the generator torque. To apply the control technique to a floating offshore wind turbine two things have to be done: Firstly, the cost function is designed, to fulfill the main objectives of, maximizing the generated power and alleviating the structural fatigues. Secondly, the constraints are integrated into the control problem. After selecting a suitable solver, the controller is discretized and scaled, thus a proper implementation and smooth operation is possible. Afterwards, the successful functioning of the algorithm, a multi-objective optimization is done, to find appropriate weights to adjust the cost function for the required objectives. Finally, the developed controller is tested with realistic wind and wave disturbances. A significant reduction of the standard deviation of the generated power can be shown, while maintaining real time capability. Furthermore, the structural fatigues of the tower and the platform are decreased.Item Open Access IEA Wind Task 32: Wind Lidar : identifying and mitigating barriers to the adoption of wind lidar(2018) Clifton, Andrew; Clive, Peter; Gottschall, Julia; Schlipf, David; Simley, Eric; Simmons, Luke; Stein, Detlef; Trabucchi, Davide; Vasiljevic, Nikola; Würth, InesIEA Wind Task 32 exists to identify and mitigate barriers to the adoption of lidar for wind energy applications. It leverages ongoing international research and development activities in academia and industry to investigate site assessment, power performance testing, controls and loads, and complex flows. Since its initiation in 2011, Task 32 has been responsible for several recommended practices and expert reports that have contributed to the adoption of ground-based, nacelle-based, and floating lidar by the wind industry. Future challenges include the development of lidar uncertainty models, best practices for data management, and developing community-based tools for data analysis, planning of lidar measurements and lidar configuration. This paper describes the barriers that Task 32 identified to the deployment of wind lidar in each of these application areas, and the steps that have been taken to confirm or mitigate the barriers. Task 32 will continue to be a meeting point for the international wind lidar community until at least 2020 and welcomes old and new participants.Item Open Access Berechnung und Bewertung der Schallausbreitung von Windenergieanlagen mit Hilfe von Messdaten(2023) Häfele, Lorenz KarlItem Open Access Maintenance strategies for large offshore wind farms(2012) Scheu, MattiWhich equipment is needed and how shall tasks be scheduled in order to implement the economically most efficient operation and maintenance strategy for large offshore wind farms? This is the question motivating this research project. Considering production losses due to turbine downtime as well as local geographical and weather conditions, an efficient operation and maintenance (O&M) solution shall be achieved for two reference sites at the UK east coast. For this purpose, a Matlab-based tool has been developed, consisting of the following five main modules: Weather, Failures, Resources, Strategy and Cost. The "Weather" module is able to generate future sea states and wind speeds based on historical data. It uses a finite state Markov chain in discrete time to model significant wave heights. Wind speeds are then generated according to their conditional probability distribution at the corresponding wave height. In order to validate the weather module, several time series were generated and compared with existing data. For comparison, the mean values, standard errors, linear correlations and cumulative distribution functions for persistence of operational weather windows were chosen, both for synthetic and observed wind speed and wave height time series. Both reference sites in the UK North Sea were considered for validation. Failure rates are the basis for the "Failure" module. As an input, data gathered from onshore reliability investigations are used, which can be updated once more detailed data is available for offshore turbines. The outcomes of this module are turbine-failures occurring at a certain time. Within the “Resources” module, it is defined which equipment and personnel is available for O&M activities. The equipment is specified by its technical characteristics, e.g., the maximum transportable personnel and the operational wave height boundary. Another key parameter is the "Strategy". The main goal of this module is to take the decision whether to perform an operation or not. Within this thesis, one specific strategy has been used, but references are made to possible modifications in the according paragraphs. The measurement of economic performance is done in the "Cost" module. Here, production losses are quantified by combining the wind speed during a failure with the linearized power curve of the turbine and the local buyback price system. Therefore, the worth of additional or better maintenance equipment can be seen directly as an increase in availability and a decrease of production losses. Results show how sensitive availability and therefore production losses change with respect to changes in the maintenance fleet, reliability characteristics of components and distance to shore. Major improvements of availability were achieved by applying maintenance vessels with a higher operational wave height boundary. An increase of this constraint from one to 1.8 m significant wave height raised the availability by up to 30 percent, leading to a much better economic performance. The influence of the weather forecast accuracy on the number of maintenance vessel and crane deployments is also stated, showing a significant increase of deployments if the weather forecast is only accurate for short times. An improvement of component-reliability, modeled as a 50% decreased annual failure rate, could save up to 440 k€ of yearly production losses for each modeled wind turbine. Higher transit times, due to a greater distance to shore, strongly decrease the wind park availability.