Fremtidens vindmøllevinger skal designes med indbyggede passive kontrolmekanismer, der får vingerne til at bøje af for vinden, når belastningen bliver for høj. De første licenser til et nyt DTU-udviklet softwareprogram er allerede solgt til industrien.
Vindmøllevinger bøjer, når vinden rammer dem. Men hvis denne bøjning kan få vingerne til automatisk at vride sig lidt, kan det skåne vingerne for de voldsomste belastninger – dette kaldes for passiv styring. Et nyt simuleringsprogram, BECAS, som er udviklet på DTU Vindenergi gør det nu muligt at designe fremtidens vinger med strukturelle koblinger mellem f.eks. bøjning og vridning.
Selvom der ligger mere udviklingsarbejde forude, før vinger med optimale strukturelle koblinger kan sættes i produktion, er den nye viden allerede indarbejdet i vingedesignprogrammet HAWC2, som er udviklet på DTU Vindenergi.
Industrien har vist stor interesse for softwaren, og de første licenser til programmet er allerede solgt. Fabrikanterne kan bruge BECAS (BEam Cross section Analysis Software) på to måder: Enten kan de teste deres eksisterende design for at se, om der er koblinger til stede, eller de kan på sigt bruge programmet allerede i designfasen til at udvikle nye og smartere vinger.
”Jeg har været med i vindmølleudviklingen i rigtig mange år, og har næsten lige så længe set frem til, at det blev muligt at optimere vingerne ved indbygning af både geometriske og strukturelle koblinger mellem forskellige deformationer af vingerne. Så det er et kæmpe skridt på vejen, at vi nu har fået disse muligheder ind i HAWC2 - uden at det belaster programmets hurtighed og effektivitet,” fortæller programleder Flemming Rasmussen, som leder den aero-elastiske forskningssektion på DTU Vindenergi.
Vinger udsættes for voldsomme belastninger
Vinger på vindmøller er til stadighed under udvikling og optimering. Vingedesignet er nemlig afgørende for, hvor meget effekt, der kan hentes ud af vindens kraft. Men vingerne udsættes samtidig for voldsomme belastninger, og derfor er vingerne mest udsat for skader.
Skaderne kan typisk være deciderede brud i limsamlinger eller simpelthen udmattelse i materialerne som følge af de gentagne udbøjninger. Og reparation eller udskiftning af vindmøllevinger er en dyr affære – især når møllerne står ude på havet.
”Ingeniører, der arbejder med design af vinger hos vindmøllefabrikanterne, regner på, hvordan vingen optimalt set skal opføre sig, når den belastes af vinden, og der har i lang tid været et ønske fra industrien om, at man kan indbygge en såkaldt passiv kontrol af lasterne,” forklarer Kim Branner, der er seniorforsker på DTU Vindenergi.
”Mange vindmøller har allerede en aktiv pitchkontrol af vingerne, hvor hele vingen drejes, men den reagerer typisk for langsomt til at undgå de hurtige vindstød, som rammer vingerne. Ved at indbygge en passiv kontrol i designet, åbnes der op for en mere simpel og effektiv regulering, og med vores nyudviklede tværsnitsværktøj, BECAS, kan man nu forudsige alle de geometriske og materialeinducerede koblinger i vingerne, så de kan medtages i vingedesignet.”
Helt konkret handler det ifølge Kim Branner om, hvordan de indre strukturer i vingen er placeret og udformet. Men det vigtigste er, hvordan fibrene i vingens ydre kompositlag vender i forhold til hinanden og vingens længderetning.
Projektet ”Anisotrop bjælkemodel til analyse og design af passivt styrede vindmøllevinger” har fået 2,4 mio. kr. i støtte fra Energistyrelsens Forskningsprogram over de sidste fem år (EFP er nu erstattet af EUDP). Projektets deltagere var DTU Vindenergi, DTU Mekanik og Vestas Wind Systems A/S.
José Blasques var ansat på projektet og udviklede BECAS, mens han var ph.d.-studerende. Han er nu ansat som forsker i DTU Vindenergi.
Boyan Lazarov fra DTU Mekanik inspirerede og støttede José i udviklingen af BECAS, mens Robert Bitsche fra DTU Vindenergi bidrog til at gøre BECAS mere salgbar. Taeseong Kim og Anders Melchior Hansen fra DTU Vindenergi har været hovedkræfterne bag det nye bjælkeelement i HAWC2.
Bøjelig og vridbar
Når man laver vinger i dag, bruges der kompositmaterialer, hvor fibrene i forskellige lag er nøje anlagt. 85-95 % af fibrene i den bærende kompositdel ligger på langs af vingen for at gøre den bøjningsstiv og dermed forhindre den i at ramme tårnet, når vinden får vingen til at bøje ind mod tårnet.
Faktisk kan vinden få vingen til at bøje ud helt op mod 20 % af dens samlede længde, hvilket vil sige, at en vinge på 50 meter kan bøje helt op til 10 meter ud. De resterende 5–15 % af fibrene er placeret på tværs af vingen, og det er udlægningen og orienteringen af disse fibre, som kan designes til, at vingen ikke kun bøjer, men også vrider sig.
Ideen bag BECAS har fra starten været at gøre det muligt for fabrikanterne at regne på vinger med strukturelle koblinger mellem bøjning og vridning.
”Og det er nu lykkedes,” siger Kim Branner.
Orkan og kuling på computeren
For at teste sine vingedesign, og regne på, hvor store kræfter, der vil opstå, bruger fabrikanterne de såkaldte aero-elastiske simuleringsprogrammer. Et af disse programmer er det kommercielle program HAWC2, der er udviklet af forskerne på DTU Vindenergi.
Når et vingedesign testes, udsættes det typisk for op mod 1000 scenarier af ca. 10 minutters varighed, hvor hver enkel test simulerer alt fra de mest ekstreme til mere almindelige forhold, som møllen kan tænkes at blive udsat for. Altså alt fra orkanstyrke til en let brise og med forskellige typer af turbulens, fejl på vindmøllen og forskellige styremekanismer.
”HAWC2 laver lastberegninger bl.a. til vindmøllens vingedesign, og vingemodellen har hidtil været baseret på en forholdsvis simpel bjælketeori. Den simple model er anvendt for at give simuleringen en realistisk tidshorisont, når der er tusindvis af test, som skal gennemkøres. Vingen er, ligesom en bjælke, både lang og tynd, men i den klassiske ’bjælketeori’, der tidligere er blevet brugt, har man kun kunnet tage højde for geometriske koblinger i vingerne, og ikke strukturelle - som vi kan nu,” fortæller en begejstret Kim Branner, der som projektleder har været med helt fra starten, hvor projektet blev formuleret.
Af Katrine Krogh-Jeppesen