INSTITUT FÜR ENERGIETECHNIK UND THERMODYNAMIK Institute of Energy Systems and Thermodynamics

Diplomarbeit

Einfluss der Rotorblattwinkelstellung auf den Ertrag von Windkraftanlagen

unter der Leitung von

Ao.Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Reinhard Willinger (E302 - Institut für Energietechnik und Thermodynamik)

und

Dipl.-Ing. Dr.techn. Thomas Burchhart (Verbund AG)

Eingereicht an der Fakultät für Maschinenwesen und Betriebswissenschaften der Technischen Universität Wien zum Zwecke der Erlangung des akademischen Grades Diplom-Ingenieur (Dipl.-Ing.)

von

Alexander Wimmer, BSc Matr.Nr. 01328958

Wien, am 24. Juli 2020 Eidesstattliche Erklärung

Ich erkläre hiermit an Eides statt, dass ich meine Diplomarbeit nach den aner- kannten Grundsätzen für wissenschaftliche Abhandlungen selbstständig ausgeführt habe und alle verwendeten Hilfsmittel, insbesondere die zugrunde gelegte Literatur genannt habe. Weiters erkläre ich, dass ich diese Diplomarbeit bisher weder im In- noch im Ausland (einer Beurteilerin / einem Beurteiler zur Begutachtung) in irgendeiner Form als Prüfungsarbeit vorgelegt habe und dass diese Arbeit mit der vom Begutachter beurteilten Arbeit übereinstimmt.

Wien, Juli 2020 ...... dotfill (Alexander Wimmer, BSc)

I Danksagung

Als erstes möchte ich mich bei Ao.Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Reinhard Willinger für die Ermöglichung und die hervorragende Betreuung bedanken. Eine großartige Zusammenarbeit, bei der ich mich gut aufgehoben fühlte, wurde von Dipl.-Ing. Dr.techn. Thomas Burchhart und Simon Kloiber, MSc von Verbund AG ermöglicht. Die Flexibiltät und schnelle Verfügbarkeit meiner Betreuer weiß ich sehr zu schätzen. Aus den Meetings ging ich immer mit einem guten Gefühl heraus und ich freute mich auch sehr über Einladungen privater Natur.

Außerdem bedanke ich mich bei der Firma Riegl für die Einführung in die und die rasche Behandlung von Fragen/Problemen.

Zum Schluss möchte ich mich noch bei meinen Eltern, meinen Geschwistern und meiner Freundin Lisa bedanken, die mich im Laufe des Studiums stets ermutigt und unterstützt haben. Bei ihnen konnte ich immer Zuspruch und Motivation finden, aber auch den Alltagsstress vergessen.

II Kurzfassung

Zweck dieser Arbeit ist die Untersuchung von zwei Windkraftanlagentypen, welche aus Geheimhaltungsgründen als „Anlage A“ und „Anlage B“ bezeichnet werden. Von Interesse ist der erzielbare Ertrag bei unterschiedlichen Pitchwinkeln. Um die Form der Rotorblätter zu erhalten, wurden die Windkraftanlagen mit 3D-Laserscannern eingescannt. Die erhaltenen Punktewolken konnten mit einem Python Script wei- terverarbeitet und Profilschnitte extrahiert werden. Mit der freien Software QBlade wurde die Profilumströmung der Profile an unterschiedlichen radialen Positionen berechnet, um die entstehenden Kräfte in Form von dimensionslosen Beiwerten zu erhalten. Profilpolaren stellen diese Beiwerte in Abhängigkeit der Anströmrichtung dar. Die Profilschnitte wurden dann weiter mit ihren Abmessungen und ihrer Lage im Raum zu einem Rotorblattmodell zusammengefügt. Gemeinsam mit dem Wind- feld konnte nun eine Simulation, welche nach der „Lifting-Line-Methode“ arbeitet, durchgeführt werden. Der Ertrag wurde nun mit der erhaltenen Leistung und den ortsbezogenen Windmessungen berechnet. Aus der Simulation erhält man nicht nur Aufschluss über die Leistung, sondern auch über viele andere Parameter, wie die Reynoldszahl, die relative Antrömgeschwindigkeit und den aerodynamischen Anstellwinkel. Diese Parameter wurden anschließend mit den Werten zur Ausle- gung der Simulation verglichen und ihr Einfluss überprüft, um so die erhaltenen Ergebnisse interpretieren zu können. Die Pitchwinkel wurden nicht nur bei allen drei Rotorblättern gemeinsam verändert, sondern es wurde auch der Einfluss der Winkelabweichung einzelner Rotorblätter untersucht.

III Abstract

The purpose