Entwicklung fertigungsgerechter Hochleistungs-Rotorblätter für Kleinstwindkraftanlagen mittels DoE und genetischer Algorithmen

Abstract

This work focuses on the development and analysis of a rotor blade for micro wind turbines, with a special emphasis on the aerodynamic challenges encountered at low Reynolds numbers. Through the use of simulation tools and an in-depth examination of aerodynamic principles, targeted design optimizations were proposed to enhance the efficiency and performance of the rotor blades. A key outcome is the development of an efficient and versatile simulation and optimization tool, applicable not only to wind turbines but also to a wide range of wing profiles in fluid dynamics. Additionally, a family of thin, curved plate profiles was developed, exhibiting promising aerodynamic properties and the potential for diverse technical applications. The practical applicability and effectiveness of the theoretical models and optimizations were validated through experimental wind tunnel tests. This work not only provides valuable insights into the aerodynamic design and manufacturing of rotor blades for micro wind turbines but also opens new avenues for the optimization of wing profiles in various areas of fluid dynamics.

Die vorliegende Arbeit widmet sich der Entwicklung und Analyse eines Rotorblattes für Kleinstwindkraftanlagen, mit einem speziellen Fokus auf die aerodynamischen Herausforderungen bei kleinen Reynoldszahlen. Durch den Einsatz von Simulationswerkzeugen und einer tiefgreifenden Untersuchung aerodynamischer Prinzipien wurden gezielte Designoptimierungen vorgeschlagen, um die Effizienz und Leistung der Rotorblätter zu steigern. Ein wesentliches Ergebnis ist die Entwicklung eines effizienten und flexibel einsetzbaren Simulations- und Optimierungswerkzeugs, das nicht nur auf Windenergieanlagen, sondern auch auf eine breite Palette von Flügelprofilen in der Fluiddynamik anwendbar ist. Darüber hinaus wurde eine Profilfamilie dünn gebogener Platten entwickelt, die vielversprechende aerodynamische Eigenschaften aufweist und in vielfältigen technischen Anwendungen genutzt werden könnte. Innerhalb des Optimierungsprozesses kamen unterschiedliche Algorithmen zum Einsatz, darunter der Multi Objective Genetic Algorithm, der eine effektive Balance zwischen verschiedenen Optimierungszielen ermöglichte und die Vielfalt der Designkonfigurationen berücksichtigte. Die praktische Anwendbarkeit und die Leistungsfähigkeit der theoretischen Modelle und Optimierungen wurden durch experimentelle Tests im Windkanal bestätigt. Diese Arbeit liefert nicht nur wertvolle Einblicke in die aerodynamische Gestaltung und Fertigung von Rotorblättern für Kleinstwindkraftanlagen, sondern eröffnet auch neue Perspektiven für die Optimierung von Flügelprofilen in unterschiedlichen Bereichen der Fluiddynamik.