Numerische Optimalsteuerungsmethoden zur Optimierung der Robustheit von Multi-Flügel-Höhenwindenergiesystemen

• Antragsteller: Professor Dr. Moritz Diehl
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 525018088

Höhenwindenergie (Engl: Airborne Wind Energy - AWE) ist eine erneuerbare Energietechnologie, die darauf abzielt, Winde in großen Höhen zu nutzen, die von konventionellen Windturbinen nicht erreicht werden können, und das zu einem Bruchteil der Ressourcen der letzteren. Sie verzichtet auf das Fundament, den Turm und die inneren Rotorteile einer herkömmlichen Windkraftanlage und ersetzt die Rotorspitzen durch seilgebundene autonome Flügel, der schnelle Seitenwindmanöver fliegen. Der Strom wird dabei entweder durch kleine Turbinen am Flügel oder durch regelmäßiges Auf- und Abwickeln des Seils an einer Winde am Boden erzeugt. Eine der größten Herausforderungen bei der Etablierung von AWE als praktikable Technologie für erneuerbare Energien wird die Kosteneffizienz im großen Maßstab sein, die eng mit der Leistungsdichte zusammenhängt, die in AWE-Windparks erreicht werden kann. Aktuelle AWE-Konzepte basieren fast ausschließlich auf einflügeligen Konfigurationen, die sich durch eine große Flugbahnfläche und eine begrenzte Betriebshöhe auszeichnen. Sowohl aus Sicherheits- als auch aus Effizienzgründen benötigen diese Anlagen daher einen ähnlichen Mindestabstand zueinander wie konventionelle Windkraftanlagen. Mehrflügelige AWE-Systeme (Engl.: Multi-Wing AWE Systems - MW-AWES) hingegen, bei denen mehrere seilgebundene Flügel kreisförmige Flugbahnen um ein gemeinsames Hauptseil fliegen, können kompaktere Bahnen in nahezu beliebigen Höhen fliegen. So können sie auf dem Boden dichter beieinanderstehen und gleichzeitig vertikal gestaffelt werden, um Wirbelinteraktionen zu vermeiden. Daher bieten MW-AWES potenziell höhere Leistungsdichten in Bezug auf die im Park benötigte Bodenfläche. Darüber hinaus verdoppeln MW-AWES-Konzepte in der Regel die Systemeffizienz im Vergleich zu einflügeligen Konzepten und verfügen über vorteilhafte, modulare Skalierungseigenschaften. Mehrflügelige Konfigurationen sind jedoch mit einem erheblich höheren Grad an Komplexität verbunden, und wurden bislang nur in Computersimulationen untersucht, zu großen Teilen durch die Arbeitsgruppe des Antragsstellers. Das Ziel dieses Forschungsvorhabens besteht darin, die Grundlagen für einen robusten und autonomen Betrieb von MW-AWES zu schaffen. Dafür formulieren wir drei Ziele. Das erste Ziel ist die Entwicklung effizienter Problemformulierungen für die Robustheitsoptimierung von MW-AWES. Dies soll es ermöglichen, koordinierte Mehrflügel-Flugbahnen zu planen, die alle Nebenbedingungen robust erfüllen. Das zweite Ziel ist die Entwicklung numerischer Algorithmen für die Zustandsschätzung und modellprädiktive Regelung von MW-AWES. Das dritte Ziel ist die Entwicklung von Algorithmen für die Optimierung von MW-AWES-Trajektorien auf der Grundlage von High-Fidelity-Modellen unter Berücksichtigung von Induktionseffekten im Windfeld. Damit wird es erstmals möglich sein, genaue Flugbahnen und Leistungsvorhersagen für die durchschnittliche jährliche Leistungsabgabe zu berechnen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen