Der Erweiterungsmodul alaska/Wind besteht aus einer Reihe von speziellen Modellierungskomponenten und Zusatzprogrammen. Die zusätzlichen Modellierungskomponenten fügen sich nahtlos in die Modellierungsumgebung alaska/ModellerStudio ein und funktionieren reibungslos sowohl mit den Basis-Komponeten als auch mit Komponenten anderer Erweiterungsmodule von alaska/MultibodyDynamics.

Selbst entwickelte Aerodynamik-Bibliothek

Für die Berechnung des induzierten Windes sowie zur Berücksichtigung des dynamischen Stall-Effektes sind die branchenüblich verwendeten Verfahren implementiert. Turbulenter Wind wird mit einem separaten Preprozessor generiert. Für Offshore-Anwendungen sind Methoden für die Berechnung von Wellen und Strömungen implementiert.

Modellierungskomponenten für Wind- und Wasserkräfte

Es stehen spezielle Modellkomponenten zur Modellierung von Wind- und Wasserkräften zur Verfügung. Diese Komponenten berechnen die an den Rotorblättern, der Gondel, dem Turm sowie den Gründungsstrukturen wirkenden Kräfte und liefern Informationen über die vorliegenden Umgebungsbedingungen.

Parametrisiertes und erweiterbares Basis-Simulationsmodell

Aufbauend auf einem komplett parametrisiert definierten und sofort einsatzbereiten Basis-Simulationsmodell entwickelt der Anwender seine eigenen Simulationsprojekte. Im einfachsten Fall beschränkt sich der Modellierungsaufwand auf das Generieren kundenspezifischer Blatt- und Turmmodelle mit der WORKBENCH alaska/Wind und auf die Angabe weniger geometrischer Parameterwerte, z.B. für Konus- und Tiltwinkel und Masseeigenschaften für Hauptbaugruppen. alaska/Wind bietet darüber hinaus aber die Möglichkeit, sehr weitreichende MKS-Modellerweiterungen im Simulationsmodell mit den Modellierungsfähigkeiten des alaska/ModellerStudios umzusetzen.

Steuerung von Simulationsmodellen

alaska/Wind stellt eine Reihe von Möglichkeiten zur Beschreibung/Ankopplung von Regelungen bzw. Betriebsführungen von Windenergieanlagen bereit. Über ein DLL-Interface  kann der Anwender extern definierte Steuerungen verwenden. Als Vorlage einer solchen Steuerung kann eine mit dem Basis-Simulationsmodell gelieferte Beispielsteuerung (als Quellcode und als SIMULINK-Modell) dienen. Neben dieser DLL-Schnittstelle ist auch eine direkte Kopplung mit Matlab/SIMULINK bzw. die Verwendung eines Anlagenmodells direkt in einem SIMULINK-Modell möglich. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, SIMULINK-Steuerungen per SIMULINK Coder als DLL zu exportieren und mit dem alaska/Wind-Simulationsmodell zu verwenden. Steuerungen für die Software Bladed (discon.dll) können direkt verwendet werden.

Generatoren für stochastische Wind- und Wellendaten

Für die Generierung stochastischer Luft- und Wasserbewegungen stehen die Programme WindSim und WaveSim zur Verfügung. Diese Programme sind Preprozessoren, die nach branchenüblichen Methoden Turbulenzdaten sowie stochastische Wasserbewegungen unter Berücksichtigung statistischer Nebenbedingungen berechnen. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, Wind-Daten aus anderen Quellen zu verarbeiten. Das kann gemessener Wind oder auch mit anderen Generatoren erzeugter Wind (NRELs TurbSim, WAsP IEC Turbulence Simulator) sein. 

WORKBENCH alaska/Wind

Die WORKBENCH ist ein separates Programm zu alaska/Wind. Es dient vor allem der interaktiven oder Kommandozeilen-gesteuerten Generierung von Rotorblatt- und Turm-Simulationsmodellen. Für aerodynamische Profile berechnet die WORKBENCH Koeffizienten für dynamische Stall-Modelle (Beddoes-Leishman). Die Profil-Beiwerte sowie die berechneten Koeffizienten werden grafisch dargestellt und können interaktiv angepasst werden. Die WORKBENCH kann auch zur Parametrierung von Submodellen, zur Generierung von Turbulenzdateien, zum Zusammenstellung von Anlagen-Simulationsmodellen u.a.m. verwendet werden. 

Framework für effiziente Lastfallberechnung

alaska ParameterSets dienen dazu, unterschiedliche Belastungsvarianten eines Simulationsmodells zu definieren. Unterschiedliche Varianten werden in separaten xml-formatierten Dateien abgelegt. Diese Dateien können einige wenige oder auch mehrere Hundert verschiedene Varianten (Lastfälle) enthalten. Diese Varianten werden entweder interaktiv mit dem alaska/ModellerStudio berechnet oder komplett automatisiert mit alaska/Batch oder unter Verwendung von alaska/DistributedComputation.

Durch die direkte Integration von alaska/Wind in die Mehrkörperdynamik-Simulationsumgebung alaska/MultibodyDynamics ist sichergestellt, dass die Wechselwirkungen der Aerodynamik, der flexiblen Strukturen, detaillierter Pitch-, Yaw- und Triebstrangmodelle, der Steuerungen sowie der Anlagenumgebung (elektrisches Netz, Erdbeben etc.) automatisch berücksichtigt werden.    

Wesentliche Merkmale von alaska/Wind sind:

Modellentwicklung im alaska/ModellerStudio

Die  Entwicklung und Nutzung von alaska/Wind-Simulationsmodellen erfolgt direkt im alaska/ModellerStudio. Die alaska/Wind-spezifischen Modellkomponenten unterscheiden sich in ihrer Verwendung nicht von anderen alaska-Modellkomponenten. Die Modellierung erfolgt interaktiv. Neue Modellkomponenten werden per Drag&Drop definiert. Alternativ können Simulationsmodelle entweder 'programmiert', d.h. mit einem beliebigem ASCII-Editor unter Verwendung der alaska-Modellbeschreibungssprache definiert oder durch eigene Skripte automatisch generiert werden.

Erweiterbarkeit des Basis-Simulationsmodells

Das Basis-Simulationsmodell von alaska/Wind stellt ein Beispiel für eine Windenergieanlage mit drei Rotorblättern und horizontalem Triebstrang dar. Der Anwender kann auf der Grundlage dieses Simulationsmodells beliebige eigene Simulationsmodelle entwickeln. Diese können die Funktionalität des Basismodells wesentlich überschreiten. Sowohl die Modellstruktur als auch die Modellierungstiefe kann völlig frei an die eigenen Anforderungen angepasst werden. Detaillierte Triebstränge mit hochaufgelösten Getriebemodellen (unter Zuhilfenahme von alaska/Gear), detaillierte Pitch- und Azimut-Antriebe und Tilgermodelle sind ebenso möglich wie Naben mit abweichender Blattanzahl oder andere Triebstrangkonzepte.

Nichtlineare Systemanalyse im alaska/ModellerStudio

Die nichtlineare Analyse von Simulationsmodellen im alaska/ModellerStudio bietet dem Anwender ein direktes visuelles und numerisches Feedback. Das aktuelle Systemverhalten wird simultan zur Berechnung dargestellt. Vor allem bei der Entwicklung von Simulationsmodellen hat der Anwender damit sofortigen Zugriff auf alle MKS-Simulationsergebnisse wie den aktuellen Bewegungszustand von Körpern und in Gelenken, Reaktionskräfte und -momente in Koppelstellen, aktuell wirkende Kräfte wie z.B. Windkräfte an Blattstationen, Ein- und Ausgangsdaten von Reglern usw.

Lineare Systemanalyse im alaska/ModellerStudio

alaska/Wind-Simulationsmodelle können einer linearen Analyse unterzogen werden. Dabei wird das Verhalten des Simulationsmodells im Frequenzbereich ermittelt. Diese Analyse kann sowohl für den Ruhezustand der modellierten Windenergieanlagen als auch für beliebige Betriebszustände durchgeführt werden. Die berechneten Eigenfrequenzen und zugehörige Eigenschwingformen werden im alaska/ModellerStudio in beliebigen 3D-Ansichten dargestellt und können in einer vom Nutzer wählbaren Form exportiert werden.

Automatische Systemanalyse mit alaska/Batch

Für Routine-Berechnungen mit einem validierten Simulationsmodell kann alaska/Batch verwendet werden. alaska/Batch ist die Kommandozeilen-orientierte Variante des alaska/ModellerStudios. Mit alaska/Batch können alle verfügbaren Analysen, also z.B. nichtlineare und lineare Systemanalyse, komplett automatisiert durchgeführt werden. Der Prozess der Berechnung von Windenergieanlagen kann damit ein integrierter Teilprozess in einem übergeordneten Prozess aus Datenbereitstellung, Berechnung und Auswertung werden.

Verwendung nichtlinearer unreduzierter FE-Balkenmodelle

Eine wesentliche Komponente von Windenergieanlagen-Simulationsmodellen sind Modelle der Rotorblätter. Überlicherweise wird die Flexibilität der Rotorblätter durch die Verwendung modaler Reduktionen von FE-Balkenmodellen berücksichtigt. Mit zunehmender Schlankheit der Rotorblätter ist diese Vereinfachung häufig nicht mehr ausreichend. alaska/Wind bietet deshalb die Möglichkeit, FE-Balkenmodelle für Rotorblätter und Türme in unreduzierter Form zu verwenden. Für Rotorblatt-Simulationsmodelle relevante Eigenschaften wie die Biege-Torsions-Kopplung sowie die geometrische Versteifung sind dabei a priori berücksichtigt.

Effizienter Solver für numerisch steife Systeme

alaska/MultibodyDynamics bietet für die Analyse im Zeitbereich verschiedene Integratoren an. Je nach Art der Modellbeschreibung und somit der Art der zu lösenden Gleichungen sind explizit und implizit arbeitende Integratoren verfügbar. Für numerisch steife Systeme, die z.B. aus der Verwendung unreduzierter FE-Balkenstrukturen resultieren, wird ein Generalized-Alpha-Verfahren verwendet. Dieses Verfahren berechnet derartige Systeme sehr effizient und äußerst robust.

Definition beliebiger Resultate

Die Simulationsumgebung erlaubt den Zugriff auf alle anfallenden Resultate der Systemanalyse. Zusätzlich ist der Anwender frei in der Definition eigener Modellbeobachtungsgrößen, die beliebig aus den Primärergebnissen berechnet werden können. Zur Ausgabe stehen Standardschnittstellen zur Verfügung. Über eine zusätzliche frei programmierbare Schnittstelle wird dem Anwender die Möglichkeit gegeben, Berechnungsergebnisse in einem beliebigen Format, seinem Postprozessing entsprechend, zu exportieren.

Nutzung der alaska-Submodell-Technik

alaska/Wind-Simulationsmodelle können aus Teilmodellen (Submodellen) bestehen. Komplettmodelle werden aus mehreren Teilmodellen kombiniert. Die Verbindung der Teilmodelle erfolgt automatisch. Der Informationsaustausch zwischen Teilmodellen erfolgt über Datenkanäle. Die Verbindung der Teilmodelle erfolgt über die Definition von Kopplungspunkten. Das alaska/Wind-Basis-Simulationsmodell besteht aus Submodellen. Darauf aufbauend kann der Anwender eigene Submodelle entwickeln. alaska-Submodelle bieten sehr gute Möglichkeiten, die eigentliche parametrisierte Modelldefinition von der tatsächlichen Modellausprägung, also den aktuell zu verwendenden Parameterwerten, zu trennen.

Submodelle sind eigenständig lauffähig und können somit separat entwickelt und getestet und verwendet werden. Das bedeutet, dass z.B. ein Blatt oder ein Triebstrang bzw. Teile davon einzeln geladen, mit Belastungen beaufschlagt und analysiert werden können. Das bietet z.B. die Möglichkeit, virtuelle Prüfstandsversuche durchzuführen. Ebenso können beliebige Submodell-Kombinationen, z.B. Rotoren bestehend aus Nabe und Blättern oder Gondeln mit Triebstrang einzeln simuliert werden.

Verwendung von ParameterSets

alaska-ParameterSets sind die Grundlage der Definition von unterschiedlichen Belastungsszenarien (design load cases) in alaska/Wind. ParameterSets sind separate Dateien im XML-Format, die Modellparameterwerte tabellarisch sortiert enthalten. Diese Dateien können entweder mit einem speziellen Editor vom alaska/ModellerStudio aus oder, auf Grund des dokumentierten Formates, mit einem anwenderspezifischen externen Programm, z.B. aus einem Simulationsdatenmanagement-Programm, generiert werden. Über ParameterSets können beliebige Modelldaten variiert werden.  

Lastfallberechnung mit alaska/DC

Für die bei der Entwicklung von Windenergieanlagen üblicherweise anfallende große Anzahl von Lastfall-Berechnungen kann alaska/DC verwendet werden. DC steht für distributed computation. alaska/DC verteilt automatisch und sehr effizient viele einzelne Berechnungsaufgaben, die in ParameterSets zusammengefasst sind, auf mehrere im Netzwerk miteinander verbundene Rechner oder auf Rechencluster. 

Definition von Erdbebeneinflüssen

Durch die Beschreibung des alaska/Wind-Simulationsmodells direkt in der allgemeinen MKS-Modellierungs- und Simulationsumgebung alaska/MultibodyDynamics können beliebige an der Windenergieanlage angreifende Störungen modelliert werden. Die Wirkung von Erdbeben kann z.B. durch die Vorgabe der Bewegung des Fundamentes unter Verwendung extern definierter Zeitreihen beschrieben werden.

Definition von extremen Belastungsszenarien

Neben den bei der Entwicklung und Auslegung von Windenergieanlagen allgemein zu berücksichtigenden Belastungsszenarien, die bestimmte Windeinflüsse (Böen, Turbulenzen etc.) und Auswirkungen der Steuerung/Betriebsführung (Hochlaufprozesse, Notabschaltung etc.) berücksichtigen, ist es unter Verwendung der MKS-Modellierfähigkeiten von alaska/MultibodyDynamics möglich, extreme Belastungsszenarien abzubilden, die z.B. bei Bauteilversagen oder während der Anlagenmontage auftreten. Dazu zählen der Abwurf ganzer Rotorblätter oder Teile davon, das Ertragen extremer Böen während der Errichtung u.a.m.      

System-Matrizen und Transfer-Funktion

Z. B. für die Entwicklung von Reglern und Steuerungen können die System-Matrizen A, B, C und D des linearisierten Systems des Simulationsmodells sowie, bei definierten Ein- und Ausgängen, die Übertragungsfunktion berechnet und exportiert werden.