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Minimum CO2 Saving Requirement for the Hydraulic-Pneumatic Flywheel System in the Rotor of a Wind Turbine

Goga, A. ., Jauch, C. ., Alhrshy, L. ., Gagel, A. ., & Kloft, P. . (2025). Minimum CO2 Saving Requirement for the Hydraulic-Pneumatic Flywheel System in the Rotor of a Wind Turbine. In NEIS Conference 2024 (S. 184–191). Hamburg: VDE Verlag GmbH. http://doi.org/10.30420/566464025 (Original work published März 2025)

Abstract

Researchers in the wind sector continuously aim to lower mechanical and structural loads on wind turbines to reduce the amount of material used in their components. One such innovative concept that is being investigated here is the integration of a flywheel system into rotor blades. In contrast to its intended aim of reducing the material usage and thereby CO2 emissions, the flywheel system in its implementation requires additional materials, which increases the carbon footprint considerably. Hence, to achieve a net CO2 saving, the CO2 expenditure of the additional components needs to be saved by the system as a minimum. The purpose of this work is to quantify the rise in CO2 emissions, caused by the installation of the flywheel system, relative to the original design. Thereby, the flywheel system’s minimal performance requirement for an exemplary wind turbine is defined.
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Dynamische Massen in Rotorblättern zur Senkung des Materialaufwandes und Verringerung des CO2‐Fußabdrucks von Windenergieanlagen

Alhrshy, L. ., Gagel, A. ., Lippke, A. ., Vogt, L. ., Jauch, C. ., & Kloft, P. . (2023). Dynamische Massen in Rotorblättern zur Senkung des Materialaufwandes und Verringerung des CO2‐Fußabdrucks von Windenergieanlagen (S. 76). Flensburg: Hochschule Flensburg. http://doi.org/10.13140/RG.2.2.26933.24809 (Original work published November 2023)

Abstract

Im Rahmen des Forschungsprojekts „Ressourceneffizienz in der Windenergie“ verfolgt das Institut für Windenergietechnik (WETI) an der Hochschule Flensburg in Kooperation mit AEROVIDE GmbH und HYDAC Technology GmbH das Ziel, ein System zu entwickeln, um hauptsächlich die mechanischen Lasten auf Windenergieanlagen (WEA) zu verringern. Somit werden Material und Energie eingespart, was wiederum zur Senkung des CO2-Fußabdrucks der WEA führt. Das zu erforschende System ist ein hydropneumatischer Schwungradspeicher (SRS), welcher in die Rotorblätter einer WEA integriert wird. Das laufende Forschungsvorhaben ist in zwei Projektphasen aufgeteilt. Der hier vorliegende Bericht ist der Abschlussbericht ersten Projektphase. Ziel dieser Projektphase ist die Entwicklung und rechnerische Untersuchung eines neuartigen Rotorblattes, in dem die neuen Kolbenspeicher als lasttragende Elemente in die Struktur des Rotorblattes integriert sind. Damit soll erreicht werden, dass die zusätzlichen Funktionalitäten des SRS nicht mit unverhältnismäßigem zusätzlichem Materialaufwand im Rotorblatt erkauft werden müssen. In dieser ersten Projektphase wurden hauptsächlich zwei wichtige Ziele erreicht. Das erste Ziel war die Erweiterung der Lastensimulationssoftware, um veränderliche Eigenschaften des Blattes zu simulieren. Um das zu erreichen, wurden zuerst vom WETI die Blatteigenschaften, die vom SRS variiert werden, definiert. Zur Modellierung der Variation dieser Eigenschaften hat das WETI zusammen mit AEROVIDE ein Konzept entwickelt. Dieses Konzept haben AEROVIDE und WETI jeweils in den Lastensimulationswerkzeugen HAWC2 und BeamDyn implementiert. Parallel dazu hat das WETI Regelungsstrategien für die diversen Anwendungsfälle des SRS entworfen. Dazu hat das WETI ein Interface definiert, um den entwickelten SRS-Regler mit den erweiterten Lastensimulationswerkzeugen zu verknüpfen. AEROVIDE und WETI haben die erweiterten HAWC2- und BeamDyn-Anwendungen gegen eine analytische Berechnung geprüft. Das zweite Ziel war eine Vorauslegung eines Rotorblatts mit SRS als integrales Strukturelement. Dafür hat das WETI, in Kooperation mit HYDAC, verschiedene SRS-Typen für mögliche Anwendungsfälle des SRS in WEA entworfen. Angesichts der möglichen SRS-Typen hat AEROVIDE einen Vorentwurf eines Rotorblatts mit SRS analysiert. HYDAC hat weitere SRS-Komponenten aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK) gebaut und getestet. AEROVIDE hat das CFK-Design beim Entwurf eines Rotorblatts mit CFK-Funktionskomponenten verwendet. Zuletzt konnte AEROVIDE Lastenrechnungen an einer generischen WEA mit SRS durchführen, um die Möglichkeit zur Senkung der mechanischen Lasten zu untersuchen. Es wurde eine Situation aus dem Lastfall DLC2.3 einmal ohne und einmal mit SRS berechnet. Der direkte Vergleich hat gezeigt, dass die Turmfußbelastung in dieser Situation um etwa 15% reduziert werden konnte. Dieses innovative Projekt mit Az. 35801/01 wird durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) gefördert.
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Variable Blade Inertia in State-of-the-Art Wind Turbine Structural-Dynamics Models

Alhrshy, L. ., Lippke, A. ., & Jauch, C. . (2023). Variable Blade Inertia in State-of-the-Art Wind Turbine Structural-Dynamics Models. Energies, 16(16), 22. http://doi.org/https://doi.org/10.3390/en16166061 (Original work published August 2023)

Abstract

This paper presents a comparison of two methods to represent variable blade inertia in two codes for aero-servo-elastic simulations of wind turbines: the nonlinear aeroelastic multi-body model HAWC2 and the nonlinear geometrically exact beam model BeamDyn for OpenFAST. The main goal is to enable these tools to simulate the dynamic behavior of a wind turbine with variable blade inertia. However, current state-of-the-art load simulation tools for wind turbines cannot simulate variable blade inertia, so the source code of these tools must be modified. The validity of the modified codes is proven based on a simple beam model. The validation shows very good agreement between the modified codes of HAWC2, BeamDyn and an analytical calculation. The add-on of variable blade inertias is applied to reduce the mechanical loads of a 5-megawatt reference wind turbine with an integrated hydraulic-pneumatic flywheel in its rotor blades.
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Implementation of Variable Blade Inertia in OpenFAST to Integrate a Flywheel System in the Rotor of a Wind Turbine

Alhrshy, L. . (2021). Implementation of Variable Blade Inertia in OpenFAST to Integrate a Flywheel System in the Rotor of a Wind Turbine. Energies, 14. http://doi.org/10.3390/en14102783

Abstract

In this paper, the integration of the dynamic behavior of the flywheel system into the load simulation tool OpenFAST is presented. The flywheel system enables a wind turbine to vary the inertia of its rotor blades to control the power production and, most importantly, to affect the vibratory behavior of wind turbine components. Consequently, in order to simulate the behavior of a wind turbine with a flywheel system in its rotor, the variable blade characteristics need to be considered in the load simulation tool. Currently, computer-aided engineering tools for simulating the mechanical loads of wind turbines are not designed to simulate variable blade inertia. Hence, the goal of this paper is to explain how variable inertias of rotor blades are implanted in such load simulation tools as OpenFAST. OpenFAST is used because of it is free, publicly available, and well documentation. Moreover, OpenFAST is open source, which allows modifications in its source code. This add-on in the load simulation is applied to correct rotor mass imbalance. It can also be applied in many cases related to the change in the inertia of wind turbine rotor blades during its operation as, for example, atmospheric ice accretion on the blades, smart blades, etc.
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Development of a Lightweight Hydraulic-Pneumatic Flywheel System for Wind Turbine Rotors

Alhrshy, L. ., Jauch, C. ., Schaffarczyk, A. P., & Bünning, N. . (2021). Development of a Lightweight Hydraulic-Pneumatic Flywheel System for Wind Turbine Rotors. http://doi.org/10.13140/RG.2.2.13569.89447
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Development of a Flexible Lightweight Hydraulic-Pneumatic Flywheel System for Wind Turbine Rotors

Alhrshy, L. ., Jauch, C. ., & Kloft, P. . (2020). Development of a Flexible Lightweight Hydraulic-Pneumatic Flywheel System for Wind Turbine Rotors. Fluids, 5. http://doi.org/10.3390/fluids5040162

Abstract

In this paper, the design of a flexible piston accumulator for application in a hydraulic-pneumatic flywheel system in a wind turbine rotor is presented. The flywheel system enables a wind turbine to vary the inertia of its rotor blades to control the power output and, most importantly, to influence the vibratory behaviour of wind turbine components. The method used for designing the flexible accumulator is based on the one hand on test results of a flexible piston accumulator prototype, and on the other hand, on simulation results of a model of a flexible piston accumulator. As a result, a design of flexible piston accumulators for application in the flywheel system is implemented and compared with the design of conventional steel accumulators. Due to the proposed design of the flywheel system, the impact on the mechanical loads of a wind turbine is analysed. The simulation results show that the new design of the piston accumulators causes a lower impact on the mechanical loads of the wind turbine than a previously published design of piston accumulators. It is further shown that the considered wind turbine can take on the flywheel system without the need for reinforcements in the rotor blades.
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Flexible hydropneumatische Kolbenspeicher aus kohlefaserverstärktem Kunststoff zum Einsatz in Rotorblätter von Windenergieanlagen

Jauch, C. ., Alhrshy, L. ., & Kloft, P. . (2019). Flexible hydropneumatische Kolbenspeicher aus kohlefaserverstärktem Kunststoff zum Einsatz in Rotorblätter von Windenergieanlagen. Ingenieurspiegel , 4, 3. (Original work published November 2019)
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