Koordinierte robuste Regelung von Multi-Flügel-Höhenwindenergiesystemen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Dieter Moormann
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 545539514

Höhenwindenergieanlagen (engl. Airborne Wind Energy Systems, AWES) umfassen große Herausforderungen für Forschungsprojekte, Start-ups und die Industrie, bieten aber auch erhebliche Vorteile in Bezug auf die Zugänglichkeit von Wind, Nachhaltigkeit und Ressourcenbedarf. In diesem Bereich der AWES stellen Multi-Flügel-Höhenwindenergiesysteme (engl. Multi-Wing Airborne Wind Energy Systems, MW-AWES) ein vielversprechendes Potential dar. Dabei werden mehrere Flugsysteme miteinander durch Seile gekoppelt und mit einer Winde am Boden verbunden. Ein Vorteil solcher MW-AWES-Konzepte ist die höhere Effizienz des Systems, da der Gesamtwiderstand der Seile reduziert und die Flughöhe erhöht wird, wodurch stärkere und konstantere Winde erreichbar werden. Außerdem fällt der benötigte Luftraum im Vergleich zu Systemen mit nur einem Fluggerät kleiner aus, da die Flugradien deutlich reduziert werden können. Die MW-AWES-Technologie bietet zahlreiche Designoptionen und Herausforderungen. Der automatisierte Betrieb solcher Systeme erfordert eine robuste Synchronisation aller Flugsysteme. Dabei bringt die Synchronisationsaufgabe eine besondere Komplexität mit sich, da sie sowohl homogener Natur (z.B. Koordination der Flugsysteme innerhalb einer Ebene), als auch heterogener Natur (z.B. Koordination aller Flugsysteme mit der Bodenstationswinde, die eine definierte Last auf das Hauptseil ausübt) entspricht. So führen Abweichungen von nominellen Trajektorien oder Abweichungen in der Fluglage eines Flugsystems direkt zu Störungen aller anderen Flugsysteme. Darüber hinaus pflanzen sich diese Abweichungen von den Fahrzeugen auf die Winde der Bodenstation fort, was zu stark gekoppeltem, nichtlinearem Verhalten in Bezug auf stationäre Betriebspunkte und die Dynamik des Gesamtsystems führt. Dies erfordert ein robustes, ausfallsicheres, dezentrales und gleichzeitig synchronisierendes Regelungskonzept. Bislang wurden MW-AWES nur in idealisierten und vereinfachten Simulationen untersucht, wobei der Schwerpunkt meist auf Stabilität und Energieoptimierung der Flugbahnen lag. In diesem Projekt wollen wir ein realitätsnahes Simulationsframework für diese Systeme entwickeln, das es ermöglicht, die flugmechanischen und dynamischen Eigenschaften des Systems zu analysieren und zu identifizieren. Basierend auf den entwickelten Modellen und Simulationswerkzeugen soll ein robustes Flugregelungs- und Koordinationskonzept entwickelt werden, das auch für mehrschichtige MW-AWES skalierbar sein soll. Schließlich wird ein Regelungs- und Koordinationskonzept für einen einschichtigen MW-AWES-Demonstrator implementiert und durch Simulationsstudien und experimentelle Flugtests validiert. In diesem Rahmen wird die übergeordnete Forschungsfrage beantwortet, ob MW-AWES praktisch umgesetzt sowie sicher und effizient betrieben werden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen