Turbulenz
Turbulenz als Dauerzustand
Die Wechselwirkungen zwischen Land- bzw. Wasseroberflächen und der unteren atmosphärischen Grenzschicht haben einen großen Einfluss auf Eigenschaften des Windes. Somit beeinflussen sie den Ertrag von Windenergieanlagen. Die induzierte Turbulenz wirkt sich zudem nachteilig auf deren Lebensdauer aus. ForWind analysiert die Windfelder, aber auch die im Nachlauf von Windenergieanlagen erzeugte Turbulenz und deren Einfluss auf benachbarte Anlagen im Windpark. Daraus lassen sich wichtige Informationen gewinnen, insbesondere für die Designparameter und die günstigste geometrische Anordnung mehrerer Anlagen in einem Park.
Forschungsprojekt 1
Forschungsprojekt 2
Forschungsprojekt 3
Schwerpunkte der Forschung
Mikrometeorologischen Methoden für ein verbessertes Verständnis des Verhaltens von Windenergieanlagen
Mithilfe dieser gekoppelten Modelle sollen Informationen über die Windturbine bei verschiedenen atmosphärischen Strömungen gewonnen werden, z.B. können so die Lasten, Momente und die Leistung der Anlage untersucht werden. Implementiert wurden verschiedene Turbinenmodelle, mit dem Ziel die Rechenzeit möglichst ohne Informationsverlust zu reduzieren.
Berechnet wurde hier die Generatorleistung in einer laminaren Strömung bei 8 Metern pro Sekunde mit verschiedenen Turbinenmodellen. Das Modell SWIRL ist eine Variante des ASM, in welcher die Windgeschwindigkeiten vor dem Rotor abgegriffen werden und nicht wie sonst meist üblich in der vom Rotor durchstrichenen Fläche. Die Windgeschwindigkeiten an den Positionen des Rotors werden dann über Induktion in FAST berechnet.
Zukünftig sollen noch die Möglichkeiten zur Ableitung von Footprints aus Large-Eddy-Simulationen mit integriertem Lagrangeschen Partikelmodell erweitert werden.
Als „Footprint“ wird in der Mikrometeorologie der Bereich an der Grenzfläche zwischen Erde und Atmosphäre bezeichnet, der die am Messpunkt beobachteten Turbulenzeigenschaften beeinflusst. Die Footprintberechnung mit Hilfe von PALM-Simulationen soll so erweitert werden, dass es möglich ist, den „Footprint“ nicht nur für einen Punkt, sondern für eine ganze Rotorfläche zu bestimmen. Eine entsprechende Methode wäre für die Standortcharakterisierung von großem Nutzen, z.B. auch, um frühzeitig Ursachen von Turbulenz zu identifizieren oder auch zu prüfen, ob die Auswirkung einer nachträglichen Veränderung der Umgebung der Windenergieanlage (z.B. Errichtung eines Gebäudes, Anpflanzen eines Windschutzes etc.) Auswirkungen auf die Windbedingungen am Anlagenstandort hat.
Strömungsmodellierung in Windparks
Die Turbulenz des ungestörten Windfeldes wie auch die im Nachlauf von Windenergieanlagen künstlich angeregte Turbulenz (“Wakes”) ist von entscheidender Bedeutung für die Energieausbeute und mechanische Beanspruchung der Anlagen.
Das in Oldenburg entwickelte Modell FLaP (Farm Layout Program) wird in verschiedenen Projekten zur Bestimmung des leistungsmindernden Wake-Effektes aktuell eingesetzt. Für die Nutzung in Offshore-Anwendungen wird der Modellansatz für die herrschenden atmosphärischen Bedingungen mit zusätzlichen physikalischen Ansätzen erweitert.
Im Rahmen von Flugexperimenten mit Hubschraubern (Helipod) und Kleinflugzeugen (MAV) wurden erste neuartige experimentelle Daten zur Turbulenz und zu Wake-Effekten gewonnen.
Aktuell befinden sich Arbeiten zur Verwendung der Large Eddy Simulation (LES) zur Berechnung des turbulenten Windfeldes innerhalb eines Windparks in extrem hoher räumlicher Auflösung in Vorbereitung. Diese dienen als Grundlage zum Beispiel für die Verbesserung existierender einfacher Modelle zur Beschreibung von Nachlaufströmungen.
Turbulenzforschungen
Kleinskalige Turbulenz spielt eine wichtige Rolle für Auslegung und Betrieb von Windenergieanlagen. Sie erzeugt räumliche und zeitliche Fluktuationen der Windgeschwindigkeit und beeinflusst damit sowohl die mechanische Belastung der Windenergieanlage als auch die Leistungsabgabe.
ForWind besitzt langjährige Erfahrung in der Erforschung kleinskaliger Turbulenz. Die Basis hierfür bildet eine vielfältige experimentelle Ausstattung, insbesondere ein Windkanal, ein Freistrahlexperiment hoher Qualität, und mehrere weitere Aufbauten. Zur Charakterisierung turbulenter Strömungen wurde eine neuartige stochastische Methode entwickelt. Sie ist in der Lage, die Komplexität dieser Systeme durch beliebige Verbundstatistiken über viele Größenskalen umfassend zu beschreiben. Auf diese Weise konnten etliche Fortschritte in der grundlegenden Erforschung der Turbulenz erzielt werden.
Darüber hinaus werden auf Basis dieser stochastischen Analyse auch Verfahren entwickelt, die in der praktischen Windenergienutzung zur Anwendung kommen.
WissenschaftlerInnen mit Forschungsschwerpunt Turbulenz
Wir forschen!
Jelly Samson
Photographer
Andy Moore
Advisor
Sophie Morgan
Creative Head
Jamie Scott
Director