Institut für Aerodynamik und Gasdynamik

Forschung Windenergie

Aktuelle und abgeschlossene Projekte


Innerhalb des BMWi geförterten Verbund Sonderprojektes WINSENT wird ein Windenergietestfeld zur Erforschung der Windenergienutzung im komplexen Gelände errichtet und mittels numerischer Modelle nachgebildet.

Der Ausbau von Windenergie als erneuerbare, klimafreundliche Energiequelle wird in dem vom BMWi geförderten WindForS Projekt

WINSENT

durch die Errichtung eines Windenergietestfeldes vorangetrieben. Innerhalb des Projektes werden zwei Forschungswindenergieanlagen im bergig komplexen Gelände auf der Schwäbischen Alb installiert. Gebaut werden Anlagen mit einer Nabenhöhe von ca. 75 Metern und einem Rotordurchmesser von ca. 50 Metern.
Durch Messmasten, die mit verschiedenen Sensoren zur Geschwindigkeitsmessung bestückt sind, werden die Windfelder im Gelände charakterisiert. Außerdem wird eine Modellkette im Rahmen des Vorhabens entwickelt, um realistische CFD Simulationen auszuführen.

Musik / Music in Video: 'Voyager' composed and perfomed by Lamass,
licenced through Jamendo.com

Alle Rechte vorbehalten - rechtliche Infos unter:

WindForS

Ziel des Forschungsvorhabens ist es, ein besseres Verständnis des Strömungsfeldes und der Leistungsgenerierung von Windenergie im komplexen Gelände zu erhalten, um so die Geschwindigkeitsüberhöhung des Windes über die Geländekante hinweg gewinnbringend auszunutzen.

Involviert im WINSENT Projekt sind neben der Universität Stuttgart die TU München, die Hochschule Esslingen, das Karlsruher Institut für Technologie, das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg, die Eberhard Karls Universität Tübingen und die Hochschule Aalen.

Das Projekt besteht aus kleineren Teilprojekten mit unterschiedlichen Zielsetzungen:

+-

Im Rahmen des Teilprojektes FoWEA werden numerische Modelle der Anlage erstellt und durch Vergleich mit Messdaten validiert. Das IAG entwickelt die Fluid-Struktur-Kopplung zwischen dem CFD Strömungslöser FLOWer und dem FEM-Löser Kratos, der von der TUM erweitert wird. Balken- und Schalenmodelle der Anlagenstruktur werden erstellt und die Ergebnisse der aeroelastischen Berechnungen verglichen. Zur Bewertung der FLOWer- Kratos Kopplung wird ein Vergleich mit Ergebnissen einer Kopplung von FLOWer mit dem Mehrkörpersimulationstool SIMPACK durchgeführt. Zusätzlich werden Feldmessungen und vereinfachte BEM- basierte Modelle mit diesen Ergebnissen verglichen.

Im zweiten Teilprojekt Mikroklima werden Einflüsse mikrometeorologischer und topographischer Effekte auf das lokale Strömungsfeld untersucht. Es werden Messungen und Simulationen vor und nach Errichtung der beiden Windenergieanlagen durchgeführt, um Veränderungen des Windes im Testfeld zu bestimmen. Am IAG werden hochaufgelöste instationäre Simulationen mit Hilfe von Einströmdaten der Projektpartner durchgeführt, um so realistische Anströmbedingungen der Windenergieanlagen über die bewaldete Hangkante des Geländes hinweg zu erhalten. Hierzu müssen Implementierungen von thermischer Schichtung, Vegetationsmodellen und Rauigkeitswechseln etc. im Strömungslöser FLOWer eingearbeitet werden.

                                                    

Weitere aktuelle Projekte unserer Arbeitsgruppe sind:

+-

Hintergrund und Problemstellung

Die Motivation für das EU-Forschungsprojekt AVATAR liegt in den Entwicklungsherausforderungen, die sich aus immer größer werdenden Windenergieanlagen ergeben. Um Anlagen mit einer Leistung von 10-20 MW möglich zu machen, müssen neue Designmethoden untersucht und angewandt werden. Dies sind beispielsweise lange, schlanke Blätter mit definierten aeroelastischen Eigenschaften, große Profildicken, hohe Schnellaufzahlen und die geziehlte Verwendung von Flow Control Devices. Sie ermöglichen noch größere Rotordurchmesser und somit eine Steigerung der Energieertrags. Allerdings erfordern diese Innovationen eine Überarbeitung der aktuell angewandten Entwicklungswerkzeuge (z.B. der Blattelement-Methode), da sie aus aerodynamischer und aerelastischer Sicht außerhalb des validierten Bereichs liegen. Durch höhere Gechwindigkeiten treten Kompressibilitäts- und Turbulenzeffekte auf, die bisher vernachlässigt werden konnten. Zusätzlich sind die Annahmen bezüglich Transitions- und Ablöseverhalten nicht mehr gültig und das Verhalten des Rotorblattes wird stark durch aeroelastische Interaktionen bestimmt. Das Ziel des AVATAR-Projekts ist daher die Evaluation, Verbesserung und Validierung der bisher verwendeten Entwicklungsmethoden hinsichtlich dieser neuen Effekte und Herausforderungen. Das Projekt wird im Rahmen der EERA (European Energy Research Alliance) durchgeführt und besteht aus zahlreichen europäischen Projektpartnern. EERA Homepage | AVATAR Homepage

Arbeiten am IAG

Am IAG sollen auf Basis der CFD-CSD Berechnungskette hochgenaue Simulationen durchgeführt werden um die auftretenden Effekte zu identifizieren und charakterisieren. Der Fokus liegt hierbei auf der Interaktion der Anlage mit atmosphärischer Turbulenz. Zusätzlich sollen die Möglichkeiten zur Lastreduktion durch Hinterkantenklappen untersucht werden, im speziellen mit Hinblick auf großer, elastische Rotoren.

Im Projekt HeliOW werden die Nachläufe von Offshore Windenergieanlagen genauer untersucht. Dabei wird besonderes Augenmerk auf die Auswirkung des Nachlaufes auf den Flug von Helikoptern durch diese Nachläufe gelegt. Es soll untersucht werden welche und wie schwerwiegend mögliche Einflüsse auf den Durchflug von Helikoptern sind. Der Hintergrund der Forschung ergibt sich aus der Notwendigkeit der Wartung von Offshore Windenergieanlagen und der damit verbundene Einsatz von Wartungshelikoptern. Im Projekt werden zwei Ansätze verfolgt, um die Fragestellungen anzugehen. Zum einen werden hochaufgelöste CFD Simulationen des Nachlaufs durchgeführt, die anschließend in einem Helikoptersimulator der Projektpartner in Braunschweig und München eingespeist werden. Zum zweiten wird der Helikopterabwind im Nachlauf der Windenergieanlage direkt in der Strömungssimulation berücksichtigt. Abschließend sollen Aussagen über den Einfluss auf die Flugphysik der Helikopter getroffen werden können.

 

Im Hinblick auf die Erhöhung der Akzeptanz der Windenergie und zur Erfüllung verschärfter Anforderungen an den Lärmschutz gewinnt die Reduktion der Emissionen von Windenergieanlagen beim Entwurf neuer Anlagen eine wichtige Bedeutung. Diese Emissionen können sich sowohl über die Luft in Form von Schall, als auch durch den Boden in Form von Erschütterungen (Körperschall) ausbreiten.
Während hochfrequente Emissionen (hauptsächlich Luftschall) gut erforscht sind und objektive Bewertungskriterien vorliegen, sind die Mechanismen die zu niederfrequenten Emissionen führen weitgehend unbekannt.
Im Rahmen des Forschungsprojekts TREMAC sollen Prognose- und Simulationsmodelle für niederfrequente Emissionen von Windkraftanlagen entwickelt werden. Auf Grundlage der Erkenntnisse sollen Optimierungsstrategien zur Minderung der Schall- und Erschütterungsemissionen durch konstruktiven Maßnahmen erstellt werden. Parallel dazu finden fundierte umweltmedizinische sowie umweltpsychologische Studien zur Wirkung von der Emissionen auf Anwohner statt. Insgesamt zielt das Vorhaben auf eine objektive Bewertung der Schall- und Erschütterungsbelastung von WEA ab.

Arbeiten am IAG:

Unter Anwendung hochaufgelöster Fluid-Struktur-gekoppelter CFD Simulationen wird am IAG ein Simulationsmodell aufgebaut, das aerodynamische und strukturmechanische Effekte und deren Wechselwirkung auf die Emissionen der WEA berücksichtigt. In Simulationsstudien wird der Einfluss von Parametern wie die Art der Anströmung oder die Anzahl der Freiheitsgrade im Strukturmodell auf die Emissionen untersucht. Es sollen dabei vor allem Erkenntnisse über die aerodynamisch induzierten Emissionen gewonnen werden. In einer gemeinsamen Prozesskette werden am IAG mit dem entwickelten Simulationsmodell zeitsynchrone akustische und mechanische Emissionen berechnet. Diese dienen als Randbedingungen für Ausbreitungsrechnungen am Institut für Bodenmechanik und Felsmechanik des KIT. Mit dieser Prozesskette, sollen die Emissionen von der Entstehung bis zum Beobachter nachgebildet werden. Anhand von Freifeldmessungen soll eine Plausibilisierung der Simulationsergebnisse stattfinden und die Möglichkeiten und Einschränkungen der numerischen Prozesskette bewertet werden.

TremAc

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Annette Fischer, Dr.-Ing. Thorsten Lutz

Hintergrund und Problemstellung

Um die Energieausbeute zu erhöhen wurden in den vergangenen Jahren Windenergieanlagen mit zunehmend größerem Rotordurchmesser entwickelt. Eine weitere signifikante Vergrößerung der Rotoren erfordert die Entwicklung neuer Konzepte und Technologien, um einen überproportionalen Anstieg von Gewicht und Herstellungskosten zu vermeiden und die Energie-Erzeugungskosten zu senken. Das gemeinsame Ziel des Forschungsschwerpunktes besteht in der Entwicklung und Bewertung innovativer Konzepte zur Lastenkontrolle. An dem Projekt sind neben der Universität Stuttgart die TU Berlin, die RWTH Aachen, die TU Darmstadt und die Carl von Ossietzky Universität Oldenburg beteiligt.

Arbeiten am IAG

Am IAG soll eine hochgenaue CFD-basierte Berechnungskette weiterentwickelt und zur Berechnung der instationären Lasten einer Windenergieanlage mit bzw. ohne aktivierter Lastenkontrolle angewendet werden. Dabei soll eine realitätsnahe atmosphärische Zuströmung mit zeitlich aufgelöster Turbulenz betrachtet werden. Die Komplexität der betrachteten Konfiguration sowie der Zuströmung wird dabei sukzessive erhöht, um spezifische Einflüsse gezielt untersuchen zu können, Vergleiche mit Windkanalversuchen der Universität Oldenburg und der TU Darmstadt zu ermöglichen und schließlich Daten zur Verbesserung vereinfachter Berechnungsverfahren der TU Berlin und der TU Darmstadt zu liefern. Da sich die Windkanalversuche nur im Modellmaßstab durchführen lassen wird das entwickelte numerische Verfahren zur Bewertung der Wirksamkeit des Lastenkontrollkonzepts für eine generische Anlage im Original-Maßstab unter atmosphärischen Bedingungen genutzt.

Im Projekt VortexLoads sollen die im EU-Projekt AVATAR beobachteten Unterschiede in den mit Vortex-Wake-Models berechneten Ermüdungslasten im Vergleich zu Ergebnissen der Blade-Element-Momentum-Modelle (BEM) validiert werden. Dazu liefert das IAG CFD-Ergebnisse eines 10MW Rotors unter turbulenter Anströmung als numerische Vergleichsdaten für die mit den Modellen berechneten transienten Lasten.
Ein Teilaspekt dieses Projekts ist dabei konsistente Strömungsbedingungen am Rotor in den verschiedenen Berechnungsmethoden zu gewährleisten, um einen Vergleich der Ergebnisse zu ermöglichen. Während in der CFD die Turbulenz-Propagation sowie -Entwicklung bis zur Rotorebene berechnet wird, nutzen die BEM-Modelle direkt den Strömungs-Input in der Rotorebene. Daher werden Untersuchungen durchgeführt, um den Einfluss des Rotors in der CFD auf das Strömungsfeld stromauf zu quantifizieren. Dies ermöglicht dann ein vom Rotor unbeeinflusstes Strömungsfeld aus der CFD-Simulation zu extrahieren und mittels eines Zeitversatzes als zeitsynchronen Input in den BEM-Modellen zu nutzen.

Im Rahmen des durch das europäische Vorhaben IRPWind finanzierte Forschungsprojekt UNAFLOW soll die instationäre Aerodynamik einer schwimmenden Windenergieanlage untersucht werden. Ein dynamisch skaliertes Modell der Referenzturbine “DTU 10MW” soll unter Rotations- und Translationsschwingungen der gesamten Anlage analysiert werden. Dadurch sollen im hochfrequenten Bereich typische wind- und wellenbedingt angeregte Bewegungen einer Offshore-Plattform nachgebildet werden.
Somit soll ein tieferer Einblick in die damit verbundenen komplexen, instationären Effekte auf den Rotor und den Nachlauf gewonnen werden. Dabei werden sowohl Messungen in dem Grenzschichtwindkanal von PoliMi als auch numerische Strömungssimulationen durchgeführt. Am IAG sollen hochaufgelöste CFD Simulationen der Anlage bei ausgewählten Betriebszuständen mit dem Strömungslöser FLOWer durchgeführt werden, um detaillierte Strömungsdaten unter diesen instationären Bedingungen zu generieren. Die numerischen Ergebnisse sollen mit den von Projektpartnern bereitgestellten Windkanaldaten verglichen und für die Validierung der numerischen Methoden herangezogen werden.

Numerische Studien zur aerodynamischen Wechselwirkung zwischen Gondel und Rotorblatt im Nabenbereich.

...mehr unter AssiSt

Detaillierte Simulation lokaler Windfelder im komplexen Gelände und deren Einfluss auf Windturbinen

mehr unter AssiSt

Ehemalige Projekte

+-

Hintergrund des AssiSt Projektes

Ansprechpartner: Pascal Weihing

Im Rahmen des Verbundprojekts AssiSt (Anlagen-Strömungssimulation und Standortkalibrierung) wurde ein Beitrag dazu geleistet, simulatorische Ansätze aus der Hochschul- und Großforschung weiterentwickeln und zur Anwendung auf neue innovative Produktreihen und Betriebsweisen von Windkraftanlagen bringen. Zentrales Ziel war dabei die instationäre Gesamtanlagen-Simulation mit hochauflösenden numerischen Verfahren im Gelände zur aerodynamischen Last- und Leistungsvorhersage, um diese in den industriellen Auslegungsprozess überführen zu können. Dabei wurden realistische Randbedingungsvorgaben für die Ein- und Durchströmung des Lösungsgebietes, d.h. des Anlagennahfeldes, erarbeitet und in den industriell verwendeten CFD-Löser eingepflegt. Die Physik der Gondelumströmung wurde im Detail studiert und auf ihre leistungssteigernde Strömungsverdrängung mit rotierendem Spinner, feststehendem Gondelteil sowie den Luftströmen aus der Generatorkühlung optimiert.

 

Arbeiten am IAG

Am IAG wurden dabei zwei Hauptziele verfolgt. Zum einen wurde eine Kopplung der Windfelder aus dem Meteorologie-Code PALM des Projektpartners IMUK mit dem am IAG verwendeten Code FLOWer, der zur detaillierten Strömungssimulation der Windenergieanlagen eingesetzt wird, durchgeführt. Darin wurde die methodische Prozesskette zur Simulation von Windenergieanlagen im komplexen Gelände unter atmosphärischer Zuströmung erweitert. Die auftretenden Effekte der turbulenten Zuströmung im komplexen Gelände wurden in Bezug auf die Rotorlasten bewertet. Ein weiteres wichtiges Arbeitspaket befasste sich mit der detaillierten Umströmung des Rotorblatt-Gondelübergangs. Der Einfluss einer voluminösen Gondel auf die Aerodynamik des Rotors im Innenbereich wurde analysiert und es konnten neue Erkenntnisse zur komplexen reibungsbehafteten Strömung auf der Gondel und am Blattinnenbereich gewonnen werden. Der Einfluss der Gondelgeometrie wurde systematisch untersucht, mit dem Ziel die Leistung des Gesamtrotors zu optimieren. Dabei konnten Maßnahmen erarbeitet werden, die zu einer Reduktion der leistungsmindernden Strömungsablösung im Rotorinnenbereich führten.

ActiQuiet / ActiQuieter

Benjamin Arnold

 

Der Ausbau von Windenergie stellt einen wichtigen Pfeiler hinsichtlich der von der Politik beschlossenen Energiewende dar. Speziell der Ausbau an Land geht jedoch mit immer größer werdenden Anlagenabmaßen und geringer werdenden Entfernungen zu bewohnten Gebieten einher. Gleichzeitig steigt die Lärmbelastung der Anwohner. Anhand von Feldmessungen konnte strömungsinduzierter Hinterkantenlärm als dominante Lärmquelle von Windenergieanlagen detektiert werden. Methoden zur Reduktion von Hinterkantenlärm sind passiver und aktiver Natur. Passive Methoden umfassen beispielsweise den Entwurf spezieller Profilgeometrien oder Modifikationen der Hinterkantenform. Aktive Methoden bedürfen der Zufuhr externer Energie, können dadurch aber auch optimal an den jeweiligen Anströmzustand angepasst werden. Am Institut für Aerodynamik und Gasdynamik (IAG) der Universität Stuttgart wurde das Potenzial flächiger Grenzschichtabsaugung zur Reduktion von Hinterkantenlärm untersucht. In einem ersten Schritt konnten die Hinterkantenlärmemissionen eines windenergietypischen Profils im ActiQuiet-Vorhaben sowohl experimentell als auch numerisch reduziert werden. Dieses Potenzial konnte im Rahmen des Nachfolgeprojektes ActiQuieter durch CFD-basierte Auslegungsrechungen erfolgreich für eine generische Windenergieanlage sowie eine industrielle Anlage aufgezeigt werden. Durch die Betrachtung einer modernen, industriellen Windenergieanlage sollte die Machbarkeit flächiger Grenzschichtabsaugung zur Lärmreduktion unter Berücksichtigung aller relevanten, industriellen Randbedingungen an den Entwurf rechnerisch untersucht werden. Die Ergebnisse sind vielversprechend: Lärmreduktionen gehen über einen weiten Bereich mit einer

Netto-Verbesserung der Antriebsleistung einher, d.h. die Verbesserung der Aerodynamik durch die aktive Strömungskontrolle dominiert die erforderliche Pumpenleistung. Hinsichtlich der Verbesserung der Antriebsleistung bildet sich ein Maximum aus, ab dem eine weitere Reduktion des Hinterkantenlärms Einbußen in der Aerodynamik mit sich bringt. Erst sehr hohe Lärmreduktionslevel resultieren in einer Netto-Verschlechterung der Anlagenleistung. Das Nadelöhr dieses

vielversprechenden Potenzials bildet die Pumpe, die sehr hohe Anforderungen erfüllen muss. Eine Erhöhung der Pumpenanzahlverknüpft mit einer Reduktion der individuellen erforderlichen Pumpenleistung kann hierbei als Abhilfe dienen.

InflowNoise

Im Verbund-Forschungsvorhaben ”Bewertung relevanter Lärmquellen von Windenergieanlagen unter realen atmosphärischen Zuströmbedingungen (INFLOW-Noise)” wurde untersucht, welche Relevanz der Lärm hat, der durch turbulente Anströmung an Vorderkanten von Rotorblattprofilen von Windenergieanlagen entsteht.
Die in der Industrie bislang verwendeten Modelle zur Bestimmung solcher Lärmquellen wurden vor allem durch theoretische Betrachtungen und mit Hilfe von Windkanalversuchen ohne realistische, dem Wind ähnliche, Turbulenz hergeleitet. Im Rahmen des Projekts wurden mit numerischen Strömungssimulationen Wind-ähnliche Felder erzeugt, die in vom IAG durchgeführte aerodynamische und aeroakustische Simulationen an einem aerodynamischen Blattprofil einer Windenergieanlage eingespeist wurden.
Die Ergebnisse wurden mit einem in der Industrie verwendeten Lärmvorhersage-Programm verglichen. Zur Validierung der Methoden wurden akustische Versuche mit turbulenter Anströmung an einem aerodynamischen Profil im Windkanal der Universität Oldenburg durchgeführt. Zur Erzeugung von realitätsnaher Turbulenz wurde ein fraktales Gitter verwendet.

Die Ergebnisse aus den vom IAG durchgeführten Simulationen des komplexen Windkanalaufbaus konnten sehr gut mit den Messungen aus dem Windkanal validiert werden. Der Vergleich der aeroakustischen Simulation mit dem industriellen Code ergab, dass die Schallemissionen durch inflow noise durch den industriellen Code schon recht gut berechnet werden. Allerdings ergab der Vergleich der Direktivität zwischen aeroakustischer Simulationen und industriellem Code unterschiedliche Ergebnisse. Die erzielten Ergebnisse können dazu verwendet werden, industrielle Rechenmodelle zu verbessern. Der Einfluss der Profilgeometrie auf die Emissionen des inflow noise ist im relevanten Frequenzbereich beschränkt. Eine stärkere Veränderung der Profilgeometrie kann möglicherweise Vorteile beim inflow noise generieren, ginge aber auf Kosten der aerodynamischen Performance.

Ein vom BMWi geförderten WindForS Projekt

ist das Projekt KonTest

KonTest

Ansprechpartner: Mohammad Kamruzzaman, Dr.-Ing. Thorsten Lutz, Dr.-Ing. Werner Wuerz

Im europäischen Verbundforschungsprojekt UpWind wurde am IAG eine CFD basierte Methode zur Vorhersage des Hinterkantenlärms von Profilen entwickelt und anhand Messungen im Laminarwindkanal des Instituts im Detail validiert.
Die Messungen beinhalteten neben Messungen des Hintenkantenlärms detaillierte Grenzschicht- und Turbulenzmessungen, um eine Detailvalidierung des Berechnungsmodells und eine Studie der Lärmmechanismen zu ermöglichen.
In einem zweiten Arbeitsschwerpunkt wurde am IAG ein aerodynamisch und akustisch optimiertes Profil mit einer Hinterkantenklappe zum Einsatz in Rotoren mit aktiver Lastenkontrolle entwickelt. Das Profil wurde für verschiedene Klappenwinkel aerodynamisch und akustisch im Laminarwindkanal des IAG vermessen und die Verbesserungen gegenüber dem Referenzprofil aufgezeigt.

Entwicklung von Lidar-Technologien zur Erfassung von Windfeldstrukturen hinsichtlich der Optimierung der Windenergienutzung im bergigen, komplexen Gelände

Lidar Complex

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Christoph Schulz, Dr.-Ing. Thorsten Lutz

Hintergrund und Problemstellung

Dieses Projekt des süddeutschen Forschungsnetzwerksi "WindForS" hat folgende Ziele: Die Entwicklung von Lidar-Messverfahren für topographisch komplexe Standorte; Entwicklung und Validierung von Windfeldmodellen im komplexen Gelände und ein vertieftes Verständnis des Verhalten von Windenergieanlagen (WEA) im komplexen Gelände. Dazu werden Messungen im flachen und komplexen Gelände durchgeführt, um den Einfluss der Topographie zu bestimmen sowie den Einfluss von tages- und jahreszeitlichen Schwankungen im komplexen Gelände. Des Weiteren werden verschiedene Messmethoden (Windmessmast, meteorologische Messungen mit UAV und Lidar-Systemen) miteinander verglichen. Da Lidar-Systeme eine große Ungenauigkeit im komplexen Gelände aufweisen, sollen Algorithmen entwickelt werden, um die Messgenauigkeit zu erhöhen.

Ziele in den Arbeitspaketen des IAG

  • Modellierung und Vermessung des komplexen Gelädes im Windkanal
  • Simualation einer realen Windenergieanlage im IEC konformen Gelände
  • Simulation einer generischen Windenergieanlage im komplexen Gelände
  • Vergleich verschiedener Simulationsmethodiken
  • Bewertung des Lasten- und Leistungsverhaltens von Windenergieanlagen im komplexen Gelände
  • Verbesserung der Leistungs- bzw. Ertragsprognose

Links

Link zu WINDFORS

Hintergrund des OWEA LOADs Projektes

Ansprechpartner: Pascal Weihing

Das Leitmotiv des Projektes »OWEA Loads« war es, die aerodynamischen, hydrodynamischen und betriebsbedingten Lasten insbesondere der Rotor-Gondel-Einheit von Offshore-Windenergieanlagen in all ihren Facetten zu beschreiben. Einerseits wurden die umfangreichen und kostenintensiven Belastungsmessungen im ersten deutschen Offshore-Testfeld »alpha ventus« sowie deren bisherige Aufbereitung im Rahmen verschiedener RAVE-Projekte weiter wissenschaftlich genutzt. Andererseits waren spezifische Fragestellungen bei der Weiterentwicklung von zukünftigen Offshore-Windenergieanlagen zu beantworten. Der letztgenannte Aspekt gilt besonders in Bezug auf die stochastischen Eigenschaften und die Charakterisierung der Lasten durch probabilistische Methoden. Darauf aufbauend wurden verschiedene Konzepte im Hinblick auf eine mögliche Lastreduktion durch Regelung und integrierten Entwurf untersucht, um die tatsächliche Lebensdauer einer individuellen Anlage festzustellen und diese damit für den verlängerten Betrieb über die Auslegungsdauer hinaus zu qualifizieren. Mit den neu gewonnenen Erkenntnissen können Entwurfsbedingungen für zukünftige Generationen von Offshore-Windkraftanlagen abgeleitet und präzisiert werden.

 

Arbeiten am IAG

Am IAG wurde die aufgebaute Simulationskette zur Berechnung der Rotoraerodynamik bei turbulenter Zuströmung auf die Anwendbarkeit für Windparks erweitert. Dabei wurde neben der bereits vorhandenen voll aufgelösten Simulation der Anlagen, die die höchste Modellierungstiefe darstellt, die sogenannte Actuator Line Methode (ACL) implementiert, für Windparksimulationen qualifiziert und zur Berechnung der Wechselwirkungen zwischen zwei Anlagen in »alpha ventus« eingesetzt. Diese Methode abstrahiert die Umströmung der Rotorblätter und reduziert somit den Rechenaufwand und die Zeit zum Simulationsaufbau erheblich und eignet sich daher besonders gut zur Simulation von Nachlaufinteraktionen im Windpark. Die Methode wurde in den Strömungslöser FLOWer implementiert, sodass beliebig viele, auch unterschiedliche Anlagen im Windpark simuliert und gesteuert werden können. Die ACL wurde der vollaufgelösten Simulation für eine Einzelanlage und für die Interferenz zweier Anlagen gegenübergestellt und bewertet. Aufgrund der Modellannahmen weist die ACL hinsichtlich der Lastvorhersage Unsicherheiten auf. Die Ergebnisse des Nachlaufs und seiner Instabilität stimmen jedoch gut mit den vollaufgelösten Simulationen überein. Der Erkenntnisgewinn zeichnet sich dadurch aus, dass die ACL hervorragend dazu geeignet ist die Strömungssituation in einem Windpark wiederzugeben. Damit ist es zukünftig möglich das Lastverhalten einer Einzelanlage in der Windparkumgebung

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Alexander Wolf, Dr.-Ing. Thorsten Lutz

Hintergrund und Problemstellung

Die Zielsetzung dieses deutsch-israelischen Gemeinschaftsprojektes besteht in der Anwendung und Demonstration des Potentials aktiver Strömungskontrolle (AFC) zur Reduktion des strömungsinduzierten Lärms der Rotoren von Windenergieanlagen. Die durch aktive Strömungsbeeinflussung erzielbare Lärmreduktion kann zur Erhöhung der Akzeptanz von On-Shore Anlagen beitragen sowie über eine Erhöhung der möglichen Rotordrehzahl zu einer Leistungssteigerung künftiger Windturbinen genutzt werden. Die Arbeiten in diesem Vorhaben konzentrieren sich auf die Reduktion des grenzschichtinduzierten Hinterkantenlärms, der die dominante Lärmquelle darstellt. Es zeigte sich, dass durch konstante, flächige Absaugung eine erhebliche Lärmreduktion erzielt werden kann. Am IAG wurden sowohl numerische als auch experimentelle Studien an einem NACA64-418 Profil mit Absaugung durchgeführt. Dabei konnte eine Lärmreduktion von bis zu 6dB nachgewiesen werden.

Ziele in den Arbeitspaketen des IAG

  • Untersuchung des Einflusses verschiedener Grenzschichtpramater auf den Hinterkantenlärm
  • Numerische Simulation eines NACA64-418 Profils mit flächiger Absaugung
  • Aerodynamische und aeroakustische Messungen eines NACA64-418 Profils mit flächiger Absaugung am Laminarwindkanal des Instituts
Ansprechpartner: Dr.-Ing. Thorsten Lutz, Dr.-Ing. Andreas Herrig, Dr.-Ing. Werner Wuerz

Im Projekt SIROCCO wurde am IAG ein Modell zur Berechnung des Hinterkantenlärms weiter entwickelt und anhand von aeroakustischen Messungen im Laminarwindkanal des Instituts validiert. Das verbesserte Berechnungsverfahren wurde anschließend zum kombiniert aerodynamisch-akustischen Entwurf von Blattspitzenprofilen zweier im Projekt betrachteten kommerziellen Windturbinen eingesetzt. Dabei wurde Kompatibilität zu den inneren Blattprofilen und die Integrierbarkeit in das Blatt als limitierende Randbedingungen berücksichtigt.

Die neuen Profile wurden im Laminarwindkanal erfolgreich vermessen und den Referenzprofilen gegenübergestellt. Dabei konnte eine Lärmreduktion sowie gleichzeitig eine Erhöhung der aerodynamischen Güte aufgezeigt werden. Im Feldversuch zeigten die in ein existierendes Blatt integrierten neuen Profile zwar auch eine Lärmreduktion, die jedoch geringer ausfiel als vorhergesagt bzw. im Windkanal gemessen.
Im Projekt DRAW

wurden die Grundlagen für eine akustische Optimierung von Windkraftanlagen erarbeitet. Um dies zu erreichen, war eine wesentliche Verbesserung bzw. Neuentwicklung von akustischen Vorhersageverfahren erforderlich, die die genaue Geometrie der Flügelprofile berücksichtigt. Dies konnte für den inflow-turbulence noise, der durch die Wechselwirkung von Turbulenz mit der Profilvorderkante entsteht, über eine Kopplung von Akustischer Analogie und Randelementverfahren erreicht werden. Das wesentliche Ergebnis, dass eine dickere Vorderkante den Lärm reduziert, konnte eindrucksvoll durch Messungen bestätigt werden. Im weiteren wurde das Verfahren auch auf kompressible Grundströmungen erweitert.

Im Projekt DATA

wurde eine akustische Optimierung der Profilgeometrie hinsichtlich des Hinterkantenlärms (trailing-edge noise) durchgeführt. Dafür wurde ein Vorhersageverfahren verwendet, das den Zustand der turbulenten Grenzschicht an der Hinterkante mit dem Schallspektrum verknüpft. Wiederrum konnte durch Messungen bewiesen werden, dass eine Schallreduktion tatsächlich erreicht wurde. Diese akustisch optimierten Profile wurden in einem weiteren Schritt auf einer Modellwindturbine im Deutsch-Niederländischen Windkanal (DNW) erfolgreich getestet.

LARS - LAst Reductions System

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Levin Klein, Dr.-Ing. Thorsten Lutz

Hintergrund und Problemstellung

Das nationale Forschungsprojekt LARS (Gefördert vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages) ist Teil des Verbundforschungsvorhabes OpTiWi (OpTimierung von Windenergieanlagen). Dieses verfolgt den Ansatz, aus dem Blickwinkel von Betreibern von Windenergieanlagen konkrete Konzepte für Windenergieanlagen mit dem Ziel zu entwickeln, die Kosten der Windenergienutzung weiter zu reduzieren und die Verfügbarkeit von Windenergieanlagen sowie deren Ertrag zu maximieren und diese dann exemplarisch umzusetzen. Die einzelnen Teilprojekte des Vorhabens fokussieren dabei auf die Optimierung von Windenergieanlagen hinsichtlich eines lastarmen Betriebs - Teilprojekt LARS und die Reduktion der Kosten für Montage, Errichtung und Wartung von Windenergieanlagen - Teilprojekt KALOS. Die Teilprojekte sind angeschlossen an den Bau und die Nutzung einer Forschungsplattform in Form einer 3,4 MW Windenergieanlage - Teilprojekt Technologieträger WETEC an der, bzw. mit der die entwickelten Konzepte exemplarisch umgesetzt und getestet werden.
Die Besonderheit der entwickelten Windkraftanlage ist, dass sie im Gegensatz zu den meisten heutzutage errichteten Multimegawatt Anlagen über einen 2-Blatt Rotor verfügt. Dieser bietet wesentliche Vorteile hinsichtlich der Kosten, des Transports und der Errichtung der Windkraftanlage, speziell im komplexen Gelände und in Waldgebieten. Ziel des Projektes ist die Reduktion der erhöhten Fatigue Lasten und Lastschwankungen durch eine gezielte Gestaltung bzw. aktive Regelung neu eingeführter Elastizitäten zwischen Nabenträger und Turbinenträger. Am Projekt sind neben dem IAG der Stiftungslehrstuhl für Windenergie (SWE) der Universität Stuttgart, das DLR Braunschweig und das Unternehmen SkyWind GmbH beteiligt.

Arbeiten am IAG

Die bestehende CFD-basierte Berechnungskette für Windenergieanlagen soll so weiterentwickelt werden, dass der Einfluss der elastischen Kopplung auf die Lasten der Windenergieanlage numerisch untersucht werden kann. Außerdem dienen die durchzuführenden hochaufgelösten Strömungssimulationen der Validierung einfacher im Projekt eingesetzter Aerodynamikcodes (z.B. BEM). Des weiteren werden 2D Strömungssimulationen zur Validierung der in diesen Aerodynamikcodes implementierten Dynamik Stall Vorhersagemodellen durchgeführt.

                                                    

Dr.-Ing. Thorsten Lutz

Dieses Bild zeigt Lutz
Dr.-Ing.

Thorsten Lutz

Leiter Luftfahrzeugaerodynamik / Leiter Windenergie