Forschung Windenergie

Institut für Aerodynamik und Gasdynamik

Aktuelle und abgeschlossene Projekte

                                                    

Aktuelle Projekte unserer Arbeitsgruppe sind:

Im Rahmen des MeTuSA-Verbundsprojekts sollen umfassende Einblicke in das aerodynamische Verhalten des Nachlaufs von Türmen von Windenergieanlagen und deren Anregung von Strukturschwingungen gewonnen werden. Dabei wird eine Methode auf Grundlage der Morison Gleichung zur Simulation von aeroelastischen Resonanzen zwischen Wirbelablösungen und den Eigenfrequenzen von Windturmstrukturen implementiert. Die am Turm entstehende Kármán‘sche Wirbelstraße führt zu aeroelastischen Effekten, die als Vortex-Induced Vibrations (ViV) bekannt sind, und kann den Installationsprozess beeinträchtigen sowie Ermüdungs- und Extrembelastungen des Turms verursachen.
In Zusammenarbeit mit einem namhaften Industriepartner sollen Konzepte erarbeitet werden, welche die Entstehung kohärenter Wirbelstrukturen im Nachlauf des Turms so beeinflussen, dass die daraus resultierenden Turmschwingungen reduziert werden. Das Konzept der ViV-Gegenmaßnahmen basiert auf dem Einsatz von Vortex-Generatoren (VGs), wobei zurückliegende Simulationsergebnisse auf ein hohes Potenzial zur Verringerung der Schwingungsanfälligkeit hinweisen.
Ein weiteres Ziel ist es, ein zuverlässiges Modell zur Vorhersage der Schwingungen und deren aerodynamische Wechselwirkungen zu entwickeln, das sowohl in der Grundlagenforschung als auch in der Industrie Anwendung finden kann. Nach Projektabschluss könnte dieses Konzept in der Industrie zur Verbesserung der strukturellen Stabilität von Windenergieanlagen, insbesondere an Standorten mit hoher Windbelastung, eingesetzt werden. Die Methodik bietet nicht nur eine innovative Lösung zur Schwingungsreduktion, sondern trägt auch zur Verlängerung der Lebensdauer der Türme und zur Steigerung der Energieeffizienz bei.

Um mithilfe von Windenergieanlagen Strom erzeugen zu können, wird die anströmende Luftmasse über die Rotorkreisscheibe angebremst. Daher ergibt sich hinter der Windenergieanlage ein Nachlauf, der in zwei Bereiche eingeteilt werden kann und gegenüber der Anströmenden Luftmasse ein Windgeschwindigkeitsdefizit hat. Im „near-wake“ Bereich des Nachlaufes der Windenergieanlage befindet sich unter Anderem die helikale Strukturen der Rotorblattspitzenwirbel. Diese schirmen diesen Bereich gegenüber der Umgebungsströmung ab und verhindern somit ein zügiges Auffrischen des Windfeldes hinter der Windenergieanlage. Diese helikalen Strukturen sind jedoch nicht stabil und zerfallen nach einer gewissen Distanz hinter der Windenergieanlage. Dies markiert den Beginn der „far-wake“. Der Zerfall der helikalen Strukturen führt zu einer turbulenten Durchmischung des Nachlaufes, was wiederum zu einem Ausgleich des Geschwindigkeitsdefizit führt. Gerade im Bezug auf Windparks, in denen viele Windenergieanalgen hintereinanderstehen, ist dieser Prozess des Zerfalls der helikalen Strukturen des Nachlaufes von großem Interesse, da Windenergieanlagen, die im Nachlauf einer vorangegangenen Anlage stehen, deutliche Leistungseinbußen aufgrund der kleineren Anströmgeschwindigkeiten haben.

Aus diesem Grund wird in Zusammenarbeit mit der TU Berlin im Rahmen des von der DFG geförderten Projekts „UBeRT“ die helikalen Strukturen im Nachlauf untersucht. Dabei geht es um die Dynamik der helikalen Strukturen sowie um die Destabilisierung dieser mit verschiedenen Störungen (langwellig, kurzwellig). Um hierfür ein grundlegendes Verständnis zu erlangen, werden sowohl Experimente als auch numerische Simulationen hierfür durchgeführt. Die Experimente finden an der Underwater Berlin Research Turbine (UBeRT) im Wasserschleppkanal der TU Berlin statt. Diese Experimente dienen als Vergleich zu den Daten aus den numerischen Simulationen, die am IAG durchgeführt werden. Sowohl im Versuch als auch in der Simulation werden störungsfreie, sowie störungsbehaftete (langwellig, kurzwellig) Nachläufe der Turbine untersucht. Mithilfe dieser engen Zusammenarbeit der TU Berlin und dem IAG sollen Grundlegende Erkenntnisse auf diesem Gebiet erlangt werden. Die numerischen Simulationen umfassen des Weiteren eine Anlage der 15MW Klasse. Die Ergebnisse der Simulation können anschließend mit den Ergebnissen der UBeRT verglichen werden, um Skalierungseffekte zu Untersuchen und die Übertragbarkeit auf echte Windenergieanlagen zu untersuchen.

Das Projekt WINSENTvalid hat zum Ziel, die in WINSENT entwickelten numerischen Verfahren anhand von Messdaten zu validieren. Die validierten Modelle werden sowohl für die Strömungsmodellierung als auch für die Auslegung von Windenergieanlagen an komplexen Windenergiestandorten weltweit geeignet sein. Nach Abschluss des Projekts wird das Testfeld als reale und numerische Plattform in komplexem Gelände für die Grundlagen- und angewandte Forschung von Wissenschaft und Industrie genutzt werden können.

Am IAG liegt der Fokus auf der High-Fidelity CFD-Toolkette und deren Validierung mit Sensordaten aus dem WindForS-Testfeld. Im Rahmen des Projektes wird die möglichst genaue 3D-Geometrie von neuen Anlagenblättern einzeln analysiert und verwendet, um 3D-Polaren für den Einsatz in Engineering-Modellen und Code-zu-Code-Vergleichen zu ermöglichen, da diese zusammen mit Messmastdaten eine zuverlässige Identifizierung der Ursachen von Ungenauigkeiten erlauben. Eine komplette Anlage wird ebenfalls simuliert und mit den am IAG entwickelten Wald- und Geländemodellen ergänzt. Die Messdaten der Anlage werden zur Validierung des aerodynamischen Modells WINSENT verwendet, das sowohl Balken- als auch Schalenmodelle beinhaltet. Schließlich werden verschiedene Belaubungsdichten des Waldes, atmosphärische Stabilität, Turbulenzintensitäten und Windgeschwindigkeiten und deren Einfluss auf die Wechselwirkung zwischen dem lokalen Windfeld und der Windenergieanlage untersucht, um wichtige Erkenntnisse über die Anlagenbelastung, den Wirkungsgrad und die Länge des aerodynamischen Nachlaufs zu gewinnen.

Sabrina Haubold

Ziel dieses von der Boysen Stiftung geförderten Forschungsprojektes ist die Beantwortung der Fragestellung, inwieweit die aktive Strömungsbeeinflussung in Form einer Mikroabsaugung strömungsinduzierten Lärm an Windenergierotoren vermindern und gleichzeitig die aerodynamische Güte erhöhen kann. Zu diesem Zweck werden numerische Verfahren mit unterschiedlichem Detaillierungsgrad verwendet. Einerseits werden skalenauflösende Verfahren mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung eingesetzt, die eine sehr hohe Genauigkeit und Detailauflösung der strömungsphysikalischen Prozesse bei der Wechselwirkung der Absaugung mit der Umströmung der Rotorblattsegmente haben und damit die Auswirkung der Mikroabsaugung auf die akustischen Quellen erklären. Andererseits werden recheneffizientere Methoden angewandt, um parametrische Untersuchungen für unterschiedliche Absaugekonfigurationen und Anströmbedingungen zu ermöglichen, was eine Grundlage zur Bewertung des Potentials zur Lärmreduktion und Leistungssteigerung durch Mikroabsaugung darstellt.

MERIDIONAL Multiscale Modelling for Wind Wind Farm Design, Performance Assessment and Loading

Im Projekt MERIDIONAL arbeitet das IAG zusammen mit dem SWE (Stuttgarter Lehrstuhl für Windenergie) und dem HLRS (Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart) im Rahmen eines großen Europäischen Verbundprojektes, das von der Delft University of Technology koordiniert wird. Ziel der Initiative ist es, den aktuellen Stand des Wissens über turbulente Anströmbedingungen für Windkraftanlagen zu verbessern und eine umfassende Tool-Kette auf Basis einer Open-Source-Plattform für die Bewertung der Wechselwirkungen zwischen meteorologischen Bedingungen, Windkraftanlagen und Windparks zu entwickeln.

Dafür führt das IAG Computational Fluid Dynamics (CFD) Studien hoher Genauigkeit mit dem kontinuierlich weiterentwickelten Code FLOWer durch. Hierbei kommen hochauflösende URANS- und DDES-Simulationen von Windkraftanlagen und Windparks zum Einsatz. Betrachtet werden dabei unter anderem auch die beiden instrumentierten Forschungsturbinen, die derzeit im Rahmen des WINSENT-Projekts errichtet werden und für die detaillierte Messungen der lokalen Windfelder einschließlich der Verformung der Anlage geplant sind. Hier werden insbesondere die Wechselwirkungen einer turbulenten atmosphärischen Anströmung mit den Windkraftanlagen untersucht. Komplexe Geländeformen, Gebäude oder Vegetation sowie Fluid-Struktur-Wechselwirkungen werden ebenfalls berücksichtigt. Ebenso soll der Einfluss komplexer Geländeorographien und der Einfluss lokaler atmosphärischer Turbulenz auf die Entwicklung des Anlagennachlaufs untersucht werden. Zur Validierung der Simulationen werden Messdaten aus Feldmessungen zur Verfügung stehen.

Schließlich werden die Simulationen dazu beitragen, die Ergebnisse anhand experimenteller Daten zu validieren und den Projektpartnern Daten zur Überprüfung von Methoden mit geringerer Genauigkeit zur Verfügung zu stellen. Die anderen Partner sind Danmarks Tekniske Universitet Technische, Universität München, Politecnico di Milano, ICONS, Whiffle, Airborne Wind Europe, Kitepower, Kitekraft, Kitenergy, und das National Renewable Energy Laboratory.

Datensätze und Wissensressourcen im Zusammenhang mit dem Projekt werden online im WindLab Open Access Knowledge and Data Portal unter https://windlab.hlrs.de/ zur Verfügung gestellt.

Ehemalige Projekte

Bild 1: Wirbelstrukturen mit Wirbelstärke in Strömungsrichtung ω_x eines Profils mit hoher relativer Dicke ohne VGs (oben) mit VGs (unten). Die VGs reduzieren deutlich die Ablösung am Profil. Berechnung mit Detached Eddy Smulation.
Bild 1: Wirbelstrukturen mit Wirbelstärke in Strömungsrichtung ω_x eines Profils mit hoher relativer Dicke ohne VGs (oben) mit VGs (unten). Die VGs reduzieren deutlich die Ablösung am Profil. Berechnung mit Detached Eddy Smulation.

Kosteneinsparungen an den Anlagen gehen mitunter mit Gewichtseinsparungen am Rotor einher. Jedoch sind diese nur möglich durch einen lastangepassten Entwurf und technologische Fortschritte. Wesentlich dafür ist die möglichst genaue Bestimmung der standortspezifischen Anlagenlasten unter Berücksichtigung der veränderten Entwurfsanforderungen für Schwachwind Standorte. Hierfür bieten sich Methoden der Computational Fluid Dynamics (CFD) an. Deren Ziel ist es möglichst alle Parameter, die für das Lastspektrum relevant sind genau zu erfassen. Dabei spielen Effekte wie etwa die atmosphärische Zuströmung, Orographie, die flexible Strukturantwort der Komponenten oder die Regelung der Anlagen eine wichtige Rolle. Auch können hiermit detailliert verschiedene Ansätze zur Leistungssteigerung der Anlagen untersucht werden.

Das übergeordnete wissenschaftliche Ziel im Projekt IndianaWind ist die durch das IAG entwickelte CFD-basierte Simulationsumgebung für Windenergieanlagen anzuwenden und spezifisch zu erweitern, um einen Beitrag zur möglichst ganzheitlichen und multidisziplinären numerischen Abbildung der Windturbine zu leisten. Ein neuer Aspekt stellt dabei die Erweiterung der Simulationskette zur Erfassung beliebiger Vorgaben aus der Betriebsführung dar. Hinsichtlich der akustischen Abstrahlung ist das primäre Ziel den Einfluss der Betriebsführung auf niederfrequente Lärmanteile zu bestimmen und zu analysieren.

Darüber hinaus sollen skalenauflösende Simulationsverfahren im Hinblick auf deren industrielle Eignung erprobt werden. Diese kommen üblicherweise bei Untersuchungen stark wirbelbehafteter Strömungen zum Einsatz. Im Rahmen dieses Projektes sollen sie in erster Linie zur Untersuchung von dicken, zur Strömungsablösung neigenden Profilen sowie Profilen mit stumpfer Hinterkante (Flatbacks) zum Einsatz kommen. Das aerodynamische und aeroakustische Verhalten dieser Flatbacks ist bislang nur wenig erforscht. Während die Aerodynamik wichtig für die Lasten und die Effizienz der Anlage ist, spielt der emittierte Schall bei diesen Profilen eine wichtige Rolle bei der akustischen Bewertung der Anlagen und letztlich bei der Akzeptanz in der Bevölkerung.

Ein weiteres Anwendungsgebiet der hybriden RANS/LES Verfahren in diesem Projekt ist die Umströmung von Blattsegmenten, die mit Vortex Generators (VGs) bestückt sind. Zunächst soll hierbei die detaillierte strömungsphysikalische Funktionsweise der VGs zur Hinauszögerung der Strömungsablösung am Blattsegment mit Detached Eddy Simulations (DES) evaluiert werden. Zur simulatorischen Umsetzung von VGs am Gesamtrotor wird ein Ersatzmodell implementiert, bei dem lediglich die Wirkung der VGs auf die Strömung mithilfe einer geeigneten Quellterm Verteilung berücksichtigt wird. Hierdurch entfallen komplexe und langwierige Netzgenerierungen der zu hunderten auf einem Rotorblatt angebrachten VGs.

Bild 2: Wirbelstrukturen mit vertikaler Wirbelstärke für verschiedene Anströmbedingungen sowie orographische Bedingungen.
SFB_2

 

Leuchtturmrechnung Video

 

Bildquelle Bild 2: Wenz, F., Langner, J., Lutz, T., & Krämer, E. (2022). Impact of the wind field at the complex-terrain site Perdigão on the surface pressure fluctuations of a wind turbine. Wind Energy Science, 7(3), 1321–1340.

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.

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:

Teilprojekt FoWEA

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.

Teilprojekt Mikroklima

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.

Musik / Music in Video: 'Voyager' composed and perfomed by Lamass,
licenced through Jamendo.com
Alle Rechte vorbehalten - rechtliche Infos unter:

WindForS

Innerhalb des kooperativen Promotionskollegs "Windy Cities" wird die Windenergienutzung in urbaner Umgebung erforscht und mittels numerischer Modelle nachgebildet. Das kooperative Promotionskolleg ist durch Baden Württembergische Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst gefördert.

"Belastung und Ertrag von Kleinwindanlagen in urbaner Umgebung" ist ein Projekt des Windy Cities Promotionskolleg. In städtischem Gelände, werden die dynamischen Lasten und die Leistung signifikant von der komplexen instationär lokaler Zuströmung beeinflusst. wegen der komplexen instationären und lokal stark variierenden Zuströmung, die dynamischen Lasten und der Ertrag von Kleinwindanlagen signifikant einfließt. In diesem Projekt, Kleinwindanlagen, die auf Gebäuden in urbaner Umgebung installiert sind, sollen zeitlich und räumlich hoch aufgelöste CFD simuliert werden.

Die Akzeptanz von Windenergieanlagen (WEA) und Windparks wird wesentlich durch ihre akustische Wahrnehmung in der Bevölkerung beeinflusst. Allerdings sind die Lärmmechanismen und vielfältigen Lärmarten von WEAs komplex. Daher sind sie teils nur unvollständig verstanden und demnach schwer vorherzusagen und letztlich mit potentiellen wirtschaftlichen Risiken für die Betreiber verbunden. Durch die hohe Dichte an WEA im Norden Deutschlands wird die Bebauung im Süden in Zukunft vermutlich zunehmen. Ein maßgeblicher Unterschied zwischen beiden Regionen ist hierbei die Geländebeschaffenheit. In komplexem hügeligen Gelände, wie es im Süden Deutschlands zu finden ist, wird die Prognoseunsicherheit der Lärmentstehung und Lärmausbreitung noch weiter erhöht. Durch die Orographie muss beispielsweise die Abstrahlrichtung in verstärktem Maße berücksichtigt werden. Um die Windenergie auch dort wirtschaftlich, ökologisch und mit breiter Akzeptanz der Bevölkerung nutzen zu können, müssen die für das Gelände typischen, meist böigen und turbulenten Windregime sowie die Schallausbreitung beachtet werden.

Im Rahmen des Forschungsprojekts Schall_KoGe werden am IAG zeitlich aufgelöste CFD-Simulationen der Strömung um eine WEA unter Berücksichtigung der Fluid-Struktur-Interaktion im komplexen Gelände durchgeführt und zur Untersuchung der Entstehung akustischer Schallwellen im niederfrequenten Bereich genutzt. Um den Frequenzbereich zu erweitern, werden Modelle zur verbesserten Vorhersage der dominierenden Schallquellen an modernen WEA im höherfrequenten Bereich (Inflow Noise und Hinterkantenlärm) auf Basis kombinierter CFD-basierter Simulationen erstellt. Darüber hinaus wird der Einflusses von Vortex Generatoren (VG) auf die Aeroakustik sowohl hinsichtlich ihrer direkten Schallemission als auch in Bezug auf die Veränderung der Hinterkantenlärmemission des Rotors durch Veränderung der Grenzschichtcharakteristika bewertet.

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.

00:05
© IAG Uni Stuttgart

In diesem Video ist der stillgelegte Rotor für Wartungsmaßnahmen in der sogenannten "L-Stellung" aus dem Wind gedreht, wobei große Strömungsablösungen hinter der querangeströmten, eckigen Gondel stattfinden. Die Nennwindgeschwindigkeit und die für die Anlage maximal ausgelegte Windgeschwindigkeit werden simuliert, um einen normalen und einen extremen Fall zu untersuchen. Diese Fälle wurden mit dem DES Verfahren simuliert und die Lambda-2 Isoflächen der Wirbelstrukturen sind hier dargestellt. Pilotierte Studien mit diesen Strömungsfeldern werden bei den Projektpartnern mit einem Hubschrauberflugsimulator durchgeführt, um die Effekte auf die Hubschrauberflugdynamik zu bestimmen."

Video-Transkription

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

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.

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 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.

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.

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.

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

  

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.

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

mehr unter AssiSt

                                                    

Dr.-Ing. Thorsten Lutz

Dieses Bild zeigt Thorsten Lutz

Thorsten Lutz

Dr.-Ing.

Leiter Luftfahrzeugaerodynamik / Leiter Windenergie

Zum Seitenanfang