Stochastische Untersuchung des turbulenten Nachlaufs einer Modellwindenergieanlage
Für den Ausbau erneuerbarer Energieträger spielt in Deutschland die Windenergie eine große Rolle.
Aufgrund der Wirtschaftlichkeit werden Windenergieanlagen in Parks aufgestellt. Dies bedeutet, dass ein Großteil der Anlagen in der Nachlaufströmung der vorderen Anlagen steht. Während die vorderen Anlagen durch die freie turbulente atmosphärische Strömung angetrieben werden, ist die Strömung, der die hinteren Anlagen ausgesetzt sind, eine Überlagerung aus der komplexen atmosphärischen Strömung und dem turbulenten Nachlauf der vorherigen Anlage. Untersuchungen haben gezeigt, dass die in der Häufigkeit unterschätzten plötzlichen großen Spru¨nge der Windgeschwindigkeit in der atmosphärischen Strömung u.a. eine höhere Belastung der Rotorblätter durch Wechsellasten bedeuten, als es ihrer Auslegung entspricht. Wegen der Komplexität der Strömung sind diese Wechsellasten schwierig vorhersehbar; sie verringern die Lebenszeit von Windenergieanlagen. Inwieweit die Turbulenz im Nachlauf diesen Effekt noch verstärkt, ist nicht eingehend erforscht. Daher ist es wichtig, die Strömung, der die Windkraftanlagen ausgeliefert sind, zu verstehen, um die Lebensdauer der Windenergieanlagen zu erhöhen und somit Herstellungsenergie und -kosten sowie Wartungsarbeiten zu reduzieren.
Im Rahmen dieses Promotionsvorhabens soll der Nachlauf von Windenergieanlagen durch Experimente an zwei Anlagenmodellen im Windkanal untersucht werden. Um den Einfluss der Strömung auf den Nachlauf zu bestimmen, sollen die Einströmbedingungen variiert und mit Freifeldmessungen verglichen werden. Es werden Messungen in laminarer und turbulenter Strömung durchgefu¨hrt. Hierbei soll die turbulente Strömung durch passive Gitter und ein aktives Gitters erzeugt werden. Diese Einströmungsbedingungen werden zunächst mit Hitzdrähten vermessen und charakterisiert. Anschließend wird der Nachlauf einer Aktuatordisk und einer Modellwindenergieanlage mit einem Rotordurchmesser von 58 cm mittels Hitzdrahtmessungen erfasst. Sämtliche Daten werden mit erweiterten statistischen Methoden aus der Turbulenzgrundlagenforschung analysiert, da sich gezeigt hat, dass die in der Praxis u¨bliche Beschreibung u¨ber Einpunktstatistik (u.a. Mittelwerte und Standardabweichung) nicht ausreicht, um in der atmosphärischen Strömung typische extreme Fluktuationen zu beru¨cksichtigen. Über Zwei- und Mehrpunktstatistik lassen sich diese Extremereignisse und somit auch extreme Wechsellasten der Windenergieanlage erfassen. Über diese Analysemethoden lässt sie die Turbulenz weitreichend beschreiben, sodass Abhängigkeiten des Nachlaufs von verschiedenen Einströmbedingungen untersucht werden können.