A1 – Wind- und Turbulenzmodelle für Windenergieanlagen in großen Höhen einschließlich des Übergangs Prandtl- zu Ekman-Schicht

Die Arbeitsbedingungen von Windenergieanlagen werden in großem Maße von turbulenten Windeigenschaften bestimmt, da bei typischen Windstärken von ca. 10 m/s unweigerlich Turbulenzen durch die viskose Wechselwirkung mit dem Boden bzw. der Wasseroberfläche auftreten. Da die Kraftentfaltungen am Rotorblatt in Bruchteilen von Sekunden entstehen, ist es von zentraler Bedeutung, die turbulenten Windstrukturen auf diesen Skalen zu verstehen, was einer zeitlichen Auflösung von ca. 100 ms und einer räumlichen Auflösung von ca. 1 m entspricht. In unterschiedlichen Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass auch sehr große Windenergieanlagen diese Kurzzeitwindschwankungen nicht ausmitteln, sondern dass diese Schwankungen sich sogar in den Fluktuationen der Leistungsabgabe wiederfinden, die den ganzen Wandlungsprozess von den Windstrukturen über die Kräfte an den Rotorblättern und die Übertragung in den Generator vollzogen haben [1]. In den internationalen Richtlinien für Windenergiesysteme [2] werden die Windfluktuationen auf diesen Skalen implizit als gaußförmig verteilt angenommen, was den Ergebnissen aus Windmessungen bekanntermaßen widerspricht. Die Arbeitsbedingungen für Multimegawatt-Windenergieanlagen mit Rotordurchmessern von über 100 m entsprechen vielmehr den nichtgaußförmigen intermittenten Verhältnissen, die auch oft als kleinskalige Turbulenz bezeichnet werden. Sehr große Windenergieanlagen operieren als Megastrukturen zusätzlich in Höhen von deutlich über 100 m, wo unter bestimmten meteorologischen Bedingungen die turbulente und bodennahe Prandtl-Schicht in die Ekman-Schicht übergeht.

Die Arbeitshypothese dieses Teilprojekts ist, dass erstens Offshore-Megastrukturen Windfeldverhältnissen ausgesetzt sind, die sowohl die turbulenten Eigenschaften der Prandtl-Schicht als auch den Übergang in die eher laminare Ekman-Schicht umfassen, und dass zweitens der Übergang zwischen der turbulenten Prandtl-Schicht und der Ekman-Schicht wenigstens näherungsweise universelle Strukturen hat, sodass dieses Strömungsphänomen sich experimentell in einem Windkanal mit einem speziell entworfenen aktiven Gitter nachstellen lässt (Abb. 1). Aus Messungen und Simulationen der meteorologischen Bedingungen sowie aus den Windkanalexperimenten ergibt sich eine geeignete Grundlage, um stochastische Windfeldmodelle zu erstellen, die die genannten Eigenschaften numerisch reproduzieren.

Das Hauptziel dieses Teilprojekts ist es, effektive stochastische Windfeldmodelle dieser Grenzschicht möglichst realitätsnah zu erstellen, die dazu beitragen, ein reduziertes, echtzeitfähiges Gesamtmodell zu einem Digitalen Zwilling einer Offshore-Windenergieanlage zu erstellen. Hierzu ist zuerst eine eingehende Charakterisierung der Grenze zwischen turbulenten und nicht turbulenten Strömungsgebieten zu erforschen und im Windkanal unter gut kontrollierbaren Bedingungen nachzubilden. Hochauflösende Messungen sollen die Entwicklung stochastischer Modelle ermöglichen, die Gegenstand des zweiten Teils des Teilprojekts sind. Die Modellierung der Grenze zwischen turbulenten und nicht turbulenten Strömungsgebieten ist wesentlicher Inhalt der Erstellung des Windfeldmodells der Grenzschicht. Im Sonderforschungsbereich ordnet sich das Teilprojekt in den Cluster Einwirkungen aus Wind und Wellen ein. Die erforschten Windfelder sind eng mit den Teilprojekten des Rotors (TP A02, B02, B03) und der Regelung und Überwachung verknüpft und werden schließlich effektiv in das Gesamtmodell integriert.

[1] Milan, P.; Wächter, M.; Peinke, J.: Turbulent Character of Wind Energy. Phys Rev Lett 110, 138701, 1-5, 2013.

[2] International Electrical Commission (IEC): Wind energy generation systems – Part 1: Design requirements, IEC 61400-1:2019 Ed.4, 2019.