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Ansprechpartner

Dr. Gerald Steinfeld
Carl von Ossietzky Universität Oldenburg
Institut für Physik
AG Energiemeteorologie
Tel: +49 441 798-5073
E-Mail: gerald.steinfeld@uni-oldenburg.de

 

 

Simulation der Strömungsverhältnisse in Windparks

Windenergieanlagen operieren in der atmosphärischen Grenzschicht, d.h. in der unmittelbar über dem Erdboden aufliegenden Schicht der Atmosphäre, in der die Strömung durch die Reibung am Erdboden und die Erwärmung bodennaher Luftmassen durch Turbulenz gekennzeichnet ist. Windenergieanlagen entziehen der atmosphärischen Strömung einen Teil ihrer kinetischen Energie und wandeln diese zunächst in mechanische und nachfolgend in elektrische Leistung um. Entsprechend ist die Strömung stromab einer Windenergieanlage (im sog. Nachlaufbereich) durch eine gegenüber der Hintergrundströmung verringerte Windgeschwindigkeit gekennzeichnet. Durch die geringere Geschwindigkeit und die Produktion von Turbulenz durch Scherung im Übergangsbereich zwischen dem Nachlaufbereich und der ungestörten Strömung ist die Strömung im Nachlaufbereich gleichzeitig durch eine erhöhte Turbulenzintensität geprägt. Die Eigenschaften der Nachlaufströmung, wie z.B. die Erholung des Geschwindigkeitsdefizits, hängen stark von den Eigenschaften der atmosphärischen Grenzschicht stromauf der Windenergieanlage ab.

Für die Windparkplanung werden, z.B. für eine weitgehende Vermeidung der Abschattung von Windenergieanlagen durch stromauf stehende Windenergieanlagen, möglichst präzise Informationen über die zu erwartenden Strömungsverhältnisse benötigt.
Da, wie oben dargestellt, die Strömung in Windparks durch turbulente Prozesse gekennzeichnet ist, werden für eine möglichst genaue Abbildung der Windparkströmung in der numerischen Simulation turbulenzauflösende Modelle benötigt.
Bei ForWind wird das an der Leibniz Universität Hannover entwickelte turbulenzauflösende, atmosphärische Grobstruktursimulationsmodell PALM für die möglichst präzise Simulation der Windparkströmung verwendet.
In den letzten Jahren wurden bei ForWind an der Universität Oldenburg verschiedene Methoden zur Berücksichtigung von Windenergieanlagen in PALM implementiert.
Der einfachste Ansatz ist dabei ein sogenanntes Aktuatorscheibenmodell (ADM), in dem die Windenergieanlagen vereinfacht durch Scheiben mit einheitlicher Schubkraft dargestellt werden. Für Anwendungen, für die die Strömung in einiger Entfernung hinter der Windenergieanlage entscheidend ist, reicht dieser Modellierungsansatz bereits aus. 
Im Aktuatorlinienmodell (ALM) werden die Rotorblätter vereinfacht durch rotierende Linien dargestellt, die in mehrere Segmente unterteilt werden. Für jedes Segment werden dann unter Verwendung der Blattelementmethode Auftrieb und Strömungswiderstand berechnet.  Dieser Ansatz ist für sehr detaillierte Untersuchung auch der Strömung unmittelbar stromab der simulierten Windenergieanlage zu empfehlen.
Auf dem Aktuatorlinienmodell aufbauend wurde in den letzten Jahren bei ForWind eine Kopplung von PALM mit dem aeroelastischen Code PALM entwickelt. Diese Kopplung ermöglicht die detaillierte Analyse der Lasten an Windenergieanlagen unter verschiedenen turbulenten Anströmbedingungen.
Das am häufigsten bei ForWind eingesetzte und mittlerweile im Standard-PALM-Code enthaltene Turbinenmodell ist das Aktuatorscheibenmodell mit Rotation. Dieses Modell ist dem Aktuatorlinienmodell sehr ähnlich und in ihm werden daher auch Rotationseffekte berücksichtigt. Da es jedoch keine bewegliche Rotorlinien enthält, kann es mit vergleichsweise großem Zeitschritt verwendet werden. Es erfordert daher wesentlich geringere Rechenkapazitäten als das Aktuatorlinienmodell.
Ein aktuelles Anwendungsgebiet von Windparksimulationen mit PALM bei ForWind ist die Ableitung von Windparkparametrisierungen für größerskalige atmosphärische Simulationsmodelle, wie z.B. Wettervorhersagemodelle. Hierbei geht es beispielsweise um eine verbesserte Berücksichtigung von Abschattungseffekten innerhalb des Windparks bei der Berechnung des Windparkeffekts. Abbildung 1 zeigt beispielsweise, dass das Geschwindigkeitsdefizit hinter einem Windpark stark von der Windrichtung abhängt, unter der der Windpark angeströmt wird.

Ein anderes Beispiel ist die Nutzung als numerische Testumgebung für die Entwicklung von Verfahren zur Steuerung von Windparks. So konnte in Untersuchungen mit PALM gezeigt werden, dass eine bewusste Fehlausrichtung einer Windenergieanlage zum Wind zu einer Ablenkung des Nachlaufs genutzt werden kann. Nachläufe können also an nachfolgenden Windenergieanlagen gezielt vorbeigesteuert werden. Weitere Untersuchungen mit PALM zeigten dann, dass die atmosphärische Schichtung für die Nachlaufablenkung eine entscheidende Eingangsgröße ist (siehe Abbildung 2).

Mit Hilfe der numerischen Testumgebung soll im aktuellen Projekt CompactWind II ein möglichst einfaches Sensorkonzept zur Bestimmung der für die Nachlaufregelung erforderlichen atmosphärischen Parameter entwickelt werden.

Weclyqbmauslqstv2her (t.scc8hhmxhcidt@uol.zigmpdea0sjk) (Stand: 21.08.2020)