Erweiterung von mikrometeorologischen Methoden für ein verbessertes Verständnis des Verhaltens von Windenergieanlagen

Um die Wechselwirkung zwischen einer Strömung in der atmosphärischen Grenzschicht und einer Windenergieanlage abzubilden, wurden der aeroelastischen Code FAST mit dem Large-Eddy-Simulationsmodell PALM gekoppelt.
Mithilfe dieser gekoppelten Modelle sollen Informationen über die Windturbine bei verschiedenen atmosphärischen Strömungen gewonnen werden, z.B. können so die Lasten, Momente und die Leistung der Anlage untersucht werden. Implementiert wurden verschiedene Turbinenmodelle (Abbildung 1), mit dem Ziel die Rechenzeit möglichst ohne Informationsverlust zu reduzieren.
Abbildung 1: Schematische Darstellung verschiedener Turbinenmodelle: Das ALM stellt die einzelnen Rotorblätter als Linien dar und benötigt daher einen kleinen Zeitschritt um die Bewegung des Rotors vollständig abzubilden. Im ADMR Modell werden die Kräfte der Rotorblätter über die gesamte Rotorfläche gemittelt, dies spart Rechenzeit ist aber weniger genau. Die ASM Methode stellt einen Kompromiss der anderen beiden Modelle dar.
In Abbildung 2 sind erste Ergebnisse einer 5-Megawatt-Turbine des National Renewable Energy Laboratory (NREL), USA, zu sehen. Berechnet wurde hier die Generatorleistung in einer laminaren Strömung bei 8 Metern pro Sekunde mit verschiedenen Turbinenmodellen. Das Modell SWIRL ist eine Variante des ASM, in welcher die Windgeschwindigkeiten vor dem Rotor abgegriffen werden und nicht wie sonst meist üblich in der vom Rotor durchstrichenen Fläche. Die Windgeschwindigkeiten an den Positionen des Rotors werden dann über Induktion in FAST berechnet. Validiert werden soll die Kopplung mit Daten einer 3,5-Megawatt-Turbine aus einer Messkampagne, die im Rahmen des Projektes CompactWind stattgefunden hat.
Abbildung 2: Generatorleistung der 5-Megawatt- Turbine von NREL, berechnet für eine laminare Strömung mit 8 Metern pro Sekunde. Es wurden verschiedene Turbinenmodelle benutzt: Die Modelle ALM, ASM und SWIRL (durchgezogene Linien) wurden im gekoppelten Modell gerechnet, d.h. die Windgeschwindigkeitsdaten stammen aus PALM und die Berechnung der Kräfte an der Turbine aus FAST. Als Vergleich dazu wurde zum einen das ADMR Modell herangezogen, welches in PALM implementiert ist, und ohne FAST simuliert. Und zum anderen wurde FAST ohne die Kopplung zu PALM als Referenz berechnet.
Zukünftig sollen noch die Möglichkeiten zur Ableitung von Footprints aus Large-Eddy-Simulationen mit integriertem Lagrangeschen Partikelmodell erweitert werden.
Als „Footprint“ wird in der Mikrometeorologie der Bereich an der Grenzfläche zwischen Erde und Atmosphäre bezeichnet, der die am Messpunkt beobachteten Turbulenzeigenschaften beeinflusst.
Die Footprintberechnung mit Hilfe von PALM-Simulationen soll so erweitert werden, dass es möglich ist, den „Footprint“ nicht nur für einen Punkt, sondern für eine ganze Rotorfläche zu bestimmen.
Eine entsprechende Methode wäre für die Standortcharakterisierung von großem Nutzen, z.B. auch, um frühzeitig Ursachen von Turbulenz zu identifizieren oder auch zu prüfen, ob die Auswirkung einer nachträglichen Veränderung der Umgebung der Windenergieanlage (z.B. Errichtung eines Gebäudes, Anpflanzen eines Windschutzes etc.) Auswirkungen auf die Windbedingungen am Anlagenstandort hat.