Windkraftanlagen und turbulente Anströmung

Diplomarbeit von Jens Lühning

Einleitung:

Das Thema dieser Arbeit wurde vom Forwind Forschungs- und Kompetenzzentrum für Windenergie ausgeschrieben. Die Bearbeitung erfolgte in Zusammenarbeit mit dem Fachbereich für Hydrodynamik an der Carl von Ossietzky Universität Oldenburg.

Eine Stellungnahme der Arbeitsgruppe Hydrodynamik schildert die Aufgaben des Fachbereiches folgendermaßen: „Die deterministische Beschreibung der Natur auf der Basis von Differentialgleichungen wird oft als ein herausragendes Ergebnis der Physik des 19. Jahrhunderts [..] dargestellt, während die Klärung der Quantenstrukturen als großer Erfolg der Physik des 20.Jahrhunderts angesehen wird. Mit der Entdeckung der Grundprinzipien der klassischen Physik sind jedoch nicht alle Probleme dieser gelöst. Insbesondere ist in den letzten Jahrzehnten erkannt worden, dass Nichtlinearitäten in klassischen Problemen zu unerwarteten Erscheinungen führen können. So ist es zum Beispiel von aktuellem Interesse, zu erforschen wie sich aufgrund von Nichtlinearitäten spontan räumliche Strukturen oder zeitliches Chaos bilden. Eine der großen Herausforderungen der „nichtlinearen klassischen Physik“ ist die Klärung der Turbulenz. Die beschreibenden Bewegungsgleichungen der Turbulenz sind seit über 100 Jahren bekannt und trotzdem ist es bis heute weder mit modernen theoretischen Ansätzen noch mit numerischen Simulationen [..] gelungen, die Turbulenz genau zu beschreiben. Das Zusammenspiel zwischen Chaos und räumlicher Strukturbildung erschwert bis heute den Fortschritt in diesem Forschungsbereich [..]“.

Innerhalb des Fachbereiches für Hydrodynamik bestehen kleinere Forschungsbereiche, die sich spezifischeren Problemen widmen. Einer dieser Forschungsbereiche ist die atmosphärische Turbulenz mit den Schwerpunkten „statistische Winddatenanalyse/Windböen“ und „stochastische Modellierung von Windgeschwindigkeiten und Windkraftanlagen“.

Die auftretenden Problematiken sind folgendermaßen beschrieben: „Turbulenzen sind ein alltägliches Phänomen und treten in vielen natürlichen Sytemen auf. [..] In allen Fällen führt die Komplexität turbulenter Strömungsfelder dazu, dass eine exakte Vorhersage oder Berechnung der resultierenden Strömungen nicht mehr gelingt.

Aus diesem Grunde erlangen statistische Modellvorstellungen [..] einen hohen Stellenwert in der Analyse turbulenter Strömungsfelder. In diesem Arbeitsgebiet werden die kleinskaligen Turbulenzen atmosphärischer Windgeschwindigkeitsfelder mit Hilfe statistischer Modelle untersucht. [..]. Besonderes Augenmerk wird auf die Problematik von Windböen gelegt. Dabei wird unter anderem der Frage nach einer physikalischen Struktur von Windböen nachgegangen. Es hat sich im Verlaufe der bisherigen Untersuchungen gezeigt, dass Böen durch die anomale Statistik der kleinskaligen, atmosphärischen Turbulenz erklärt werden können.“ Der Beschreibung des Problemfeldes der Hydrodynamik und der darin angeordneten atmosphärischen Turbulenz lässt sich entnehmen, dass der Forschungsbereich keine allgemeinen Lösungen für turbulenzbestimmte Probleme anbieten kann. Jedoch lassen sich in wichtigen gesellschaftlichen Bereichen diese Problemstellungen finden: In der Windenergiebranche z.B. stoßen Konzepte der Energiegewinnung auf eine Windressource, die turbulente Charakteristika aufweist. Wie können mit dem derzeitigen Kenntnisstand und den gegebenen technischen Möglichkeiten wirtschaftliche Lösungen aufgezeigt werden, die Windkraftanlagen (WKA) für den Umgang mit einer turbulenten Ressource optimieren?

Aktuelle Großrechner erlauben komplexe Strömungssimulationen an Tragflügeln und damit auch die Simulation von turbulenten Strömungen an Windkraftanlagen. Dafür können zum Beispiel die „computational fluid dynamic“ (CFD) oder die „direct numerical simulation“ (DNS) zum Einsatz kommen. Jedoch erweisen sich diese Methoden als schwer beherrschbar und noch als ungenau. Damit stellen sie für den allgemeinen Praxisfall noch keine wirtschaftliche Möglichkeit dar, z.B. Windkraftanlagen besser an die Arbeit mit einer turbulenten Ressource anzupassen. Einfache und günstige Lösungen werden gesucht.

Ein weit verbreitetes Modell zur Lastberechnung an Windkraftanlagen ist die Blade-Element-Methode (BEM). Diese Methode ist bisher nicht dafür konzipiert worden, die Turbulenzfolgen für WKA aufzuzeigen. Mit dieser Arbeit wird die Erweiterung der BEM erarbeitet, die eine Modellierung turbulenter Anströmung ermöglicht. Die Arbeit ist damit auch ein Lösungsansatz, der Turbulenzprobleme im Bereich der Windenergie einfach und wirtschaftlich zu lösen versucht.

Ziel dieser Arbeit ist es nach Vorgaben der BEM eine numerische Windkraftanlage zu erstellen. Für das Modell werden Erweiterungen erarbeitet, die Messdaten von Windrichtung und Windgeschwindigkeit simulieren können. Der Frage nach dem Aufbau des Modells und der Simulation werfen grundlegende Probleme auf:

1. Simulation von Windgeschwindigkeit und Windrichtung mit der Blade-Element-Methode. Die BEM erlaubt keine direkte Modellierung der Windgeschwindigkeitsänderungen, daher ist es das Ziel der Arbeit eine Vereinfachung zu finden, die Windgeschwindigkeitsänderungen simulieren kann. Es gibt auch keine Lösungsvorschläge für die Berücksichtigung der Windrichtung. Mit dieser Arbeit wird ein Ansatz zur Modellierung von Windrichtungensänderungen vorgeschlagen. Die Erstellung und Auswertungen der Ergebnisse dieses Ansatzes sind ein Ziel dieser Arbeit.

2. Annahmen über Modellparameter. Das Modell soll transparent dargestellt werden, so dass die Annahmen für die Modell-Parameter verständlich werden, sowie Schwächen und damit Verbesserungsmöglichkeiten hervortreten und zukünftige Arbeiten an diesem vereinfachten Modell ansetzen können.

3. Auffassung und Darstellung der Turbulenz. Um die Turbulenzfolgen für die Verhältnisse am Tragflügel sichtbar zu machen, wird in diesem Modell mit statistischer Turbulenz gearbeitet und über Histogramme eine Auswertung der Ergebnisse erfolgen. Zusätzlich wird ein Ansatz eingeführt, der mittels Inkrementanalyse die Intermittenz von Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen mit verschiedenen Inkrementweiten [iPDF] ermittelt und mit der Kurtosis K der Verteilungen quantifiziert. Eine Auswertung des Ansatzes erfolgt aus zeitlichen Gründen nicht.

Gang der Untersuchung:

Die Arbeit orientiert sich an dem typischen Aufbau für empirische Arbeiten. Theoretische Grundlagen werden in Kapitel 2 beschrieben. Die Hintergründe zu und die statistische Auswertung der verwendeten Messdaten findet sich in Kapitel 3. Kapitel 4 besteht aus der kompletten Modellbeschreibung, die Annahmen über alle Modellparameter offen legt und den Modellergebnissen. Die Ergebnisse zu den wesentlichen Größen am Tragflügel werden kritisch ausgewertet.

Die Arbeit schließt mit den Schlußfolgerungen. Anknüpfungspunkte für aufbauende Arbeiten sind in die Schlußfolgerungen eingearbeitet.

Inhaltsverzeichnis:

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