Numerische Windfeldmodellierung und Aerodynamik

Für die zuverlässige Analyse von Windstandorten ist eine umfassende Modellierung entscheidend. Das Fraunhofer IWES setzt sogenannte Mesoskalen-Simulationen ein, um für große Gebiete präzise Zeitreihendaten zu erzeugen. Mit diesen Daten lassen sich Forschungsfragen zum Einfluss von meteorologischen Bedingungen auf Windparks untersuchen. Topographische Einflüsse wie Bodenbeschaffenheit, Landnutzung, Waldbewuchs u. a. lassen sich in dreidimensionalen Rechengittern mit typischen Auflösungen von 1-100 m darstellen. Für jeden Windrichtungssektor werden mittels numerischer Strömungsrechnung (CFD) die Wind- und Turbulenzfelder gelöst, um daraus das Windpotential zu ermitteln. Weitere Schwerpunkte im IWES-Portfolio: Modellierungen von Nachlaufeffekten in Windparks, WEA-Aerodynamiksimulationen, Fluid-Struktur-Interaktion und Aeroakustik.

Atmosphärische Bedingungen spielen eine entscheidende Rolle für die Stromerzeugung in Windparks. Durchziehende Wettersysteme und lokale Effekte bestimmen die Wind-, Luftdichte- und Temperaturfelder und beeinflussen die Turbulenzbedingungen, in welchen Windparks operieren. Diese meteorologischen Gegebenheiten sind maßgeblich für den von Windparks generierten Ertrag verantwortlich, und ihre umfassende Modellierung ist entscheidend für die zuverlässige Analyse von Windstandorten. Zu diesem Zweck setzt das Fraunhofer IWES sogenannte Mesoskalen-Simulationen ein, welche für große Gebiete mit Kantenlängen von mehreren hunderten Kilometern und Auflösungen im Sub-Kilometer-Bereich unter großem Recheneinsatz entsprechende Zeitreihendaten erzeugen. Mittels der erworbenen Daten lassen sich zahlreiche Forschungsfragen zum Einfluss von meteorologischen Bedingungen auf Windparks untersuchen.

Im Bereich der Onshore-Windenergie sind die Einflüsse von topographischen Gegebenheiten, der Bodenbeschaffenheit sowie von Landnutzung, wie z. B. Waldbewuchs entscheidend. Diese Details lassen sich in dreidimensionalen Rechengittern mit typischen Auflösungen von 1-100 m darstellen. Für jeden Windrichtungssektor werden dann mittels numerischer Strömungsrechnung (CFD) die Wind- und Turbulenzfelder gelöst, um daraus das Windpotential zu ermitteln. Die lokalen Einflüsse von Wald, komplexem Gelände, thermischer Schichtung und vielem mehr auf Windparkerträge am Standort lassen sich auf diese Weise erforschen.

Windenergieanlagen in Windparks beeinflussen sich durch den sogenannten Nachlaufeffekt gegenseitig. Dabei werden stromabwärts stehende Anlagen durch Zonen verringerter Windgeschwindigkeit und erhöhter Turbulenzen, die sich hinter dem Rotor einer operierenden Windturbine ausbilden, abgeschattet.

Mit Methoden der numerischen Strömungsrechnung (CFD) erforscht das IWES die Physik dieser Nachläufe, ihre Entstehung, Ausbreitung und Abhängigkeiten von meteorologischen Bedingungen und lokalen Gegebenheiten – vom Einzelnachlauf bis zum Windparkcluster-Nachlauf mit mehr als 100 km Länge.

Für die Berechnung des Einflusses des Nachlaufeffekts auf den Ertrag von Windparks über mehrere Dekaden hinweg verwendet und erforscht das IWES schnelle Nachlaufmodelle im Rahmen der eigens entwickelten Open-Source-Software FOXES. Das Forschungsziel ist hierbei, mittels einfacher Modelle eine möglichst realistische Abbildung der tatsächlichen Nachlaufströmung in Windparks zu erreichen und die Reaktion der WEA treffend wiederzugeben.

Diese schnellen Nachlaufmodelle lassen sich ideal für Windparkoptimierungen einsetzen. Neben der Ermittlung der optimalen Standorte der Anlagen in einem gegebenen Windparkareal steht hierbei die Optimierung von Steuerungsparametern im Fokus, etwa das kontrollierte Abregeln einzelner Windenergieanlagen zur Steigerung des Gesamtparkertrags oder das beabsichtigte Schrägstellen von Rotoren zwecks Nachlaufablenkung.

Jede Windströmung erzeugt Kräfte auf die Rotorblätter von Windenergieanlagen. Sie hängen unmittelbar von deren Geometrie und anderen lokalen Bedingungen ab. Für unsere numerischen Strömungssimulationen (CFD) gesamter Windenergieanlagen erstellt das IWES detailgenaue dreidimensionale Rechengitter mit feinsten Auflösungen im Hundertstel-Millimeterbereich, was in etwa der Dicke eines menschlichen Haars entspricht. Das IWES simuliert die dynamische Entwicklung der Kräfte und der turbulenten Windströmung, teilweise mit einem Zeitschritt von wenigen Millisekunden.

Anhand solcher hochaufgelösten Simulationsergebnisse erforscht das IWES einerseits die Kräfte, die den Rotor antreiben, und andererseits die Entstehung und Dynamik der Wirbel, die in ihrer Gesamtheit den Nachlauf der Windenergieanlage ausbilden. Die Wirbel lösen sich hauptsächlich an den schnell rotierenden Blattspitzen ab und bewegen sich entlang rotierender Spiralen, bis sie miteinander und mit anderen, zumeist an der Nabe und am Turm generierten Verwirbelungen, interagieren, zusammenlaufen und schließlich verwaschen.

Das genaue Verständnis dieser Prozesse ist ebenso bedeutend für das Design zukünftiger Rotorblattgeometrien wie für die Entwicklung von Nachlaufmodellen. Darüber hinaus analysiert das IWES spezielle Konfigurationen und Designs von Blättern, Anlagen und Türmen und ihre aerodynamischen Eigenschaften sowie den Einfluss der Turbulenz des einströmenden Windes.

Die Rotordurchmesser moderner Windenergieanlagen (WEA) haben die 150-m-Marke längst überschritten und nehmen mit jeder Technologiegeneration weiter zu. Damit ergeben sich immer größere Kräfte, welche in alle Richtungen an den rotierenden Blättern zerren. Das flexible Kunststofffasermaterial, aus welchem die Blätter gefertigt sind, gibt unter diesen Kräften nach und verformt sich. Diese Verformung hat Einfluss auf die aerodynamischen Eigenschaften und das Schwingungsverhalten der WEA, und damit auch auf die von der Anlage erzeugte elektrische Leistung, die Belastung der Anlage sowie die Ausbildung des Anlagennachlaufs.

Das IWES studiert die Strömungseffekte der sich während der Rotation verformenden flexiblen Blätter mittels hochauflösender numerischer Strömungssimulationen (CFD). Um die dynamische Wechselwirkung des elastischen Materials mit dem Windfeld modellieren zu können, wurde am IWES ein sogenanntes Fluid-Struktur-Interaktionsmodul für die quelloffene CFD-Software OpenFOAM entwickelt und implementiert.

Mit zunehmender Anlagengröße und voranschreitendem Ausbau der Windenergie erhält auch das Thema der Aeroakustik wachsende Bedeutung, und damit auch die Frage nach den Ursachen der Lärmbelastung durch WEA. Ausgehend von Ergebnissen wirbelauflösender Strömungssimulationen wendet das IWES die Physik der Schallausbreitung an, um den Quellen und der Dynamik der Geräuschentwicklung auf den Grund zu gehen. Diese Forschung hilft dabei, zukünftige Windenergieanlagen möglichst geräuscharm designen und auslegen zu können.