Kolleg-Energiewende: Einsatz von Windenergieanlagen zur Charakterisierung der einströmenden Windfelder

Stipendiatin/Stipendiat: Julian Jüchter

Die stetige Weiterentwicklung von Windenergieanlagen führt dazu, dass diese immer größer werden und dadurch zunehmend ungleichmäßigeren Windfeldern ausgesetzt sind. Das Ziel des eingereichten Promotionsvorhabens ist es mithilfe von stochastischen Analysen zusätzliche Informationen über das einströmende Windfeld zu erhalten. Das zu erforschende Verfahren ließe sich anschließend auch auf Industrieanlagen anwenden und könnte dort helfen den Wartungsaufwand zu verringern. Zur Untersuchung sollen Modellwindenergieanlagen genutzt werden, die in Oldenburg gebaut und weiterentwickelt wurden.

Um das angestrebte Ziel zu erreichen, sollen räumlich gemittelte Ausgangsdaten der Anlagen wie z. B. Leistung, Drehmoment und Schub verwendet werden. Es handelt sich um räumlich gemittelte Daten, da der Rotor einer Windenergieanlage eine große Fläche überstreicht und somit auf das Windfeld als Ganzes reagiert. Die Messdaten werden unter Verwendung der „Langevin-Gleichung“ stochastisch ausgewertet. Die Langevin-Gleichung ermöglicht es die räumlich gemittelten Daten in einen deterministischen und einen stochastischen Anteil aufzuteilen. Die Gleichung enthält zwei Koeffizienten, die den jeweiligen Anteilen zugeordnet werden können. Der „Driftkoeffizient“ beschreibt den deterministischen Anteil während der „Diffusionskoeffizient“ den stochastischen Anteil beschreibt. Für den Driftkoeffizienten gibt es bereits einige Anwendungen z. B. die Berechnung der „Langevin Power Curve“. Für das geplante Promotionsvorhaben ist hingegen der Diffusionskoeffizient von entscheidender Bedeutung. Dieser Koeffizient stellt ein Maß dafür dar, wie groß die Schwankungen im Windfeld sind. Es soll untersucht werden, wie sich ein Gradient im Windfeld auf diesen Koeffizienten auswirkt. Ein Gradient liegt immer dann vor, wenn im Windfeld lokal unterschiedliche Windgeschwindigkeiten vorherrschen. Dies tritt in der Atmosphäre häufig auf, da die Windgeschwindigkeit in der Regel mit der Höhe zunimmt. Aber auch im Windpark können Gradienten im Windfeld entstehen, wenn sich Windenergieanlagen gegenseitig abschatten. Diese Gradienten lassen sich im Windkanal mithilfe eines „aktiven Gitters“ experimentell erzeugen. Dies funktioniert über bewegliche Klappen, die je nach Orientierung die Strömung mehr oder weniger blockieren bzw. umlenken. Dadurch lassen sich auch Strömungsbedingungen simulieren, wie sie an realen Anlagen vorliegen. Mehrere Messkampagnen mit zunehmend komplexeren Windfeldern sollen zeigen, dass sich mithilfe des Diffusionskoeffizienten unterschiedliche Einströmbedingungen unterscheiden lassen. Abschließend sollen zwei Modellwindenergieanlagen verwendet werden, bei denen die hintere Anlage schrittweise in den Nachlauf der vorderen Anlage gebracht wird.  

Die Ergebnisse des Promotionsvorhabens können später z. B. in eine verbesserte Steuerung von Windenergieanlagen innerhalb von Windparks mit einfließen. Wenn beispielsweise erkannt wird, dass sich eine Windenergieanlagen im Nachlauf einer vorstehenden Anlage befindet, kann diese durch sogenanntes Wake Steering der vorderen Anlage aus dem Nachlauf herausgehalten werden. Es findet dabei eine gezielte Umlenkung der Strömung statt. Dies hat eine Reduktion der Lasten und gleichzeitig eine Steigerung der Leistungsausbeute an der nachstehenden Anlage zur Folge. Da so die Lebenszeit verlängert werden kann, während der Wartungsaufwand sinkt, würde dies die Wirtschaftlichkeit von Windenergieanlagen weiter erhöhen und somit einen wichtigen Beitrag zum Umwelt- und Klimaschutz leisten.

Förderzeitraum:
01.07.2020 - 30.06.2023

Institut:
Carl von Ossietzky Universität Oldenburg
Fakultät V Mathematik und Naturwissenschaften
Institut für Physik

Betreuer:
Prof. Dr. Laura Lukassen

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