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LiDAR-System mit großer Messreichweite: In der Abbildung zu sehen ist die Zugangsplattform einer Windenergieanlage im Offshore-Windpark Riffgat.
© Jörge Schneemann, ForWind – Universität Oldenburg
Forschungsprojekt nachgehakt: GW Wakes
17.11.2016

Windfeld im Offshore-Windpark Riffgat: Absolute Windgeschwindigkeit bei angenommener konstanter Windrichtung (Pfeil). Der LiDAR-Scan wies eine konstante Elevation von 2,5 Grad auf, sodass die Messhöhe vom Zentrum hin nach außen konstant zunimmt. Im südlichen, weißen Sektor war die Sicht für das LiDAR-System versperrt, der nördliche Sektor wurde ausgeblendet, da hier der Fehler für die Berechnung der absoluten Windgeschwindigkeit zu hoch ist. Die Nachläufe der Windenergieanlagen im Park erscheinen rot, sie vermischen sich hinter dem Windpark zum Parknachlauf.
© Jörge Schneemann, ForWind – Universität Oldenburg

Gleichzeitige Messung mit verschiedenen Messsystemen: Links zu sehen ist das Windfeld gemessen mit Lidar auf Offshore-Plattform, rechts das Windfeld, welches aus den Daten des Radar-Satelliten TerraSAR-X ermittelt wurde. Die schwarzen Ellipsen markieren die Regionen mit sehr ähnlichen Turbulenzstrukturen.
© Jörge Schneemann, ForWind – Universität Oldenburg

Die Abbildung zeigt den Vergleich zwischen Modell und Messung für eine Nachlaufströmung in alpha ventus.
© Lukas Vollmer, ForWind – Universität Oldenburg

In der Grafik ist die Strömungsmessung im Windpark Riffgat mit zwei laser-optischen Fernerkundungsgeräten (LiDAR) zu sehen.
© Lukas Vollmer, ForWind – Universität Oldenburg

Offshore geht es turbulent zu

In Offshore-Windparks bekommen die vorderen Turbinen den meisten Wind ab. Dabei verursachen sie kilometerlange Wirbelschleppen mit langsamerem Wind und erhöhter Turbulenz, was die nachgelagerten Windenergieanlagen beeinträchtigt. Bisherige Verfahren, die solche Nachläufe nachahmen, sind ungenau oder sehr rechenintensiv. Um diese Nachlaufeffekte besser abbilden zu können, entwickelten Wissenschaftler ein neues Modell und eine Software, die helfen, Parks zu optimieren.

Bisher ließen sich Windströmungen und Nachläufe in großen Offshore-Windparks nur mit vereinfachten Modellen und Simulationen abschätzen oder sehr rechenintensiv simulieren. Daher untersuchten Wissenschaftler des Zentrums für Windenergieforschung (ForWind) diese Effekte genauer. Dazu gingen sie den Fragen auf den Grund, wie sich Windenergieanlagen (WEA) sowie Nachlaufströmungen durch atmosphärische Bedingungen innerhalb eines großen Offshore-Windparks beeinflussen. Das hängt von vielen Parametern ab, wie beispielsweise von Windgeschwindigkeit, Turbulenzen und vor allem der atmosphärischen Schichtung.
Die Nachlaufströmung in Offshore-Windparks wurde durch Wissenschaftler von ForWind mit den genauen aber sehr rechenintensiven sogenannten Large Eddy Simulationen (LES) berechnet, welche mit der aktuellen Wettersituation angetrieben wurden. Hierzu konnten sie unter anderem auf die Rechenressourcen eines eigenen Großrechners mit mehreren Tausend Rechenkernen zurückgreifen.

Das Fernerkundungsverfahren LiDAR – engl. für light detection and ranging – misst Luftströmungen mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung. Dazu setzten die Wissenschaftler in den Offshore-Windparks alpha ventus und Riffgat erstmals mehrere scannende LiDAR-Systeme ein, welche das turbulente Strömungsfeld hochaufgelöst vermaßen. Im Projekt GW Wakes kamen drei solcher LiDAR-Windscanner zum Einsatz, mit einer Reichweite von bis zu acht Kilometern. Die Messdaten des Strömungsfeldes konnten dann zur Untersuchung der Nachlaufeffekte und zur Validierung der durchgeführten Simulationen genutzt werden. Weiterhin konnten hochaufgelöste LiDAR-Windfelder erstmals mit Windfeldern eines Radarsatelliten verglichen werden. Dabei konnten die Wissenschaftler eine gute Übereinstimmung der Windstrukturen feststellen. Zusätzlich zu den LiDAR-Messungen wurden in den Messkampagnen meteorologische Größen erfasst und zur Ableitung der atmosphärischen Stabilität die Oberflächentemperatur des Meeres mit einer Messboje vermessen. Die Forscher kooperierten dabei mit dem RAVE-Projekt am deutschen Offshore-Testfeld alpha ventus und dem benachbarten Messmast Fino 1. Übergeordnetes Ziel des Projekts GW Wakes war es, Planungsunsicherheiten bei neuen Parks zu minimieren, die Erträge zu optimieren und die Anlagenbelastungen durch Nachlaufturbulenz zu reduzieren.

Abschattungsverluste

Um die in alpha ventus gefundenen Ergebnisse auch auf die heute in Planung befindlichen sehr großen Windparks übertragen zu können, führten die Forscher eine zweite Messkampagne im Offshore-Windpark Riffgat durch. Durch die besondere Anordnung der Windenergieanlagen in Riffgat – mit drei Reihen und jeweils zehn Anlagen – ergeben sich für bestimmte Windrichtungen Bedingungen, die auch in noch größeren Windparks zu erwarten sind. So gibt es bei Wind aus Richtung Nordost- und Südwest Rotoren, die von bis zu neun Anlagen abgeschattet werden. Im Laufe des Projektes zeigte sich, dass die größten Leistungsverluste nicht an den hinteren Windrädern auftreten, sondern an den Anlagen im Zentrum des Windparks. Der Grund: „Ein hinreichend großer Windpark wirkt auf die Strömung wie ein Hindernis, welches außen umströmt wird. Die äußeren Turbinen merken dabei bereits die Beschleunigung der Strömung an den Seiten des Hindernisses“, erklärt der Projektleiter Professor Martin Kühn von ForWind das Phänomen. Die Messungen ergaben auch, dass der Windpark die Windgeschwindigkeit noch weit mehr als zehn Kilometer stromabwärts beeinflusst.

Nachlaufmodell und Windpark-Optimierung via Software

Da Ingenieurbüros und Windparkplaner normalerweise weder die entsprechende Computerhardware noch die benötigte Zeit für sehr genaue Simulationen der Windparkströmung zur Verfügung haben, greifen sie in der Praxis meist auf stark vereinfachende Rechenmethoden und Modelle zurück. Innerhalb des Projekts GW Wakes wurde daher mithilfe der LiDAR-Messungen und den numerischen Simulationen ein neues Nachlaufmodell entworfen, welches die Nachlaufströmungen nachahmen kann. Es lässt sich für die genauere Vorhersage der Windparkleistung sowie für eine Optimierung des Park-Layouts nutzen. Dieses Modell basiert auf physikalischen Grundlagen und ist besser für die komplexen Windströmungen innerhalb eines Windparks geeignet als die vereinfachten Modelle.

Zudem realisierten die Fraunhofer Forscher die anwendungsorientierte Software flapFOAM. Dies ist eine Windpark- und Nachlaufmodellierungs-Software, die eine Leistungsvorhersage für einen Windpark mit wenig Zeitaufwand berechnen kann. In diese Berechnungen fließen die Ergebnisse von aufwändigen Simulationen einzelner Windenergieanlagen und deren Nachläufe ein, welche in flapFOAM tabellarisch hinterlegt sind.

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Infotipps

RAVE – Forschen am Offshore-Testfeld
BINE-Themeninfo I/2012

Forschen mitten im Meer
BINE-Projektinfo 17/2011