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Projektinfos  – Energieforschung konkret

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Die Messung der Geräuschquellen erfolgt im Windkanal über Richtmikrofone und Mikrofonareale auf beiden Seiten. Messobjekt ist ein Tragflügel mit Bürstenverlängerung
© DLR, mit Genehmigung DNW-NWB
Windenergie - Lärmreduktion
Projektinfo 08/2018

Die Messung der Geräuschquellen erfolgt im Windkanal (DNW-NWB) über eine Richtmikrofonanordnung (Hohlspiegel) und 2 Mess-Arrays: Das linke Feld hat einen Durchmesser von 3 m, 140 Mikrofone und ist der Saugseite zugewandt. Das rechte hat einen Durchmesser von 1 m, 96 Mikrofone und befindet sich wie der Hohlspiegel auf der Druckseite. Messobjekt ist ein Tragflügel mit Bürstenverlängerung.
© DLR, mit Genehmigung DNW-NWB

Übersicht über die getesteten Modellvarianten ohne Hinterkantenmodifikationen. Die beiden linken Blattspitzen bei den Windkanalmodellen zeigen nach oben und nach unten gebogene Winglets.
© DLR
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Lärmarme Rotorblätter im Windkanal testen

Bei der Genehmigung von Windparks spielen die erwarteten Lärmemissionen und der dadurch erforderliche Abstand zur Wohnbebauung eine große Rolle. Um diese Emissionen zu reduzieren, haben Wissenschaftler ein gleichermaßen lärmarmes wie aerodynamisch leistungsfähiges Rotorblattprofil entworfen und entsprechende Prüfkörper in Windkanälen vermessen. Diese wurden mit passiven Minderungstechniken an der Hinterkante und modifizierten Blattspitzen kombiniert. Im Experiment wurden – abhängig von den Betriebsbedingungen – Lärmreduktionen von bis zu acht Dezibel erzielt.

Das Thema Lärm betrifft sowohl neue Windparks als auch das Repowering von Anlagen und hat einen großen Einfluss auf die Akzeptanz in der Bevölkerung. Bisher sind oft Lärmgrenzwerte der Grund, warum Windparks einen erheblichen Abstand zu Siedlungen einhalten oder nachts den Betrieb einschränken müssen. Eine Reduktion der Schallemissionen um 1, 2 oder 3 Dezibel (dB) vergrößert rechnerisch die mögliche Anzahl der Windenergieanlagen (WEA) in einem Park um 25%, 58% bzw. 100%. Dies eröffnet Gestaltungsspielräume beim Repowering. Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Braunschweig haben gemeinsam mit Partnern im Forschungsprojekt „BELARWEA – Blattspitzen für Effiziente und Lärmarme Rotoren von WEA“ die Möglichkeiten zur aeroakustischen Verbesserung untersucht. Ziel ist, den Lärm zu verringern ohne Leistung einzubüßen. Die Ergebnisse dienen der aeroakustischen Methodenerweiterung, insbesondere der Entwicklung von Simulationstools zur entwurfsunterstützenden Bewertung komplexer Geometrien (z. B. Winglets) und der Demonstration der vorhandenen Fähigkeiten im aeroakustischen Profilentwurf.

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Simulationsergebnisse aufs Testfeld bringen

Bei modernen WEA sind die Gondeln so gut lärmgekapselt, dass die Rotorgeräusche, besonders von der Hinterkante, die dominierende Lärmquelle sind. Wichtig sind dabei die äußeren 20–25% des Rotorblatts, da dort die Strömungsgeschwindigkeiten am höchsten sind.

Seit Jahren werden an WEA immer längere Rotorblätter eingesetzt. Es ist aufwendig, in der Entwicklungsphase diese Blätter auf Testständen zu erproben. Daher soll ein immer größerer Teil der Entwicklungs- und Testarbeiten mithilfe von Simulationsprogrammen erfolgen. Dies spart Zeit und Kosten. Validierte Programmteile (Tools) bilden die Ergebnisse früherer Untersuchungen bestmöglich ab, sodass – im Idealfall – die Möglichkeit besteht, im Rechner Varianten zu vergleichen und eine Vorauswahl zu treffen.

Für ein neues Blattdesign ist die aeroakustische Optimierung ein zentrales Entwicklungsziel. Gängige industrielle Methoden zur Vorhersage der WEA-Gesamtschallabstrahlung sind größtenteils empirisch. Sie beruhen auf Messdaten mit eingeschränkten Gültigkeitsbereichen und beinhalten hauptsächlich eine Geräuschabschätzung für die im Blattaußenbereich vorhandenen Profile. Im Falle von Schallquellen mit linienartiger Verteilung, z. B. Hinterkantenlärm, ist eine solche, auf 2-D-Schnitten basierende Modellierung möglich. Ist das Ziel aber, Designspielräume über das konventionelle Maß hinaus zu steigern und z. B. auch innovative Blattspitzenformen oder Lärmminderungsmaßnahmen mit komplexer Umströmung bereits im Vorentwurf zu bewerten, müssen physikbasierte, weitgehend nicht-empirische 3-DSimulationsverfahren Anwendung finden.

Hier setzt das Projekt BELARWEA an. Die Phase 1 startete mit dem Entwurf einer neuen Profilgeometrie, wobei nicht-empirische Computational Aeroacoustics-Verfahren (CAA) aus Luftfahrtanwendungen bereits entwurfsunterstützend eingesetzt wurden. Die nach Simulation beste Variante wurde für ein umfangreiches Testprogramm in verschiedenen Windkanalumgebungen ausgewählt und mit passiven Lärmminderungstechniken kombiniert. Vorrangiges Ziel der Untersuchungen war, präzise Validierungsdaten für vorhandene 2-D- und neu entwickelte 3-D-Simulationsansätze zu erhalten. Des Weiteren wurde eine Vorauswahl passiver Lärmminderungsmaßnahmen für deren späteren Einsatz an WEA-Rotoren getroffen.

Das neue Profil

Die Profilgeometrie ist wesentlich für die Schallentstehung, weil von ihr abhängt, bis zu welchem Punkt die Luftströmung laminar verläuft, ab wann sie turbulent wird und an welcher Stelle sie vom Profil abreißt. Auch der Anströmwinkel an der Vorderkante, die Strömungsgeschwindigkeit, etwaige kleine Fertigungsfehler und die Blattverschmutzung nehmen Einfluss.

Die Braunschweiger Forscher entwarfen ein aeroakustisch günstiges Profil mit der Bezeichnung RoH-W-18%c37 (nachfolgend: RoH). Dieses verglichen sie mit dem Standardprofil NACA 64-618. Für wissenschaftliche Vergleiche wird häufig die sogenannte NREL-5-MW Referenzanlage herangezogen, deren Geometrie- und Leistungsdaten allgemein zugänglich sind. Das genannte NACA-Standardprofil befindet sich im äußeren 20 – 25% Bereich dieser Anlage. Vergleiche wurden zunächst am Rechner simuliert und anschließend durch Messungen überprüft. Im größeren Windkanal (DNW-NWB) wurden die äußeren 20% des NREL-5MW-Rotorblattes im Maßstab 1:6 als Vergleichsgeometrie verwendet. Wegen der im Windkanalversuch fehlenden Rotation wurde die Geometrie angepasst, insbesondere die Blattverwindung zurückgenommen.

Die Blattspitzen heutiger moderner WEA haben wenig Einfluss auf die Lärmentstehung an Rotoren, da in diesem Bereich häufig aus akustischen und strukturellen Gründen auf Rotorleistung verzichtet wird. Winglets oder Spiroide können die Rotorleistung um bis zu 4 % erhöhen. Daher wurden auch zwei Wingletentwürfe in die Untersuchungen aufgenommen und in das Windkanalmodell mit RoH-Profilierung integriert.

Projektinfo 08/2018:
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Merkzettel

Adressen

Projektleitung BELARWEA
DLR, Standort Braunschweig

Industriebeirat BELARWEA
ENERCON GmbH

Industriebeirat BELARWEA
GE Renewable Energy

Industriebeirat BELARWEA
Nordex SE

Industriebeirat BELARWEA
Senvion Deutschland GmbH

Industriebeirat BELARWEA
Siemens Gamesa Renewable Energy

Projektleitung ActiQuiet und ActiQuieter
Universität Stuttgart, IAG

Infotipps

Das Klügere gibt nach
BINE-Projektinfo 16/2016

Die Zeitmaschine für Rotorblätter
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Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesen Projekten:

BELARWEA
ActiQuiet
ActiQuieter