Measured and Modelled Turbulence Effects on Wind Turbine Wakes With Particular Focus on the Modelling of Vertical Momentum Influx Into Wind Farm Wakes

Abstract

Die vorliegende Arbeit fußt auf experimentellen Messungen hinter Windenergieanlagen (WEA). Es werden der Nachlauf hinter einer WEA und die Zuströmung in verschiedenen Abständen vermessen. Diese Daten sind die Grundlage für eine Prozesskette im Projekt HeliOW (Heli- koptereinsätze in Offshore Windparks), in welchem u.a. der Nachlauf einer 4,5 MW Offshore- WEA modelliert und mit den UAS Daten validiert wird. Dabei liegt der Fokus auf der Untersuchung des Einflusses der Turbulenz hinter WEA und wie diese sich im Nachlauf verh ¨alt. Die einzigartigen Messungen bilden abgelöste Blattspitzenwirbel (BSW) ab, welche als Referenz in CFD-Rechnungen (computational fluid dynamic, dt. rechnergestützte Strömungsdynamik) eingehen. UAS Messungen im Nachlauf zwischen 0,5 und fünffachem Rotordurchmesser D zeigen das Verhalten des Winddefi zits im nahen und mittleren Nachlaufbereich auf. Basierend auf diesen Messungen wurde ein analytisches Modell des Nachlaufs von WEA erstellt. Dieses Modell names SWIFFR (simple wind farm far fi eld recovery) basiert auf den Reynolds- gemittelten Navier-Stokes Gleichungen und nutzt den atmosphärischen turbulenten Impulsfluss als treibende Kraft, welche das Winddefi zit abbaut und kinetische Energie in die vormals durch die WEA gestörte Atmosphärenschicht einträgt. Das Modell wurde im weiteren Verlauf auch auf Nachlaufdaten von Windparks angewandt. Hier wurde ein Vergleich zum EFFWAKE Modell durchgeführt, welches einen exponentiellen Verlauf des Winddefizits annimmt. Es kann gezeigt werden, dass das SWIFFR Modell die Windgeschwindigkeiten im Nachlauf von Windparks genauer abbildet. Das EFFWAKE Modell gilt als Vertreter der top-down Modelle, in welchen die analytische Lösung aus den die Atmospähre beschreibenden Gleichungen hergeleitet wird. Das SWIFFR Modell wird ebenso mit dem etablierten Frandsen Modell (bottom-up) verglichen. Hierbei wird der kinetische Energieverlust der Atmosphäre im Nachlauf rein aus der Perspektive der Turbinenmechanik errechnet. Das SWIFFR Modell bietet die Möglichkeit beide Ansätze zu verbinden. Im Bereich der Messsensorik wurden Durchbrüche auf dem Gebiet der turbulenten Luftfeuchtemessung erlangt. Es wurde ein Taupunktspiegel entworfen und entwickelt, welcher auf luftgestützten Messplattformen zum Einsatz kommt. Für solche Einsatzzwecke gibt es keine kommerziellen Lösungen, da diese in der Regel zu schwer und zu groß sind. Die Neuentwicklung des Sensors wird gegen kommerzielle hochgenaue Luftfeuchtesensoren, montiert auf meteorologische Messt¨urmen, verglichen. Ebenso wird die Taupunktmessung mit einem LI- COR LI-7500RS verglichen, welches auch den Vergleich turbulenter Messgrößen erlaubt. Der neu entwickelte Taupunktspiegelsensor ermöglicht Messungen des turbulenten Taupunkts bis zu 10 Hz. Mit einem solchen Sensor eröffnen sich neue Möglichkeiten, Phänomene in der unteren Atmosphäre zu untersuchen, bei welchen die turbulenten Feuchteflüsse oder Dichteschwankungen der Luft eine zentrale Rolle spielen. Somit lassen sich erstmals auch auftriebsabhängige Strömungen, z.B. im Nachlauf von Windparks in Zukunft detailiert untersuchen.