ISBN 9783843953108

978-3-8439-5310-8, Reihe Ingenieurwissenschaften

Patrick Letzgus
Numerische Untersuchungen von lokalen turbulenten Strömungsfeldern in komplexem Gelände und deren Interaktion mit Windenergieanlagen

204 Seiten, Dissertation Universität Stuttgart (2023), Hardcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Um den Anteil regenerativer Energiequellen in der Nettostromerzeugung zu steigern, bedarf es einer Erschließung von neuen Gebieten. In Regionen geringerer Windgeschwindigkeiten sollten lokale orographische Gegebenheiten, sogenannte komplexe Geländeformen, zur Ertragssteigerung genutzt werden.

Die vorliegende Arbeit untersucht durch hochauflösende numerische Simulationen das lokale Strömungsfeld und die Effekte auf eine Windenergieanlage in einem Windenergietestfeld auf der Schwäbischen Alb.

Die Simulationen illustrieren, dass Wälder neben einer signifikanten Abbremsung des Windes eine starke Turbulenzanfachung stromab bewirken. Die Ausbreitung ist dabei von der Orographie abhängig und die Dichte des Bewuchses bestimmt deutlich die Intensität der Nachlauffluktuationen. Auch die thermische Schichtung der Atmosphäre wirkt sich auf das turbulente Strömungsfeld aus. Die durchgeführten Strömungssimulationen zeigen bei unterschiedlichsten Bedingungen gute Übereinstimmungen mit Messdaten.

Mit Berücksichtigung der Windenergieanlage wird zunächst evaluiert, welchen Einfluss die bewaldete Hangkante auf die Zuströmung, den Nachlauf und die Momentenverteilung in der Rotorebene der Anlage hat. Der Waldnachlauf und der Anlagennachlauf durchmischen sich schnell, was zu starken turbulenten Interaktionen führt. Der Waldnachlauf beeinflusst die Leistung der Windenergieanlage negativ.

Thermische Schichtung hat ebenfalls Einfluss auf die Windenergieanlage. Größere Turbulenzintensitäten lassen den Anlagennachlauf bei labilen Bedingungen schneller zerfallen, wogegen der Nachlauf bei stabilen Bedingungen länger erhalten wird. Sowohl die größere Scherung bei stabilen Bedingungen als auch die größere Turbulenzintensität bei labilen Bedingungen wirken sich unterschiedlich auf die Lasten des Windenergierotors aus.

Die Simulationsergebnisse liefern entscheidende Aussagen über turbulente Strömungsfelder in komplexem Gelände und deren Auswirkungen auf Windenergieanlagen.