Einflüsse von unterschiedlichen atmosphärischen Bedingungen auf die Induction Zone von Windturbinen

Beim Betrieb einer Windkraftanlage wird die Windgeschwindigkeit bereits vor dem Rotor durch den Vorstaueffekt im Vergleich zur freien Strömung abgebremst.  Dieser Bereich wird als sogenannte „Induction Zone “ (IZ) bezeichnet.  Besondere Bedeutung bekommt dieser Effekt bei großen Offshore Windparks, wenn sich die IZ mehrerer Turbinen überlagern und es zur Ausbildung des „Global Blockage Effect“ (GBE) kommt und die Strömung noch stärker abgebremst wird als für Einzelanlagen.

Ausprägung und Stärke der IZ hängen von atmosphärischen Bedingungen wie auch technischen Parametern der Windturbinen ab.  Am besten kann die IZ mittels Fernerkundungsmethoden wie Lidar vermessen werden, da es so möglich ist, die Einströmbedingungen in verschiedenen Distanzen vor dem Rotor bis in den Bereich der freien Anströmung hin zu erfassen. Dies ist insbesondere wichtig, da bei der Beurteilung der Performance von Windkraftanlagen, der sogenannten Leistungskurvenvermessung, das Verhältnis zwischen freier Windgeschwindigkeit und produzierter Leistung bewertet wird. Hierfür wird standardmäßig die Windgeschwindigkeit in 2.5 Rotordurchmessern vor der Anlage als freie Geschwindigkeit angesetzt.

Für die hier gezeigten Auswertung werden verschiedene Messungen in der IZ On- und Offshore betrachtet. Neben Sensitivitätsstudien zur Leistungskurvenvermessung wird auch untersucht, wie sich die Strömungseffekte um eine Anlage herum entwickeln, wie die relevanten Parameter zur Strömungsmodellierung angepasst werden können und wie der Nachlauf von benachbarten Turbinen die Ausprägung der IZ beeinflussen kann. Darüber hinaus wird auch der Einfluss der Oberflächenrauigkeiten im Vergleich der Onshore und Offshore Standorte betrachtet. Ein weiterer Punkt ist der Vergleich mit den standardmäßig auf den Gondeln installierten Anemometern, die über eine sogenannte „Nacelle Transfer Function“ (NTF) auf eine reale, freie Windgeschwindigkeit skaliert sein sollten.

Bei der Onshore Kampagne ermöglicht ein großer, freier Anströmsektor die ungestörte IZ und damit die Einflüsse von atmosphärischer Stabilität, Turbulenz und Turbinenzustand auf den Geschwindigkeitsgradienten zu untersuchen. Weiterhin gibt es Perioden mit klar definierten Windrichtungen, in denen der Nachlauf von einer oder mehreren Turbinen und somit der Einfluss auf das horizontale Profil  isoliert werden kann.

Bei der Offshore Kampagne findet die Messungen bereits innerhalb der GBE Zone statt.  Es werden neben den Messungen mit Gondellidaren auch Lidar-Scanner im Dual Doppler Verfahren eingesetzt, um Gradienten aus größeren Entfernungen und die Bereiche der freien Anströmung zu erfassen. Hierfür ist auch interessant, wie sich die Korrelationen mit dem Geschwindigkeitsfeld direkt vor dem Rotor für die unterschiedlichen Stabilitäts- und Anströmbedingungen ändern.

Die vorgestellten Messungen zeigen für alle Standorte, dass sich die IZ weit über 2.5 Rotordurchmesser stromaufwärts erstreckt. Eine Abschätzung der Leistungskurve kann somit auf zu geringen Windgeschwindigkeiten basieren und zu energiereicheren Kurven führen, als tatsächlich vorliegen. Verschiedene Sensitivitätstests zeigen die Stärke dieses Effekts. Die Kombination aus Daten von Gondel- und Long-Range-Lidargeräten wird hier erstmalig zur Modellverifikation und zur Modellierung des GBE angewendet.