Innovativer Forschungsansatz: DLR untersucht Nachlauf an Windturbinen mit Drohnenschwarm

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Oberpfaffenhofen-Wessling – Beim Betrieb von Windparks entstehen hinter den Turbinen durch die Abbremsung des Windes Verwirbelungen. Diese Turbulenzen können zu Leistungseinbußen und höheren mechanischen Belastungen der Windkraftanlagen führen. Eine präzise Analyse und Modellierung der Nachläufe ist daher von hoher Bedeutung, um Windparks effizienter und langlebiger zu gestalten.

Wie beeinflussen Wirbelschleppen hinter Windturbinen die Leistung ganzer Windparks? Dieser Frage geht das DLR im Projekt NearWake nach – mit einem Drohnenschwarm, der erstmals den direkten Nachlauf an den Forschungsanlagen im Forschungspark Windenergie WiValdi in Krummendeich vermessen hat. Ziel ist es, Windparks künftig effizienter und wirtschaftlicher zu gestalten.

Turbulenter Nachlauf: Herausforderung für Windparks

Der Nachlauf (NearWake) von Windenergieanlagen, also die Strömung direkt hinter den Windturbinen, ist alles andere als eine nebensächliche Strömung. Direkt hinter dem Rotor wird der Wind abgebremst und verwirbelt, was deutliche Auswirkungen auf den Betrieb nachgelagerter Anlagen haben kann. „Der Nachlauf ist ein wichtiger und interessanter Forschungsgegenstand. Meistens stehen Windenergieanlagen nicht allein, sondern zu mehreren in Windparks. Das bedeutet, der Nachlauf der einen Anlage trifft auf die nachfolgenden Anlagen. Das kann deren Leistung und die Lasten, die auf Rotorblätter und Anlagen wirken, erheblich beeinflussen“, erklärt Dr. Norman Wildmann, der das Projekt NearWake am DLR-Institut für Physik der Atmosphäre in Oberpfaffenhofen betreut.

Gerade weil Windparks im Zuge des Repowerings immer dichter gebaut werden und neue, größere Turbinen bestehende ersetzen, steigt die Bedeutung der Nachlaufforschung enorm. „Mit größeren

und näher aneinander stehenden Anlagen verändern sich die Nachlauf-Effekte. Sie werden deutlich turbulenter und damit komplexer. Die Physik im nahen Nachlauf beeinflusst zudem den fernen Nachlauf und dieser wiederum die Lasten sowie die Betriebsführung“, so Wildmann weiter.

Drohnen halten Formation trotz Verwirbelung - Messen, wo kein Mast hinkommt

Im Projekt NearWake hat ein DLR-Team vor Ort in Krummendeich nun eine technologische Premiere realisiert: Erstmals wurde der nahe Nachlauf direkt hinter zwei Windturbinen mit einem Drohnenschwarm vermessen. Zehn eigens optimierte Drohnen flogen dabei in einer präzise abgestimmten Formation zwischen den Anlagen OPUS 1 und OPUS 2 im Forschungspark WiValdi in Krummendeich. Die Drohnen positionierten sich in zwei Linien zu jeweils fünf Stück. Die erste Linie einen halben (57,5 Meter) und die zweite Linie einen ganzen Rotordurchmesser (115 Meter) hinter der ersten Anlage. Dann hieß es, die Position bestmöglich für 15 Minuten zu halten. „Sie sind der Turbulenz ausgesetzt und müssen gegensteuern, um ihre Position zu halten. Sie sind also selbst kleine Wetterfahnen“, beschreibt Wildmann den herausfordernden Einsatz der leichten Fluggeräte.

Drei Wochen lang führte das Team rund einhundert Flüge erfolgreich durch. „Auch im nahen Nachlauf haben die Flugmanöver zuverlässig funktioniert, sodass wir umfassende und qualitativ hochwertige Daten sammeln konnten. Diese Daten entsprechen den Daten, die die stationär verbauten Messgeräte aufzeichnen,“ bilanziert Wildmann.

Besonders interessant: Speziell die besonders turbulenten Luftwirbel an den Blattspitzen bewegen sich mit dem Wind im Nachlauf weiter mit als bisher angenommen und sind eine wichtige Größe. Wie schnell sie sich auflösen, hängt vor allem von der Atmosphäre und dem Wetter ab. Je genauer man die Prozesse und Zusammenhänge im nahen Nachlauf versteht, desto besser lässt sich am Computer simulieren, was zwischen den Anlagen passiert und wie sie sich beeinflussen.

Am Ende sollen die Erkenntnisse aus NearWake nicht nur in präzisere Simulationen einfließen, sondern der Branche helfen, Windparks effizienter zu planen und zu betreiben. „So können wir in Zukunft viel exakter berechnen, welche Leistungen und Lasten erwartbar sind. Das unterstützt die Industrie dabei, Turbinen und ganze Windparks besser auszulegen und den Betrieb entsprechend zu gestalten,“ betont Wildmann. Hersteller und Betreiber zeigen bereits reges Interesse an den Ergebnissen.

Weitere Infos zum Projekt NearWake

Die Federführung des Projekts NearWake liegt beim Windenergieanlagenhersteller Enercon und Wobben Research & Development (WRD). Mit beiden Partnern arbeitet das DLR intensiv im Forschungspark WiValdi zusammen. Zu den weiteren Projektteilnehmenden von NearWake zählen die Technische Universität München (TUM), das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) sowie die Carl von Ossietzky Universität Oldenburg (ForWind). Das Projekt läuft noch bis 2026.

Quelle: IWR Online

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