Drohnenschwarm misst Strömungsphänomene an Windanlagen
Untersuchung der dreidimensionalen Strömung und Turbulenz in der untersten Schicht der Atmosphäre.
Wind ist ein kompliziertes Gebilde aus turbulenten Strukturen, die von der Umgebung beeinflusst werden. Luftwirbel entstehen durch die Landschaft, aber auch an Gebäuden, Straßen oder Windkraftanlagen. Im Projekt ESTABLIS-UAS erforscht das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt jetzt diese Strömungsphänomene. Dazu steigt ein Drohnenschwarm auf und misst die Effekte. Mit den Ergebnissen kann zum Beispiel die Anordnung von Windkraftanlagen verbessert werden.
„Im Hinblick auf die Energiewende spielt das Verständnis der dreidimensionalen, turbulenten Strukturen eine wichtige Rolle. So können wir die Lasten verstehen, denen Windturbinen in ihrem Lebenszyklus ausgesetzt sind, und prognostizieren, welche Leistung sie ins Energienetz einspeisen“, sagt Projektleiter Norman Wildmann von DLR-Institut für Physik der Atmosphäre. Bis zu hundert Drohnen heben in einer festgelegten Formation vom Boden ab. Die unbemannten Flugsysteme messen Windeigenschaften, Temperatur und Luftfeuchtigkeit mit hoher Auflösung. Vorab wurden Versuche mit bis zu zwanzig dieser kleinen Drohnen durchgeführt. Sie sind besonders robust, damit sie auch bei größeren Windgeschwindigkeiten ihre Position halten und Ergebnisse liefern.
Windkraftanlagen erzeugen neben den schon vorhandenen Strömungsphänomenen zusätzlich eigene Wirbel. Ein Ziel der Windenergieforschung im DLR ist deswegen, ein Modell zu entwickeln, mit dem die Auswirkungen auf die Anlagen in der zweiten oder dritten Reihe deutlich werden. „Da gibt es noch einiges an Optimierungsbedarf. Die Antwort auf die Frage, wie sich der Wind an diesen Stellen verhält, ist sehr komplex“, erklärt Wildmann. „Und sie ist nicht nur von der Anlage abhängig, sondern auch von der umgebenden Atmosphäre und den Eigenschaften des umgebenden Geländes. Es geht darum, beides zu kombinieren.“
Neben den Messungen an Windkraftanlagen sind Experimente im Windkanal der Universität Oldenburg und im DLR-Forschungspark Windenergie Krummendeich geplant. Zwei weitere Messkampagnen erfolgen im Rahmen der internationalen TeamX-Initiative, die sich den komplexen Strömungen in der Grenzschicht des Gebirges widmet. Alle Experimente werden ergänzt durch numerische Simulationen. Letztlich entsteht ein umfassendes Modell für die Darstellung der turbulenten Strömung.
Die unterste Schicht der Atmosphäre wird direkt von der Erdoberfläche beeinflusst. Austausch- und Transportprozesse sind hier hauptsächlich von Turbulenz getrieben, welche sich über eine große Skala erstreckt: Manche Wirbel sind wenige Millimeter klein, andere über einen Kilometer groß. Physikalische Modelle für diesen Bereich, der vom Boden bis in etwa zweitausend Meter Höhe reicht, sind bislang noch nicht sehr genau. Wirbel aus zusammenhängenden Strukturen wie Böen, Hang- und Talwinden, Städten, Windturbinen oder Flugzeugen sind schwierig zu erfassen.
„Die ESTABLIS-UAS-Messungen füllen hier eine Beobachtungslücke zwischen sehr kleinen, lokalen Prozessen in Bodennähe und großskaligen Beobachtungen durch Fernerkundung, Forschungsflugzeuge und Satelliten“, sagt Markus Rapp, Leiter des DLR-Instituts für Physik der Atmosphäre. „Durch eine Kombination mit bodengebundenen Sensoren und Fernerkundung sind vollkommen neue Einblicke in die Interaktion von komplexen Strömungsphänomenen möglich.“ Die Modelle könnten dann auch erklären, wie Wirbel die Durchmischung der unteren Atmosphäre beeinflussen. Das ist zum Beispiel bei der Ausbreitung von Staub, Schadstoffen oder Aerosolen wichtig.
DLR / RK
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