Aeroprobe - Windenergie Messungen

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Aeroprobe - WindenergieStrömungsmessungen mit Staudrucksonden

Zur Untersuchung und Überwachung der Luftströmung über die Rotorblätter von Windkraftanlagen im Labor wie in der Praxis werden Messinstrumente benötigt. Nicht nur bei dieser Art der Anwendung sind Aeroprobe-Produkte das perfekte Hilfsmittel für Untersuchungen an kleinen Modellen sowie für Strömungsmessungen an realen Windkraftanlagen im Betrieb. Beschreibungen zu Anwendungen von Aeroprobe-Produkten und ihres Einsatzes im Labor finden Sie auf anderen Seiten dieser Website. Bei Untersuchungen an realen Windturbinen kann der Luftstrom über die sich drehenden Rotorblätter durch Befestigung der Sonden an den Rotorblättern selbst oder durch Installation der Sonden mit Hilfe von Ständern vor oder hinter der Anlage erfolgen. Aeroprobe-Sonden lassen sich auch zur Ermittlung der Windverhältnissen in bestimmten geografischen Regionen einsetzen, um deren Eignung für die Errichtung von Windparks bewerten.

Für Untersuchungen an realen Windkraftanlagen empfiehlt sich die Verwendung von im wesentlichen zwei Sondenkomponenten: zum einen Fünfloch-Luftfahrt-Strömungssonden, die üblicherweise an der Vorderkante des Rotorblatts angebracht werden, um Anströmgeschwindigkeit und -richtung zu bestimmen, zum anderen Pitot-statische Mehrsondenanordnungen, die bei Installation an der Hinterkante der Rotorblätter die Stärke und das Geschwindigkeitsprofil der Grenzschicht messen. Durch die Messung des Drucks am Sondenport mit Hilfe von Druckscannern und die Anwendung geeigneter Sonden- und Sensorkalibrierungen lassen sich Strömungsgeschwindigkeit und -winkel exakt ermitteln. Bei den Vorderkantensonden handelt es sich im wesentlichen um Luftfahrt-Strömungssonden mit Statikringen zur Ermittlung des statischen Drucks. Dies ist Voraussetzung für die Berechnung der lokalen Geschwindigkeit.

Aeroprobe-Produkte werden von Unternehmen wie Sandia, GE, Vestas und Siemens eingesetzt, aber auch von staatlichen Laboren wie dem Labor für Forschung und Entwicklung im Bereich erneuerbarer Energien (NREL) des US-Energieministeriums (DOE) und vielen weiteren Forschungseinrichtungen.

Beispiele für solche Windenergie-Anwendungen finden Sie hier:

Einsatz von Aeroprobe-Staudrucksonden bei der Windenergieforschungim US-Energieministerium

Das nationale Labor für Forschung und Entwicklung im Bereich erneuerbare Energie (NREL) des US-Energieministeriums (DOE, United States Department of Energy) hat eine Forschungswindkraftanlage mit einem Rotordurchmesser von 10 m im Windkanal der NASA getestet, dem mit einer Größe von 24,4 m x 36,6 m weltweit größten Windkanal. Dieser Kanal gehört zum National Full-Scale Aerodynamics Complex (NFAC) am NASA Ames Research Center in Moffet Field, (Silicon Valley) Kalifornien, und wird in erster Linie zur Ermittlung der aerodynamischen Eigenschaften von Flugzeugen und Drehflüglern bei niedriger und mittlerer Geschwindigkeit genutzt. Der Kanal ist mit sechs 18.000-hp-Gebläsen ausgestattet, die Test-Windgeschwindigkeiten von bis zu 50 m/s erzeugen können.

Die NREL „Unsteady Aerodynamics“-Forschungswindkraftanlage wurde mit modernsten Instrumenten für die Messung der auf die Konstruktion wirkenden Kräfte sowie die aerodynamischen Eigenschaften eines sich drehenden Rotorblatts ausgestattet. Fünf von Aeroprobe gefertigte 7-Loch-Sonden wurden wie unten abgebildet an einem der Rotorblätter installiert. Die auf Spezialauslegern montierten Sonden wurden an der Vorderkante des Rotorblatts angebracht und drehen sich mit diesem mit. Die Sonden liefern Messwerte zur Stärke und Richtung der Strömung, wie sie sich vom Rotorblatt aus gesehen darstellt. Die im Windkanal getestete Anlage verfügte über 2 nicht verstellbare Rotorblätter (Stall-Regelung). Sie wurde mit konstanter Drehzahl betrieben, der Rotor befand sich dabei zur Windrichtung entweder vor oder hinter dem Turm, beim Nabentyp wurde zwischen einer starren und einer gedämpften Ausführung gewechselt. Es wurde eine breite Palette an Anstellwinkeln, Blattverstellungen, Azimutpositionen und Windgeschwindigkeiten geplant. Die NREL-Forscher konzentrierten ihre Windkanal-Testziele auf das Erreichen der Vorgaben eines internationalen Wissenschaftlergremiums, das sich aus Experten für die aerodynamischen Eigenschaften von Windkraftanlagen zusammensetzte.

Die fünf 7-Loch-Sonden von Aeroprobe wurden auf einem der Rotorblätter installiert, um die Strömungsgeschwindigkeit und -richtung zu messen, wie sie sich vom Blatt aus gesehen darstellt.

Die NREL-Forschungswindkraftanlage ist seit 1989 im National Wind Technology Center (NWTC) in der Nähe von Boulder, Colorado, in verschiedenen Konfigurationen im Betrieb getestet worden. Sie wurde im Freien bei turbulenten Windverhältnissen von bis zu 31 m/s betrieben und mit geparktem Rotorblatt Windstärken von mehr als 65 m/s ausgesetzt. Die Abbildung unten illustriert einen der Tests, bei dem u. a. Sondendaten gesammelt und eine Visualisierung der Strömungen durchgeführt wurde. Die Sonden sind an der Vorderkante des oberen Rotorblatts (schwarz) zu erkennen.

Für den Betriebstest der Anlage im Freien wurden Aeroprobe-Sonden verwendet.

Die Testdaten wurden der wissenschaftlichen Gemeinschaft über die International Energy Agency Annex XIV und Annex XVIII zur Verfügung gestellt. Nach den zusammenfassenden Berichten über die Ergebnisse haben die Windkraftanlagentests im Freien gezeigt, wie überaus komplex die dynamischen Eigenschaften einer typischen Windkraftanlagen-Betriebsumgebung sind. Die wesentlichen Gründe für diese Komplexität sind äußerst turbulente Strömungsverhältnisse und starke Scherungen in der Anströmung. Bei der Ausführung von Tests in einem Windkanal werden diese Faktoren ausgeschaltet, so dass die erfassten Daten Informationen liefern, deren Grundlage deutlich weniger durch die komplexen Anströmverhältnisse im realen Betrieb beeinflusst ist. Auf diese Weise können die Forscher spezifische dynamische Reaktionen auf Strömungsabrisse und 3-D-Rotationseffekte unter gemäßigten, stabilen Betriebsbedingungen isolieren und auswerten. Die dabei ermittelten Daten werden zur Verbesserung und Validierung ausgefeilter Konstruktionsmodelle und damit für die Analyse und die Entwicklung besonders effizienter Windkraftanlagen dringend benötigt.

Einsatz von Aeroprobe-Messtechnik im Risoe National Laboratory in Dänemark

Die auf verschiedenen Windkraftanlagen installierten Aeroprobe-Staudrucksonden haben bei vom Risoe National Laboratory und dessen Partnern ausgeführten Tests die Anströmdaten geliefert. Das Bild links zeigt die an der Rotorblatt-Vorderkante einer 2-MW-Anlage mit einer Rotorhöhe von 80 m installierten Aeroprobe-Staudrucksonden (Photos: Vestas/Siemens/Risoe National Lab). Die über die gesamte Rotorfläche erfassten Daten wurden verwendet, um die Anströmungen in den verschiedenen Teilen der durch den Rotor abgedeckten Fläche zu vergleichen. Bisher übliche Messungen in Windrichtung vor dem Turm können diese Informationen nicht liefern.

Aeroprobe Sonden an einer Windkraftanlage

Die Forscher in Risoe konnten zeigen, dass die Anströmdaten für ein Verfahren zur Ermittlung der Windscherung und Turbulenz in der freien Strömung genutzt werden können. Dieses Verfahren wurde bei Tests an einer 3,6-MW-Anlage demonstriert. Dabei zeigte sich, dass Windscherung und Turbulenz an zwei Positionen auf dem selben Rotorblatt stark voneinander abweichen können – eine Erkenntnis, die erst durch die Anwendung der Staudrucksonden gewonnen werden konnte.

Forscher in Japan verwenden kundenspezifische Staudrucksonden von Aeroprobe zur Untersuchung der instationären Aerodynamik von Windkraftanlagen

Zur Untersuchung der instationären Aerodynamik einer Windkraftanlage mit horizontaler Achse haben Forscher an der Universität Mie in Japan deren Rotorblätter mit Messgeräten versehen. Der Rotordurchmesser betrug 10 m, die Nabenhöhe betrug 13,3 m (über Boden). An drei Masten in Windrichtung vor der Turbine wurden wie in der Abbildung unten gezeigt ein Schall-Anemometer und Schaufel-Anemometer installiert, um die Eigenschaften des anströmenden Windes zu erfassen. Je nach Windrichtung und -stärke können die Rotorblätter einer Windturbine während einer Umdrehung in Bereiche von Strömungsabrissen eintreten und diese wieder verlassen. Das Ausmaß des Strömungsabrisses verändert sich hierbei über die Spannweite des einzelnen Rotorblatts.

Installation von Staurohr an Windkraftanlage

Es wurden zahlreiche Druck- und Dehnungsmesssysteme eingesetzt, um die Belastungsmomente in der Konstruktion und das Verhältnis von aerodynamischen Veränderungen zur Schwingungsfrequenz der Blattwurzel-Biegemomente zu überwachen und zu erfassen.

Die augenblicklichen scheinbaren Anströmwinkel in den verschiedenen Abschnitten des Rotorblatts wurden mit Hilfe von kundenspezifischen Siebenloch-Sonden von Aeroprobe gemessen, ihre Anbringung erfolgt in definierten Abständen wie in der Abbildung unten zu erkennen. Diese Sonden erfassten die augenblickliche Windgeschwindigkeit und -richtung im Referenzrahmen des Rotorblatts. Der Anstellwinkel des Rotorblatts und folglich die Strömungsabrissbedingungen sind über diesen Referenzrahmen definiert.

Die Forscher fanden heraus, dass beim Betrieb außerhalb des Gefahrenbereichs für Strömungsabrisse die Frequenz des Blattwurzel-Biegemoments gleich der Rotationsfrequenz ist. Tritt jedoch ein Strömungsabriss auf, wird die dominate Frequenz die Frequenz der Eigenresonanz des Blattes.