Technologie

Drohnenschwarm misst Strömungsphänomene an Windanlagen

16.03.2022 - 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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