Windturbulenz

Messung und Analyse hochfrequenter Turbulenzanteile (< 10 kHz) im Offshore-Wind zur Optimierung von aerodynamischen Blattprofilen

Fachhochschule Kiel, Institut für Konstruktion und Entwicklung
Prof. Dr. Alois Peter Schaffarczyk

Ziel des Projektes ist die Untersuchung von Turbulenzen im On- und Offshore-Wind. Hierfür werden mit piezoelektrischen Messgebern hochfrequente aerodynamische Windanteile an unterschiedlichen Standorten gemessen.

Ein weiteres Ziel ist die Analyse des Einflusses des Turbulenzanteils auf den Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung und einer entsprechenden Rotorblattoptimierung. Die Onshore-Messungen zeigen, dass sinnvolle Ergebnisse erzielt werden können und dass gemittelte Messwerte vergleichbar mit solchen von Schalenstern-Anemometern sind. Die Offshore-Messungen werden ab dem Herbst auf der Forschungsplattform FINO3 stattfinden. Sie werden begleitet von numerischen Strömungssimulationen zweidimensionaler Rotorblattprofile und der Stabilitätsanalyse der Grenzfläche mittels einer vereinfachten en-Methode. Messwerte und Simulationsdaten werden dann kombiniert zur Rotorblattoptimierung eingesetzt.

Es ist zu erwarten, dass der Offshore-Wind weniger turbulent ist, was weit reichende Folgen für die Blätter und Profile einer Windanlage hat. Die im Onshore-Bereich angewandten turbulenten Profile können durch sogenannte Laminarprofile ersetzt werden. Diese sind wegen ihres geringeren Reibverlustes ertragsreicher.

Alois Peter Schaffarczyk and Andreas Jeromin: Measurements of High-Frequency Atmospheric Turbulence and Its Impact on the Boundary Layer of Wind Turbine Blades. Applied Sciences 2018, 8(9), 1417.

Abstract
To gain insight into the differences between onshore and offshore atmospheric turbulence, pressure fluctuations were measured for offshore wind under different environmental conditions. A durable piezo-electric sensor was used to sample turbulent pressure data at 50 kHz. Offshore measurements were performed at a height of 100 m on Germany’s FINO3 offshore platform in the German Bight together with additional meteorological data provided by Deutscher Wetterdienst (DWD). The statistical evaluation revealed that the stability state in the atmospheric boundary does not seem to depend on simple properties like the Reynolds number, wind speed, wind direction, or turbulence level. Therefore, we used higher statistical properties (described by so-called shape factors) to relate them to the stability state. Data was classified to be either within an unstable, neutral, or stable stratification. We found that, in case of stable stratification, the shape factor was mostly close to zero, indicating that a thermally stable environment produces closer-to Gaussian distributions. Non-Gaussian distributions were found in unstable and neutral boundary layer states, and an occurrence probability was estimated. Possible impacts on the laminar-turbulent transition on the blade are discussed with the application of so-called laminar airfoils on wind turbine blades.

Vom 17. bis 19 Juni 2013 fand die International Conference on Aerodynamics of Offshore Wind Energy Systems and Wakes (ICOWES2013) in Kopenhagen statt. Dort hielt Professor Alois P. Schaffarczyk einen Vortrag mit dem Titel: Relating high-frequency offshore turbulence statistics to boundary layer stability.

Der Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben "Messung und Analyse hochfrequenter Turbulenzanteile (< 10 kHz) im Offshore-Wind zur Optimierung von aerodynamischen Blattprofilen", Förderkennzeichen 0327533A, für den Projektzeitraum 01.07.2009–30.06.2012 steht hier zum Download bereit.

Andreas Jerommin and Alois Peter Schaffarczyk: Measurement of high frequency pressure fluctuations at German off-shore platform FINO3, EWEA Offshore 2011, Amsterdam, The Netherlands, Nov. 2011

Für das Projekt "Messung- und Analyse hochfrequenter Turbulenzanteile im Offshore-Wind" wurden die turbulenten Schwankungen des Drucks aufgezeichnet und analysiert. Für einen ersten Vergleich bei ähnlichen Randbedingungen wie Windgeschwindigkeit und Turbulenzgrad, wurden zwei Messreihen ausgewertet und verglichen. Das Besondere ist, dass eine Messreihe an Land aufgezeichnet wurde, die andere Messreihe stammt von der Plattform FINO3. Damit ist erstmals ein Vergleich dieser hochfrequenten Turbulenzanteile weltweit möglich.

Daniela Schwab and Alois Peter Schaffarczyk: Advanced investigation into the influence of high frequency turbulence on wind turbine blades, The 3rd Conference of Making Torque from Wind, Crete, Greece, 28-30 June 2010

Abstract
In order to design wind turbines knowledge of the flow field including the high frequency part and the boundary layer at the rotor blade is important. Due to the complexity of the experimental setup, only few results exist. For this reason two research projects are conducted at the University of Applied Sciences in Kiel:

The objective of the first project is the examination of onshore / offshore wind fields and the measurement of high frequency aerodynamic turbulence by a piezo electric transducer. Onshore measurements show that time-averaged parameters like the turbulence intensity are comparable to those of cup anemometers and that there is no clear difference between the measurements from sea- and landside. The decrease of the obtained power spectral density follows a power law with a comparable exponent as those of Kolmogrow. The offshore measurements will be realized at FINO3, a research measurement platform, which will start operating in summer 2010.

By means of a so called aerodynamic glove the boundary layer at a wind turbine blade during rotation under normal working conditions is investigated. The purpose of this project is to develop and install the measuring setup, which consists of pressure taps in circumferential direction and a hot-film to determine the state of the boundary layer: laminar or turbulent. The experimental results shall at first enlarge the experimental database.

Both measurements are accompanied by CFD calculations of two-dimensional blade profiles and stability analysis of the boundary layer by a simplified eN-method. Initial calculations point up the influence of the N-factor on the results and the need of its accurate determination.

Daniela Schwab and Alois Peter Schaffarczyk: Comparing on- and offshore aerodynamic turbulence by measurement, European off shore wind energy conference Stockholm, Sweden, Sept. 2009

Abstract
Ziel des Projektes ist die Untersuchung von Turbulenzen im On- und Offshore-Wind. Hierfür werden mit piezoelektrischen Messgebern hochfrequente aerodynamische Windanteile an unterschiedlichen Standorten gemessen. Ein weiteres Ziel ist die Analyse des Einflusses des Turbulenzanteils auf den Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung und einer entsprechenden Rotorblattoptimierung. Die Onshore-Messungen zeigen, dass sinnvolle Ergebnisse erzielt werden können und dass gemittelte Messwerte vergleichbar mit solchen von Schalenstern-Anemometern sind. Die Offshore-Messungen werden ab dem Herbst auf der Forschungsplattform FINO3 stattfinden. Sie werden begleitet von numerischen Strömungssimulationen zweidimensionaler Rotorblattprofile und der Stabilitätsanalyse der Grenzfläche mittels einer vereinfachten en-Methode. Messwerte und Simulationsdaten werden dann kombiniert zur Rotorblattoptimierung eingesetzt.