Forschungswindpark WiValdi DLR-Projekt NearWake: Drohnen erforschen den Nachlauf von Windturbinen

Im Forschungswindpark WiValdi untersucht das DLR im Projekt NearWake den Nachlauf von Windturbinen. Hierfür kommt ein Drohnenschwarm zum Einsatz.

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) betreibt im Landkreis Stade in Niedersachsen den Forschungswindparks WiValdi. Dort testet das Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme (IWES) nicht nur ein neues Wind-Radarsystem, eine Drohnenflotte des DLR erforscht im Projekt NearWake auch den nahen Nachlauf von Windturbinen.

Im Fokus des Projekts steht die Ausbreitung des nahen Nachlaufs – auf Englisch near wake. Darunter versteht man die Strömung direkt hinter der Turbine einer Windenergieanlage. Sie ist weniger schnell und verwirbelt. Denn die Turbine entzieht der Atmosphäre Energie, indem sie den Wind abbremst und seine Bewegungsenergie in elektrische Energie – also Strom – umwandelt. Die Forscher konzentrieren sich auf eine Entfernung von maximal zwei Rotordurchmessern hinter der Turbine. Im Fall des Test-Windparks sind das 230 Meter. Die Einheit Rotordurchmesser erlaubt es, unterschiedlich große Anlagen zu vergleichen.

Projekt NearWake: Nachlauf von Turbinen

Der Nachlauf ist laut Dr. Norman Wildmann ein wichtiger und interessanter Forschungsgegenstand. Er betreut das Projekt NearWake am DLR-Institut für Physik der Atmosphäre in Oberpfaffenhofen. „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.“

Deshalb zähle die wissenschaftliche Untersuchung des Nachlaufs zu den Kernaufgaben des DLR-Windforschungsparks. Gleichzeitig sei das Thema hochaktuell für die Branche im Onshore- wie Offshore-Bereich.

Denn beim sogenannten Repowering – dem Austausch älterer durch neue Anlagen – werden die Anlagen zum einen größer und die Abstände zueinander geringer. So soll die Windenergie noch effizienter, wirtschaftlicher und flächensparender werden. „Mit größeren und näher aneinander stehenden Anlagen verändern sich aber auch 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, die auf die Anlagen wirken sowie die Betriebsführung“, erklärt Wildmann.

Drohnenschwarm erforscht Verwirbelungen

Um den Nachlauf-Effekten genauer auf die Spur zu gehen, führte drei Wochen lang ein Drohnenschwarm rund einhundert Flüge durch. Die kleinen Drohnen sind weniger als ein Kilogramm schwer und für Windmessungen optimiert. „Sie sind der Turbulenz ausgesetzt und müssen gegensteuern, um ihre Position zu halten. Sie sind also selbst kleine Wetterfahnen“, erläutert der DLR-Forscher. Ein am DLR entwickelter Algorithmus bringt die gesammelten Messdaten zusammen und wertet sie aus.

Ein erstes Ergebnis: 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.

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