2d-ALCA

Projektleitung und beteiligte FH-Angehörige: Prof. Dr. Alois Schaffarczyk, Dr. Torben Reichstein(Fachbereich Maschinenwesen)
Beteiligte Institutionen & Unternehmen: Carl von Ossietzky Universität Oldenburg (ForWind), DNV-GL
Fördermittelgeber: Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU)
Laufzeit: 16.12.2015 – 31.12.2016

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Obwohl die Nachfrage an hochaufgelösten Windgeschwindigkeitsdaten seitens der Industrie und der Forschergemeinde sehr groß ist, existieren bislang keine derartigen Messungen im Offshore-Bereich und nur sehr wenige Messungen im atmosphärischen Onshore-Bereich. Der Hauptgrund hierfür ist das Fehlen von geeigneten Messinstrumenten. Aus verschiedenen Gründen haben sich auf dem Gebiet der atmosphärischen Strömungen bisher nur robustere, jedoch nicht-hochauflösende Messmethoden etabliert. Die bekanntesten Vertreter dieser Anemometer sind Schalensternanemometer und Ultraschallanemometer. Diese Standardanemometer sind jedoch für die genaue Charakterisierung der atmosphärischen Grenzschicht ungeeignet. Das daher entworfene 2d-Atmospheric Laser Cantilever Anemometer (2D-ALCA) ist ein neuartiger Sensor, der zeitlich und räumlich hochaufgelöste Messungen in der atmosphärischen Offshore-Umgebung ermöglicht. Das 2D-ALCA soll in diesem Projekt weiterentwickelt und endgültig validiert werden. Letztlich soll eine solide Grundlage für eine Produktentwicklung in einem Unternehmen geschaffen werden. Der Offshore-Windenergieanlagenindustrie könnte somit ein neuartiges Messinstrument zur Optimierung der Anströmbedingungen von Rotorblättern an die Hand gegeben werden

Für eine bessere zeitliche Auflösung (bis etwa 10kHz) des 2D-ALCAs wurde ein gewichtsreduzierter Cantilever entwickelt und ein Prototyp gebaut. Zu diesem Zweck wurde die spiegelnde Oberfläche in den ALCA integriert.

Ergebnisse und Diskussion

Das 2D-ALCA wurde nach der Weiterentwicklung auf der Forschungsplattform FINO3 installiert und ausgiebig unter Offshore-Bedingungen getestet. Dabei konnte durch die Abdeckung eine sehr viel längere Lebensdauer im Vergleich zu einer früheren Version dieses Messgerät erreicht werden, so dass über einen längeren Zeitraum Messungen durchgeführt werden konnten. Die eingesetzten Motoren waren auch nach mehreren Monaten Aufenthalt in der Nordsee noch voll funktionstüchtig. Die atmosphärische Grenzschicht unter Offshore-Bedingungen wurde mit dem 2D-ALCA vermessen. Zeitgleich dazu wurden mit Schalensternanemometer und Utraschallanemometer Referenzmessungen durchgeführt. Beim Vergleich der gemessenen Windgeschwindigkeiten und Windrichtungen wurde eine sehr gute Übereinstimmung zwischen den verschiedenen Messmethoden beobachtet. Weiterhin konnte die Turbulenzintensität des Offshore-Windfeldes bestimmt werden. Auch hier wurden sehr gute Übereinstimmungen zwischen den Messsystemen beobachtet. Durch die viel höhere zeitliche Auflösung des 2D-ALCA konnte das Leistungsspektrum der Windgeschwindigkeit in einer neuen Qualität analysiert werden und das Kolmogorov-5/3-Gesetz des Inertialbereichs im Frequenzspektrum über 6 Dekaden experimentell nachgewiesen werden.