Computermodelle zeigen klare Vorteile bei neuen Arten von Windkraftanlagen

(WK-intern) – Forscher haben die Fluiddynamik von Mehrrotor-Windkraftanlagen und deren Wechselwirkung in Windparks modelliert. Die Forschung zeigt einen klaren Vorteil für ein Turbinenmodell mit vier Rotoren.

Mit ihrem Durchmesser von 220 Metern sind die Windkraftanlagen des zukünftigen Windparks Dogger Bank in der Nordsee die bislang größten der Welt. Aber groß, größer, am größten ist nicht unbedingt das Beste, wenn es um Windkraftanlagen geht.

Forscher der Aarhus University und der Durham University in Großbritannien haben die Fluiddynamik von Windturbinen mit mehreren Rotoren mithilfe hochauflösender numerischer Simulationen modelliert. Es stellt sich heraus, dass Windturbinen mit vier Rotoren auf einem Fundament eine Reihe von Vorteilen haben.

Eine Windkraftanlage gewinnt Energie aus dem einströmenden Wind, aber wenn der Wind durch die Schaufeln der Turbine strömt, entsteht ein Bereich mit niedrigeren Windgeschwindigkeiten und höheren Turbulenzen, der als Windkraftanlagen-Nachlauf bezeichnet wird. Eine zweite Windkraftanlage stromabwärts ist von diesen Turbulenzen auf verschiedene Weise betroffen. Erstens produziert es weniger Energie und zweitens wird die strukturelle Belastung erhöht.

„In der Studie haben wir festgestellt, dass sich Turbulenzen und Ströme nach den Turbinen bei Mehrrotorturbinen viel schneller erholen. Dies bedeutet, dass bei Mehrrotoren eine zweite Turbine stromabwärts mehr Energie erzeugt und weniger Last und Belastung ausgesetzt ist, da die Turbulenzen entsprechend geringer sind “, sagt Mahdi Abkar, Assistenzprofessor für Tenure Track am Department of Engineering in Aarhus Universität und Experte für Strömungsphysik und Turbulenzen.

Weniger Kosten, weniger Aufwand, mehr Energie
Eine Windkraftanlage mit mehr als einem Rotor erzeugt weniger Turbulenzen und der Wind wird schneller „wiederhergestellt“, was eine höhere Energieabgabe bedeutet. Und dies ist ein wichtiges Wissen in einer Zeit, in der Windkraftanlagen immer größer und damit auch immer teurer werden.

„Sie können Ihre Energieabgabe jederzeit erhöhen, indem Sie den Durchmesser der Rotorblätter vergrößern. Der Bau dieser massiven Konstruktionen mit Durchmessern von mehr als 150 Metern ist jedoch mit großen strukturellen Herausforderungen verbunden. Der Materialbedarf steigt, der Transport der Strukturen ist umständlich und teuer und die Wartung der Windkraftanlagen wird teurer “, sagt Mahdi Abkar.

„Die optimale Konstruktion ist eine Turbine mit vier Rotoren, die so weit wie möglich voneinander entfernt sind. Letztere führt zu weniger nachgeschalteten Turbulenzen und einer schnelleren Stabilisierung des Nachlaufs hinter den Windkraftanlagen.“ Tenure Track-Assistent Professor Mahdi Abkar.

Eine Turbine mit vier Rotoren kostet ca. 15% weniger zu bauen als eine Turbine mit einem Rotor, obwohl die Schaufeln insgesamt den gleichen Bereich abdecken. Gleichzeitig ist eine Konstruktion mit vier Rotoren viel leichter und daher leichter zu transportieren. Und wenn einer der Rotoren nicht mehr funktioniert, erzeugt der Rest der Turbine im Gegensatz zu normalen Windkraftanlagen immer noch Energie.

Darüber hinaus haben die Forscher herausgefunden, dass einzelne Mehrrotorturbinen tatsächlich etwas mehr Energie produzieren als Einrotorturbinen: Ca. 2 mehr.

„Wir haben verschiedene Geometrien und Dynamiken von Mehrrotorturbinen untersucht und festgestellt, dass die optimale Konstruktion eine Turbine mit vier Rotoren ist, die so weit wie möglich voneinander entfernt sind. Letzteres führt zu weniger nachgeschalteten Turbulenzen und einer schnelleren Stabilisierung des Nachlaufs hinter den Windkraftanlagen “, sagt Professor Mahdi Abkar, Assistent der Tenure Track.

Computer models show clear advantages in new types of wind turbines

Researchers have modelled the fluid dynamics of multi-rotor wind turbines, and how they interact in wind farms. The research demonstrates a clear advantage for a turbine model with four rotors.

With their 220-metre diameter, the wind turbines at the future Dogger Bank wind farm in the North Sea are the world’s largest yet. But large, larger, largest is not necessarily the best when it comes to wind turbines.

Researchers from Aarhus University and Durham University in the UK have modelled the fluid dynamics of multi-rotor wind turbines via high-resolution numerical simulations, and it turns out that wind turbines with four rotors on one foundation have a number of advantages.

A wind turbine harvests energy from the incoming wind, but when the wind passes through the blades of the turbine, a region with lower wind speeds and higher turbulence is created called wind turbine wake. A second wind turbine downstream is affected by this turbulence in several ways. First of all, it produces less energy, and secondly, the structural load is increased.

“In the study, we found that turbulence and currents in the wake of the turbines recover much faster with multi-rotor turbines. This means that, with multi-rotors, a second turbine downstream will produce more energy and will be subjected to less load and stress, because the turbulence is correspondingly smaller,” says Mahdi Abkar, tenure track assistant professor at the Department of Engineering, Aarhus University and an expert in flow physics and turbulence.

Less cost, less hassle, more energy
A wind turbine with more than one rotor creates less turbulence, and the wind is “restored” faster, which means a higher energy output. And this is important knowledge at a time when wind turbines are becoming increasingly larger, and thereby also increasingly expensive.

“You can always increase your energy output by increasing the diameter of the rotor blades, but there are major structural challenges in building these massive constructions with diameters exceeding 150 metres. The material requirements increase, the transport of the structures is cumbersome and expensive, and it becomes more costly to maintain the wind turbines,” says Mahdi Abkar.

„The optimum construction is a turbine with four rotors as far apart as possible. The latter results in less downstream turbulence and a faster stabilisation of the wake behind the wind turbines” Tenure Track Assistant Professor Mahdi Abkar.

A turbine with four rotors costs approx. 15% less to construct than a turbine with one rotor, even though the blades cover the same area in total. At the same time, a construction with four rotors is much lighter and therefore easier to transport. And if one of the rotors stops working, the rest of the turbine will still produce energy, unlike ordinary wind turbines.

In addition, the researchers have found that individual multi-rotor turbines actually produce slightly more energy than single- rotor turbines: approx. 2% more.

“We’ve explored several different geometries and dynamics of multi-rotor turbines and have found that the optimum construction is a turbine with four rotors as far apart as possible. The latter results in less downstream turbulence and a faster stabilisation of the wake behind the wind turbines,” says Tenure Track Assistant Professor Mahdi Abkar.

PM: University Aarhus

PB: Mahdi Abkar, Assistant Professor