Aeroakustische Schallquellen und Maßnahmen zur Schallreduktion an Windenergieanlagen

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1 Aeroakustische Schallquellen und Maßnahmen zur Schallreduktion an Windenergieanlagen Stefan Becker Institut für Prozessmaschinen und Anlagentechnik Fluidsystemdynamik und Strömungsakustik Universität Erlangen-Nürnberg Cauerstr Erlangen Bild: Kurt Fuchs

2 Vortragsübersicht o Einleitung o Standortlage, Windbedingungen o Bauformen Horizontalachsige Windturbinen (VAWT) Vertikalachsige Windturbinen (VAWT) o Schallquellen Aeroakustische Schallquellen Untersuchungsverfahren o Schallminderungsmaßnahmen o Zusammenfassung und Ausblick 2 Becker, Windenergieanlagen, DEGA Symposium,

3 Klassifizierung von Windenergieanlagen Bezeichnung Nennleistung Einsatzgebiete Mikrowindenergieanlagen 0 bis 5 kw Einfamilienhäuser: Stromnetzanbindung oder Inselsystem Miniwindenergieanlagen 5 bis 30 kw Gewerbebetriebe, landwirtschaftliche Betriebe, Wohnanlagen: Stromnetzanbindung Mittelwindenergieanlagen 30 bis 50 kw Gewerbebetriebe, landwirtschaftliche Betriebe: Mittelspannungsanschluss Großwindenergieanlagen > 50 kw Off onshore Windanlagen, Einzelanlagen und Windparks Anbindung Energienetz der Stromversorger Quelle: J. Twele et al.: Qualitätssicherung im Sektor der Kleinwindenergieanlagen, Bundesverband Windenergie e.v., Berlin Becker, Windenergieanlagen, DEGA Symposium,

4 Bauformen Windenergieanlagen Rotorausrichtungen Horizontale Achsen Vertikale Achse Savonius Darrieus Antriebs und Widerstandsläufer 4 Becker, Windenergieanlagen, DEGA Symposium,

5 Bauformen von Windenergieanlagen Horizontalachsige Windturbinen (HAWT) Vorteile Hoher Leistungsbeiwert (real bis zu 52%) Nachteile Windnachführung notwendig Masthöhe Geräuschpegel Blattwinkelverstellung Schattenwurf Vertikalachsige Windturbinen (VAWT) Vorteile Nachteile Windrichtungsunabhängig Leistungsbeiwert bei maximal 42% Getriebe/Generator kann am Boden installiert werden Nutzung turbulenter bodennaher Winde Leiser als HAWT Kein Selbstanlauf (z.b. bei Darrieus) Bei großen Anlagen werden Abspanndrahte benötigt 5 Becker, Windenergieanlagen, DEGA Symposium,

6 Schall von Windturbinen Schallentstehung u.a. Bauform, Bauart, räumliches und zeitliches Windfeld Schallausbreitung u.a. Standortlage, Witterungsbedingungen Schallempfindung u.a. Schalldruckpegel, Psychoakustik 6 Becker, Windenergieanlagen, DEGA Symposium,

7 Schallquellen von Windenergieanlagen Strömungsinduzierte Strukturschwingungen Vibrationsschall Strömungsschall Blatt- Tower Interaktion Quelle: Wagner, Wind Turbine Noise, Springer, Becker, Windenergieanlagen, DEGA Symposium,

8 Standort Standort charakterisiert die Anströmbedingungen Akustik Windrichtung Turbulenter und laminarer Wind Rauhigkeitsverhältnisse Umgebung (Hindernisse) Zeitliches und räumliches Windfeld Grenzschicht im sub-/urbanen Bereich Quelle: Rotach M, et al. (2005), BUBBLE an Urban Boundary Layer Meteorology Project, Theor. Appl. Climatol. 81, , 8

9 Schallquellen von Windenergieanlagen (HAWT) Schallortung mittels Mikrofonarraytechnik Arrayanordnung Quelle: S. Oerlemans, Thesis University of Twente, Enschede 9 Becker, Windenergieanlagen, DEGA Symposium,

10 Optmierungsstrategie Modelluntersuchungen - Definierte Anströmbedingungen - Reproduzierbare Versuchsparameter - Kostengünstiger Modellbau - Komplementärer Einsatz numerischer und experimenteller Verfahren Übertragung Prototyp - Ähnlichkeitsgesetze Freifeldmessungen Windenergieanlage 10 Becker, Windenergieanlagen, DEGA Symposium,

11 Experimentelle Modelluntersuchungen (VAWT) Original Modelluntersuchungen Quelle: 11 Becker, Windenergieanlagen, DEGA Symposium,

12 CAA Hybride Verfahren Strömungsfeld Akustikfeld o Unterschiedliche Energieinhalte o Unterschiedliche Gitter o Verschiedene räumliche und zeitliche Auflösung o Unterschiedliche Rechengebietsgrößen 12 Becker, Windenergieanlagen, DEGA Symposium,

13 Strömungsfeld und akustische Quellterme Darrieus - Rotor Geschwindigkeitsfeld Lighthill Analogie Akustische Quellterme 13 Becker, Windenergieanlagen, DEGA Symposium,

14 Schallfeld (VAWT) - Darrieus - Rotor Akustisches Feld Numerik - Experiment 14 Becker, Windenergieanlagen, DEGA Symposium,

15 Schallminderung von Windenergieanlagen (VAWT) Bauformmodifikation Blattspitzenwirbel Quelle: Quiet Revolution Schallreduktion:? Quelle: 15 Becker, Windenergieanlagen, DEGA Symposium,

16 Schallminderung von Windenergieanlagen (HAWT) Blattoptimierung Hinterkantenschall Blattspitzenwirbelschall ca. 2-3 db Quelle: Patent application number: Patent : US A1 ca. 5-6 db Schallreduktion ca. 4 db Quelle: S. Oerlemans, Thesis University of Twente, Enschede 16 Becker, Windenergieanlagen, DEGA Symposium,

17 Zusammenfassung und Ausblick o Analyse der aeroakustischen Quellterme Vibrationsschall und Strömungsschall Dominierend Blattflügelschall (Vorderkante, Hinterkante, Blattspitzen) Einfluss zeitliches und räumliches Windprofil o Untersuchungsmethoden Modelluntersuchungen Komplementärer Einsatz numerischer und experimenteller Verfahren Akzeptable Übereinstimmung Numerik - Experiment o Schallminderungsmaßnahmen Schallquellen Maßnahmen zur Schallreduktion Offene Fragen: Einfluss des Windprofils, Standortlage Interaktion mehrerer Windkraftanlagen (Windparks) Kleinwindenergieanlagen in wohnnaher Umgebung Schallbewertung (u.a. Psychoakustik, Infraschall, Gesundheitsrisiko) 17 Becker, Windenergieanlagen, DEGA Symposium,