Schallemission von Windturbinen: Ein modellbasiertes Verfahren zur Reduktion der Amplitudenmodulation durch individuelle zyklische Blattverstellung

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Reduktion bzw. Eliminierung der Amplitudenmodulation des strömungsinduzierten Schalls von dreiblättrigen axialen Windturbinen. Einschränkend wird nur die sogenannte „normale“ Amplitudenmodulation betrachtet, welche überwiegend in der unmittelbaren Umgebung der Turbine wahrgenommen wird. Diese entsteht hauptursächlich durch die Schallquellen an den umströmten Hinterkanten der Rotorblätter, die sich auf einen Hörer am Boden zu- und wegbewegen. In der Literatur wird zudem von der sogenannten „anderen“ Amplitudenmodulation berichtet, welche in großer Distanz zur Windturbine wahrgenommen werden kann. Dieses Phänomen ist nicht Thema der vorliegenden Arbeit.
Als Reduktionsmethode wird die individuelle zyklische Pitchverstellung der Rotorblätter betrachtet. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die notwendigen Pitchwinkelverläufe für die vorhandenen Stellmotoren modellgestützt über eine Rotorumdrehung zu berechnen. Grundlage ist ein Prognosemodell, mit dem der Schall der kompletten Windturbine sowie dessen zeitlicher Verlauf an beliebigen Hörerpositionen berechnet werden kann. Das gesamte Prognosemodell ist in ein Optimierungsschema integriert, welches zyklische Stellmotoren-Pitchsteuerungskurven sucht, durch die eine minimale Modulationstiefe des Gesamtschalldruckpegels an der ausgewählten Hörerposition erreicht werden kann.Das Schallprognosemodell wurde anhand experimenteller Daten von 160 kommerziellen 3.2 MW Windturbinen sowie einer kleinen Forschungswindkraftanlage der Universität Siegen zufriedenstellend validiert.
Im Ergebnis ist es fast immer möglich, zyklische Stellmotoren-Pitchwinkelverläufe zu berechnen, welche die normale Amplitudenmodulation an einzelnen Hörerorten fast vollständig eliminiert.