Geräuschreduzierung von Windturbinenblättern

Windkraftanlagen sind wichtig für die Erzeugung erneuerbarer Energie, machen aber auch eine Menge Lärm, besonders bei starkem Wind. Dieser Lärm kann die Leute in der Nähe stören. Der Artikel handelt von einer Studie, die untersucht hat, wie man den Lärm von Windkraftanlagenflügeln reduzieren kann, speziell an den Hinterkanten der Flügel, die als „Trailing Edges“ bekannt sind. Ziel der Studie war es, herauszufinden, wie man diese Flügel leiser machen kann, während sie trotzdem effektiv für die Energieproduktion bleiben.

#Das Problem mit Windkraftanlagenlärm

Die Flügel von Windkraftanlagen erzeugen zwei Hauptarten von Lärm: aerodynamischen Lärm und mechanischen Lärm. Der aerodynamische Lärm kommt von der Luft, die um die Flügel strömt, während der mechanische Lärm von den Maschinen im Inneren der Turbine kommt. Aerodynamischer Lärm ist bedeutender, besonders wenn die Flügel mit hoher Geschwindigkeit durch die Luft schneiden. Dieser Lärm kann aus verschiedenen Quellen stammen, wie Turbulenzen in der Luft und Vibrationen in den Flügeln.

Wenn die Windkraftanlagen bei starkem Wind betrieben werden, kann das eine Menge Lärm erzeugen, der die Anwohner stören kann. Deshalb ist es wichtig, diesen Lärm zu reduzieren, um die Akzeptanz und den Erfolg von Windenergieprojekten zu gewährleisten.

#Fokus der Studie

In dieser Studie wurden verschiedene Designs von Windkraftanlagenflügeln getestet, um zu sehen, wie deren Formen den erzeugten Lärm beeinflussen können. Besonders wurden gezackte Hinterkanten untersucht, die nicht glatt, sondern zahnähnlich sind. Es wurden zwei Typen von NACA-Profilschneiden und eine flache Referenzplatte in einem speziellen Windkanal getestet, der dafür ausgelegt war, Geräusche ohne äussere Störgeräusche zu erfassen und zu analysieren.

Das Hauptziel der Forschung war es, herauszufinden, wie diese gezackten Kanten helfen könnten, den Lärm der Windkraftanlagenflügel zu verringern, indem man untersucht, wie sie mit der Luft interagieren.

#Methoden der Studie

Die Tests wurden in einem Windkanal durchgeführt, einem kontrollierten Umfeld, in dem Forscher untersuchen können, wie Luft um Objekte strömt. In diesem Fall wurden verschiedene Modelle von Profilen in den Windkanal gebracht, in dem Luft mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten daran vorbeigeführt wurde.

Die Forscher massen den erzeugten Lärm bei verschiedenen Geschwindigkeiten und zählten, wie viel leiser die gezackten Hinterkanten die Modelle im Vergleich zu den regulären flachen Kanten machten. Sie suchten nach Klangunterschieden in einem bestimmten Frequenzbereich, da unterschiedliche Geräusche die menschliche Wahrnehmung von Lärm beeinflussen können.

#Wichtige Erkenntnisse

Die Studie ergab, dass Profile mit gezackten Hinterkanten den Lärm um 3 bis 6 Dezibel im mittleren bis hohen Frequenzbereich reduzieren konnten, was der Bereich ist, der für das menschliche Ohr am auffälligsten ist. Die Forscher stellten fest, dass diese Lärmreduzierung bei bestimmten Anstellwinkeln stärker ausgeprägt war, also dem Winkel zwischen Windrichtung und Flügel.

Interessanterweise schien die Wirksamkeit der gezackten Kanten bei höheren Winkeln effektiver zu sein, um spezifische Geräusche zu reduzieren. Zum Beispiel zeigte sich bei einem moderaten Anstellwinkel die grösste Lärmreduzierung, während bei extremen Winkeln die Wirksamkeit variierte.

#Bedeutung der Zahnhöhe

Einer der entscheidenden Faktoren, der die Lärmreduzierung beeinflusste, war die Höhe der Zacken. Höhere Zacken erwiesen sich als effektiver, während die Breite der Zacken weniger signifikant war. Dieses Ergebnis unterstreicht die Notwendigkeit, die Grösse der Zacken gut zu gestalten, um eine optimale Lärmreduzierung zu erreichen.

#Die Rolle der Reynolds-Zahl

Die Tests untersuchten auch, wie Veränderungen der Reynolds-Zahl, die mit Strömungsbedingungen wie Geschwindigkeit und Viskosität zusammenhängt, den erzeugten Lärm beeinflussten. Mit steigender Windgeschwindigkeit nahm auch die Breite des Frequenzbandes, das Lärmreduzierung zeigte, zu. Das deutet darauf hin, dass das Design der gezackten Kanten unterschiedliche Windbedingungen berücksichtigen muss, um wirksam zu bleiben.

#Mechanismen hinter der Lärmreduzierung

Die Forschung zeigte, dass die Lärmreduzierung mit Veränderungen in der Turbulenz der Luft direkt hinter den Flügeln zusammenhängen könnte. Gezackte Kanten veränderten die Muster des Luftstroms, der von den Flügeln abfloss, was wiederum beeinflusste, wie viel Lärm erzeugt wurde.

Die Studie zeigte, dass Zacken nicht nur die Lärmmenge reduzierten, sondern auch spezifische laute Töne eliminierten, die normalerweise auftreten. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Zacken die natürlichen Muster der Turbulenz stören können, die zu Lärm führen.

#Praktische Auswirkungen

Die Ergebnisse dieser Forschung haben wichtige Auswirkungen auf das Design von Windkraftanlagenflügeln. Durch die Integration von gezackten Hinterkanten können Turbinenhersteller Flügel entwickeln, die leiser sind und besser für die Installation in bewohnten Gebieten geeignet sind. Das könnte dazu beitragen, lokale Widerstände gegen Windparks zu verringern und die Integration von Windenergie in die Gemeinden zu erleichtern.

Ausserdem ist die Lärmreduzierung besonders wichtig, da Designs für grössere Turbinen mit längeren Blättern entwickelt werden. Wenn die Turbinengrössen zunehmen, werden die Spitzen der Flügel schneller rotieren, was noch mehr Lärm erzeugt. Daher ist es essenziell, Wege zu finden, um diesen Lärm effektiv zu reduzieren, um zukünftige Turbinendesigns zu verbessern.

#Schallfeld-Direktivität

Ein weiterer Aspekt, den die Studie untersuchte, war, wie Schall von den Blättern der Windkraftanlage abgestrahlt wird. Die Direktivität bezieht sich auf die Richtung, in die sich der Schall von einer Quelle ausbreitet. Die Forscher fanden heraus, dass die Hinzufügung von gezackten Kanten die Schallausbreitung von den Blättern nicht signifikant veränderte.

In niedrigen bis mittleren Frequenzbereichen neigte der Schall dazu, in eine Richtung senkrecht zu den Turbinenblättern zu reisen, während er bei höheren Frequenzen weiter stromabwärts strömte. Das Verständnis dieser Direktivität ist wichtig, um vorherzusagen, wie Lärm die Gebiete rund um Windfarmen beeinflusst.

#Messung des Nachlaufstroms

In der Studie wurden auch Messungen des Luftstroms hinter den Turbinenblättern, bekannt als Nachlaufstrom, durchgeführt. Dieser Strom kann beeinflussen, wie viel Lärm erzeugt wird. Die Ergebnisse zeigten, dass die Nachlauf-Turbulenzen hinter Blättern mit gezackten Kanten im Vergleich zu denen mit flachen Kanten deutlich geringer waren. Diese reduzierte Turbulenz trägt wahrscheinlich zur allgemeinen Lärmreduktion bei.

Durch die Messung der Geschwindigkeiten des Luftstroms im Nachlauf und wie sie sich an verschiedenen Punkten hinter den Blättern veränderten, gewannen die Forscher wertvolle Einblicke in das Verhalten der Luft, nachdem sie über die Blätter geströmt ist.

#Fazit

Zusammenfassend hat diese Forschung die Effektivität von gezackten Hinterkanten zur Reduzierung des von Windkraftanlagenflügeln erzeugten Lärms hervorgehoben. Die Hauptbefunde umfassen signifikante Lärmreduktionen, insbesondere im mittleren bis hohen Frequenzbereich, und die Wichtigkeit von Details wie der Zahnhöhe.

Diese Ergebnisse haben praktische Anwendungen für die Entwicklung leiserer Designs von Windkraftanlagen, was zunehmend wichtiger wird, da Windenergie einen grösseren Teil des globalen Energiemixes ausmacht. Die fortlaufende Verfeinerung dieser Designs wird nicht nur dazu beitragen, die Auswirkungen der Windenergie auf die lokalen Gemeinden zu minimieren, sondern auch die gesamte Energieeffizienz zu steigern.

Zukünftige Forschung ist nötig, um weitere Modifikationen zu erkunden und wie sie sowohl auf bestehende als auch auf neue Turbinen-Designs angewendet werden können. Das Verständnis der Interaktion zwischen Luftstrom und Lärm wird die Leistung von Windkraftanlagen verbessern und gleichzeitig den Frieden der Anwohner bewahren.