Wake-induced variations in noise levels and amplitude modulation for two interacting wind turbines

Die Studie zeigt mittels numerischer Simulationen, dass wake-induzierte Strömungsfokussierung bei direkt hintereinander angeordneten Windkraftanlagen den Schallpegel und die Amplitudenmodulation deutlich erhöht, während bei seitlichen oder versetzten Konfigurationen die Pegelsteigerungen gering bleiben und die Amplitudenmodulation durch räumliche Mittelung sowie Rotordynamik-Effekte wie Phasenverschiebung oder Schwebungseffekte geprägt wird.

Das Wesentliche

Das große Thema: Wenn Windräder sich gegenseitig „stören"

Stellen Sie sich vor, Windräder sind wie riesige, summende Ventilatoren in der Landschaft. Sie erzeugen Strom, aber auch ein gewisses Rauschen. Die Wissenschaftler in dieser Studie haben sich gefragt: Was passiert mit dem Lärm, wenn zwei Windräder nah beieinander stehen?

Bisher hat man oft nur ein einzelnes Windrad betrachtet. Aber in echten Windparks stehen sie in Reihen oder Gruppen. Die Forscher wollten herausfinden, wie der „Wind-Tunnel" (der Wirbel hinter einem Rad) den Lärm des zweiten Rades verändert.

Sie haben vier verschiedene Szenarien durchgespielt, als wären es Schachfiguren auf einem Brett:

1. Einsam: Nur ein Windrad (die Referenz).
2. Hintereinander: Ein Rad direkt hinter dem anderen (wie in einer Schlange).
3. Nebeneinander: Zwei Räder nebeneinander.
4. Versetzt: Ein Rad etwas versetzt hinter dem anderen.

Die drei Hauptakteure der Simulation

Um das zu berechnen, haben die Forscher ein digitales Labor gebaut, das aus drei Teilen besteht:

1. Der Wind-Generator (Strömungssimulation):
   Sie haben simuliert, wie die Luft um die Räder strömt. Wenn ein Rad dreht, wirbelt es die Luft auf und erzeugt einen „Schatten" aus langsamerer Luft dahinter. Das ist wie wenn Sie mit dem Boot fahren und eine Welle hinter sich lassen. Ein zweites Boot, das genau in dieser Welle fährt, bekommt einen anderen Schub.
2. Der Lärm-Macher (Schallquelle):
   Sie haben berechnet, wie laut die Räder eigentlich sind. Das hängt davon ab, wie schnell die Luft an den Flügeln vorbeiströmt. Wenn ein Rad im „Schatten" des anderen steht, ist die Luft langsamer -> das Rad dreht langsamer -> es ist leiser.
3. Der Schall-Transporteur (Ausbreitung):
   Hier kommt das Magische: Wie breitet sich der Schall durch diese verwirbelte Luft aus? Die Forscher haben gesehen, dass die Wirbel hinter dem ersten Rad wie eine Luft-Linse wirken.

Die wichtigsten Entdeckungen (mit Analogien)

1. Das „Verstärker"-Phänomen (Hintereinander)

Wenn ein Windrad direkt hinter einem anderen steht, passiert etwas Überraschendes.

• Das Bild: Stellen Sie sich vor, Sie stehen hinter einem großen Baum im Wind. Der Baum wirft einen Schatten. Aber wenn Sie genau in den Wirbeln hinter dem Baum stehen, kann sich der Wind dort bündeln, wie wenn Sie durch eine Lupe schauen.
• Das Ergebnis: Der Lärm des ersten Rades wird durch die Wirbel des zweiten Rades (oder umgekehrt) nach unten auf den Boden gebündelt. Das führt dazu, dass es lauter wird (bis zu 5 dB lauter) und das typische „Wusch-Wusch"-Geräusch (die Amplitudenmodulation) viel stärker schwankt. Für Anwohner bedeutet das: Es wird unangenehmer.

2. Das „Lärm-Mischer"-Phänomen (Nebeneinander/Versetzt)

Wenn die Räder nebeneinander oder versetzt stehen, ist es anders.

• Das Bild: Stellen Sie sich vor, zwei Leute sprechen gleichzeitig. Wenn einer genau im Takt des anderen spricht, wird es laut. Wenn sie aber leicht versetzt sprechen, überlagern sich ihre Stimmen so, dass die Spitzen und Täler sich ausgleichen.
• Das Ergebnis: Der Lärm wird hier nicht so stark gebündelt. Tatsächlich wird das „Wusch-Wusch"-Geräusch oft leiser oder gleichmäßiger, weil die Geräusche der beiden Räder sich gegenseitig etwas „glätten". Die Lautstärke steigt nur minimal an.

3. Der Herzschlag-Effekt (Das „Beating")

Das ist der coolste Teil der Studie.

• Das Bild: Stellen Sie sich zwei Metronome vor. Wenn beide exakt gleich schnell ticken, hören Sie einen gleichmäßigen Takt. Wenn aber eines ganz leicht schneller tickt als das andere (vielleicht wegen eines kleinen Windhauchs), hören Sie einen schwankenden Puls: Tick-Tack... Pause... Tick-Tack... Pause. Das nennt man „Schwebung" oder „Beating".
• Das Ergebnis: Wenn zwei Windräder fast, aber nicht ganz gleich schnell drehen (was in der Realität oft passiert), entsteht dieser pulsierende Effekt. Der Lärm wird mal lauter, dann leiser, dann wieder lauter.
  • Warum ist das wichtig? Für das menschliche Ohr ist dieses intermittierende (unterbrochene) Geräusch oft störrender als ein konstantes Rauschen. Es ist wie ein Licht, das flackert, statt einfach nur hell zu sein.

Was bedeutet das für uns?

Die Studie zeigt, dass man Windparks nicht einfach nur nach dem Prinzip „so viele Räder wie möglich" planen darf.

• Die Anordnung zählt: Wenn man Räder direkt hintereinander baut, kann es in der Nähe lauter werden als gedacht.
• Die Drehzahl ist entscheidend: Selbst winzige Unterschiede in der Drehgeschwindigkeit der Räder können dazu führen, dass der Lärm pulsierend wird, was Menschen als störender empfinden.
• Bessere Planung: Mit diesen neuen, sehr genauen Computermodellen können Planer Windparks so aufstellen, dass der Lärm für die Nachbarn minimiert wird, ohne zu viel Strom zu verlieren.

Zusammenfassend: Windräder sind wie Orchestermitglieder. Wenn sie falsch aufgestellt sind, entsteht ein lautes, nerviges Chaos. Wenn man sie aber clever positioniert und ihre Drehzahlen versteht, kann man den „Lärm" so managen, dass er für die Umgebung erträglicher bleibt.

Technische Zusammenfassung

Technische Zusammenfassung: Wake-induzierte Variationen von Geräuschpegeln und Amplitudenmodulation bei zwei interagierenden Windkraftanlagen

1. Problemstellung und Motivation
Die Expansion der Windenergie wird durch die Geräuschbelastung durch Windkraftanlagen (WKA) begrenzt, die zu Unzufriedenheit in der Nachbarschaft und Schlafstörungen führen kann. Aktuelle ingenieurtechnische Methoden zur Geräuschvorhersage basieren oft auf vereinfachten Annahmen (z. B. Punktquellen, gleichförmige Windgeschwindigkeiten), die reale atmosphärische Bedingungen und komplexe Wechselwirkungen in Windparks nicht ausreichend abbilden.
Ein spezifisches, bisher wenig untersuchtes Phänomen ist der Einfluss von Wake-Effekten (Nachlaufströmungen) mehrerer Turbinen auf die Schallausbreitung und insbesondere auf die Amplitudenmodulation (AM). AM ist ein kritischer Faktor für die menschliche Wahrnehmung von Windturbinengeräuschen und deren Regulierung. Bisherige Studien konzentrierten sich meist auf einzelne Turbinen oder vereinfachte Anordnungen, ohne die systematischen Effekte von Wake-Interaktionen auf die Schallausbreitung und die zeitliche Variabilität des Schalls (AM) umfassend zu untersuchen.

2. Methodik
Die Studie verwendet ein hochauflösendes numerisches Simulationsframework, das drei Hauptkomponenten koppelt:

• Strömungssimulation (LES): Die atmosphärische Strömung wird mittels Large-Eddy Simulation (LES) berechnet. Ein stabiler atmosphärischer Grenzschicht (ABL) wird simuliert, da dies als Worst-Case-Szenario für die Schallausbreitung gilt. Die Turbinen werden als Actuator Disks modelliert.
• Schallquellenmodell: Basierend auf der Theorie von Amiet wird das Geräusch der Rotorblätter berechnet. Es werden sowohl Turbulent Inflow Noise (TIN) als auch Trailing Edge Noise (TEN) berücksichtigt. Die Eingangsdaten (mittlere Strömungsgeschwindigkeit und turbulente Dissipationsrate) stammen direkt aus den LES-Daten der Rotorfläche.
• Schallausbreitungsmodell: Die Schallausbreitung wird mit der Parabolischen Gleichung (PE) gelöst, die eine bewegte Atmosphäre berücksichtigt, ohne auf eine effektive Schallgeschwindigkeit zurückzugreifen. Die Simulationen erfolgen in vertikalen Ebenen für verschiedene Azimutwinkel, um ein 3D-Schallfeld zu rekonstruieren.

Untersuchte Konfigurationen:
Vier Szenarien wurden analysiert (Abstand: 4 Rotordurchmesser = 480 m):

1. Referenz (B): Eine einzelne isolierte Turbine.
2. Reihe (C): Zwei Turbinen direkt hintereinander (in Windrichtung).
3. Seite-an-Seite (L): Zwei Turbinen nebeneinander.
4. Versetzt (S): Zwei Turbinen in einem gestaffelten Muster.

3. Wichtige Beiträge und Ergebnisse

• Einfluss der Wake-Interaktion auf den Schalldruckpegel (SPL):

  • Reihen-Anordnung (C): Wenn eine Turbine direkt im Nachlauf der anderen steht, führt die Überlagerung der Wake-Strömungen zu einer starken Fokussierung des Schalls (Wake Focusing). Dies erhöht den Schalldruckpegel (SPL) und die Amplitudenmodulation (AM) im Downwind-Bereich um mehrere Dezibel (bis zu 4–5 dBA im Vergleich zur Referenz). Die zweite Turbine (C2) erzeugt jedoch weniger Schall, da sie in der verminderten Anströmgeschwindigkeit des Nachlaufs der ersten Turbine (C1) steht (Reduktion des OASWL um >7 dBA).
  • Seitliche/Versetzte Anordnung (L & S): Hier sind die Wake-Interaktionen geringer. Die Erhöhung des SPL beträgt weniger als 2 dBA. Die Amplitudenmodulation wird in diesen Konfigurationen tendenziell reduziert, da sich die Signale beider Turbinen überlagern und durch räumliche Mittelung die Schwankungen glätten.

• Mechanismen der Schallausbreitung:

  • Die Strömungsgeschwindigkeitsgradienten im Wake wirken wie eine konvergierende Linse, die Schallwellen zum Boden hin refraktieren (brechen). Bei der Reihen-Anordnung (C) verstärkt der Wake der zweiten Turbine diesen Effekt, was zu einer stärkeren Fokussierung und höheren Pegeln führt.
  • Bei seitlichen Anordnungen hängt der Effekt stark vom Ausbreitungswinkel ab; nur bei kleinen Winkeln zur Strömungsrichtung ist die Refraktion durch den zweiten Wake signifikant.

• Amplitudenmodulation (AM) und Synchronisation:

  • Gleiche Rotordrehzahl (Fall L): Wenn beide Turbinen mit gleicher Drehzahl laufen, hängt das AM-Muster stark vom Winkelversatz ($\Delta\beta$) zwischen den Rotoren ab.
    • Bei gleichem Winkel ($\Delta\beta = 0^\circ$) können sich die Signale konstruktiv überlagern (hohe AM).
    • Bei einem Winkelversatz von $60^\circ$ heben sich die Modulationen teilweise auf, was zu einer AM nahe Null führt.
    • Dies zeigt, dass AM nicht nur von der Strömung, sondern stark von der Rotordynamik abhängt.
  • Unterschiedliche Rotordrehzahlen (Fall S & C): Wenn die Drehzahlen leicht variieren (durch unterschiedliche Anströmgeschwindigkeiten im Wake), entsteht ein Schwebungseffekt (Beating).
    • Dies führt zu einer intermittierenden AM, bei der die Modulation periodisch zwischen wahrnehmbar und kaum wahrnehmbar wechselt.
    • Die Frequenz der Einhüllenden (Beating-Frequenz) entspricht der Differenz der Klingenpassfrequenzen. Dies wurde für stabile atmosphärische Bedingungen bestätigt und ist ein wichtiger Faktor für die menschliche Wahrnehmung.

4. Signifikanz und Schlussfolgerungen

Die Studie liefert wesentliche Erkenntnisse für die Planung und Bewertung von Windparks:

1. Sensitivität der AM: Die Amplitudenmodulation ist extrem empfindlich gegenüber kleinen Änderungen in der Rotordynamik (Drehzahl und Winkelversatz). Dies muss bei der Vorhersage von Lärmbelästigung berücksichtigt werden, da die Wahrnehmung stark von der zeitlichen Variabilität abhängt.
2. Wake-Effekte sind kritisch: Bei Turbinen in direkter Windrichtung (Reihen-Anordnung) können Wake-Effekte den Lärmpegel signifikant erhöhen und die AM verstärken. Dies widerspricht der Annahme, dass der Wake der zweiten Turbine nur den Ertrag mindert, aber den Lärm nicht beeinflusst.
3. Optimierungspotenzial: Die Ergebnisse unterstreichen die Notwendigkeit, Layout-Optimierungen nicht nur auf Energieertrag, sondern auch auf komplexe akustische Wechselwirkungen (insbesondere AM und Wake-Fokussierung) auszurichten.
4. Methodischer Fortschritt: Die Kopplung von LES, detaillierten Quellenmodellen und PE-Ausbreitung ermöglicht eine realistischere Vorhersage als traditionelle Methoden und deckt Phänomene wie Schwebungen und komplexe Refraktion auf.

Zusammenfassend zeigt die Arbeit, dass die Interaktion von Windturbinen nicht nur die Aerodynamik, sondern auch die akustische Signatur und die menschliche Wahrnehmung des Lärms fundamental verändert. Insbesondere die Entstehung von intermittierender AM durch Schwebungseffekte bei leicht unterschiedlichen Drehzahlen ist ein bisher unterschätzter Faktor für die Umweltverträglichkeit von Windparks.