Hauptprüfung: Windshear

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Die Prüfung der Windscherung evaluiert die vertikale Veränderung der Windgeschwindigkeit über die Rotorfläche. Angegeben wird die Windscherung über den Höhenwindexponent α.

Die IEC-Auslegungsgrenze für Windshear liegt zwischen 0 und 0,2 für alle Design-Klassen.

Die IEC-Richtlinie Ed. 3 beschreibt nicht eindeutig, wie die Bildung des Standortmittelwerts zu erfolgen hat, dieser könnte sich auf den omnidirektionalen Mittelwert beziehen oder den Mittelwert der Exponenten jeder Richtung. Da die Ermittlung der Windscherung nicht linear ist, unterscheiden sich die Ergebnisse dieser Methoden, wenn auch nicht drastisch. Die maximale Größe der Richtungssektoren wird in der IEC-Richtlinie, Kap. 11.3, mit 30° angegeben. In SITE COMPLIANCE wird als Standortmittelwert das häufigkeitsgewichtete Mittel der sektoriellen Höhenwindexponenten verwendet. Dadurch ist eine bessere Anpassung der sektoriellen Werte möglich. Diese Interpretation des Standortmittelwertes des Höhenwindexponenten entspricht auch der Annahme von Risø/DTU im Windfarm Assessment Tool (WAT). Gemäß IEC 61400-1 Ed. 4 wird bei Verwendung dieser Richtlinie in windPRO der energiegewichtete Mittelwert gebildet.

Auf dem Register Einstellungen gibt es sieben verschiedene Möglichkeiten, um die Windscherung zu ermitteln. Die oberen drei kombinieren die Ergebnisse der Standortmessung(en) mit Strömungsmodellen, die nächsten drei basieren nur auf Strömungsmodellen, die letzte Option beinhaltet nur die Messdaten ohne Modellierung. Basiert die gewählte Methode auf Messdaten, wurden ursprünglich die Werte aus den Häufigkeitstabellen des METEO-Objekts verwendet. Ergänzend dazu gibt es seit windPRO 3.2 die Möglichkeit nur gleichzeitige Zeitstempel zu nutzen. Dies kann bei Richtungsverdrehungen zwischen den Höhen von Vorteil sein, da bei den gleichzeitigen Zeitstempeln für alle Höhen nur die Richtung der Haupthöhe angenommen wird.

Das Register Ergebnis (Tabelle) zeigt den unteren und oberen IEC-Grenzwert sowie die ermittelte Windscherung für jede WEA. Die Detailergebnisse bei ausgeklappten Zeilen einzelner WEA zeigen die sektoriellen Windshear-Werte und die Häufigkeiten der jeweiligen Sektoren.

Ergebnis (Grafik) zeigt die grafische Übersicht aller WEA-Ergebnisse. Die IEC-Grenzen sind als blaue Linien dargestellt.

Berechnungsoptionen

Flowres-Modellierung der Mast-Shear

Mit dieser Option werden die Zeitreihen der zur Wind shear-Berechnung ausgewählten Höhen der Messmasten über die Strömungsmodellierung der Flowres-Datei zur WEA-Position transferiert. Dort wird sektorweise die Windscherung ermittelt. Mit dieser Methode bleiben die Messdaten des Windprofils erhalten, nur die Effekte des Geländes auf die Strömung werden hinzugefügt. Um einen großen Bereich der Rotorfläche abzudecken, sollte eine Messhöhe auf bzw. nach an der Nabenhöhe gewählt werden.

WEng-Shear mit WEng-Fehler auf Mast-Shear angepasst

Die sektoriellen Höhenwindexponenten direkt aus den WEng-Ergebnissen sind üblicherweise etwas nach unten verschoben, da WEng eine neutrale atmosphärische Schichtung annimmt. Diese Abweichung kann für jeden Sektor der Messmastdaten bestimmt werden, und als Korrektur der WEng-Windshear für jeden Sektor der WEA-Position übertragen werden. Um den Standortmittelwert zu erhalten, werden die korrigierten sektoriellen Windscherungswerte mit der jeweiligen Häufigkeitsverteilung der WEA-Position richtungsgewichtet.

Mit dieser Methode wird versucht, die bestmögliche Kombination aus Messdaten und Strömungsmodellierung zu erreichen. Durch Messungen lässt sich die Windscherung an einem festen Punkt bestimmen, normalerweise der Mastposition, dieser Punkt ist aber nicht immer repräsentativ für den kompletten Standort. Ein Strömungsmodell kann die Variation der Windscherung über den Standort widergeben, benötigt jedoch eine gewisse Skalierung.

Die Methode basiert auf der Annahme, dass keine starke Verdrehung der Windrichtungen über den Standort, also von Mast- zu WEA-Position stattfindet. Je größer die Sektorbreite, umso wahrscheinlicher ist diese Annahme, Verdrehungen betragen üblicherweise deutlich weniger als die 30° der Standard-Sektorbreite (Verwendung von 12 Sektoren). In sehr komplexem Gelände können jedoch signifikante Verdrehungen auftreten. Sehr wichtig ist allerdings auch die Kontrolle, dass die Richtungssektoren konsistent sind, fehlerhafte Messungen haben einen deutlichen Einfluss auf die Berechnung.

WAsP-Shear mit WAsP-Fehler auf Mast-Shear angepasst

Diese Methode ist vergleichbar mit der oben beschriebenen WEng-Anpassung. Einziger Unterschied ist, dass die relative Variation der Windscherung aus den Ergebnissen der WAsP-Modellierung stammt. Das Stabilitätsmodell in WAsP führt zu deutlichen Unterschieden der berechneten Profile von WAsP und WEng.

WAsP-CFD +/-½RD Shear

Standardmäßig berechnet WAsP-CFD alle Ergebnisse auf Nabenhöhe (NH), aber auch auf NH+½RD und NH-½RD (Rotordurchmesser), was eine Ermittlung der Windscherung über die Rotorfläche ermöglicht. Das WAsP-CFD-Modell kombiniert die Strömungsmodellierung (Ellipsys-Modell) mit den Grundeinstellungen und dem Stabilitätsmodell von WAsP. Mit dem vereinfachten Stabilitätsmodell aus WAsP können die Ergebnisse dieser Berechnungsoption als eher konservativ betrachtet werden.

Die Qualität dieser Berechnungsoption hängt davon ab, wie gut das WAsP-CFD-Profil validiert und auf den Standort angepasst ist. Gute Ergebnisse werden erreicht, wenn die Stabilitäts-Parameter dem Standort entsprechend angepasst worden sind und das WAsP-CFD-Profil das gemessene Profil gut nachbildet.

WAsP +/-½RD Shear

Standardmäßig berechnet WAsP alle Ergebnisse auf Nabenhöhe (NH), aber auch auf NH+½RD und NH-½RD (Rotordurchmesser). Werden die Werte auf diesen drei Höhen ermittelt, kann daraus die Windscherung über die Rotorfläche für jeden Sektor und damit die mittlere Windscherung berechnet werden.

Die Qualität dieser Berechnungsoption hängt davon ab, wie gut das WAsP-Profil validiert und auf den Standort angepasst ist. Gute Ergebnisse werden erreicht, wenn die Stabilitäts-Parameter dem Standort entsprechend angepasst worden sind und das WAsP-Profil das gemessene Profil gut nachbildet.

Da die WAsP-Standards über Messungen aus Nord-Europa angepasst wurden, neigt das WAsP-Profil bei Standard-Einstellungen in tropischen und mittleren Breiten zur Überschätzung.

WEng (WAsP Engineering) Shear

Ergebnisse der Strömungssimulation mit WEng entsprechen genau der Nabenhöhe. Da WEng jedoch eine neutrale atmosphärische Schichtung annimmt, wird die Windscherung in WEng üblicherweise deutlich unterschätzt. Die Verwendung dieser Methode wird daher nicht empfohlen, sie ist lediglich zu Vergleichszwecken hier mit aufgeführt.

Mast-Shear als repräsentativ für alle WEA angenommen

Diese Methode ist nur empfehlenswert, wenn der Messmast repräsentativ für alle WEA-Positionen und die Nabenhöhe ist. Das heißt, dass der gesamte Standort in Bezug auf Rauigkeit und Orografie recht gleichmäßig strukturiert sein sollte.

Mast-Shear aus..."

Diese Auswahl gilt für alle Methoden, die Messdaten nutzen. Die Shear-Annahmen basieren entweder auf den Häufigkeitstabellen des jeweiligen METEO-Objekts (Original-Option) oder auf den gleichzeitigen Werten der einzelnen Zeitstempel. Diese neue Option ist unempfindlicher gegenüber Verdrehungen, die Windrichtung wird hier aus dem Zeitstempel der Hauphöhe übernommen.

Verdrängungshöhen ignorieren

Die Option bei der Berechnung der Windscherung Verdrängungshöhen (VH) zu ignorieren wurde in windPRO 3.3 eingeführt und ist standardmaßig ausgewählt. Ziel ist die Unterschätzung der Windscherung zu vermeiden, wenn Verdrängungshöhen gewählt wurden, um die Windgeschwindigkeitsverteilung zu ermitteln. Die unter Einbeziehung von Verdrängungshöhen vorhergesagten Windgeschwindigkeiten werden von dieser Option nicht berührt. Es werden die originalen Höhen (ohne VH) mit den vorhergesagten Windgeschwindigkeiten (inkl. VH) verwendet, um realistische Wind Shear-Werte in Bezug zur Geländeoberfläche zu erhalten. Wenn die Windscherung mit durch VH reduzierte Höhen berechnet wird, sind die Ergebnisse deutlich geringer, als mit dieser Methode. Würden nun solche geringeren Wind Shear-Werte im aeroelastischen Modell einer Lastsimulation genutzt werden, das keine Verdrängungshöhe enthält, wird die Windscherung und damit üblicherweise auch die resultierenden Lasten, deutlich unterschätzt.

Referenzen

SITE COMPLIANCE & LOAD RESPONSE
SITE COMPLIANCE: Überblick ♦ Schritt-für Schritt ♦ Berechnung ♦ Ergebnisse
Hauptprüfungen: Komplexität ♦ Extremwind ♦ Turbulenz ♦ Windverteilung ♦ Windshear ♦ Neigung der Anströmung♦ Luftdichte
Andere Prüfungen: Erdbebenrisiko ♦ Temperaturbereich ♦ Blitzrate
LOAD RESPONSE: Überblick ♦ Berechnung ♦ WEA-Modelle ♦ Ergebnisse
Anhang: Gumbel Theory of Extremes ♦ Frandsen-Modell ♦ Grenzen in SITE COMPLIANCE ♦ Theorie Ermüdungslasten ♦ Sektormanagement ♦ IEC 61400-1 Ed.2 ♦ IEC 61400-1 Ed.4 ♦ Weiterbetrieb ♦ Siteres ♦ Tropical Cyclone Analysis ♦ Downscaling, Offshore-Modus & Spektralkorrektur