Rauigkeitsdaten für Energieberechnungen
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Die Oberflächenrauigkeit wird benötigt, um die Reibung des Windes an der Geländeoberfläche inklusive deren Bewuchs und Bebauung zu modellieren. Die Oberflächenrauigkeit reduziert die bodennahe Windgeschwindigkeit, die Reduktion gelangt durch vertikalen Transport in höhere Luftschichten. Der Einfluss der Rauigkeit auf die Windgeschwindigkeit sinkt demnach mit zunehmender Höhe der WEA, aber selbst eine 100m hohe WEA büßt im Vergleich mit der Produktion direkt an der Küste rund 20% ihrer Produktion ein, wenn sie 15 km von der Küste entfernt steht.
Rauigkeiten werden in windPRO entweder durch ein Rauigkeitslinien- oder ein Areal-Objekt abgebildet. Beide Objekte erlauben den Download von unterschiedlichen aufbereiteten Landnutzungs-Datensätzen.
Das Areal-Objekt hat den Vorteil, dass die heruntergeladenen Daten in windPRO leichter überprüft, korrigiert und ergänzt werden können. Dafür ist aber vor der Verwendung in WAsP oder WAsP-CFD ein zusätzlicher Arbeitsschritt notwendig, nämlich die Konvertierung in ein Rauigkeits-Linienobjekt.
Die Verwendung von Rauigkeitsrosen wird von aktuellen WAsP-Versionen nicht mehr unterstützt.
Das Rauigkeitsmodell sollte für eine Verwendung mit WAsP oder WAsP-CFD mindestens einen Radius von 20 km um den Standort abdecken. Wie detailliert Rauigkeiten aufgenommen werden müssen, hängt von der Entfernung zum Standort ab; so sollten bis zu einer Entfernung von ca. 3 km in etwa die Flächen in der Rauigkeitskartierung enthalten sein, die groß genug sind, dass sie auf einer Topographischen Karte im Maßstab 1:25.000 individuell dargestellt werden. Für größere Entfernungen reichen kleinere Kartenmaßstäbe mit geringerem Detailreichtum.
Die Klassifizierung von Rauigkeiten für die Modellierung in WAsP bzw. WAsP-CFD orientiert sich an der Windatlas-Methode, die im Europäischen Windatlas[1] beschrieben wurde.
Die Rauigkeitsklassen werden dort wie folgt charakterisiert:
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Die folgende Tabelle stellt Rauigkeitslängen und –klassen gegenüber und liefert Beschreibungen von weiteren Geländetypen:
| Rauigkeitsklasse | Rauigkeitslänge z0 [m] | Relative Energie % | Beschreibung |
| 0 | 0,0002 | 100 | Wasserflächen. |
| 0,5 | 0,0024 | 73 | Wasser und Land gemischt oder sehr glattes Land. |
| 1 | 0,03 | 52 | Offenes Agrarland ohne Hecken und mit einzelnen Gebäuden. Nur glatte Hügel. |
| 1,5 | 0,055 | 45 | Agrarland mit einigen Gebäuden und 8 m hohen Hecken in Abständen von ca. 1250 m. |
| 2 | 0,10 | 39 | Agrarland mit einigen Gebäuden und 8 m hohen Hecken in Abständen von ca. 800 m. |
| 2,5 | 0,20 | 31 | Agrarland mit geschlossenem Erscheinungsbild und dichter Vegetation - 8 m hohe Hecken in Abständen von 250 m. |
| 3 | 0,40 | 24 | Dörfer, Kleinstädte, Agrarland mit sehr geschlossenem Erscheingungsbild, vielen oder hohen Hecken, Wald, vielen abrupten Orographiebrüchen etc. |
| 3,5 | 0,80 | 18 | Große Stadt, Städte mit ausgedehnter Siedlungsfläche. |
| 4 | 1,6 | 13 | Großstädte mit ausgedehnter Fläche und hohen Gebäuden. |
windPRO erlaubt sowohl die Eingabe von Rauigkeitsklassen als auch von Rauigkeitslängen.
Der Europäische Windatlas[2] gibt zur Rauigkeitsklassifizierung weitere Hinweise.
Die entscheidenden Faktoren für die Jährliche Energieproduktion in flachem Gelände sind die Rauigkeit, die spezifische Energie und die Nabenhöhe. Hier die Variation der Produktion nach Rauigkeit und spezifischer Energie (für 100 m Nabenhöhe):
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Die folgende Grafik illustriert den großen Einfluss, den die Rauigkeit auf die Jährliche Energieproduktion hat, sogar in höhen Nabenhöhen:
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Eine 150 m hohe WEA verliert noch über 10% der Produktion, wenn man sie direkt von der Küste 15 km weit ins Binnenland bewegt - sogar mit einer relativ geringen Binnenland-Rauigkeit (Rauigkeitsklasse 2). Eine 15 m hohe WEA verliert rund 50%, insofern kompensieren hohe Nabenhöhen die Rauigkeit zwar durchaus, der Einfluss ist aber dennoch über das ganze Windprofil zu spüren.
In Bereichen mit vielen Hecken kann die folgende Grafik verwendet werden, um die Rauigkeitsklasse oder -länge abzuschätzen (nach Danish Wind Atlas[3]). Beachten Sie den nicht-linearen Einfluss der Heckenhöhe auf die Rauigkeitsklasse. Zwischen den Hecken wird normales Agrarland angenommen. Dies ist in der Grafik in der Form enthalten, dass alle Rauigkeiten um 0,03 m erhöht sind. Eine Porosität der Hecken von 0,33 wird angenommen.
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In Bereichen mit vielen Gebäuden kann die Rauigkeitslänge mit der folgenden Formel abgeschätzt werden[4]:
z0 = 0,5 * h2 * b * n / A
Mit
- h = Höhe Gebäude
- b = Breite Gebäude
- n = Anzahl Gebäude
- A = Gesamtfläche, auf der die n Gebäude stehen
Anmerkung: Die Rauigkeitslänge der Fläche zwischen den Gebäuden muss zur Rauigkeitslänge addiert werden, die mit der obigen Formel ermittelt wurde; z.B. 0,03 m für normales Ackerland.
Die Konvertierung zwischen Rauigkeitsklassen und -längen wird nach den folgenden Formeln vorgenommen:
- RC = 0,2 ln(z0) + 1,7 für Rauigkeitslängen 0 bis 0,03 (Klasse 0 – 1)
- RC = 0,77 ln(z0) + 3,73 für Rauigkeitslängen ab 0,03 (Klasse 1 – 4)
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Verwendung von Online-Rauigkeiten – Empfehlungen
Siehe auch separate Seite Verwenden von Online-Rauigkeitsdaten für eine ausführlichere Darstellung.
Rauigkeitsdaten können via Areal- oder Linienobjekt von den EMD-Onlinediensten heruntergeladen werden. Für Europa ist die bevorzugte Quelle der CORINE-Datensatz, für außereuropäische Gebiete steht GlobCover als Quelle zur Verfügung.
Eine direkte Verwendung dieser Daten wird nur für vorläufige und überschlägige Berechnungen empfohlen. Die Daten wurden aus Landnutzungskartierungen erstellt; da Landnutzungen alleine nicht immer eine eindeutige Rauigkeit zugeordnet werden kann, ergeben sich zwangsläufig Unschärfen. Diese sollten für Berechnungen mit höheren Genauigkeitsansprüchen anhand von Ortskenntnis überprüft und ggf. korrigiert werden:
- Importieren Sie Rauigkeitsdaten in ein Areal-Objekt oder laden Sie diese mit Hilfe des Projektassistenten bei der Projekteinrichtung.
- Finden Sie heraus, welcher Flächentyp das offene Gelände repräsentiert. In Deutschland wird dies häufig eine der Klassen 0,0560m(cl.1,5) Non-irrigated arable land 2.1.1 oder 0,0360m(cl.1,2) Pastures 2.3.1 sein.
- Deaktivieren Sie diesen Flächentyp, indem Sie in der Liste der Flächentypen das Häkchen vor dem Namen deaktivieren.
- Wenn Sie das Areal-Objekt manuell erzeugt haben, fügen Sie einen Flächentyp „Hintergrund“ hinzu. Wenn das Areal-Objekt vom Projektassistenten erzeugt wurde, existiert dieser bereits. Ändern Sie den Flächentyp "Hintergrund" in die Rauigkeit, die Sie für das offene Gelände in der Region für angemessen betrachten. Je nach Landschaftstyp wird dies in der Regel ein Wert zwischen Rauigkeitsklasse 1 (sehr offene, ausgeräumte Agrarflur) und Rauigkeitsklasse 3 (stark strukturierte Agrarflur mit planmäßig angelegten Windschutzpflanzungen) sein.
- Starten Sie den Bearbeitungsmodus für das Areal-Objekt und digitalisieren Sie zusätzliche relevante Rauigkeitsflächen in der Umgebung der Windfarm (bis 3-5 km Entfernung). Beachten Sie, dass in windPRO-Versionen vor 3.6 sich kreuzende Linien sowie übereinander liegende Flächen vermieden werden müssen, da sie dort bei weiteren Verarbeitung zu Inkonsistenzen führen.
- Exportieren Sie die Rauigkeitsareale als Liniendatei. Verwenden Sie dabei den Modus für Rasterdaten. Es wird automatisch ein Linien-Objekt erzeugt. Dieses kann in Terraindatenobjekten zur Energieberechnung verwendet werden.
Siehe auch:
- Zurück zu Energie: Datengrundlage
- Areal-Objekt
- Linien-Objekt
- Verwenden von Online-Rauigkeitsdaten
- Verwenden eigener Legenden für Online-Rauigkeitsdaten
Referenzen:
- ↑ Troen, Ib; Lundtang Petersen, Erik: European Wind Atlas; Risø National Laboratory, 1989; letzter Zugriff 11.1.2024
- ↑ Troen, Ib; Lundtang Petersen, Erik: European Wind Atlas; Risø National Laboratory, 1989; letzter Zugriff 11.1.2024
- ↑ Danish Wind Atlas, Risø/DTU 1979
- ↑ Danish Wind Atlas, Risø/DTU 1979