WAsP-CFD-Überblick

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Die Windenergienutzung in sehr komplexem Gelände erfordert angemessene Werkzeuge, um die Windverhältnisse vorherzusagen. Linearisierte Strömungsmodelle wie WAsP stoßen in solchen Geländekategorien an ihre Grenzen, daher wurde in den letzten Jahren viel Arbeit investiert, nicht-lineare Stömungsmodelle (CFD – Computational Fluid Dynamics) an die Anforderungen der Windenergienutzung anzupassen. Wenn sie korrekt ausgeführt werden, sind die Unsicherheiten von CFD-Analysen im komplexen Gelände im Allgemeinen geringer als die linearisierter Modelle.

Bisher hatten CFD-Anwendungen zwei zentrale Nachteile:

  • CFD erfordert hochspezialisierte Anwender, in der Regel mit Hochschulbildung in den Bereichen Meteorologie oder Physik.
  • Um Modell- und numerische Fehler zu minimieren, erfordert CFD Rechnerressourcen, die weit über reguläre Anwendercomputer hinausgehen.


WAsP-CFD hat seine eigene Herangehensweise an diese Probleme:

  • WAsP-CFD-Berechnungen sind vollautomatisch und die Einrichtung einer Berechnung entspricht weitgehend der einer traditionellen WAsP-Berechnung
  • Da die tatsächliche Modellierung auf einem Hochleistungs-Rechencluster abläuft, müssen keine Kompromisse zwischen verfügbarer Rechenzeit und Qualität der Berechnung eingegangen werden


Modellüberblick

Eine traditionelle WAsP-Berechnung schließt vier Modelle ein:

  1. Berechnung von Orographie-Speedups (IBZ)
  2. Berechnung des Effekts von Rauigkeitswechseln
  3. Berechnung des Einflusses von Nicht-neutralen Stabilitätsbedingungen auf den vertikalen Transport
  4. Berechnung der Reduktion der Windgeschwindigkeit durch Hindernisse

In WAsP-CFD werden die Modelle (1) und (2) ersetzt durch ein kombiniertes Modell der Strömungsänderungen, berechnet vom nicht-linearen CFD-Solver Ellipsys3D auf dem EMD Hochleistungscluster. Diese Modelle setzen eine neutrale atmosphärische Schichtung voraus, was ebenso für ihr WAsP-CFD-Gegenstück gilt. Die vom CFD-Solver berechneten Strömungsänderungen beziehen sich auf eine mittlere Rauigkeit im Luv (Upstream), die als Referenz- oder Mesoskalen-Rauigkeit bezeichnet wird und die das Ausgangsprofil für jeden der 36 Modellsektoren definiert.

Die Ausführung der Modellierung ist vollautomatisch und benötigt ausschließlich Geländedaten, keine Winddaten. WAsP-CFD konfiguriert das Geländemodell basierend auf den Geländedaten in windPRO, erzeugt ein Berechnungsraster und definiert Grenzbedingungen. Dann wird die eigentliche CFD-Berechnung auf dem Hochleistungs-Cluster so lange ausgeführt, bis die Konvergenzkriterien erfüllt sind. Die Ergebnisse der Geländemodellierung werden dem Anwender in Form von relativen Windgeschwindigkeitsänderungen (Speedups) und Richtungsänderungen für die weitere Verarbeitung (in der Regel die Kalibrierung mit eigenen Winddaten) zur Verfügung gestellt.

Weitere Informationen zu WAsP-CFD finden Sie in A. Bechmann: WAsP CFD – A new beginning in wind resource assessment[1], Troen/Hansen: Wind resource estimation in complex terrain: Prediction skill of linear and non-linear micro-scale models[2] sowie auf der Produkthomepage des Herstellers DTU[3]. Dort findet sich auch eine Beschreibung des eigentlichen Strömungsmodells[4].


Systemvoraussetzungen

WAsP-CFD stellt keine spezifischen Hardware-Anforderungen, da der rechnerisch aufwändige Teil der Berechnung auf dem Hochleistungs-Cluster von EMD durchgeführt wird. Eine Internetverbindung wird benötigt, um das Geländemodell hoch- und die Ergebnisse herunterzuladen. Die Kommunikation mit dem Cluster geschieht über eine verschlüsselte HTTPS-Verbindung.


DE WAsP-CFD(1).png


Die folgenden Lizenz-Voraussetzungen müssen gegeben sein:

  • WAsP 11 (oder höher) mit gültiger Lizenz. Dies muss in windPRO die aktive WAsP-Version sein (Fettdruck im Fenster Daten und Modelle).
  • windPRO 2.9 oder höher mit einer gültigen Lizenz für die Module BASIS und MODEL

Weiterhin muss für jede Berechnungsfläche von 2x2 km Größe ein sogenannter Calculation Credit erworben werden. Neben Einzelcredits oder größeren Mengen von Credits existieren auch Abonnement-Modelle[5]. Eine Online-Bestellung ist über die Homepage von EMD möglich[6].


WAsP-CFD Schritt für Schritt


Benötigte Eingangsdaten

Die Berechnungsvoraussetzungen für eine WAsP-CFD-Berechnung werden in einem Terraindatenobjekt definiert, das für den Zweck WAsP-CFD definiert ist.

  • Höhenlinien sollen mindestens einen Radius von 20 km um die Berechnungsfläche(n) abdecken. Sie sollen bis zu einer Entfernung von 8 km einen vertikalen Linienabstand von 5 m nicht überschreiten, jenseits von 8 km reicht ein Vertikalabstand von 10 m. Wenn die Höhendaten in einem Höhenraster-Objekt vorliegen, prüfen Sie die Linienabstände für die Konvertierung in Linien auf dem Register Höhenraster-Objekt → WAsP-Einstellungen .
  • Rauigkeitsdaten sollen mindestens einen Radius von 20 km um die Berechnungsfläche(n) abdecken.
  • Die Berechnungsflächen werden auf dem Register RESOURCE-/CFD-Fläche definiert. Die Berechnungsflächen dürfen sich überlappen. Wenn die Windparkfläche so geformt ist, dass ein Messmast am Rande einer Fläche liegen würde, sollte dieser eher eine eigene Berechnugsfläche bekommen (in der er dann mittig liegt).
  • Das verwendete Koordinatensystem sollte möglichst das gleiche sein, in dem die weiteren Berechnungen vorgenommen werden sollen, insbesondere bei anschließender Erstellung von Ressourcenkarten.



Weitere Informationen


Referenzen:

  1. A. Bechmann: WAsP CFD – A new beginning in wind resource assessment; DTU o.J.; http://www.wasp.dk/-/media/Sites/WASP/Products/CFD/WAsP%20CFD%20-%20A%20new%20beginning%20in%20wind%20resource%20assessment.ashx?la=da (Letzter Zugriff 15.01.2016)
  2. Troen, I., & Hansen, B. O. (2015). Wind resource estimation in complex terrain: Prediction skill of linear and nonlinear micro-scale models. Poster session presented at AWEA Windpower Conference & Exhibition, Orlando, FL, United States; http://orbit.dtu.dk/en/publications/wind-resource-estimation-in-complex-terrain-prediction-skill-of-linear-and-nonlinear-microscale-models%28a1ca486c-0adf-4966-be11-2d9652afc32e%29.html (Letzter Zugriff 15.01.2016)
  3. http://www.wasp.dk/waspcfd (letzter Zugriff 15.01.2016)
  4. http://www.wasp.dk/waspcfd#flow-model (letzter Zugriff 15.01.2016)
  5. http://www.emd.dk/windpro/online-ordering/price-list/prices-wasp-products/ (letzter Zugriff 15.01.2016)
  6. http://www.emd.dk/windpro/online-ordering/ (letzter Zugriff: 15.01.2016)