WakeBlaster (DE)
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WakeBlaster ist ein externes Wakemodell, zu dem windPRO Zugang bietet. Die Anwendung ist beschränkt auf Zeitreihenberechnungen. Hierfür existieren zwei verschiedene Modi:
- Szenarien: mit WakeBlaster vorberechnete Szenarien in Bezug auf Windrichtung und -Geschwindigkeit, anhand derer die Zeitreihe im Anschluss durchgerechnet wird - diese Implementierung bietet keine Möglichkeit an, bei der z.B. variierende Turbulenzintensitäten berücksichtigt werden können,
- Zeitreihen: tatsächliches Durchrechnen jedes einzelnen Zeitstempels mit WakeBlaster - dies erlaubt auch die Berücksichtigung von variierenden Turbulenzen, erfordert allerdings in der Regel deutlich mehr Rechenperformance von WakeBlaster und somit auch mehr Berechnungscredits (kostenpflichtig). Dies ist insbesondere vorteilhaft für Validierungsberechnungen, bei denen für jeden Zeitstempel Messdaten vorliegen - dann kann geprüft werden, wie gut die Wakeverluste in Abhängigkeit von der variierenden Turbulenzintensität vom Modell reproduziert werden.
WakeBlaster in windPRO
WakeBlaster ist ein schnelles 3D-Wakemodell des Herstellers ProPlanEn[1]. Es verwendet einen angepassten Solver der Dreidimensionalen Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Gleichungen[2].
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Abbildung: Beispiel einer WakeBlaster-Strömungssimulation für die Offshore-Windfarm Anholt. Die Farben geben die Windgeschwindigkeit relativ zur freien Anströmung wieder.
WakeBlaster implementiert einen RANS-Solver der die kompletten Windfarm modelliert anstelle einzelner WEA. Das Auflösen von Dreidimensionalen Effekten wie der Wake-Ausdehung und Wake-Überlagerung ersetzt empirische Annäherungen und reduziert die Unsicherheit. Weitere Informationen finden Sie auf https://proplanen.info/wakeblaster.
WakeBlaster läuft auf einem eigenen Server des Anbieters ProPlanEn und erfordert einen API-Schlüssel (siehe [[WakeBlaster (DE)#Erwerb von WakeBlaster-Credits|]].
WakeBlaster-Anwender profitieren von der Möglichkeit, WakeBlaster innerhalb von windPRO anzuwenden und so Zugang zum fortschrittlichen Handling von Meteorologischen Daten mit dem Scaler, den Optionen zur Anpassung der Leistungskennlinien sowie dem vereinheitlichten Berichtswesen zu erlangen. Dies erleichtert den Vergleich mit anderen Modellen, da alle Ausgaben gleich formatiert sind.
WindPRO-Anwender profitieren von einer nahezu nahtlosen Integration eines fortschrittlichen Wakemodells in ihren existierenden Workflow. Es ist auch möglich, WakeBlaster-Berechnungen beispielsweise im PERFORMANCE CHECK-Modul zu verwenden, um sie gegen SCADA-Daten zu validieren.
Einrichten der WakeBlaster-Anfrage
Der erste Schritt ist, das zu berechnende Windfarm-Layout zu definieren und daraus dann die notwendigen Dateien für die WakeBlaster-Berechnung zu generieren. Dies wird im PARK-Modul durchgeführt.
WakeBlaster-Berechnungen stehen nur im Rahmen der Zeitreihen-basierten Berechungsmodi in PARK zur Verfügung (Zeitreihe aus MESO-Daten / Zeitreihe aus Messdaten).
Richten Sie auf den Registern Optionen und WEA die Berechnungsparameter und das zu berechnende WEA-Layout ein. Die WakeBlaster-Berechnung auf dem ProPlanEn-Server wird für ein spezifisches Layout und WEA-Typ durchgeführt. Sollen diese nach Durchführen der Berechnung geändert werden, so ist eine Neuberechnung auf dem ProPlanEn-Server notwendig.
Wählen Sie die Winddaten auf dem Register Scaler wie hier beschrieben. Soll später eine weitere PARK-Berechnung mit demselben Layout und WEA-Typ, aber anderen Winddaten durchgeführt werden, so kann die Originalberechnung dupliziert und die Winddatenauswahl geändert werden.
Wählen Sie auf dem Register Wake das Modell WakeBlaster aus. Es erscheint ein neues Register gleichen Namens:
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Das neue Register WakeBlaster:
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Szenarien / Zeitreihen: Die Szenarien-Berechnung simuliert Standardfälle bezüglich Windrichtung und -geschwindigkeit und verwendet diese als Datenbank, wenn die Zeitreihe simuliert wird. Die Zeitreihen-Berechnung rechnet tatsächlich für jeden Zeitstempel eine individuelle Wakesimulation, was den Vorteil hat, dass zeitstempelweise Turbulenzwerte verwendet und so eine höhere Berechnungsgenauigkeit erreicht werden kann. Der Nachteil ist, dass mehr Fälle kostenpflichtig berechnet werden müssen. Eine Szenario-Berechnung umfasst üblicherweise 2700 Wake-Fälle, was für eine Zeitreihenberechnung nur für 4 Monate (bei Stundenzeitreihen) bzw. weniger als 1 Monat (bei 10min-Zeitreihen) reicht. Die Zeitreihen-Berechnung wird deswegen in der Regel eher bei Validierungsberechnungen für kürzere Zeiträume angewandt, in denen die Reaktion des Wakemodells auf spezifische bekannte Turbulenzbedingungen geprüft werden soll.
Szenario-Berechnung:
Simulierte Fälle: Hier werden die einzelnen Wake-Situationen definiert. Standardmäßig werden 2700 Wakesituationen berechnet, nämlich für Windgeschwindigkeiten von 2-16 m/s in 1 m/s-Schritten und 2° Richtungsauflösung (180 Sektoren). Dies kann bei Bedarf an spezifische Anforderungen angepasst werden. Die kleinstmögliche Richtungsauflösung ist 5°.
Erzeuge Wakeflow-Grafik: Wählen Sie eine spezifische Richtung, Windgeschwindigkeit und Nabenhöhe aus. Für diese Option werden 100 zusätzliche Fälle berechnet.
Turbulenz bearbeiten: Siehe hierzu den Abschnitt Sektorweise Daten.
Zeitreihen-Berechnung:
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Turbulenz: Die Zeitreihen für Windrichtung und -geschwindigkeit werden auf dem Scaler-Register gewählt. Wenn diese Zeitreihen auch ein Turbulenzsignal enthalten, sollte aus Scaler gewählt werden. Alternativ kann die Turbulenz von einem METEO-Objekt bezogen werden und wahlweise noch mit einer Skalierung versehen werden, wenn eine bekannte Unter- oder Überschätzung vorliegt (z.B. bei modellierten Daten). Die Verwendung eines festen' Werts wird nicht empfohlen, da dies den Vorteil der Zeitreihen-Berechnung negiert.
Wenn alle notwendigen Daten eingegeben sind, klicken Sie auf Ok, um die lokale Vorberechnung zu starten. Abhängig von der Anzahl der WEA und METEO-Objekte kann dies einige Sekunden bis Minuten dauern. Bei der Vorberechnung werden die Daten für den ProPlanEn-Server vorbereitet. Sie schließt mit einem Fenster WakeBlaster Status ab:
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Starten der WakeBlaster-Berechnung auf dem ProPlanEn-Server
Geben Sie URL und API-Schlüssel an entsprechend der Bestätigungsmail, die Sie beim Erwerb der WakeBlaster-Credits erhalten haben.
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(Abgebildeter API-Schlüssel ist nicht gültig)
Schützen Sie Ihren API-Schlüssel vor unberechtigtem Zugriff. Er gilt für Ihr Unternehmen und gibt Zugriff auf Ihre Daten und berechnete Strömungsfälle. Darüber hinaus ermöglicht er, WakeBlaster-Credits für Strömungsfall-Berechnungen zu verbrauchen. WakeBlaster-Credits sind nicht übertragbar und werden nicht erstattet, wenn Fälle ohne Autorisierung berechnet wurden.
Creditstatus: Fragt beim WakeBlaster-Server ab, wie viele Credits aktuell vorhanden sind.
Prüfen Sie, ob ausreichend Credits für die geplante Berechnung vorhanden sind:
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Hier: 15 Windgeschwindigkeiten x 180 Richtungen + 100 Fälle für die Wakeflow-Grafik = 2800
Nach Klick auf Ok erscheint eine Rückfrage. Nach Bestätigung werden die Daten zum ProPlanEn-Server hochgeladen und die Berechnung dort gestartet. Sie können windPRO während des Wartens auf die Ergebnisse schließen, aber vergessen Sie nicht, das Projekt zu speichern.
Fertigstellung der Berechnung
Die Berechnung auf dem ProPlanEn-Server dauert zwischen 10 Minuten und mehreren Stunden, abhängig von der Serverlast und dem Umfang der Berechnung. Bitte wenden Sie sich an sales-de@emd.dk, wenn Sie garantierte Berechnungskapazitäten für zeitkritische Projekte benötigen, wir schicken Ihnen gerne ein Angebot.
Nach Fertigstellung erhalten Sie eine Mail von calcsystem@cerebrum.emd.dk:
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Sollte eine Berechnung ungewöhnlich lange dauern, können Sie den Status abfragen: Doppelklicken Sie im Fenster Berechnungen auf den Berechnungstitel; auf dem WakeBlaster-Register können Sie mit der Schaltfläche .png){kind=small}
den Status abfragen und erhalten gegebenenfalls Fehlermeldungen. Wenn Sie den Grund des Fehlers nicht selbst identifizieren können, schicken Sie den Meldungstext bitte an den windPRO-Support.
Ist die Berechnung abgeschlossen, präsentiert sich der untere Teil des WakeBlaster-Registers wie folgt:
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Klicken Sie auf Ergebnisse herunterladen und in Berechnung übernehmen. Die Teile des obigen Screenshots ab WakeBlaster Ergebnisdatei erscheinen erst nach dem Download.
Wakeflow-Grafik: Zeigt eine grafische Darstellung des Wakeflows, ähnlich dem Bild weiter oben auf dieser Seite. Diese Option ist nur verfügbar, wenn die Erzeugung einer Wakeflow-Grafik in der Berechnung inbegriffen war (Kosten: 100 Credits).
Berechnungs-Info: Vor allem wichtig, wenn bei der Berechnung Probleme auftreten. Anhand der Berechnungs-Infos kann das WakeBlaster-Team die Berechnung identifizieren und hoffentlich das Problem besser eingrenzen.
Wenn Sie jetzt mit Ok fortfahren, wird die PARK-Berechnung auf Basis der heruntergeladenen WakeBlaster-Ergebnisse durchgeführt. Beachten Sie, dass Einstellungen auf dem Register Scaler sowie einige andere Einstellungen vor Beginn der Berechnung verändert werden können; das WEA-Layout und die Leistungskennlinie müssen jedoch so bleiben, wie sie der WakeBlaster-Berechnung zugrunde lagen.
Evaluierung von WakeBlaster-Ergebnissen im Vergleich mit PARK2
Das betrachtete Beispiel ist die Offshore-Windfarm Anholt.
Es wird WakeBlaster 2.1.3 verwendet sowie, in diesem Fall, der freie Wind für jede WEA-Position. Leistungskennlinien-Korrekturen sind ebenso wie bei anderen Wakemodellen in windPRO verfügbar. Im vorliegenden Fall erhöht die Luftdichtekorrektur die berechnete AEP im Vergleich zur Standard-Leistungskennlinie um 0,4%, Turbulenzkorrektur erhöht sie um 0,7%.
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WakeBlaster-Ergebnis:
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Der Wakeverlust wird mit 6,4% berechnet, was geringfügig höher als die 6,3% ist, die mit PARK2 mit einer Standard-Wake-Decay-Konstante Offshore von 0,06 berechnet werden:
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Mit der von EMD empfohlenen Wake-Decay-Konstante (0,8 x TI) werden 7,2 % ermittelt. Die Sensitivität gegenüber den Turbulenzintensitäts-Daten ist hoch:
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Die tatsächliche Produktion für die Berechnungsperiode, normalisiert auf 1 Jahr, ist 1,763 GWh, was zur folgenden Bewertung der drei Berechnungen führt:
| Gemessen | PARK2 TI | PARK2 DTU | WakeBlaster |
|---|---|---|---|
| 1,793 | 1,853 | 1,872 | 1,868 |
| Gütefaktor | 0,968 | 0,958 | 0,960 |
Die tatsächliche Produktion kann basierend auf Ergebnissen mit so niedriger Auflösung nicht verraten, welches Modell am besten performt. Eine Überproduktion von 5% kann problemlos mit Verlusten, Nicht-Verfügbarkeit, Optimierter Vermarktung, einem Bias in Winddaten oder anderem erklärt werden.
Ein Ergebnisvergleich WEA für WEA:
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Es gibt hier keine bedueutenden Unterschiede zwischen den berechneten Wake-Verlusten. Detaillierte Vergleiche mit Messungen zeigen aber, dass das WakeBlaster-Modell in einigen, aber nicht allen Fällen besser als die N.O.Jensen-basierten Modelle arbeitet. Auf jeden Fall sind solche Vergleiche sehr sensitiv gegenüber Problemen im Anlagenbetrieb, der Genauigkeit
der ct-Kennlinien usw.
Im OWA-Projekt (Offshore Wind Accelerator) wurden verschiedene Wakemodelle mit Betriebsdaten von sechs Offshore-Windfarmen in Dänemark und dem Vereinigten Königreich verglichen. Hier performt WakeBlaster (und PARK2) ebenfalls gut, es wird von keinem anderen Wakemodell übertroffen. Es kann nicht geschlossen werden, dass irgendein Wakemodell immer das beste ist, aber mehrere Optionen zu haben ist stets better als nur eine.
Die Modellunterschiede zeigen sich, wenn die berechneten Wake-Verluste der Zeitreihen-Berechnung mit hoher Richtungsauflösung dargestellt werden:
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Abbildung: Wakeverluste nach Richtung, WakeBlaster und PARK2
Wenn der Wind entlang der langen Reihen weht (siehe Layoutplan unten) berechnet PARK2 höhere Wakeverluste als WakeBlaster. Es ist schwierig, zu validieren was die korrektere Lösung ist, da exakte Richtungsdaten rar sind. Der Test für Horns Rev1 weist jedoch ebenfalls darauf hin, dass die von PARK2 berechneten Wakeverluste zu hoch sind, wenn der Wind längs der Reihen weht, im Vergleich dazu, wenn sie schräg angeströmt werden. Alles in allem generieren beide Modelle ähnliche Gesamtergebnisse.
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Abbildung: Offshore-Windfarm Anholt. Die Zahlen entsprechen denen im Ergebnisvergleich WEA für WEA.
Berechneter Wakeverlust nach Windgeschwindigkeit:
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PARK2 berechnet von 5 bis 9 m/s höhere Verluste. In den höheren Windgeschwindigkeits-Klassen, in denen ein großer Teil der Produktion stattfindet, berechnet WakeBlaster geringfügig mehr Verluste als PARK2 mit DTU-Standard-WDC (jedoch weniger als PARK2 mit der EMD-Empfehlung bezüglich WDC).
Erwerb von WakeBlaster-Credits
Unter https://www.emd-international.com/windpro/cfd/wakeblaster/ finden Sie weitere Informationen zum Zugang zum WakeBlaster-Server und zum Erwerb von WakeBlaster-Credits. Die Kosten für eine WakeBlaster-Berechnung liegen im Bereich zwischen 20 und 50€.
Referenzen:
- ↑ Wolfgang Schlez, “Virtual Wind Farm Simulation – A Closer Look at the WakeBlaster Project”, WindTECH International, Volume 13, No 6, 2017 (https://proplanen.info/wakeblaster).
- ↑ Philip Bradstock und Wolfgang Schlez, “Theory and Verification of a new 3D RANS model”, Wind Energ. Sci. Discuss., https://wes.copernicus.org/articles/5/1425/2020/.