Handbuch ATLAS

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Mit ATLAS wird eine einfache Geländemodellierung vorgenommen, die auf der Publikation Vindatlas for Danmark basiert. Das Modell wurde von EMD in den 1980er Jahren verbessert, es wurde seitdem aber nicht mehr weiterentwickelt. Wenn gute Ausgangswinddaten vorliegen, ist es für sehr einfach strukturiertes Gelände immer noch ein günstiges, einfach zu bedienendes Modell mit akzeptabler Genauigkeit.

Ausgangspunkt der Modellierung ist eine regionale Windstatistik, die das Windklima beschreibt. Zusätzlich benötigte Eingaben sind einfache Beschreibungen der Umgebung der WEA. Windstatistik und Terraindaten werden in einem Terraindatenobjekt mit Verwendungszweck ATLAS definiert.

Starten Sie eine ATLAS-Berechnung mit Menüband Energie → AEP Einzelposition → ATLAS :

Es wird stets nur die Position des Terraindaten-Objekts berechnet. Windfarm-Layouts, die bereits auf der Karte vorhanden sind, haben für die Berechnung keine Bedeutung. Es können aber mehrere WEA-Typen gewählt werden, um deren Produktion an der Position zu vergleichen.

Zu Allgemeinen Informationen zum Start einer Berechnung siehe Berechnungen - Grundlagen.

Register Hauptteil

Optionen auf dem Register Hauptteil:

• Umgang mit Verlusten/Unsicherheiten
• Zusätzliche Ergebnisse für Höhe
• Windprofil berechnen

Register Winddaten und WEA

Register Winddaten und WEA:

Wähle Windverteilung: zeigt alle für eine ATLAS-Berechnung verfügbaren Terraindatenobjekte an. Genau eine Quelle muss ausgewählt werden.

Windenergieanlagen-Auswahl: WEA können aus dem WEA-Katalog hinzugefügt werden und es können mit der Option Wähle aus Objektliste mit einem Klick alle im Projekt bisher verwendeten WEA-Typen hinzugefügt werden.

Register Leistungskennlinie

Das Register Leistungskennlinie kommt in allen windPRO-Energieberechnungen vor. Es wird auf einer eigenen Wikiseite erläutert.

Start der ATLAS-Berechnung

Starten Sie die Berechnung mit Ok

ATLAS-Ergebnisse

Nach Abschluss der Berechnung erscheint die Gliederung der Ergebnisse im Berechnungsfenster. Zur Darstellung der Ergebnisse siehe Berechnungen - Grundlagen.

Es sind bei der ATLAS-Berechnung 7-9 Teilergebnisse verfügbar (Windprofil Übersicht und Sektor-Windprofil nur, wenn dies in den Berechnungseinstellungen ausgewählt wurde):

Hauptergebnis: Dargestellt werden die Wind- und Terraindatenbasis sowie die Ergebnisse für die in der Berechnung untersuchten Windenergieanlagen-Typen:

Produktionsanalyse: Sektorweise Aufschlüsselung der Produktionsdaten und des Geländeeinflusses.

Leistungskennlinien-Analyse: Stellt die Original-Leistungskennlinie aus dem WEA-Katalog der auf Standort-Luftdichte umgerechneten Leistungskennlinie gegenüber.

Terrain: Stellt die Rauigkeits-, Hügel- und Hindernisinformationen aus dem Terraindatenobjekt tabellarisch sowie in Übersichtskarten dar.

Analyse der Windverhältnisse Stellt die Weibull-Verteilung, die von ATLAS für die Berechnungsposition ermittelt wurde, in grafischer und tabellarischer Form dar.

Windprofil Übersicht/Sektor-Windprofil (nur wenn in Berechnungseistellungen ausgewählt): Grafische und tabellarische Darstellungen des Windprofils.

Windstatistik-Info: Zeigt die Metadaten der verwendeten regionalen Windsattistik dar. Je nach Datenquelle und WAsP-Version, mit der die Windstatistik erzeugt wurde, können die angezeigten Informationen mehr oder weniger umfangreich sein.

Karte: Übersichtskarte der Umgebung des METEO-Objekts. Eventuell vorhanden WEA-Layouts werden nicht dargestellt, da sie keinen Einfluss auf die METEO-Berechnung haben.

Die folgenden Ergebnisse können über die Ergebnis in Datei-Funktion exportiert werden:

Ergänzende Themen

Register Hauptteil/Option: Umgang mit Verlusten/Unsicherheiten

Die Energieberechnungs-Module (METEO, ATLAS, WAsP interface, PARK) schließen keine eigene Unsicherheits-Betrachtung ein. Diese muss stets separat in LOSS&UNCERTAINTY durchgeführt werden.

Wird eine Energieberechnung mit den genannten Modulen gestartet, stehen folgende Möglichkeiten zur Wahl:

Bericht weist auf zusätzliche LOSS&UNCERTAINTY-Berechnung hin (nur bei PARK): Dies fügt einen textlichen Hinweis auf dem Hauptergebnis ein, dass es eine separate LOSS & UNCERTAINTY-Berechnung gibt. Auf dem PARK-Hauptergebnis werden keine Unsicherheiten ausgewiesen.

Bericht weist lediglich Bruttoproduktion und Wake-Verluste aus: Es wird auf dem Hauptergebnis weder auf Verluste/Unsicherheiten verwiesen noch werden Abschläge vorgenommen

Pauschaler Abschlag mit Text (Standardeinstellung: Ergebnis -10%): Im Hauptergebnis erscheint eine zusätzliche Spalte mit der angegebenen Überschrift, in der der entsprechend verminderte Betrag genannt wird.

Es ist möglich, diese Einstellung noch nach Durchführen der Berechnung zu ändern (Rechtsklick auf Berechnungsüberschrift ⇒ Umbenennen ). So kann z.B. erst eine PARK-Berechnung und dann basierend auf dieser eine LOSS&UNCERTAINTY-Berechnung durchgeführt werden. Die Abschläge der LOSS&UNCERTAINTY-Berechnung können dann wiederum in PARK als prozentualer Abschlag angegeben werden.

Register Hauptteil/Option: Zusätzliche Ergebnisse für Höhe

Die Energieberechnungs-Module (METEO, ATLAS, WAsP interface, PARK ohne Scaler) weisen auf dem Hauptergebnis und zum Teil auch auf anderen Berichten neben den Ergebnissen für die WEA zusätzlich noch Referenzergebnisse für eine feste Höhe aus.

Diese sollen der Vergleichbarkeit unterschiedlicher Berechnungen (unabhängig von der Nabenhöhe der verwendeten WEA) dienen.

Die Position, für die die Referenzergebnisse ausgewiesen werden, ist jeweils die Position des Objekts, das die Winddaten enthält, also des METEO- oder des Terraindatenobjekts.

Die Höhe kann in den Berechnungseinstellungen gewählt werden. Standardvorgabe sind 50 m ü.Gr.

Die Referenzergebnisse umfassen die Bruttowindenergie und die mittlere Windgeschwindigkeit. In Berechnungen mit WAsP wird zusätzlich noch die Äquivalente Rauigkeit angegeben.

Register Hauptteil/Option: Windprofil berechnen

In METEO, ATLAS und WAsP interface kann auf dem ersten Register der Berechnungseinstellungen ausgewählt werden, dass für die Berechnungsposition ein Windprofil berechnet wird.

Das Windprofil wird anhand der Windscherung aus dem verwendeten Winddaten-Objekt berechnet:

• METEO-Objekt : Power-Law-Windgradienten (METEO-Objekt → Register Windscherung )
• Terraindatenobjekt: Berechnet aus Windstatistik und Terrainmodellierung.

Es werden zwei zusätzliche Berichte erzeugt:

• Windprofil Übersicht und
• Sektor-Windprofil

Ersteres enthält das Gesamt-Windprofil (alle Richtungen) als einseitige Darstellung und zwei Übersichtsseiten mit kleinen Darstellungen von Sektor-Windprofilen. Der Bericht Sektor-Windprofil zeigt ausgewählte Sektoren als ganzseitige Windprofile (Auswahl über Darstellungsoptionen).

Die Windprofil-Übersicht stellt das Windprofil grafisch und tabellarisch dar. Neben der Windgeschwindigkeit wird auch der Ertrag einer WEA mit der entsprechenden Nabenhöhe angegeben sowie die Ertragsänderung gegenüber der in der Berechnung verwendeten Nabenhöhe. Der Windgradient wirkt auf den A-Parameter, der k-Parameter-Korrekturwert (siehe METEO-Objekt, Register Windscherung) auf den k-Wert. Standardmäßig wird der Bericht für den ersten WEA-Typ angezeigt. Via Darstellungsoptionen können die anderen in der Berechnung berücksichtigten Typen ausgewählt werden.

Register Leistungskennlinie

Auf diesem Register werden Eingaben getätigt, die windPRO mitteilen, ob und wie die im WEA-Katalog vorliegende Leistungskennlinie auf die Luftdichte am Standort umgerechnet werden soll sowie wie besagte Luftdichte ermittelt wird.

Das Register existiert in einer einfachen Variante (Module ATLAS, WAsP interface, PARK unter Verwendung einer regionalen Windstatistik) und in einer komplexeren Variante (PARK unter Verwendung eines Scalers).

Einfache Variante

Leistungskennlinien werden von WEA-Herstellern normalerweise für eine Standardluftdichte von 1,225 kg/m³ angegeben. windPRO rechnet diese automatisch in die mittlere Luftdichte am Standort um, wenn das Häkchen Leistungskennlinie anpassen gesetzt ist. Ansonsten wird die Leistungskennlinie so verwendet, wie sie im WEA-Objekt angegeben ist.

• Die Alte windPRO-Methode basiert auf der einfachen Skalierung der Leistungswerte entsprechend dem Verhältnis von Standort- zu Standardluftdichte, wie sie typischerweise für Windkraftanlagen mit Stallregelung verwendet wird. Dieser Skalierungsansatz würde die Höhe der Nennleistung verändern, wenn er bei allen Windgeschwindigkeiten angewendet würde. Um dies zu vermeiden, wird eine empirische Lösung gewählt, bei der die Skalierung kurz vor Erreichen der skalierten Nennleistung endet und stattdessen ein sanfter empirischer Übergang zur tatsächlichen Nennleistung erfolgt.

Der Nachteil dieses Ansatzes besteht darin, dass bei großen Korrekturen (in der Regel bei niedrigen Luftdichten) der Übergang vom steilen Teil der Leistungskurve zur Nennleistung nicht glatt genug ist und das Verhalten von Windkraftanlagen mit Pitch-Regelung nicht genau nachbildet. Eine Überprognose der AEP wie bei der IEC-Methode kann bei großen Korrekturen für niedrige Luftdichten das Ergebnis sein. Diese Methode ist inzwischen veraltet und sollte nur aus Kompatibilitätsgründen verwendet werden

• Die Neue windPRO-Methode ist eine verbesserte Luftdichtekorrektur, die auf einer einfachen Anpassung der IEC 61400-12 Methode (siehe unten) basiert. Die IEC-Korrektur geht von der Annahme aus, dass der Wirkungsgrad der WEA bei allen Windgeschwindigkeiten konstant ist, was, wie wir aus der C_p-Kurve wissen, nicht der Fall ist. Infolgedessen ist die IEC-Korrektur im Bereich der Nennleistung nicht sehr leistungsfähig. Die neue WindPRO-Methode verwendet den gleichen zweistufigen Ansatz wie die IEC 61400-12-Methode, mit dem einfachen, aber wichtigen Unterschied, dass der Exponent in der Gleichung der IEC 61400-12 (siehe unten) nicht konstant bei 1/3 für alle Windgeschwindigkeiten liegt. Stattdessen wird der Exponent zu einer Funktion der Windgeschwindigkeit. Eine vollständige theoretische Beschreibung dieser und der anderen Methoden findet sich in https://www.emd.dk/files/windpro/WindPRO_AirDensity.pdf (siehe auch Hyperlink am unteren Rand des "Luftdichte Bearbeiten"-Fensters).

• IEC 61400-12-Methode: Es handelt sich um ein zweistufiges Verfahren. Es wird angenommen, dass die Ausgangsleistung bei allen Windgeschwindigkeiten die übliche Abhängigkeit von ρu³ aufweist. Anstatt die Leistungswerte bei Standardluftdichte (P_std) mit dem Verhältnis von Standortluftdichte zu Standardluftdichte zu skalieren (was die Nennleistung verändern würde), skaliert Schritt 1 die Windgeschwindigkeiten der Standardleistungskurve gemäß:

u_site = u_std ( ρ_std ⁄ ρ_site )^1/3

Die sich daraus ergebende korrigierte Leistungskurve (u_site, P_std) wird jedoch mit den neuen Windgeschwindigkeitswerten, u_site, abgetastet. Um die luftdichtekorrigierte Leistungskurve bei den ursprünglichen Windgeschwindigkeiten (u_std) zu erhalten, interpoliert Schritt 2 die neuen korrigierten Leistungswerte bei den ursprünglichen Windgeschwindigkeiten, d. h. (u_std, P_site), aus der Kurve (u_site, P_std). Aufgrund des unter Neue windPRO-Methode beschriebenen Defizits dieser Methode sollte sie nur für kleine Luftdichtekorrekturen verwendet werden.

Die Leistungskennlinen-Optionen werden in einem gesonderten Dokument genauer beleuchtet (siehe auch Hyperlink am unteren Rand des Registers).

Die Einstellungen unter Umgang mit negativen Leistungswerten sind nur relevant, wenn die Leistungskennlinie der verwendeten WEA in den niedrigen Windgeschwindigkeiten (normalerweise 1-3 m/s) negative Werte enthält. Häufig sind diese Werte in den Hersteller-Leistungskennlinien jedoch auf 0 gesetzt.

Über die Schaltfläche Bearbeiten gelangen Sie zu den Optionen der Luftdichte-Berechnung:

Die Luftdichte wird für die Nabenhöhe der individuellen WEA berechnet. Entscheidende Werte dafür sind die Temperatur und der Luftdruck. Die relative Luftfeuchtigkeit hat nur marginalen Einfluss. Die Temperatur wird standardmäßig der hinterlegten Klimadatenbank (nächstgelegene Station) entnommen und anhand des vertikalen Temperaturgradienten von der Höhe der Klimastation auf Nabenhöhe umgerechnet. Der Luftdruck wird aus der Höhe über NN. berechnet.

Im unteren Bereich des Fensters können eigene Probeberechnungen anhand der angegebenen Parameter durchgeführt werden, z.B. um die Sensitivität bei Änderung eines Parameters zu ermitteln.

Scaler-Variante

Leistungskennlinien gehen üblicherweise als über das Jahr gemittelte Leistungskennlinien in Berechnungen der Jahresenergieproduktion (AEP, Annual Energy Production) ein. Mit der Zeitreihen-basierten Scalermethode können für jeden Zeitschritt Korrekturen für die Leistungskennlinien vorgenommen werden, die auf den meteorologischen Parametern der jeweilgen Periode basieren. Häufig ändert dies nicht viel an der berechneten mittleren Jahresenergieproduktion, es kann aber z.B. wenn am Standort besonders hohe oder niedrige Turbulenzen herrschen, die Genauigkeit der AEP verbessern. Auch wenn Analysen mit PERFORMANCE CHECK durchgeführt werden sollen, erlaubt es häufig, die Produktion einer spezifischen Periode besser zu reproduzieren und Zeiträume mit ungewöhnlich hoher oder niedriger Performance zu erklären.

Die möglichen Korrekturen sind:

• Luftdichte-Korrektur

Wird im Bereich Leistungskennlinie die Korrektur nach 61400-12-1 ed.2 ausgewählt oder verwenden die WEA-Objekte das PowerMatrix-Format, so können weitere Korrekturen durchgefürt werden:

• Turbulenz-Korrektur (nur für WEA mit Pitch-Leistungsregelung)
• Windscherungs-Korrektur (basierend auf gewählten Shear-Höhen auf dem Scaler-Register)
• Richtungsänderungs-Korrektur (basierend auf Richtungsänderungs-Signal [Veer] in METEO-Objekt oder Meso-Shear)

Die Luftdichtekorrektur folgt den Formeln der IEC-Norm 61400-12-1 Ed. 2. Es sollte an dieser Stelle angemerkt werden, dass die IEC-Norm Methoden beschreibt, um eine gemessene Leistungskennlinie auf Basis der meteorologischen Parameter in Standardbedingungen umzurechnen. In windPRO werden diese Methoden umgedreht, um Leistungskennlinien von Standardbedingungen auf durch die Meteorologie modifizierte Bedingungen umzurechnen. Um dieses Konzept umsetzen zu können, mussten bei der Implementierung einige Anpassungen vorgenommen werden.

Temperatur / Luftdruck: Standardmäßig wird diese Information aus der nächstgelegenen Wetterstation der Klimadatenbank bezogen. Bei einer Zeitreihen-basierten Berechnung kann es aber sinnvoll sein, Temperatur und Luftdruck von dem oder den METEO-Objekten, auf denen das Scaling basiert (siehe Register Scaler) zu beziehen. Wenn auf dem Scaler-Register mehrere METEO-Objekte gewählt sind, ist es notwendig, dass sie alle das entsprechende Signal für jeden Zeitstempel haben. Wenn die Zeitstempel der METEO-Objekte nicht komplett synchron sind, wird eine Abweichung der Zeitstempel um bis zu 50% des Zeitschritts toleriert.

Alternativ kann ein individuelles METEO-Objekt mit Luftdichte- oder Temperaturzeitreihe ausgewählt werden. In diesem Fall sind die Anforderungen an die Verfügbarkeit der Daten geringer – bis zu 13 Zeitstempel der Scaling-Zeitreihe dürfen in der LK-Korrektur-Zeitreihe am Stück fehlen oder deaktiviert sein (entspricht bei 10min-Zeitreihen 2 Stunden). Die fehlenden Werte werden dann zwischen den nächstgelegenen Zeitstempeln linear interpoliert. So können bei einem Scaling anhand einer 10min-Zeitreihe dennoch Stundenzeitreihen für die Luftdichteanpassung verwendet werden.

Turbulenz: Für die Turbulenzanpassung gelten ähnliche Regeln bezüglich der Herkunft des Signals und der Anforderungen an die Verfügbarkeit. Ab windPRO 3.1 können Scaler, die das Scaling mit den Ergebnissen von WAsP-CFD (*.cfdres) oder anderen CFD-Modellen (*.flowres; sofern diese Turbulenzdaten anbieten) durchführen, auch ein gescaltes Turbulenzsignal generieren (siehe Scaler:Turbulenz).

Das Scaling der Turbulenzintensität auf die WEA-Position geschieht unter Annahme einer über die Höhe konstanten Standardabweichung. Aus der Scaling-Zeitreihe wird die Standardabweichung aus Windgeschwindigkeit und Turbulenzintensität ermittelt (alternativ aus Windgeschwindigkeit aus Zeitreihe und Turbulenzinformation aus *.cfdres oder *.flowres-Datei). Die Standardabweichung wird dann auf die für die WEA-Position gescalte Windgeschwindigkeit angewandt, um die Turbulenzintensität für diese Position zu erhalten. Dies ist eine relativ einfache Herangehensweise, die nicht berücksichtigt, dass es Teile des Standorts mit starken Turbulenzabweichungen geben kann.

Wenn die Turbulenzinformation für einen Zeitstempel fehlt, wird keine Turbulenzkorrektur auf die Leistungskennlinie angewandt, aber der Datenpunkt wird dennoch berechnet. Bevor die Berechnung gestartet wird, wird überprüft, ob mindestens 50% der Zeitstempel über eine Turbulenzinformation verfügen. Ansonsten wird ein Fehler ausgegeben, da es unter solchen Bedingungen nicht sinnvoll ist, eine Turbulenzkorrektur durchzuführen.

Ein Turbulenzsignal kann auch in einem METEO-Objekt mit Mesoskalen-Daten (EMD-ConWx und EMD-WRF) erzeugt werden – siehe hierzu Turbulenzsignale in EMD-Meso-Daten. Korrektureinstellungen: Die Turbulenzkorrektur benötigt eine Annahme darüber, welches die Turbulenz ist, für die die Standardleistungskennlinie gilt (Referenz-Turbulenzintensität). Dieser Wert kann vom Anwender definiert werden:

Windscherungs-Korrektur: Sind auf dem Scaler-Register mehrere Shear-Höhen gewählt, werden diese verwendet, um die Windscherungs-Korrektur zu berechnen.

Richtungsänderungs-Korrektur (Veer): Dies benötigt ein eigenes Richtungsänderungs-Signal (Veer) in einem METEO-Objekt. Grund hierfür ist, dass die Arbeit mit zwei Windfahnen normalerweise kein zuverlässiges Richtungsänderungs-Signal für alle Zeitstempel liefert. Die Daten der Windfahnen müssen deshalb zunächst importiert und überprüft werden. Gegebenenfalls können Teile der Zeitreihe mit Richtungsänderungen aus einem METEO-Objekt mit Mesodaten (EmdConWx oder EmdWrf) substituiert werden oder dieses alleine verwendet werden.

In der PERFORMANCE-CHECK-Dokumentation werden berechnete Luftdichte- und Turbulenzkorrekturen mit Messungen verglichen. Zu Details über die Korrekturmethoden siehe die IEC-Norm 61400-12-1 Ed. 2. Die angewandten Korrekturfaktoren ebenso wie die verwendeten Signale werden für jeden Zeitstempel in den exportierbaren Ergebniszeitreihen der PARK-Berechnung ausgegeben.

Leistungskennlinie: Die hier verfügbaren Optionen werden weiter oben im Abschnitt "Einfache Variante" erläutert.

Literatur