LOAD RESPONSE-Berechnung

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Zuerst muss LOAD RESPONSE auf dem Register Hauptteil des SITE COMPLIANCE-Fensters gewählt werden.

Anschließend wird auf dem Register das passende Response-Modell für die Last-Abschätzung ausgewählt. Dies geschieht über das Ausklapp-Feld WEA-Response-Datei wählen (für alle WEA). Mehrere generische Response-Modelle sind standardmäßig in LOAD RESPONSE enthalten und können hier passend zum verwendeten Anlagentyp gewählt werden.

Abb. 88. Register LOAD RESPONSE in SITE COMPLIANCE.

Abb. 89. Auswahl des generischen Response-Modells

Diese Auswahl des Response-Modells gilt für alle WEA im betrachteten Layout – eine typische Situation, wenn es nicht sehr große Unterschiede der Rotordurchmesser im Park gibt. Sind die WEA im betrachteten Layout nach verschiedenen Auslegungsklassen zertifiziert, werden die Einstellungen bei den generischen Modellen automatisch übernommen, wenn sie in jedem einzelnen WEA-Objekt entsprechend definiert worden sind.

Die weitere Option WEA-Response-Datei wählen (für einzelne WEA) aktiviert den Knopf Wähle, um darüber jeder einzelnen WEA im Layout ein Response-Modell zuzuordnen. Diese Option ist nur zu verwenden, wenn die generischen Modelle genutzt werden und im Park stark unterschiedliche Rotordurchmesser vorhanden sind oder wenn Hersteller-spezifische Modelle für einen Park aus unterschiedlichen Anlagentypen oder mit Auslegungsklassen genutzt werden.

Wenn die Response-Datei gewählt wurde, werden über Berechne die Ermüdungslasten gewählt. Anschließend erscheint der Knopf Bearbeiten, über welchen die Berechnungseinstellungen definiert werden können.

Im nächsten Fenster Ermüdungslasten können die Berechnungsgrundlagen geprüft werden. Über die Schaltfläche Berechne wird die Berechnung gestartet.

Abb. 90. Einstellungen Ermüdungslasten und Berechnungsfenster in LOAD RESPONSE.

IEC Auslegungsfall (DLC)

Die Abschätzung der Ermüdungslasten in LOAD RESPONSE basiert auf dem IEC Auslegungslastfall (Design Load Case) DLC 1.2 “Produktionsbetrieb”, d.h. normaler Betrieb der WEA. Andere Auslegungslastfälle, die in der IEC enthalten sind, betreffen z.B. Fehler oder Start- und Stoppvorgänge, welche nicht standortspezifisch sind. Da diese höchstens sehr geringfügig zu den standortspezifischen Ermüdungslasten beitragen, sind sie in LOAD RESPONSE nicht enthalten. Weitere Details können Anhang IV zur Theorie von LOAD RESPONSE entnommen werden.

Standort-Parameter

Nur einige der IEC-Prüfungen aus SITE COMPLIANCE werden zur Abschätzung der Ermüdungslasten benötigt. Diese sind hier aufgelistet: Effektive Turbulenz (beinhaltet die Turbulenz-Struktur-Korrektur für komplexes Gelände), Windverteilung, Neigung der Anströmung, Windshear und Luftdichte.

WEA-Informationen

Hier werden die Daten des gewählten WEA-Response-Modells aufgeführt, die Abbildung zeigt das in LOAD RESPONSE enthaltene generische Modell einer größeren WEA. Die Lebensdauer ist Teil der Zertifizierung einer WEA und beträgt üblicherweise 20 Jahre. Der letzte Eintrag nennt das mathematische Response-Modell Central composite-Näherung, die Response-Surface-Methode, die auch von TÜV Süd zertifiziert wurde, Details in Anhang IV.

WEA-Komponenten

Diese Liste enthält die WEA-Komponenten des gewählten Response-Modells. Das generische Modell enthält die Hauptkomponenten: Blätter, Turm, Gondel und Welle. In den Berechnungen der Ermüdungslasten wird jede der Komponenten durch verschiedene Querschnitte und Materialparameter dargestellt, die als Sensoren und Wöhler-Exponenten bezeichnet werden. Hersteller-spezifische WEA-Modelle können allerdings auch andere Komponenten und Sensoren beinhalten, als die generischen Modelle.

Richtungseinstellungen

LOAD RESPONSE bietet zwei Möglichkeiten der Richtungseinstellungen zur Berechnung der Ermüdungslasten. Beide sind gemäß IEC-Richtlinie zulässig, als Standard ist jedoch sowohl in der Richtlinie als auch in LOAD RESPONSE Omnidirektional vorausgewählt.

Omnidirektional (IEC61400-1 Ed. 3, Ed. 4): Mit dieser Einstellung werden die omnidirektionalen Werte für alle standortspezifischen Bedingungen der IEC-Prüfungen verwendet.

Sektoriell: Mit dieser Einstellung wird die Ermittlung der Ermüdungslasten sektorweise durchgeführt, unter Berücksichtigung der spezifischen Bedingungen -mit Ausnahme der Luftdichte- für jeden einzelnen Sektor. Durch Verwendung der sektoriellen Lastannahmen können etwas genauere Ergebnisse erzielt werden.

Komplett aufgelöst (keine effektive TI): Diese Einstellung kombiniert die klimatischen Parameter Wind Shear, Neigung der Anströmung und Gesamtturbulenz (Umgebung + Wake) für jedes einzelne Grad (zentriert auf 0,5°; 1,5°; 2,5° etc.) mit dem Response-Modell. Üblicherweise ist die Variation der Parameter innerhalb der 30°-Sektoren nicht allzu stark, mit Ausnahme der Turbulenz, die durch Wake-Einflüsse signifikante Unterschiede innerhalb der Sektoren aufweisen kann. Diese "komplette Auflösung" vermeidet die Anwendung der Frandsen-Integration über alle Richtungen, die Akkumulation der Ermüdungslasten wird ndirekt im Response-Modell von LOAD RESPONSE durchgeführt. Diese Option wirde nach der Zertifizierung durch TÜV Süd eingefügt. Sie ähnelt jedoch stark der sektoriellen Option und gibt in den meisten Fällen sehr ähnliche oder identische Ergebnisse. Die komplette Auflösung kann als stringenteste Option betrachtet werden, da einige der Annäherungen und vereinfachenden Schritte der Frandsen-Integration hier wegfallen.

Effektive Turbulenz

Im Bereich der Effektiven Turbulenz gibt es zwei Optionen in LOAD RESPONSE, variabel oder fest. Beide Optionen entsprechen dem IEC-Standard, aber können zu verschiedenen Lastergebnissen führen, besonders für Stahl-Komponenten mit niedrigen Wöhler-Exponenten, wie dem Turm. Besonders für Hersteller-spezifische Modelle ist es daher wichtig hier die gleiche Einstellung zu wählen, wie bei der Zertifizierung der WEA verwendet wurde.

Wöhler-Exponent variabel (IEC61400-1 Ed. 3, Ed. 4): Bei dieser Option wird der jeweilige Wöhler-Exponent der entsprechenden Komponente gewählt. Die Effektive Turbulenz wird für jeden Sensor unter Nutzung des relevanten Wöhler-Exponenten verwendet

Fester Wöhler-Exponent (m=XX aus SITE COMPLIANCE):Bei diesem Ansatz wird die Effektive Turbulenz nur für den Wöhler-Exponenten berechnet, der in der SITE COMPLIANCE-Berechnung gewählt wurde (Standard: m=10). Diese Effektive Turbulenz wird unabhängig vom Material des einzelnen Sensors für alle Komponenten verwendet.

Normalisierte Lasten

Normalisierte Lasten entsprechen den Auslegungs- oder Referenz-Lasten, d.h. dem Nenner bei der Berechnung des Last-Index'. Bei generischen Modellen sind keine Bauteil-Reserven bekannt, daher werden die Normalisierten Lasten immer über das Response Modell für die klimatischen Auslegungsparameter und die Auslegungsklasse berechnet. Bei hersteller-spezifischen Modellen sind die Lasten direkt in der Load Response-Datei definiert und werden für die passende Auslegungsklasse daraus entnommen (Aus Response-Datei). Für den Spezialfall, dass jemand die LOAD RESPONSE-Berechnung für eine andere Auslegungsklasse durchführen möchte, als die, für die die WEA zertifiziert ist, gelten die Lasten aus der spezifischen Datei nicht. Die Normalisierten Lasten müssen in diesem Fall über die Option Verwende Response-Modell berechnet werden.

Ergebnisregister – die Ermüdungslasten

Nach Durchführung der Berechnung erscheinen neue Register mit den Ergebnissen.

Abb. 91. Neue Register nach Durchführung der Berechnung

Ergebnis (Tabelle)

Das tabellarische Ergebnis bietet die vollständige Auflistung der Ergebnisse. Für jede WEA-Position zeigt die Tabelle den Last-Index für jeden Sensor, gruppiert gemäß zugehöriger Komponente. Für jeden Sensor wird folgendes gezeigt: Beschreibung, Wöhler (-Exponent), Last-Index und Lebenszeit [a]. Für Hersteller-spezifische Modelle können auch die angenommenen Ermüdungslasten gezeigt werden.

Last-Index ist einfach definiert als WEA-Lasten / IEC-Auslegungslasten, wobei die IEC-Auslegungsparameter der jeweilig relevanten Auslegungsklasse, z.B. IIA verwendet werden.

Die Lebenszeit wird aus dem Last-Index und dem Wöhler-Exponent berechnet, wie in Anhang IV beschrieben. Dabei entspricht ein Last-Index von 100% der Auslegungs-Lebenszeit, d.h. 20 Jahre bei den generischen Modellen und den meisten WEA.

Wichtig zu beachten ist hierbei, dass sich diese theoretische Lebenszeit lediglich auf die Ermüdungs-Lebensdauer unter Betrachtung der Ermüdung-Lasten bezieht! Weitere Abnutzungserscheinungen, wie z.B. Korrosion, sind in diesen Annahmen nicht enthalten. Dennoch kann die Abschätzung der Lebensdauer ein hilfreiches Instrument sein, um z.B. die zusätzliche Belastung an bestehenden WEA durch eine Erweiterung des Parks zu bestimmen. Hier könnte einfach ein Vergleich von zwei LOAD RESPONSE-Berechnungen geführt werden, einmal mit den geplanten WEA, einmal ohne. Der Unterschied der Lebensdauer der existierenden WEA kann hier wertvolle Hinweise zur zusätzlichen Beanspruchung liefern.

Abb. 92. Das Register Ergebnis (Tabelle)

Schädigungsmatrix zeigen

Über die Schaltfläche Visualisiere am rechten Rand der Ergebnistabelle wird die Schädigungsmatrix des entsprechenden Sensors in jedem Windbin und jeder Richtung gezeigt. So kann schnell erkannt werden, in welchem Bereich die stärkste Materialermüdung auftritt.

Ergebnis (Grafik)

Das Register Ergebnis (Grafik) zeigt - standardmäßig - den Lastindex für die kritischste Komponente, bzw. kritischsten Sensor für jede WEA. Der Lastindex kann für die unterschiedlichen WEA verschiedene Komponenten / Sensoren anzeigen. Wird der Cursor auf einen Punkt gezogen, wird die jeweilige Beschreibung am gewählten Punkt angezeigt. Über die Ausklappfelder unter der Grafik, können die Lastindices für definierte Sensoren angezeigt werden.

Abb. 93. Das Register Ergebnis (Grafik)

Ergebnis (Karte)

Das letzte Register zeigt eine Übersicht der Ergebnisse an den WEA-Positionen im Verhältnis zu einander mit einer Farbcodierung, um zu zeigen, ob der Lastindex über oder unter 100% liegt. Auch hier wird standardmäßig die kritischste Komponente gezeigt und kann über die Ausklappmenüs unter der Grafik angepasst werden. Die Farbeinstellungen können entweder als OK / kritisch (grün / rot) oder Volles Spektrum gezeigt werden, um die Variation der Lastindices im Park-Layout zu zeigen. So können schnell die kritischsten WEA im Layout ausgemacht werden.

Abb. 94. Das Register Ergebnis (Karte) 

Weitere Themen:

• LOAD RESPONSE-Überblick
• LOAD RESPONSE: WEA-Modelle
• SITE COMPLIANCE
• SITE COMPLIANCE / LOAD RESPONSE-Ergebnisse (Berichte)

• Lasten - Anhang I: Gumbel Theory of Extremes and more
• Lasten - Anhang II: Frandsen Effective turbulence model
• Lasten - Anhang III: Grenzen von Kritisch, Achtung und OK in SITE COMPLIANCE
• Lasten - Anhang IV: Theorie der Ermüdungslasten und LOAD RESPONSE
• Lasten - Anhang V: Sektormanagement
• Lasten - Anhang VI: IEC 61400-1 ed.2 (1999)
• Lasten - Anhang VII: IEC 61400-1 ed.4 (2019)