Handbuch SHADOW

UMWELT SHADOW – Schattenwurf

Einleitung zum Modul SHADOW

Je nach Standort einer WEA kann vom Schattenwurf des sich drehenden Rotors eine unerwünschte Beeinträchtigung für Menschen ausgehen. Der periodisch auftretende Schatten verursacht je nach Drehzahl und Anzahl der Blätter hinter der Windenergieanlage starke Lichtwechsel mit einer Frequenz zwischen ca. 0,5 und 3 Hz (Lichtwechsel/Sekunde), die auf den Menschen störend wirken können, bei längerer Dauer unerträglich sind und gesundheitsschädigend sein können. Deshalb gehört zu jeder professionellen WEA-Planung in der Nähe von Wohn- oder Arbeitsstätten eine Untersuchung des periodischen Schattenwurfs.

Das Modul SHADOW ermöglicht die Berechnung und Dokumentation dieses periodischen Schattenwurfs. So sind Planerinnen und Planer in der Lage, die Belästigung durch den Schattenwurf z.B. auf Wohngebäude, Arbeitsstätten weitgehend auszuschließen oder zu minimieren. Ist eine Beeinträchtigung durch den Schattenwurf nicht zu vermeiden, ist es hilfreich, den möglichen Schattenwurf auf die betroffenen Objekte zeitlich (Datum/Uhrzeit/Dauer) im Voraus genau zu kennen, um z.B. eine Abschaltautomatik zu programmieren.

Die Schattenwurfdauer in der Umgebung kann für eine oder mehrere WEA in Abhängigkeit von Nabenhöhe und Rotordurchmesser ermittelt werden. Neben der von den Behörden verlangten Berechnung der astronomisch maximal möglichen Beschattungsdauer, bei der angenommen wird, dass die Sonne immer scheint, die WEA sich ständig dreht und immer senkrecht zur Sonneneinfallsrichtung steht, besteht auch die Möglichkeit, statistische Informationen zu Sonnenscheindauer, Windrichtungsverteilung und Stillstandszeiten in die Berechnung einfließen zu lassen und so auch realitätsnahe Werte über den tatsächlich zu erwartenden Schattenwurf zu ermitteln (meteorologisch wahrscheinliche Beschattungsdauer).

Die Ergebnisse können zum einen flächenhaft in Form einer Karte mit Iso-Zeitlinien (Linien gleicher Schattenwurfdauer) und zum anderen auf spezielle Immissionsorte bezogen ausgegeben werden. Liegt ein digitales Geländemodell (DGM) vor, das auch mit WindPRO erstellt werden kann, kann dieses bei allen Berechnungen berücksichtigt werden.

Bei der Berechnung für Immissionsorte werden an den zu untersuchenden Punkten auf einer Karte virtuelle Schatten-Rezeptoren platziert, die beliebige Flächen, wie z.B. Fenster (auch Dachfenster), Terrassen, Balkone usw., repräsentieren können. Die Schatten-Rezeptoren können in ihrer Dimension, ihrer Himmelsrichtungs-Ausrichtung sowie ihrer Neigung gegenüber der Horizontalen frei verändert werden und so tatsächlich vorhandene Fenster nachbilden. An den Schatten-Rezeptoren berechnet SHADOW die Gesamtdauer des Schattenwurfs (Tage und Stunden pro Jahr, maximale Minuten pro Tag) sowie die Zeitpunkte des Schattenwurfs im Tages- und Jahresverlauf (Datum, Uhrzeit, Dauer).

Die Berechnung sowie die Eingabe der Koordinaten und Eigenschaften zu den Schatten-Rezeptoren erfolgen analog zu den anderen WindPRO Modulen. Auch hier vereinfacht die Möglichkeit, die nötigen Eingabedaten (WEA, Schatten-Rezeptoren) direkt auf einer Karte auf dem Bildschirm einzugeben, die Bearbeitung wesentlich.

Die Berechnungsmethode in SHADOW

Der Sonnenstand im Tages- und Jahresverlauf bildet die Grundlage für die Berechnung des Schattenwurfs. Ausgehend von der Simulation des Verlaufs der Sonne in 1-Minuten-Schritten berechnet das Programm den Gang des Schattens jedes WEA-Rotors über ein Jahr. Der ermittelte Schattengang wird daraufhin untersucht, ob und wann einer der definierten Schatten-Rezeptoren (beliebig ausgerichtete Fläche, z.B. Fenster, Terrasse) innerhalb eines Rotorschattens liegt. Wenn ja, speichert WindPRO zu betroffenen Rezeptoren Daten und Zeitpunkte des Schattenwurfs und berechnet daraus die Zeitdauer pro Tag und aller WEA im Jahr.

Für die Linien gleicher Schattenwurfdauer im Jahr wird für Rasterpunkte, deren Abstände frei definiert werden können, die Schattenwurfdauer ermittelt. Diese Berechnungen können je nach gewählter Rasterweite, Zahl der WEA und Vorhandensein eines Digitalen Geländemodells sehr zeitintensiv sein.

Die Berechnungen beruhen auf den folgenden Daten und Zusammenhängen:

• Position der WEA (x,y,z-Koordinaten),
• Nabenhöhe und Rotordurchmesser,
• Position des Schatten-Rezeptors (x,y,z-Koordinaten) sowie Größe, Himmelsrichtung, Neigung und Aufpunkthöhe,
• Geographische Koordinaten des Standorts sowie Zeitzone und Zeitverschiebung durch die Sommerzeit,
• das mathematische Modell zur Berechnung des genauen Sonnenverlaufs unter Berücksichtigung von Erdachsenneigung, Erdrotation und elliptischer Erdbahn um die Sonne
• Daten über die mittlere Rotorblatttiefe der WEA, welche über die Reichweite des Schattenwurfs einer WEA entscheidet.

Das SHADOW Berechnungsmodell

Der Sonnenstand bildet die Grundlage für die Berechnung des Schattenwurfs. Der Stand der Sonne ist im Wesentlichen von der Erdrotation, der Neigung der Erdachse und der elliptischen Laufbahn der Erde um die Sonne abhängig. Weiterhin müssen für jeden beliebigen Standort die geographischen, jahreszeitlichen und tageszeitlichen Daten berücksichtigt werden.

Mit diesen Daten werden die Deklination, der Stundenwinkel, die Sonnenhöhe, der Azimut und der Sonnenauf- und Untergang berechnet. Die Begriffe bedeuten (siehe Abb. oben):

• Deklination: Der Winkel, um den die Sonne im Verlauf der Jahreszeiten vom Himmelsäquator (Erdumlaufbahn auf den Himmel projiziert) abweicht. Zu Herbst- und Frühlingsanfang (21.3 bzw. 21.9) beträgt die Deklination 0°, zum Winteranfang (21.12.) -23,45° und zum Sommeranfang (21.6.) +23,45°
• Sonnenhöhe: Einfallswinkel der Sonne gegenüber einer horizontalen Fläche;
• Stundenwinkel: Winkel zwischen dem Sonnenhöchststand und dem aktuellen Sonnenstand.
• Azimut: Winkel zwischen der Südrichtung und dem auf die horizontale Ebene projizierten Sonnenstand. Im Uhrzeigersinn vor der südlichen Richtung positiv und danach negativ.
• Sonnenaufgang, Sonnenuntergang: Zeitpunkt am Morgen bzw. Abend, wenn der Sonnenmittelpunkt in der Ebene am Horizont sichtbar/verdeckt wird.

Die Berechnungen berücksichtigen die geringfügig unterschiedliche Dauer eines Tages von einem Sonnenhöchststand zum nächsten Sonnenhöchststand, die wegen der elliptischen Umlaufbahn der Erde um die Sonne im Laufe eines Jahres insgesamt um bis zu 16 Minuten variieren kann. In Abbildung 12 ist die Abweichung (Zeitkorrektur) der Tagesdauer vom 24-Stunden Tag sowie die Deklination über ein Jahr abgebildet.

Da die Ergebnisse nicht nur für ein Jahr gültig sein sollen, wird in den Berechnungen die Tagesanzahl im Jahr auf 365,25 Tage gemittelt. Dadurch können sich aber die Ergebnisse innerhalb eines Zeitraums von vier Jahren um bis zu einem Tag verschieben.

Schattenreichweite

Verdeckung der Sonne durch das Rotorblatt: Im Allgemeinen wird beim Schattenwurf zwischen Kern- und Halbschatten unterschieden. Der Unterschied kommt dadurch zustande, dass die Sonne keine punktförmige sondern eine flächige Lichtquelle ist (Durchmesser von 1.390.000 km). Bei einem mittleren Abstand von 150.000.000 km zur Sonne beträgt der Einstrahlungswinkel 0,531°. Der Kernschatten entspricht dem Bereich, in dem die direkten Sonnenstrahlen durch das Hindernis vollständig verdeckt werden. Der Halbschatten ist der Bereich, auf den nur ein Teil des Sonnenlichts auftrifft. Da Windenergieanlagen schmale Flügel besitzen, ist der Kernschatten nur sehr kurz und deshalb nicht relevant; z.B. beträgt bei einer mittleren Rotorblattbreite von 1,5m beträgt die Länge des Kernschattens nur 145 m und ist geringer als der Mindestabstand, der sonst bei WEA eingehalten werden muss.

Die Intensität des Halbschattens nimmt mit zunehmender Entfernung ab. Dadurch reduzieren sich auch die Helligkeitsschwankungen, die durch den Schattenwurf des sich drehenden Rotors verursacht werden. Im Allgemeinen gilt der Halbschatten als nicht mehr relevant, wenn das Rotorblatt die Sonne zu weniger als 20% verdeckt. Die Entfernung von der WEA, bei der dies der Fall ist – die maximale Reichweite des Rotorschattens – lässt sich anhand von Daten zur Rotorblattgeometrie berechnen, nämlich der maximalen Rotorblatt-Tiefe und der Rotorblatt-Tiefe bei 90% des Radius, aus denen sich die mittlere Rotorblatttiefe (Brmittel) errechnet. Diese Daten sind für aktuelle WEA-Typen größtenteils im WEA-Katalog von WindPRO enthalten, so dass die Reichweite des Rotorschattens automatisch berücksichtigt werden kann.

Die Berechnungsformel zur Ermittlung der Schattenreichweite ist:

Dist_max = (5 * Br_mittel * d) / 1097780

wobei d der mittlere Abstand zur Sonne (150.000.000km) ist und der Faktor von 1.097.780 aus dem Sonnendurchmesser resultiert, reduziert um einen Kompensationsfaktor dafür, dass die Sonnenscheibe kreisförmig und nicht rechteckig ist.

Einschränkung der Reichweite bei tief stehender Sonne: Theoretisch existiert bei minimaler Sonnenhöhe ein unendlich weiter Schattenwurf, der aber in der Praxis wegen der Trübung des Himmels sehr schwach ist. Mit abnehmender Sonnenhöhe nimmt der Anteil der direkten Strahlung exponentiell ab, da die Sonnenstrahlen zunehmend einen längeren Weg durch die Atmosphärenschichten zurücklegen müssen. Theoretische und empirische Untersuchungen haben ergeben, dass selbst an klaren Tagen aufgrund der Trübung des Himmels bis zu einer Sonnenhöhe von 3° kein relevanter Schattenwurf existiert. Die Trübung des Himmels ist auf die Rayleigh-Streuung an den Molekülen und Mie-Streuung an den wesentlich größeren Aerosolen (Staub und andere Verunreinigungen in der Luft) zurückzuführen. Die Trübung des Himmels ist zudem von der Jahreszeit, vom Wetter und von der Art der Besiedlung und des Bewuchses abhängig. Die Trübung des Himmels wird durch den Linke-Trübungsfaktor TL beschrieben.

Ab welcher Sonnenhöhe die Sonne tatsächlich über dem Horizont steht, hängt natürlich weiterhin von der Orographie (Hügel, Berge), der Bebauung und dem Bewuchs um den WEA-Standort ab.

Richtlinien

Die Bund-Länder-Arbeitsgemeinschaft für Immissionsschutz (LAI) hat die federführend vom staatlichen Umweltamt Schleswig unter Mitarbeit von Fachleuten, Gutachtern (u.a. auch EMD), Gewerbeaufsichtsämtern und Weiteren erarbeiteten Hinweise zur Ermittlung und Beurteilung der optischen Immissionen von Windenergieanlagen (WEA-Schattenwurf-Hinweise) im Jahr 2002 als Standard anerkannt. Die WEA-Schattenwurf-Hinweise enthalten folgende Anhaltswerte:

• die astronomisch maximal mögliche Beschattungsdauer darf maximal 30 Stunden im Jahr und maximal 30 Minuten am Tag betragen,
• ein Schattenwurf bei Sonnenständen unter 3° ist nicht zu berücksichtigen,
• Wenn am Immissionsort aufgrund der Entfernung zur WEA die Sonne zu weniger als 20% durch das Rotorblatt verdeckt wird, können die dadurch entstehenden Helligkeitsschwankungen (Schatten) vernachlässigt werden.
• um die Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu ermöglichen, wird die Berechnung für einen punktförmigen Rezeptor am Immissionsort empfohlen. Darüber hinaus ist es sinnvoll, für ein übliches Fenster z.B. von 1x1 m Größe oder mit den vor Ort vorhandenen Fenstergrößen die Schattenwurfzeiten anzugeben.

Die aktuelle Version der WEA-Schattenwurf-Hinweise lässt sich im Internet über Suchmaschinen durch Eingabe des Titels finden.

Eingabedaten für die Schattenwurfberechnung

Anmerkung: Bitte vergewissern Sie sich, dass Sie in den Projekteigenschaften in dem Register Karte die richtige Zeitzone ausgewählt haben. Dies ist für eine korrekte Schattenwurfberechnung unerlässlich.

Sind eine oder mehrere Karten mit dem Projekt verknüpft, klicken Sie auf die "Weltkugel"-Schaltfläche. Beachten Sie dazu das Kartenhandling in Kapitel 2, WindPRO BASIS.

Generell gilt für die Eingabe von Objekten mittels einer Karte, dass Sie mehrere gleiche Objekte platzieren können, indem Sie beim Wählen des Objekttyps am rechten Bildrand die <SHIFT>-Taste drücken. Eine Reihe von Objekten mit gleichen Eigenschaften kann so schneller eingegeben werden.

Eingabe und Platzieren von WEA

Die Platzierung von Windenergieanlagen wird in Abschnitt 2.5.2 in Kapitel 2 BASIS eingehend erläutert.

Versichern Sie sich, dass für Ihren gewählten WEA-Typ im WEA-Katalog Informationen über die maximale Rotorblatttiefe und die Rotorblatttiefe bei 90% des Radius vorhanden sind (s. Kapitel 2.6.1), da nur dann die maximale Reichweite des WEA-Schattenwurfs automatisch ermittelt werden kann. Sind im Katalog keine Daten vorhanden, versuchen Sie, diese vom Hersteller zu bekommen und tragen Sie sie im WEA-Katalog nach.

Alternativ können Sie die Reichweite des WEA-Schattenwurfs auch für einzelne WEA in deren Objekt-Eigenschaften definieren. Hierfür existiert kein besonderes Eingabefeld, sie können die Reichweite aber als einen der beiden Abstandskreise definieren. Achten Sie in diesem Fall darauf, dass Sie beim Starten der Schattenwurf-Berechnung diesen Abstandskreis auch als Reichweitenkriterium verwenden (Erweiterte Einstellungen)

Eingabe der Schattenrezeptoren

Schatten-Rezeptoren sind Objekte, die auf der Karte platziert werden und den Schattenwurf der WEA-Rotoren am gewählten Ort registrieren. Schaltfläche zur graphischen Eingabe von Schatten-Rezeptoren. Das Symbol ist wie eine Parabolantenne zu verstehen, d.h. an der geraden Seite wird der Schatten „wahrgenommen“. Der Öffnungswinkel in dieser Richtung beträgt 180°, also wie ein Fenster.

Haben Sie die Schaltfläche für das Einfügen von Schatten-Rezeptoren angeklickt, können Sie nun mit der Maus an einer beliebigen Stelle auf der Karte Rezeptoren platzieren. Dazu bewegen Sie den Cursor an den gewünschten Punkt auf der Karte und drücken die linke Maustaste. Danach erscheint automatisch das Fenster zur Eingabe der zugehörigen Eigenschaften (s. unten).

Anmerkung: Aktivieren Sie einen bereits bestehenden Schatten-Rezeptor (Anklicken mit der Maus), dann können Sie den Rezeptor mit dem mittleren Quadrat verschieben und mit dem äußeren rotieren. Mit Hilfe der Rotationsfunktion können Sie den Rezeptor genau nach dem auf der Karte eingezeichneten Objekt (z.B. Hauswand) ausrichten und ersparen sich so das Ausmessen des Winkels in der Karte

Die Schatten-Rezeptoren haben folgende Eigenschaften:

• Koordinaten (x,y,z): Position und Höhe der Geländeoberfläche über NN des Schattenrezeptors (siehe Register Position)
• Größe: Höhe und Breite der Rezeptorfläche sowie Höhe der Unterkante über der Geländeoberfläche (Grund),
• Neigung der Rezeptorfläche gegenüber der Horizontalen (Ausrichtung normales Fenster 90°, Terrasse 0°),
• Azimut(winkel) von Süd, Winkel zwischen Südrichtung und Rezeptorfläche (Richtung Osten negativ, Richtung Westen positiv).

Alternativ kann der sogenannte Gewächshaus-Modus gewählt werden. Der Rezeptor zeigt dann nicht in eine spezielle Richtung, sondern ist in alle Richtungen offen (Öffnungswinkel 360°). Dies kann nützlich sein, wenn die tatsächlichen Eigenschaften des Rezeptors nicht bekannt sind oder wenn in unterschiedlichen Richtungen WEA stehen, die zur Beschattung beitragen.

Register Position

Die Z-Koordinate (Höhe der Geländeoberfläche über NN) für den Schattenrezeptor ist wichtig, weil für die Berechnung die unterschiedlichen Niveauhöhen der WEA und der Rezeptoren berücksichtigt werden. Der automatisch vorgegebene Wert ist 0 m über Meeresniveau. Sie müssen die Höhe entsprechend angeben.

Verwenden Sie ein digitales Geländemodell (DGM), dann kann die Höhe auch automatisch von WindPRO ermittelt werden. Dazu aktivieren Sie das Kästchen "Automatisch von DGM".

SHADOW – Berechnung und Ergebnisse

Wenn Sie sämtliche WEA sowie Schatten-Rezeptoren definiert haben und die Berechnung ausgeführt werden soll, wechseln Sie in den Projektmanager und klicken auf den grünen Pfeil vor SHADOW (ein gelber Pfeil wird gezeigt, wenn Sie nicht im Besitz einer Lizenz für das entsprechende Modul sind). WindPRO fragt nun noch einige Berechnungsparameter ab:

SHADOW – Berechnungsvoraussetzungen

Register Hauptteil Hier wird ausgewählt, welcher Typ von Berechnung durchgeführt werden soll:

• Beschattung an Rezeptoren und/oder
• Beschattungskarte

Standardeinstellung ist die Berechnung der Astronomisch maximal möglichen Beschattungsdauer an Rezeptoren. Die anderen Berechnungsoptionen werden weiter unten erläutert.

Erweiterte Einstellungen

Markieren dieser Option eröffnet die folgenden weiteren Optionen:

Die gezeigten Einstellungen entsprechen dem üblichen Standard, d.h. die Reichweite des WEA-Schattens wird anhand der Daten zur Blattgeometrie aus dem WEA-Katalog berechnet. Sind im WEA-Katalog keine Daten angegeben, wird ein worst-case-Wert von 2500m angenommen. Dieser deckt auch große WEA-Typen ab – sind alle verwendeten WEA ohne Rotorblattdaten kleiner, kann der Wert reduziert werden. Anhaltswerte sind: bis 50 m Rotordurchmesser: 1000 m; bis 70 m Rotordurchmesser: 1500 m; bis 100 m Rotordurchmesser: 2000 m; darüber: 2500 m. Jenseits der berechneten oder angegebenen Reichweite wird der Schattenwurf einer WEA als nicht mehr relevant betrachtet. Die Reichweite ist ein Absolutes Abstandskriterium, das als Kreis um die WEA vorgestellt werden kann, innerhalb dessen die anhand des Sonnenstands berechnete Beschattungsdauer voll wirksam ist, jenseits dessen aber kein Schatten mehr auftritt.

Steht die Sonne weniger als 3° über dem Horizont, wird der daraus resultierende Schatten aufgrund der Brechung und der Trübung der Atmosphäre als nicht relevant betrachtet. Dieser Wert kann zur besseren Berücksichtigung lokaler Verhältnisse angepasst werden.

Unter Referenzjahr wählen kann, wenn dies verlangt wird, der Schattenkalender für ein spezielles Jahr ausgegeben werden. Wird kein spezielles Jahr gewählt, zeigt der Kalender das Referenzjahr 1981.

Register WEA Wählen Sie im oberen Fenster die Layer, auf denen WEA liegen, die in der Berechnung berücksichtigt werden sollen. Es werden alle WEA aus den gewählten Layern verwendet, es sei denn, es werden die Kästchen vor Neue WEA und/oder Existierende WEA gelöscht – dann erscheint darunter eine WEA-Auswahlliste, in der Sie für beide Kategorien - neue sowie existierende WEA - jede einzelne WEA für die Berechnung ein- und ausschließen können.

Register Rezeptoren Hier können, analog zur WEA-Auswahl, die zu verwendenden Rezeptoren ausgewählt werden.

Register ZVI

Mit jeder SHADOW-Berechnung wird auch eine Sichtbarkeitsberechnung durchgeführt. So wird sichergestellt, dass keine Beschattung ausgewiesen wird, wenn aufgrund von Orographie oder Hindernissen (via Areal-Objekt [Zweck: ZVI] oder Hindernis-Objekt [Porosität =<0.4]) keine Sichtbeziehung zwischen WEA-Rotor und Immissionsort besteht. Die Verwendung von Areal-Objekten und Hindernissen kann getrennt angewählt werden. Die Orographie wird immer berücksichtigt.

Das Eingabefeld Augenhöhe [m] bezieht sich auf die Schattenwurfkarte. Die Auflösung gibt das Raster an, in dem die ZVI-Berechnung durchgeführt wird.

Die Option Erhöhter Horizont sollte nur gewählt werden, wenn eine Situation wie in der rechten Grafik auf dem Register erwartet wird. Sie erhöht die Berechnungszeit massiv und reagiert sehr sensibel auf ungenaue Geländemodelle in der Umgebung des Immissionsorts.

Wenn auf dem Register Hauptteil bei einer der Berechnungsoptionen die Meteorologisch wahrscheinliche Beschattungsdauer auf Basis von Statistik ausgewählt wurde, erscheint ein zusätzliches Register:

Register Statistische Daten Hier werden die relevanten Eingangsdaten für die Berechnung der Meteorologisch wahrscheinlichen Beschattungsdauer eingegeben:

Das Register ist zweigeteilt, nämlich in die Eingabe der Betriebsstunden und Monatliche Sonnenscheinwahrscheinlichkeit.

Betriebsstunden: Hier wird angegeben, wie viele Stunden die WEA pro Sektor und Jahr in Betrieb sind. Diese Angaben werden verwendet für die Berechnung der Stillstandszeiten sowie der Richtungsverteilung. Letztere ist relevant, da je nach Richtungsverteilung die WEA entweder frontal oder von der Seite besonnt werden kann und damit die Größe des Schattens an den Rezeptorpositionen variiert. Mit der Richtungsverteilung kann eine mittlere Schattengröße ermittelt werden.

Wurde eine Energieberechnung im selben Projekt durchgeführt, sind also entweder ein Meteo-Objekt oder ein Terraindatenobjekt und die nötigen Modullizenzen vorhanden, so kann dieses unter der Option Berechnen (erfordert Winddaten) ausgewählt werden, die Berechnung der Betriebsstunden wird dann im Rahmen der SHADOW-Berechnung durchgeführt. In diesem Fall ist es auch möglich, eine Startwindgeschwindigkeit anzugeben. Dies ist dann sinnvoll, wenn die WEA schon zu drehen (und damit Beschattung zu erzeugen) beginnt, bevor die Leistungskennlinie einsetzt („idling“).

Der Menüpunkt Manuelle Eingabe, Sektorweise erwartet Eingaben in Stunden pro Sektor. Diese Information erscheint in jeder Energieberechnung auf dem Bericht Produktionsanalyse und kann von dort übernommen werden.

Liegen lediglich sektorweise A- und k-Parameter vor, so können diese zur manuellen Berechnung der Betriebsstunden verwendet werden:

t = e^-((v_ein / A) ^ k) x 8760h

mit t = Betriebsstunden

v_ein = Einschaltwindgeschwindigkeit der WEA

Die so ermittelten Betriebsstunden werden dann über die Windrichtungsverteilung auf die Sektoren aufgeteilt.

Achtung:

• Es wird in einer Berechnung lediglich eine Ein- und Ausschaltwindgeschwindigkeit verwendet. Kommen in einer Berechnung unterschiedliche WEA-Typen mit unterschiedlichen Ein- bzw. Ausschaltwindgeschwindigkeiten vor, so wird eine Mittelung über alle WEA durchgeführt.
• Für die Berechnung der Schattengröße aus der Windrichtung wird immer die Sektormitte angenommen. Wird nur ein Sektor verwendet, so ist dies Wind aus Richtung 0° (Nord)! ### To be altered in 3.0

Monatliche Sonnenscheinwahrscheinlichkeit: Die WindPRO-Installation schließt eine Datenbank von etwa 700 Klimastationen weltweit mit Daten zur Sonnenscheinwahrscheinlichkeit ein (Quelle: WRDC - http://wrdc-mgo.nrel.gov/html/get_data-ap.html). Automatisch wird von WindPRO die nächstgelegene Station ausgewählt. Die Auswahl kann über den Knopf Station aus Datenbank | Auswählen eingesehen und geändert werden. Dies ist z.B. sinnvoll, wenn die ausgewählte Station sich trotz Nähe klimatisch deutlich vom Standort unterscheidet (z.B. Küstenstandort / Inselstation). Im Auswahlfenster werden die 20 nächstgelegenen Stationen angezeigt. Wird eine Station angeklickt, so werden links unten die Stationsdaten angezeigt, u.a. auch der Zeitraum, für den Sonnenscheinwahrscheinlichkeiten vorliegen.

Sollen eigene Quellen zur Sonnenscheinwahrscheinlichkeit verwendet werden, können diese Daten über die Option Manuelle Eingabe von | S bzw. S/S₀ manuell eingegeben werden. Eine alternative Quelle ist z.B. die Internet-Datenbank www.satel-light.com.

Der Parameter S bezeichnet die mittlere Anzahl der Sonnenscheinstunden in einem Monat. S kann zwischen 0 und 24 (Extremwerte für Polgebiete) schwanken.

Der Parameter S/S₀ bezeichnet dagegen den Anteil der Sonnenscheinstunden an den Gesamt-Tagesstunden des Monats (jeweils zwischen Sonnenauf- und Sonnenuntergang); er bewegt sich zwischen 0 und 1; übliche Werte für Mitteleuropa liegen im Winter etwa zwischen 0,1 und 0,15 und im Sommer um 0,5.

Wenn auf dem Register Hauptteil die Berechnungsoption die Meteorologisch wahrscheinliche Beschattungsdauer auf Basis von Zeitreihe (experimentell) ausgewählt wurde, erscheint ein zusätzliches Register:

Zeitreihe

Hier können Sonnenschein- und Wind-Zeitreihen angegeben werden, anhand derer ermittelt werden kann, wie viel Beschattung tatsächlich im Referenzjahr zu verzeichnen war. Diese Option ist derzeit noch experimentell.

Die Auswahl der Zeitreihe erfolgt über die beiden Menüs am oberen Rand des Fensters. Es kann entweder eine *.wti-Datei ausgewählt werden (siehe Kapitel Meteo-Analyzer) oder eine normale Zeitreihe in einem Meteo-Objekt. Bei beiden Optionen müssen in derselben Zeitreihe sowohl Wind- als auch Sonnenscheindaten vorhanden sein, wobei die Sonnenscheindaten entweder als Strahlung oder als Wolkenbedeckung vorliegen können. Über den Ansicht-Knopf kann eine Übersicht über die Zeitreihe angezeigt werden, z.B. um zu prüfen, ob alle benötigten Signale vorhanden sind und wie die Verfügbarkeit der Daten ist.

Darunter wird angegeben, ab welchem Zeitpunkt die Zeitreihe verwendet wird, Standardwert ist der Anfang der Zeitreihe. Dahinter wird angegeben, welchem Signal der Zeitreihe entnommen wird, ob die Sonne scheint oder nicht, sowie bei welchem Signalwert Sonnenschein angenommen wird.

Die Zeitreihe gibt die relative Variation der Windgeschwindigkeit während des Zeitraums an. Da sie nicht notwendigerweise am Standort gemessen wurde, muss sie durch Eingabe einer mittleren Windgeschwindigkeit der WEA auf diese skaliert werden.

Weiterhin kann die Windgeschwindigkeit definiert werden, ab der die Windenergieanlage sich dreht, wenn diese von der Startwindgeschwindigkeit der Leistungskennlinie abweicht.

Schattenkarte

Ist auf dem Register Hauptteil ausgewählt, dass eine Schattenwurfkarte berechnet werden soll, so erscheint ein zusätzliches Register Schattenkarte.

Eine Schattenkarte wird stets für einen festen zu definierenden Bereich um den Standort erzeugt. Auf dieser Fläche wird für jeden Rasterpunkt eine Berechnung der Schattenwurfdauer angestellt. Dabei wird ein Rezeptor in der Mitte des Rasterpunkts angenommen, der 1 m x 1 m groß ist, horizontal ausgerichtet ist und in der Höhe über dem Grund liegt, der auf dem Register ZVI angegeben ist.

Da diese Berechnung in der Regel für sehr viele Rasterpunkte durchgeführt werden muss, wird die zeitliche Auflösung der Berechnung reduziert, so dass der Schattenwurf nicht für jede Minute jedes Tages berechnet wird. Aus diesem Grund kann es kleine Abweichungen zwischen der Schattenkarte und den als Schattenrezeptor definierten Punkten geben.

Die Schattenkarte kann entweder als Karte der astronomisch maximal möglichen oder der meteorologisch wahrscheinlichen Beschattungsdauer berechnet werden. Wird die meteorologisch wahrscheinliche Beschattung ausgewählt, müssen wie oben dargestellt die Statistischen Daten angegeben werden.

Im oberen Bereich wird die Größe der Karte definiert – am einfachsten über die Weltkugel-Schaltfläche und eine grafische Auswahl auf der Hintergrundkarte. Bezüglich des Höhenniveaus der Karte kann entweder eine konstante Höhe ausgewählt werden, oder, was die bevorzugte Option ist, es können die Höhen des digitalen Geländemodells verwendet werden.

Die Berechnung der Schattenkarte kann sehr zeitaufwändig sein. Der Sonnenverlauf eines kompletten Jahres wird für jeden Rasterpunkt simuliert, wobei durch die Einstellungen Grob, Normal und Fein ausgewählt werden können. Diese beziehen sich einerseits auf das räumliche Raster, andererseits aber auch auf die Zeitliche Auflösung der Simulation. So wird z.B. bei der Einstellung Grob nur jeder 14. Tag und jede 4. Minute des Tages simuliert. Über den Bearb.-Knopf können alle Auflösungsparameter manuell gesetzt werden. Eine Berechnung im Modus Grob dauert normalerweise Sekunden bis Minuten, wogegen eine Feine Berechnung mehrere Minuten bis Stunden dauern kann.

In der Tabelle darunter kann ausgewählt werden, welche Karten im Bericht dargestellt werden, und zwar einerseits für die drei Parameter Stunden/Jahr, Schattentage/Jahr und Max. Minuten an einem Tag, andererseits für die Astronomisch maximal mögliche und die Meteorologisch wahrscheinliche Beschattung. Die Berechnungsoption, die auf dem Register Hauptteil ausgewählt ist, wird mit weißen Feldern dargestellt und kann ausgewählt werden. Die anderen Zeilen werden in Grau dargestellt, für diese können lediglich die Legendeneinstellungen zum Zweck der Definition eines Länderstandards oder einer Vorlage (siehe Knöpfe im unteren Bereich des Fensters) editiert werden.

Prinzipiell stehen in jeder Zeile drei Darstellungsoptionen zur Verfügung:

• Linien, was einen Bericht mit Linien gleicher Beschattungsdauer erstellt
• Raster, was das Berechnungsergebnis in Rasterform als Bericht darstellt, und
• Raster in Ergebnislayer, was ein Ergebnislayer auf der Arbeitskarte mit dem berechneten Beschattungsraster erzeugt.

Unter den Bearb.-Knöpfen sind die Legendeneinstellungen für die jeweiligen Darstellungen zugänglich; siehe hierzu Kapitel 2.11.2.3.

Nach den Legendendefinitionen besteht auf dem Schattenkarte-Register die Möglichkeit, die Gesamtheit der Einstellungen als Vorlage abzuspeichern oder sogar zum Länderstandard für das aktuelle Land zu machen (Speichern als bzw. Als Standard für Land speichern), so dass in Zukunft keine manuelle Anpassung mehr vorgenommen werden muss.

SHADOW - Berechnung

Wenn Sie auf OK klicken erfolgt eine Abfrage, ob Sie die Berechnung sofort starten möchten oder nicht. Dies erlaubt Ihnen, eine Berechnung vorzubereiten und dann z.B. über Nacht laufen zu lassen. Die Berechnung kann je nach Auflösung und Umfang einige Zeit dauern. Da die Berechnung aber im Hintergrund abläuft, können Sie an einem anderen Teil des Projekts weiterarbeiten. Sie können die Berechnung aber auch mit dem Befehl Stopp jederzeit abbrechen. Den Befehl finden Sie, wenn Sie mit der rechten Maustaste auf den Titel der Berechnung klicken.

Wird eine Berechnung der meteorologisch wahrscheinlichen Beschattungsdauer gewünscht, müssen möglicherweise die Parameter einer WAsP-Berechnung akzeptiert oder Windscherungsdaten angegeben werden.

SHADOW – Voransicht, Ausdruck und Export von Ergebnissen

Nach Abschluss der Berechnung erscheint die Gliederung der Ergebnisse im Fenster des Projektmanagers:

Je nach Berechnungs-Einstellungen sind bis zu sechs Teilergebnisse verfügbar:

1. Hauptergebnis: Auflistung der Berechnungsgrundlage mit kleiner Kartenskizze mit eingezeichneten WEA und Schattenrezeptoren, tabellarische Darstellung der Daten von WEA und Schattenrezeptoren, Tabelle mit maximal möglicher jährlicher und täglicher Schattenwurfdauer sowie Zahl der Tage mit Schattenwurf für jeden Rezeptor, Tabelle mit dem von jeder WEA insgesamt an Rezeptoren verursachten Schattenwurf. Wenn Sie eine Berechnung für die meteorologisch wahrscheinliche Beschattungsdauer durchgeführt haben, werden zusätzlich noch diese sowie die sie bestimmenden Einflussfaktoren ausgegeben.

2. Kalender (nur bei Berechnung für Rezeptoren): Für jeden Schatten-Rezeptor: Es kann zu jedem Rezeptor ein Kalender mit den folgenden Informationen ausgegeben werden:

• Sonnenauf- und -untergang für jeden Tag (in lokaler Zeit, d.h. unter Berücksichtigung der Zeitzone und der Sommerzeit
• Zeitpunkte des Anfangs und Endes sowie Dauer des möglichen Schattenwurfs
• Nummer der WEA, die bei Sonnenschein einen Schatten auf den Rezeptor wirft
• Gesamtdauer des möglichen Schattenwurfs in jedem Monat

Und weiterhin bei der Berechnung mit den realen Schattenwurfzeiten in jedem Monat:

• reale Gesamtdauer des möglichen Schattenwurfs und der monatlichen Reduktionsfaktoren

Anmerkung: Tritt an einem Rezeptor am selben Tag der Schattenwurf von mehreren WEA auf, so werden im Kalender immer die zeitlich erste und die letzte WEA angegeben.

3. Grafischer Kalender (nur bei Berechnung für Rezeptoren): Zu jedem Rezeptor wird eine Grafik erzeugt, bei der die Tage des Jahres auf der x-Achse und die Stunden des Tages auf der y-Achse liegen. In dieser Grafik sind mit unterschiedlichen Farben die Zeiten markiert, an denen die unterschiedlichen WEA einen Schatten am Rezeptor erzeugen. Die Zeit des Sonnenauf- und -untergangs ist ebenfalls markiert. Der Gesamteindruck der Grafik ist außerordentlich übersichtlich, die Schatten der einzelnen WEA erscheinen als größere oder kleinere farbige Flecken, die sofort den Jahres- und Tageszeiten zugeordnet werden können. Auch Überschneidungen von Beschattungszeiten unterschiedlicher WEA lassen sich anschaulich erkennen. Beachten Sie, dass die Darstellungsoptionen es erlauben, jeden grafischen Kalender auf einer eigenen Seite darzustellen.

4. Kalender pro WEA: Ähnlich dem normalen Kalender, jedoch pro WEA ein Kalender, der die Schattenwurfzeiten der WEA an allen Rezeptoren angibt. Dieser Kalender kann bei der Programmierung von Abschaltautomatiken hilfreich sein.

5. Grafischer Kalender pro WEA: Wie 3, nur pro WEA anstatt pro IP.

6. Karte - Darstellung der platzierten Windenergieanlagen, Schatten-Rezeptoren sowie der Linien gleicher Schattenwurfdauer (worst case oder realitätsnah) im Jahr auf einer Karte. Die Schatten-Isolinien erscheinen nur, wenn in den Berechnungseinstellungen die Berechnung der Linien aktiviert wurde!

Doppelklick auf die Berichtsnamen zeigt den Bericht auf dem Bildschirm an. Mit Rechtsklick auf die Berechnungsüberschrift --> Drucken/Ansicht/Darst.Optionen erscheint das folgende Fenster, in dem ausgewählt werden kann, welche Berichte dargestellt werden sollen und die Darstellungsoptionen für diese Berichte geändert werden können:

Setzen oder löschen Sie das Häkchen neben jedem Bericht, um ihn zu aktivieren oder zu deaktivieren. Wenn Sie auf den Berichtsnamen klicken (--> wird blau hervorgehoben), werden auf der rechten Seite eines oder mehrere Register mit Darstellungsoptionen angezeigt.

Wird links Karte ausgewählt, kann im unteren Bereich des Registers Karte rechts ausgewählt werden, welche Linien bzw. Raster angezeigt werden sollen (Diese Option ist nur verfügbar, wenn in der SHADOW-Berechnung die Berechnung einer Karte ausgewählt wurde). Durch die kleinen Lupen-Schaltflächen neben jeder Zeile sind die Legendenoptionen zugänglich:

Beispiel einer Beschattungskarte:

Um Ergebnisse einer SHADOW-Berechnung zur Verwendung in einem anderen Programm zu exportieren, wählen Sie die Darstellungsoptionen eines SHADOW-Berichts und klicken Sie auf die Schaltfläche Ergebnis in Datei. Die verfügbaren Ergebnisse sind:

• Schattenrezeptor-Daten (Text-Datei mit Rezeptor-Daten und Ergebnissen)
• Schattenkalender (Text-Datei mit Schattentagen sowie -zeiten für alle Rezeptoren)
• Schattenkalender pro WEA (Text-Datei mit Schattentagen sowie -zeiten für alle WEA)
• Zeitreihen-Details (bei Verwendung einer Zeitreihe)
• Zeiten pro WEA (Genaue Daten jedes Beschattungsvorgangs)
• Schattenlinien als Shape-Datei (zur Weiterbearbeitung in einem GIS-Programm)
• Theor. Schatten bei Sonne hinter Horizont (nur bei Option Erhöhter Horizont)
• WEA-Daten (Text-Datei mit WEA-Daten)
• WEA-Abstände (Text-Datei mit Abständen zwischen WEA)