OPTIMIZE Classic: Freies Layout

Kurzanleitung

• Etablieren Sie ein WEA-Flächen-Objekt und definieren Sie auf der Karte:
  • für die WEA zur Verfügung stehenden Flächen mit ihren Einschränkungen (z.B. WEA-Anzahl, Abstände der WEA)
  • gegebenenfalls zusätzlich Ausschlussflächen und Pufferzonen
• Wenn noch keine Windressourcenkarte (RSF-/WRG-Datei) für das Gebiet vorliegt, berechnen Sie eine solche mit dem Modul RESOURCE
  • Optional: Laden Sie die Windressourcenkarte in ein Ergebnislayer auf der Karte und stellen Sie sie farbig dar.
• Menü Werkzeuge → OPTIMIZE → Freies Layout 
• Definieren Sie die Voraussetzungen für den Optimierungsprozess.
• Starten Sie die Berechnung. Das OPTIMIZE-Navigationsfenster erscheint.
• Wenn Sie bereits ein Parklayout erstellt haben, starten Sie vom Navigationsfenster aus eine PARK-Berechnung dafür.
• Optional: Erzeugen Sie dann ein Energie-Schnelllayout. Dies geht schnell, verwendet aber nur einen groben Optimierungsalgorithmus.
• Starten Sie die Energieoptimierung. Diese ist genauer, dauert aber auch länger.
• Nach evtl. weiteren Schritten: Stellen Sie ihr bevorzugtes Layout wieder her (Rechtsklick auf Zeile im OPTIMIZE-Navigationsfenster)
• Schließen Sie das Navigationsfenster mit Ok.
• Führen Sie für das gewählte Layout eine Ertragsberechnung mit dem PARK-Modul durch.

Vorbereitungen und Start

Bevor das OPTIMIZE-Modul gestartet wird, müssen die folgenden Voraussetzungen geschaffen werden:

Ein WEA-Flächen-Objekt , das die zur Verfügung stehende Fläche für das geplante Vorhaben enthält. Hier können Anforderungen für die minimale und maximale Anzahl von WEA und Leistung sowie den Mindestabstand definiert werden.

Eine Windressourcenkarte (RSF- oder WRG-Datei mit RESOURCE oder WAsP erzeugt) in einer ausreichenden Auflösung (typisch ist ein 50m-Raster). Mit dem WindPRO-Modul RESOURCE lässt sich die Karte gleich für mehrere Nabenhöhen in einem Durchgang berechnen und die Ergebnisse in einer RSF-Datei abspeichern. Dies ist dann hilfreich, wenn Sie WEA mit unterschiedlichen Nabenhöhen in der Optimierung verwenden wollen oder auch existierende WEA mit kleineren Nabenhöhen berücksichtigen müssen.

Der Optimierungsmodus Freies Layout akzeptiert auch ein METEO-Objekt zur Definition von einheitlichen Windverhältnissen über die ganze Fläche. Da sich dadurch keine unterschiedlichen Standortqualitäten darstellen lassen, ist damit die Anwendung dieses Optimierungsmodus allerdings nicht sinnvoll, es sollte die Methode OPTIMIZE: Raster-Layout gewählt werden.

Wählen Sie in der Symbolleiste am oberen Fensterrand das Icon für OPTIMIZE (Alternativ: Menü Werkzeuge → OPTIMIZE 

Wenn dies die erste Optimierung im Projekt ist, geben Sie einen Namen dafür ein und fahren Sie mit Ok fort. Ansonsten klicken Sie auf Neu, um eine neue Optimierung zu starten.

Wählen Sie auf dem Register Hauptteil die Option Freies Layout. Passen Sie ggf. die Wake-Decay-Konstante für den Geländetyp an und fahren Sie auf dem Register Optimierung fort.

Register Freies Layout

Es stehen die folgenden Eingabemöglichkeiten zur Verfügung:

• Das WEA-Flächen-Objekt, das in der Optimierung verwendet werden soll. Es darf mehrere Teilflächen enthalten
• Ob Abstände von Schall-Immissionsorten berücksichtigt werden
• Die .rsf- oder .siteres-Datei(en) durch das bzw. die die Windverhältnisse definiert werden
• Die Standard-Nabenhöhe, die für den Optimierungsprozess verwendet wird (Auswahlmöglichkeiten werden durch die RSF-Dateien)
• Die Rasterweite. OPTIMIZE platziert WEA nur auf Rasterpunkte im angegebenen Abstand. Standardeinstellung ist, dass die Rasterweite der *.rsf-Datei verwendet wird. Empfohlen werden Rasterweiten von 50 m bei kleineren und 100 m bei größeren Gebieten. Wenn höhere Auflösungen verwendet werden sollen, sollte der Parameter Simulierte Varianten vor Stopp der Optimierungs-Parameter erhöht werden (siehe dort)
• Automatische Erzeugung von neuen WEA - muss ausgewählt werden, es sei denn es wurden bereits manuell neue WEA in der/den Fläche(n) platziert und es soll nur für diese eine Optimierung durchgeführt werden.
• Wenn die automatische WEA-Erzeugung gewählt ist: Der zu erzeugende WEA-Typ

Zeige WEA-Optionen – Automatische Erzeugung von neuen WEA

Wenn bereits Neue-WEA-Objekte auf der Karte platziert wurden (in sichtbaren Layern), können Sie entscheiden, wie mit diesen während des Optimierungsprozesses verfahren werden soll:

• Löschen und mit OPTIMIZE neu erzeugen
• Beibehalten und aktuelle Positionen fixieren (wird verwendet, wenn bestimmte WEA an einer festgelegten Stelle stehen müssen und die restlichen WEA um diese herum optimiert werden sollen).
• Beibehalten und Position optimieren (wird verwendet, um Projekte mit unterschiedlichen WEA-Typen und -Größen zu optimieren)

Zeige WEA-Optionen – KEINE automatische Erzeugung von neuen WEA Wenn bereits Neue-WEA-Objekte erzeugt und auf der Karte platziert sind (in sichtbaren Layern), können Sie entscheiden, wie mit diesen (bzw. denen, die Sie selbst noch manuell erzeugen; OPTIMIZE erzeugt keine zusätzlichen WEA) während des Optimierungsprozesses verfahren werden soll:

• Wechsel von WEA zwischen einzelnen Flächen erlaubt (wird verwendet, wenn Anzahl und Typen gegeben sind, aber durch die Optimierung herausgefunden werden soll, wo bzw. in welchen Teilflächen des WEA-Objekts die WEA platziert werden sollen) • WEA müssen in ihrer Flächen bleiben (wird verwendet, wenn mehrere Teilflächen jeweils mit unterschiedlichen WEA-Typen und Nabenhöhen bestückt werden müssen)

Schließlich können Sie als Anwender entscheiden, wie mit Neue-WEA-Objekten verfahren werden soll, die außerhalb der durch die RSF-Datei abgedeckten Fläche platziert sind. Diese können entweder in der Optimierung verwendet werden (indem sie von OPTIMIZE in die definierten WEA-Flächen geschoben werden) oder aber gelöscht werden. Da WindPRO keine Winddaten außerhalb der Windressourcenkarte besitzt, können diese WEA nicht in der Berechnung berücksichtigt werden, weshalb Sie zwischen den genannten Möglichkeiten entscheiden müssen.

Existierende-WEA-Objekte (blaue Symbole) bleiben stets an ihrer Position, werden aber nur in der Optimierung berücksichtigt, wenn Sie innerhalb der Windressourcenkarte (Grenzen der RSF-Datei) liegen. Stehen sie außerhalb dieser Fläche, wird WindPRO sie bei der Optimierung und den Berechnungen des Parkwirkungsgrads ignorieren.

Optimierungs-Parameter

WEA vor dem Fixieren: Für sehr große Windparks würde die Berechnungszeit nahezu gegen unendlich gehen, wenn alle möglichen Standorte und Konfigurationen getestet würden. Daher werden ab einem bestimmten Zeitpunkt die ersten WEA fixiert ("eingefroren"). Ist diese Zahl erreicht (im obigen Fall 20 WEA), endet der rekursive Optimierungsprozess für diese Anlagenzahl und diese bleiben fest an ihren Standorten stehen.

WEA pro Lauf nach dem Fixieren: Nach dem der erste Block von Anlagen fixiert ist, wird für die folgende WEA (in dem Fall die 21. WEA) der beste, verbliebene Standort hinsichtlich der totalen Energieproduktion gesucht. Der rekursive Optimierungsprozess wird jetzt jeweils für die folgenden WEA fortgesetzt. Auch hier lässt sich die Berechnungszeit auf Kosten der Qualität verkürzen, indem die Anzahl der WEA hoch gesetzt wird (z.B. auf 5 WEA).

Parkwirkung, Schrittweite Windrichtung / Windgeschwindigkeit: Jeder Optimierungsprozess erfordert eine hohe Anzahl von Einzelberechnungen. Daher lässt sich auch durch Erhöhung der Schrittweite der Windrichtung und Windgeschwindigkeit die Berechnungszeit verkürzen. Die Resultate mit der höchsten Präzision –wie auch immer- erhalten Sie natürlich wenn Sie die Werte auf 1° bzw. 1,0 m/s einstellen. Mit diesen Parametern wird auch immer die letzte Parkberechnung (deren Ergebnis dann im Navigationsfenster angezeigt wird) durchgeführt.

Simulierte Varianten bevor Stopp: Bei jeder neu hinzugefügten WEA ermittelt OPTIMIZE die angegebene Anzahl Layouts, für die laut Windressourcenkarte und einem vereinfachten Wake-Modell der beste Ertrag angenommen wird. Für jedes dieser Layouts wird dann eine Wake-Berechnung nach den o.g. Parkwirkungs-Spezifikationen durchgeführt und das beste Resultat weiter verwendet. Wird die Anzahl der simulierten Layouts erhöht, steigt die Berechnungszeit. Dies kann jedoch sinnvoll sein, wenn große Flächen zur Optimierung zur Verfügung stehen, wenn die Windverhältnisse innerhalb der Fläche sich nur schwach unterscheiden oder wenn eine fein aufgelöste Windressourcenkarte verwendet wird.

Beachten Sie, dass ein feines Raster die Anzahl der möglichen Layouts extrem erhöht und deshalb die Optimierung mit ihrer begrenzten Anzahl Iterationen (Standard: 50 pro Optimierungsschritt) eventuell nicht das beste Layout finden kann. Ein 10 m-Raster enthält beispielsweise 25x so viele mögliche Positionen wie ein 50 m-Raster, deshalb muss, um eine vergleichbare Optimierungsqualität zu erreichen, auch die Iterationsanzahl entsprechend skaliert werden. Die Berechnungszeit wird sich dann ebenfalls deutlich erhöhen.

Register Flächenübersicht

An dieser Stelle erscheint die Auflistung aller für den Optimierungsprozess definierten WEA-Flächen und ihrer Eigenschaften. Das Programm prüft die Eigenschaften der Teilflächen des WEA-Flächen-Objekts und die Angaben auf dem Register Optimierung und zeigt an, wie viele WEA bei den derzeitigen Einstellungen platziert würden. So können noch Änderungen vorgenommen werden, bevor die zeitraubende Berechnung gestartet wird.

Im obigen Beispiel sind 3 Erweiterungsflächen mit einer möglichen Gesamtanzahl von 23 WEA und 20.000 kW Leistung. Da der ausgewählte WEA-Typ – hier die ENERCON E-82/2MW– 2000 kW Nennleistung hat, können bei diesen Anforderungen maximal 10 WEA (20.000 kW geteilt durch 2.000 kW) platziert werden.

Anmerkung: Die Leistung des WEA-Typs wird hier lediglich in Beziehung zur maximalen Leistung gesetzt, die in der Zeile Summe Flächenanforderungen genannt ist, nicht zur maximalen Leistung der Teilflächen. Es ist deshalb möglich, dass nicht das korrekte Ergebnis angezeigt wird. Es kann weiterhin auch möglich sein, dass z.B. wegen der angegebenen Mindestabstände in den WEA-Flächen nicht alle geplanten WEA untergebracht werden können – dies ist in diesem frühen Stadium noch nicht absehbar, weshalb auch aus diesem Grund die Angabe zur Anzahl der WEA ungenau sein kann.

In der Zeile Insgesamt erforderlich kann eine zusätzliche Einschränkung für die Gesamtsumme angegeben werden. Wenn Sie z.B. drei Teilflächen mit einer Maximalanzahl von 10 WEA haben, aufgrund des elektrischen Netzes die Gesamtzahl aber auf 25 WEA beschränken müssen, können Sie für jede Teilfläche ein Maximum von 10 WEA, aber ein Gesamtmaximum von 25 WEA angeben. Die existierenden Einschränkungen können nur zusätzlich eingeschränkt werden, nicht jedoch aufgehoben, d.h. es würde z.B. nichts ändern, im genannten Beispiel ein Gesamtmaximum von 35 WEA anzugeben. Auch der Mindestabstand oder die Maximale Leistung ließe sich an dieser Stelle noch einmal einschränken (beim Mindestabstand ist eine Erhöhung eine Einschränkung)

Verwendung des OPTMIZE-Navigationsfensters

Mit OK öffnen Sie das OPTIMIZE Navigationsfenster.

Für die Optimierung werden immer alle sichtbaren WEA (durch sichtbare Layer bestimmt) sowie die automatisch durch OPTIMIZE erzeugten WEA verwendet.

Es stehen vier Berechnungsoptionenoptionen zur Verfügung:

• PARK-Berechnung
• Automatisch füllen
• Energie-Schnelllayout
• Energieoptimierung

Für jede Berechnung wird eine neue Zeile im Navigationsfenster erzeugt. Soll eine zuvor berechnete Konfiguration wiederhergestellt werden, klicken Sie die entsprechende Zeile im Navigationsfenster mit der rechten Maustaste an und wählen Sie Layout wiederherstellen aus dem Menü. Im gleichen Menü lässt sich eine Zeile auch löschen.

Auf Karte arbeiten: Schließt das Optimierungsfenster, so dass manuelle Anpassungen des Layouts auf der Karte vorgenommen werden. Diese können dann auch Ausgangspunkt einer der weiteren Berechnungsoptionen sein. Als Optirequest exportieren / Aus Optiresult importieren: Es ist möglich, Rauigkeits- und Orographieinformationen an externe Optimierungswerkzeuge in einer sog. Optirequest-Datei zu exportieren. Wenn das externe Optimierungswerkzeug eine Optiresult-Datei erzeugt hat, kann diese in OPTIMIZE importiert werden.

Wenn eine Berechnung gestartet wird, in der die Nabenhöhen der existierenden oder neu zu platzierenden WEA von denen der Windressourcenkarte abweichen, so erscheint automatisch das folgende Fenster. Hier lassen sich dann die Höhen spezifizieren, die Ihrer Meinung nach das Windangebot am besten für den gewählten WEA-Typ beschreiben.

PARK-Berechnung

Diese PARK-Berechnung unterscheidet sich in zweierlei Hinsicht von der des Moduls PARK:

• die Windverhältnisse werden aus der bereits berechneten Windressourcenkarte gelesen
• bezüglich Richtungssektoren und Windgeschwindigkeitsklassen wird in einer gröberen Auflösung gerechnet (siehe Optimierungs-Parameter).

Beides führt dazu, dass die Berechnung deutlich schneller ist als eine reguläre PARK-Berechnung, was die Vielzahl an Einzelberechnungenerst ermöglicht, die innerhalb einer Optimierung durchgeführt werden müssen. Das Ergebnis ist allerdings auch weniger genau. Deshalb sollte für ein finales Optimierungsergebnis stets auch noch eine Berechnung mit dem PARK-Modul durchgeführt werden.

Automatisch füllen

Diese Option füllt die WEA-Fläche mit so vielen WEA wie unter den gegebenen Mindestabständen darin platziert werden können. Dies ist keine wirkliche Optimierung, eher ein Weg um herauszufinden wie viele WEA maximal untergebracht werden können.

Energie-Schnelloptimierung

Diese Option realisiert ein simples Layout (Entwurf) auf der Basis der Windressourcenkarte und der Abschattungsverluste. Dabei werden die Abstände in Neben- und Hauptwindrichtungen sowie Standorte höheren Windpotentials für die neuen WEA berücksichtigt. Diese Funktion liefert nicht unbedingt die besten Ergebnisse, gibt Ihnen aber einen sehr schnellen Überblick der zu erwartenden Produktionswerte und Abschattungsverluste. Gleichzeitig wird ein mögliches Layout für den Windpark skizziert. An dieser Stelle können Sie Ihre Eingabedaten noch einmal prüfen oder – basierend auf dem Parklayout-Entwurf - den Windpark manuell optimieren.

Energieoptimierung

Im Optimierungsprozess wird eine große Anzahl Windfarm-Layouts hinsichtlich einer optimalen Konfiguration mit den höchsten Ertragswerten auf der Basis der Gitterauflösung, der Windverhältnisse, Nabenhöhen und Randbedingungen für die einzelnen Flächen und für den den Optimierungsprozess geprüft. Für große Windparks kann diese Berechnung sehr viel Zeit in Anspruch nehmen. Insbesondere bei großen Flächen oder feiner Rasterung sollte der Parameter Simulierte Varianten vor Stopp der Optimierungs-Parameter erhöht werden (siehe dort).

Beispiel eines Optimierungsprozesses

Unten wird anhand eines Beispiels gezeigt, wie ein Optimierungsprozess aussehen könnte, um die unterschiedlichen Funktionen und Einsatzmöglichkeiten des Moduls OPTIMIZE aufzuzeigen.

• zunächst wird ein Energie-Schnelllayout entworfen,
• dann ein kompletter Optimierungsprozess durchlaufen.
• Eine oder mehrere WEA werden verschoben, um das visuelle Layout zu optimieren, und eine PARK-Berechnung wird gestartet.
• Ggf. Wiederholung des letzten Schritts.

Zunächst wurde ein Schnelllayout erzeugt und dann eine volle Energieoptimierung durchgeführt:

Wenn die Energieoptimierung durchgelaufen ist, klicken Sie auf Auf Karte arbeiten. Das Optimize-Navigationsfenster schließt sich. Rechtsklicken Sie auf eine WEA und wählen Sie Abstandskreise anzeigen. Die Abstandskreise oder –ellipsen, die als Minimalabstand im WEA-Flächen-Objekt definiert wurden, werden sichtbar – hier 5 Rotordurchmesser in Hauptwindrichtung (Nord) und 3 Rotordurchmesser in Nebenwindrichtung.

Wir bewegen einige WEA, die ungünstig platziert sind, an bessere Positionen. Vielleicht ergibt sich hierdurch auch eine bessere Produktion – denken Sie daran, dass OPTIMIZE mit Positionen in einem festen Raster arbeitet und eine begrenzte Anzahl Iterationen durchführt.

Kehren Sie in das OPTIMIZE-Navigationsfenster zurück und klicken Sie auf PARK-Berechnung, um das Ergebnis zu aktualisieren.

Wenn wir die letzte Änderung bereuen, können wir auf die vorletzte Zeile der Ergebnisliste rechtsklicken und bekommen die Optionen:

• Details/Grafiken
• Layout wiederherstellen
• Zeile löschen

Die Option Layout wiederherstellen kann für alle Windpark-Konfigurationen vorangegangener Berechnungen, die im Navigationsfenster dargestellt sind, verwendet und als Ausgangspunkt für erneute Modifikationen benutzt werden.

Unter Details/Grafiken folgen die Ergebnisse der PARK-Berechnung in tabellarischer Form. Für jede WEA (existierende und neue WEA) sind die Werte für die Energieproduktion, den Parkwirkungsgrad sowie die Koordinaten des Mikrostandortes dargestellt. Alle Daten können über die Zwischenablage in andere Programme kopiert werden. Durch Anklicken der Kopfzeilen werden die Daten sortiert.

Grafiken führt zu einer grafischen Ansicht. Neben der Energieproduktion ist auch der Parkwirkungsgrad jeder einzelnen WEA dargestellt. Auch diese Grafik lässt sich über die Zwischenablage in beliebige Text- oder andere Windows-Dokumente kopieren.

Beenden der Berechnung

Wenn die Optimierung beendet ist, kann das Navigationsfenster mit Schließen verlassen werden. Das aktuelle Layout bleibt auf der Karte bestehen. Wenn die OPTIMIZE-Berechnung zu einem späteren Zeitpunkt wieder geöffnet wird, sind auch die bisherigen Optimierungsschritte weiterhin verfügbar und ihre Layouts können wiederhergestellt werden.

Beachten Sie, dass die berechneten Erträge auf einer vereinfachten Version des PARK-Modells basieren und deshalb nicht dasselbe Ergebnis liefern wie das PARK-Modul. Weiterhin kann die verwendete Nabenhöhe aus der RSF-Datei von der tatsächlichen Nabenhöhe abweichen. Es empfiehlt sich deshalb, im Anschluss eine normale PARK-Berechnung für das optimierte Layout durchzuführen.