PARK: Register Wake

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Dieses Register ist nur bei Scaler-basierten Berechnungen verfügbar. Bei allen anderen PARK-Berechnungsoptionen sind die Wakemodell-Einstellungen auf dem Register Optionen. Zu den Einstellungen Wake decay-Konstante: Einheitlich / Sektorweise siehe dort, insb. auch der Abschnitt Erweiterte Optionen.

Auf dieser Seite werden nur die Erweiterten Parkoptionen und die Deep-Array-Features erläutert.

Wake-Modell

Es kann zwischen den Optionen

• Kein Wake-Modell, d.h. dass alle WEA als frei stehend betrachtet werden und alle weiteren Eingaben auf diesem Register obsoloet sind
• N.O. Jensen (RISØ/EMD)
• N.O. Jensen (EMD) : 2005
  • Ohne Spiegel-Wakes: Diese Option sollte nur gesetzt werden, wenn eine ältere windPRO-Berechnung exakt reproduziert werden muss. Für höchstmögliche Genauigkeit sollten Spiegel-Wakes aktiviert bleiben (siehe , Kapitel 2).
• N.O. Jensen (RISØ/EMD) PARK2 2018

Standardeinstellung und Empfehlung ist N.O. Jensen (RISØ/EMD). Für weitere Informationen siehe Wakeverlust-Modelle.

Erweiterte Parkoptionen

Wake decay-Konstante → Erweitert → Zeitschrittweise anhand Turbulenz  ermöglicht es, die Wake-decay-Konstante mit den Turbulenzbedingungen am Standort variieren zu lassen, anstatt lediglich einen Jahresmittelwert anzugeben.

Die Methode benötigt

• Entweder einen Scaler, der Turbulenz-Scaling beinhaltet (siehe Scaler:Turbulenz)
• oder eine Turbulenzzeitreihe in einem METEO-Objekt, die den gesamten Zeitraum der Zeitreihen-Berechnung abdeckt. In diesen Fall wird die Turbulenz, um sie aus der gewählten Zeitreihe an die WEA-Positionen zu modellieren, zunächst in eine Zeitreihe der Standardabweichungen der Windgeschwindigkeit umgerechnet; die Standardabweichung wird als konstant für den Standort und die Höhen angenommen. Aus der Standardabweichung und der vom Scaler modellierten mittleren Windgeschwindigkeit für die WEA-Standorte wird die Turbulenz für die WEA-Positionen berechnet.

In beiden Fällen wird die WEA-spezifische Turbulenz zu einem Zeitpunkt in eine Wake-decay-Konstante umgerechnet, die der Wake-Berechnung der entsprechenden WEA zugrunde gelegt wird.

Die Umrechnung von Turbulenz in Wake-decay-Konstante ist eine einfache lineare Gleichung, deren Parameter modifizeirt werden können. Die Standardparameter sind

Skalierung (c): 0,4

Offset (d) = 0,0

Diese werden als sicher und robust betrachtet, wobei aber vorausgesetzt wird, dass die Turbulenzdaten angemessen zutreffend sind.

(Hier klicken für Versionen vor windPRO 3.2)

Skalierung (A): 0,47; Offset (B): 0,004

Windrichtung in Wake-Berechnung von: Wenn für einen Zeitschritt der Zeitreihe die Wake-Verluste modelliert werden, so muss dem Modell eine einzige Windrichtung zugrunde liegen. Wenn aufgrund der modellierten Windbedingungen die Windrichtung von WEA zu WEA differiert, so muss eine Entscheidung für eine Referenzrichtung getroffen werden. Standardmäßig wird die erste WEA in der Berechnung (siehe Register WEA) verwendet.

Die Entscheidung ist bedeutsam, wenn z.B. eine Berechnung mit nur Existierenden WEA und eine mit Neuen+Existierenden WEA durchgeführt wird. Dann kann nämlich - abgesehen vom Wake-Effekt der Neuen WEA – das Ergebnis für die Existierenden WEA zwischen den beiden Berechnungen leicht abweichen, da in der ersten Berechnung eine andere WEA für die Richtung in der Wake-Modellierung zuständig ist als in der zweiten (Neue WEA stehen stets am Anfang der Liste). In so einem Fall sollte für beide Berechnungen dieselbe WEA als Referenz-WEA für die Windrichtung der Wake-Modellierung gewählt werden.

In komplexem Gelände mit großen Richtungsänderungen innerhalb der Windfarm kann es außerdem sinnvoll sein, gezielt eine WEA in der Mitte des Standorts als Referenz-WEA zu wählen, anstatt einfach nur die erste WEA zu nehmen, die vielleicht eher am Rand der Windfarm steht und nicht besonders repräsentativ für die Windrichtung ist.

Die Auswahl beeinflusst außerdem die berechnete sektorweise aggregierte freie Windgeschwindigkeit, da durch die Referenz-WEA festgelegt wird, welchem Sektor ein Zeitstempel zugeordnet wird.

Deep-Array-Features für große Windfarmen

Wake-Überlagerungsmodell

Teil eines Wakemodells ist das sog. Wake-Überlagerungsmodell (wake combination model), das festlegt, wie der Effekt von sich überlagernden Wakes berechnet wird. Die zusätzlichen Einstellungen zum Wake-Überlagerungsmodell unterscheiden sich je nachdem, welches Wakemodell ausgewählt ist.

Im Wakemodell N.O. Jensen (RISØ/EMD) (NO-Original) werden die Windgeschwindigkeits-Reduktionen mehrerer WEA standardmäßig zu 100% über die Wurzel der Summe der Quadrate (RSS-Methode, Root-Sum-Square) summiert:

Eine lineare Gewichtung der Einzelwakes führt insgesamt zu höheren Wakeverlusten. Wird in einem der beiden Felder ein Faktor eingegeben, so wird das andere Feld automatisch ausgefüllt (Summe = 1,0).

Generell performt die Standardeinstellung gut, auch bei großen Windfarmen. Die Einstellungsmöglichkeit wird dennoch angeboten, um bei Post-Construction-Analysen anhand von konkreten Standortbezogenen Daten das Wakemodell noch genauer kalibrieren zu können.

Das Wakemodell N.O. Jensen (EMD) 2005 handhabt die Reduktionen standardmäßig so wie NO-Original; Tests zeigen allerdings, dass die Wake-Verluste in großen Windfarmen (ab etwa 5 Reihen orthogonal zur Windrichtung) unterschätzt werden. Deshalb kann hier eine Kombination beider Methoden zu einer besseren Abbildung der Reduktion führen. Durch die Einstellungen unter Wake-Überlagerungsmodell können beide Methoden mit unterschiedlicher Gewichtung kombiniert werden.

In empirischen Untersuchungen stellte sich eine Gewichtung von 35% Linear / 65% RSS-Gewichtung als taugliche Parameterkombination heraus (siehe Wakemodell-Validierungstests (Englisch)). Dies ist die aktuelle Standardeinstellung, wenn die Deep-Array-Features aktiviert sind.

Im Wakemodell N.O. Jensen (RISØ/EMD) PARK2 2018 werden die Reduktionen direkt summiert (Lineare Methode). Dies ist ein integraler Bestandteil des Wakemodells, der nicht verändert werden kann.

Änderung der Wake-decay-Konstante (nur bei N.O.Jensen (EMD) 2005)

Eine Kombination von linearer und RSS-Gewichtung führt beim Wakemodell N.O.Jensen (EMD) 2005 dazu, dazu, dass Reduktionen in der Mitte der Windfarm oft zu hoch ausfallen. Eine zusätzliche Korrektur wurde in Gaumont 2012 vorgeschlagen, nämlich die Wake-decay-Konstante (WDC) anhand der Anzahl der vorgelagerten WEA zu reduzieren.

Die Formel für die Reduktion lautet y = A * ln(x) + B, wobei A und B frei definiert werden können.

Der Wert Max x bezieht sich auf die maximale Anzahl der vorgelagerten WEA, die in der Formel verwendet wird.

Für die Methode existieren zwei unterschiedliche Methoden:

• Version 1: Halb aggregierte Reduktion nach Anzahl der WEA im Luv
• Version 2: Voll aggregierte Reduktion nach Anzahl der WEA im Luv, angefangen mit der 2. WEA
• Version 3: Voll aggregierte Reduktion nach Anzahl der WEA im Luv, angefangen mit der 1. WEA

Beispiel:

Drei WEA stehen in Hauptwindrichtung hintereinander, WEA N1, N2 und N3. N1 steht vorne und erleidet deshalb keine Wake-Effekte, N3 steht hinten und erfährt Wake-Effekte von den beiden davor stehenden WEA.

Version 1: Um die Wake an N3 zu berechnen, wird die Wake von N1 mit einer Reduktion der WDC für zwei WEA berücksichtigt (da sie sich mit einer weiteren WEA-Wake überlagert), die Wake von N2 wird nur mit einer Reduktion der WDC für eine WEA berücksichtigt (da sie sich mit 0 weiteren WEA-Wakes überlagert)

Version 2: Es spielt lediglich die Gesamtzahl der Wake-gebenden WEA eine Rolle. An N3 werden die Wakes beider vorgelagerten WEA jeweils mit einer WDC-Reduktion für zwei WEA berücksichtigt.

Die verschiedenen Versionen der Methode verlangen unterschiedliche Parameter für A und B. Die Parameter für Version 1 sind im obigen Screenshot wiedergegeben, für Version 2 und 3 sehen sie so aus:

Diese Option wird, da noch keine ausreichenden unabhängigen empirischen Befunde vorliegen, derzeit als experimentell betrachtet. Es hat sich aber in eigenen Validierungsprojekten als eine Methode herausgestellt, die die Ergebnisse signifikant verbessert. Insbesondere die Resultate der einzelnen WEA-Reihen werden exakter, wogegen sich bei der Mittelwert bei den voreingestellten Standardwerten nur geringfügig ändert.

Da Version 2 und 3 zu weitaus höheren WDC-Reduktionen führt, empfehlen wir dort, dass die Reduktion nur bis zur fünften WEA zunimmt und ab dann konstant bleibt. Bei Version 1 nimmt die Reduktion standardmäßig bis zur 25. WEA zu – die Reduktion der WDC ist hier moderater, wodurch die Änderung der Wakeverluste nur gering ausfällt. Nur die am weitesten entfernten WEA erfahren die volle Reduktion der WDC.

Reduktion der WDC nach Anzahl der vorgelagerten WEA für die beiden Methoden

Praxisanmerkung: Eine korrekte Wakeverlust-Berechnung erfordert eine stimmige Balance zwischen verwendetem Wakemodell, der Wake-decay-Konstante und evtl. den Deep-Array-Einstellungen (Lineare Gewichtung und WDC-Verringerung nach vorgelagerten WEA). Laufende Experimente zeigen, dass bei N.O.Jensen (EMD) 2005 eine 35%ige lineare Gewichtung in Kombination mit einer anhand einer Turbulenzzeitreihe modifizierten Wake-decay-Konstante die beste Reproduktion von tatsächlich gemessenen Wakeverlusten bringt. Wenn eine Lineare Gewichtung von 100% verwendet wird, sollte die WDC um 0,03 erhöht werden (von 0,04 auf 0,07 Offshore). Dann werden zwar die Wakeverluste entlang der Reihen überschätzt, aber das 360°-Ergebnis ist für den Testfall HR-1 gut. Für weitere Infos siehe Wakemodell-Validierungstests (Englisch).

Beachten Sie, dass zahlreiche Tests mit einreihgen Windfarmen zeigen, dass im Fall einer Windrichtung längs der WEA-Reihe die Wakeverluste im Lee tatsächlich geringer sind, als mit Standardeinstellungen berechnet. Die Änderung der Wake-Decay-Konstante nach Anzahl vorgelagerter WEA kann aber auch invers angewandt werden, so dass die WDC bei mehr WEA im Luv höher wird. Die folgenden Einstellungen wurden in Verbindung mit N.O.Jensen (EMD) 2005 für einreihige Windfarmen mit bis zu 7 WEA getestet:

Literatur: