Handbuch Lasten

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LASTEN – SITE COMPLIANCE & LOAD RESPONSE

Einführung, Begriffserklärungen und Schritt-für-Schritt-Anleitung

Ein vernünftiges Layout und einen passenden Anlagentyp auszuwählen gehören zu den wichtigsten Schritten bei der Entwicklung eines Windenergie-Projekts. Windenergieanlagen sind gemäß einer Reihe von klimatischen Anforderungsstandards, z.B. den IEC Klassen, für eine Laufzeit von 20 Jahren ausgelegt. Die römische Zahl definiert dabei die Windgeschwindigkeitsklasse I, II oder III und der Buchstabe steht für die Turbulenzklasse A, B oder C. IEC IA beschreibt damit die stärkste Auslegungsklasse, die schwächste ist IEC IIIC.

Die Errichtung einer ungeeigneten WEA an einem Standort einer höheren Beanspruchungsklasse kann zu vorzeitigem Verschleiß führen und ein Projekt ruinieren. Andererseits kann der Einsatz einer zu hoch klassifizierten WEA unnötig hohe Kosten verursachen, die das Projekt unfinanzierbar machen.

Die windPRO-Module SITE COMPLIANCE und LOAD RESPONSE helfen den Anwendern bei der Entscheidung, welche Anlagenklasse für den Standort geeignet ist.

Die Anforderungen der WEA-Auslegungs-Klassen sind festgelegt in der internationalen Richtlinie:

IEC 61400-1 ed. 3 (2010) “Wind turbines Part 1 - Design requirements” [1, 2]

Die meisten Abschnitte betreffen Designanforderungen der Standard-WEA-Klassen. Kapitel 11 beschreibt den “Nachweis der strukturellen und elektrischen Eignung einer WEA für standortspezifische Bedingungen”, also die Bewertung, ob ein Anlagentyp für die betreffenden Standortbedingungen und das Layout geeignet ist, mit anderen Worten: Ob “SITE COMPLIANCE“ vorliegt.

Anforderungen der Richtlinie IEC 61400-1 ed. 3 (2010)

Tabelle 1, entnommen der Richtlinie IEC 61400-1 ed. 3 (im Folgenden „IEC-Richtlinie“ genannt), definiert die grundlegenden Design-Parameter der oben beschriebenen Standard-Auslegungsklassen.

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Abb. 1. Tabelle 1 aus IEC 61400-1 ed. 3 (2010)

Abschnitt 11 der IEC-Richtlinie nennt sieben Hauptparameter zur Standort-Beurteilung. Der erste Parameter beschreibt die topographische Komplexität des Geländes, die anderen sechs Parameter betreffen die Windverhältnisse am Standort. Die sieben IEC-Hauptprüfungen sind:

• Topographische Komplexität des Geländes
• Extrem-Wind
• Effektive Turbulenz
• Windgeschwindigkeitsverteilung
• Windgradient (Windshear)
• Neigung der Anströmung
• Luftdichte

Die Richtlinie beinhaltet zudem einige zusätzliche Umgebungsbedingungen, die bewertet werden sollen. Hiervon wurden drei Parameter ausgewählt, die gelegentlich kritisch sein können und mit akzeptabler Genauigkeit abgeschätzt werden können. Diese Parameter, bezeichnet als „Andere Prüfungen“, sind:

• Erdbebenrisiko
• Blitzrate
• Extremer und normaler Temperaturbereich

Die nicht erfassten Parameter sind: „Vereisung, Hagel und Schnee“, „Feuchtigkeit“, „Sonneneinstrahlung“, „chemisch aktive Substanzen“ und „Salzhaltigkeit“.

Abschnitt 11.1 der IEC-Richtlinie ([1], S. 54, beschreibt, wie die standortspezifischen Bedingungen mit den Auslegungsbedingungen der betrachteten IEC-Klasse, z.B. IIB, verglichen werden, um nachzuweisen, dass die Auslegungsbedingungen nicht überschritten werden.

„…Es muss nachgewiesen werden, dass die Standortbedingungen die :Integrität der Konstruktion nicht verletzen. Der Nachweis umfasst die topographische Komplexität des Standorts, siehe 11.2, und eine Bewertung der Windbedingungen am Standort, siehe 11.3. Für den Nachweis der Integrität der Konstruktion können zwei Methoden angewendet werden:

a) ein Nachweis, dass alle diese Bedingungen weniger schwerwiegend sind als die, die bei der Auslegung der WEA angenommen wurden, siehe 11.9;

b) ein Nachweis der Integrität der Konstruktion für Bedingungen, die jede für sich gleich oder schwerwiegender sind als die am Standort, siehe 11.10.

Wenn eine der Bedingungen schwerwiegender ist als die bei der Auslegung angenommenen, muss die elektrische und strukturelle Zuverlässigkeit mit der zweiten Methode nachgewiesen werden.“

Kurz gesagt, a) bedeutet, dass wenn alle IEC-Prüfungen in SITE COMPLIANCE unkritisch sind, kann davon ausgegangen werden, dass die IEC-Klasse zum Standort passt. Wenn min. eine der Prüfungen Überschreitungen zeigt, muss Ansatz b) gewählt werden, der einer Lastberechnung über LOAD RESPONSE basierend auf den Ergebnissen aus SITE COMPLIANCE entspricht.

Typische Anwendungsmöglichkeiten

SITE COMPLIANCE kann mit unterschiedlichen Eingangsdaten und externen Berechnungsmodellen verwendet werden. Es gibt drei Hauptanwendungsarten:

• (I) Mast und Strömungsmodell
• (II) Nur Messmastdaten
• (III) Keine Messmastdaten

Die volle Funktionalität wird erreicht, wenn sowohl Messmastdaten mit mehreren Messhöhen für das Projekt vorliegen als auch die externen Berechnungsmodelle WAsP und WAsP Engineering (ab Version 3, im folgenden „WEng“, eigene Lizenzen werden benötigt) und WAsP-CFD-Ergebnisse verfügbar sind.

Unter Verwendung von WAsP kann das Modul in Modus I (Hauptmodus) arbeiten. In diesem Modus ist eine WEng-Lizenz oder WAsP-CFD-Ergebnisse nicht zwingend notwendig, ermöglichen aber weitere Berechnungs-Optionen, die die Qualität der Ergebnisse verbessern können.

Minimale Anforderungen gelten in Modus II Nur Messmastdaten. Dieser Modus benötigt lediglich die Daten eines Messmasts am Standort mit verschiedenen Messhöhen und keine externen Software-Lizenzen, um die Hauptprüfungen durchzuführen.

Modus III, Keine Messmastdaten, findet Anwendung, wenn kein Messmast am Standort errichtet ist, es aber viele WEA in der Gegend gibt, wie in Deutschland oder Dänemark. Dieser Modus erfordert gültige Lizenzen für WAsP und WEng oder WAsP-CFD-Ergebnisse sowie regionale Windstatistiken (Windatlas- / lib-Datei) um alle sieben IEC-Hauptprüfungen durchzuführen.

In Modus I gibt es zwei Einstellungsmöglichkeiten für WAsP: Windstatistik mit Langzeitbezug und Messmastdaten. Die erste Möglichkeit findet Verwendung, wenn per MCP für jeden Messmasten am Standort eine Windstatistik mit Langzeitbezug erstellt wurde. Dadurch wird erreicht, dass die Ergebnisse dieser WAsP-Berechnung denen der PARK-Berechnungen entsprechen, die auf diesen Windstatistiken basieren. Die zweite Möglichkeit (Messmastdaten) beinhaltet die STATGEN-Berechnung für jeden Messmast und vereint so beide Schritte der WAsP-Prozedur unter Verwendung der Messmastdaten. Diese Option bietet auf einem zusätzlichen Register die Möglichkeit einer vereinfachten Langzeitkorrektur im SITE COMPLIANCE-Modul, wie es in der IEC-Richtlinie gefordert ist, wenn die Windmessdaten nicht langzeit-repräsentativ sind.

Schritt für Schritt-Anleitung

SITE COMPLIANCE Wählen Sie den Modus:

• (I) Mast und Strömungsmodell
• (II) Nur Messmastdaten
• (III)Keine Messmastdaten

Modus I (Mast und Strömungsmodell)

• Wählen Sie das gewünschte Strömungsmodell
• Wählen Sie die WAsP-Option Windstatistik mit Langzeitbezug oder Messmastdaten
• Definieren Sie die WEA-Auslegungsklasse - wenn nicht bereits individuell in den WEA-Eigenschaften definiert
• Wählen Sie den / die Standortmasten mit Haupthöhe und Höhen für die Shear-Berechnung
• Wählen Sie einen Mast mit Zweck Langzeit-Referenz, wenn ein solcher verfügbar ist
• Definieren Sie das WEA-Layout
• Definieren Sie die Mast – WEA Zuordnung, wenn mehrere Masten vorhanden sind
• In WAsP Messmastdaten-Modus: Berechnen und evaluieren Sie die Langzeitkorrektur
• Berechnen Sie mit den Strömungsmodellen:

• Wählen Sie (ein) Terraindatenobjekt(e) (Zweck STATGEN) und starten Sie die WAsP Berechnung
• Wählen Sie ein Terraindatenobjekt und starten Sie die WEng-Berechnung, wenn Sie über eine Lizenz verfügen
• Wählen Sie (eine) WAsP-CFD-Ergebnisdatei(en) und starten Sie die WAsP-Berechnung

• Register IEC-Prüfungen: Wählen Sie die relevanten Hauptprüfungen und Andere Prüfungen
• Klicken Sie Bearb. für jede gewählte Berechnung, ändern Sie die Einstellungen, wenn nötig und drücken Sie Berechnen
• Prüfen Sie die Ergebnisse jedes Parameters und das Gesamtergebnis aller Prüfungen
• Drücken Sie OK, überprüfen Sie die Berichte und exportieren Sie Ergebnisse mit Ergebnis in Datei

Modus II (Nur Messmastdaten)

• Definieren Sie die WEA-Auslegungsklasse – wenn nicht bereits individuell in den WEA-Eigenschaften definiert

• Wählen Sie den / die Standortmasten mit Haupthöhe und Höhen für die Shear-Berechnung
• Wählen Sie einen Mast mit Zweck Langzeit-Referenz, wenn ein solcher verfügbar ist
• Definieren Sie das WEA-Layout
• Definieren Sie die Mast – WEA Zuordnung, wenn mehrere Masten vorhanden sind
• Berechnen und evaluieren Sie die Langzeitkorrektur
• Register IEC-Prüfungen: Wählen Sie die relevanten Hauptprüfungen und Andere Prüfungen
• Klicken Sie Bearb. für jede gewählte Berechnung, ändern Sie die Einstellungen, wenn nötig und drücken Sie Berechnen
• Prüfen Sie die Ergebnisse jedes Parameters und das Gesamtergebnis aller Prüfungen
• Drücken Sie OK, überprüfen Sie die Berichte und exportieren Sie Ergebnisse mit Ergebnis in Datei

Modus III (Keine Messmastdaten)

• Wählen Sie die gewünschten Strömungsmodelle
• Definieren Sie die WEA-Auslegungsklasse – wenn nicht bereits individuell in den WEA-Eigenschaften definiert
• Definieren Sie das WEA-Layout
• Berechnen Sie mit den Strömungsmodellen:

• Wählen Sie (ein) Terraindatenobjekt(e) (Zweck STATGEN) und starten Sie die WAsP Berechnung
• Wählen Sie ein Terraindatenobjekt und starten Sie die WEng-Berechnung, wenn Sie über eine Lizenz verfügen
• Wählen Sie (eine) WAsP-CFD-Ergebnisdatei(en) und starten Sie die WAsP-Berechnung

• Register IEC-Prüfungen: Wählen Sie die relevanten Hauptprüfungen und Andere Prüfungen
• Klicken Sie Bearb. für jede gewählte Berechnung, ändern Sie die Einstellungen, wenn nötig und drücken Sie Berechnen
• Prüfen Sie die Ergebnisse jedes Parameters und das Gesamtergebnis aller Prüfungen
• Drücken Sie OK, überprüfen Sie die Berichte und exportieren Sie Ergebnisse mit Ergebnis in Datei

LOAD RESPONSE

• Aktivieren Sie LOAD RESPONSE auf dem Register Hauptteil in SITE COMPLIANCE
• Wählen Sie die WEA-Response-Datei im Drop-Down-Menü
• Setzen Sie den Haken bei Berechne bei Ermüdungslasten
• Klicken Sie Bearbeiten, ändern Sie ggf. die Einstellungen und klicken Berechnen
• Prüfen Sie die Ergebnisse der Ermüdungslasten für die am stärksten belasteten Komponenten für jede WEA-Position
• Klicken Sie OK, prüfen die Berichte und exportieren bei Bedarf die Ergebnisse über Ergebnis- in-Datei

 

SITE COMPLIANCE

Einstellungen der SITE COMPLIANCE-Berechnung

Bevor Sie mit der SITE COMPLIANCE-Berechnung beginnen, stellen Sie sicher, dass Sie eine lizenzierte Version des SITE COMPLIANCE-Moduls besitzen (grüner Pfeil vor Modulname) und dass Ihr Projekt in windPRO die folgenden Daten / Lizenzen beinhaltet:

1 Ein Layout mit WEA-Objekten

2 Ein digitales Höhenmodell (Linien- oder Höhenraster-Objekt)

3A Ein Messmast mit verschiedenen Messhöhen (alle sorgfältig geprüft und auf eine Anzahl von vollen Jahren bereinigt)

und / oder

3B Ein Terraindatenobjekt (mit Windstatistik)

• Eine gültige WAsP Lizenz
• Eine gültige WEng 3.0 Lizenz

und / oder

3C Eine gültige WAsP 11-Lizenz

WAsP-CFD-Ergebnisdatei(en)

Die folgenden Abschnitte beschreiben die wichtigsten Schritte zu den Einstellungen einer SITE COMPLIANCE-Berechnung Register für Register. Bitte beachten Sie, dass nicht jedes Register in jedem Berechnungsmodus verfügbar ist.  

Hauptteil

Im Register Hauptteil des SITE COMPLIANCE-Moduls sind die Grundeinstellungen des zu verwendenden Modus zu treffen unter Standort- und Layoutcheck mit. Die passende Auswahl hängt von den verfügbaren Messmastdaten und Lizenzen für die Strömungsmodelle WAsP, WEng und WAsP-CFD ab.

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Abb. 2. Grundeinstellungen im SITE COMPLIANCE-Modul

Die Strömungsmodelle mit gültigen Lizenzen sollten ausgewählt werden. Bitte beachten Sie, dass als Grundvoraussetzung für die Verwendung von WEng eine Installation der Software-Version 3.1 oder neuer mit gültiger Lizenz vorhanden sein muss. Die Gültigkeit der Lizenz wird regelmäßig online überprüft.

Wenn keine individuelle Auslegungsklasse der WEA in den einzelnen Objektdaten angegeben wurde, kann die Option Auslegungsklasse für alle WEA angewendet und eine passende Klasse definiert werden. Die Grundparameter jeder Auslegungsklasse sind in der Tabelle unter der Auswahl aufgeführt. Wenn Klasse S ausgewählt wird, werden die leeren Felder für Klasse S in der Übersichtstabelle editierbar und müssen mit dem passenden Eintrag gefüllt werden.

 

Messmastdaten

Im Register Messmasten müssen zunächst die relevanten Standortmasten ausgewählt werden. Anschließend erweitert sich die Ansicht und die Haupthöhe wird ausgewählt. Auf dieser Höhe basieren alle IEC- und WAsP-Berechnungen, wenn der Modus Nur Messmastdaten gewählt ist. Wenn Datensätze in mehreren Messhöhen vorliegen, müssen die Höhen ausgewählt werden, die zusätzlich zur Haupthöhe zur Shear-Berechnung (Veränderung der Winddaten über die Höhe) verwendet werden sollen.

Bitte beachten Sie rot markierte Felder wie Messintervall, Dauer oder Verfügbarkeit, hier könnten Probleme auftreten, da die IEC-Richtlinie 10-minütige Messintervalle für Standortmessungen fordert und diese Daten nicht jahreszeitlich gewichtet sein dürfen, d.h. es dürfen nur volle Jahre der Messung verwendet werden.

Wenn vorhanden, können hier auch die Langzeit-Referenz-Daten gewählt werden. Hierfür muss nach dem Anklicken der Zweck auf Langzeit-Referenz gesetzt werden. Zudem ist noch ein dritter Zweck einstellbar: Klimadaten wird genutzt, wenn am Standortmast keine Temperaturmessung durchgeführt worden ist.

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5.2.1.3 Layout (WEA)

Im Register WEA werden die relevanten WEA ausgewählt. Im SITE COMPLIANCE-Modul werden die IEC-Prüfungen nur für Neue WEA (rotes Kartensymbol) durchgeführt. Existierende WEA (blaues Kartensymbol) werden, wenn sie ausgewählt wurden, in den relevanten Berechnungen berücksichtigt (z.B. Nachlaufeffekte), es werden jedoch keine individuellen Ergebnisse angezeigt. Wählen Sie den / die Layer mit Neuen WEA und passen im unteren Registerbereich die entsprechende Auswahl an, wenn nicht alle WEA verwendet werden sollen.

Die Verwendung von WEA in schallreduziertem Modus sollte vermieden werden, da die Windgeschwindigkeit bei Nennleistung aus der Leistungskennlinie entnommen wird und Teil der IEC-Hauptprüfungen ist. Dies könnte bei Leistungskennlinien in reduziertem Modus ungünstig sein.

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Abb. 4. Register WEA, in dem die relevanten WEA (Neue WEA) gewählt werden

5.2.1.4 Mast – WEA

Dieses Register ist nur in Modus I und II verfügbar, wenn eine Windmessung vorliegt. Hier erfolgt die Zuordnung welcher Windmessmast für welche WEA genutzt werden soll. Die Standardeinstellung wählt für jede WEA den nächstgelegenen Messmast. Dennoch ist eine manuelle Zuordnung möglich, wenn mehrere Messmasten vorhanden sind.

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Abb. 5. Register Mast-WEA - für jede WEA sollte der geeignete Mast ausgewählt werden

Ganz unten auf der Seite ist einstellbar, ob die Beschreibung oder die Anwenderkennung der WEA in den Tabellen, Grafiken und Berichten angezeigt werden soll.

 

5.2.1.5 Langzeitkorrektur

Dieses Register ist nur verfügbar in Modus I und II und wenn im Hauptteil bei WAsP Messmastdaten angehakt ist. Es sollte überprüft werden, ob der Messzeitraum langzeit-repräsentativ ist. Wenn nicht, ist eine Langzeitkorrektur sinnvoll und kann direkt in SITE COMPLIANCE durchgeführt werden.

Dieses Register bietet eine einfache Alternative zur üblichen Erstellung von langzeitkorrigierten Windstatistiken für jeden Mast via MCP und Nutzung der WAsP-Option langzeitkorrigierte Windstatistik im Hauptteil.

Die Langzeitkorrektur in SITE COMPLIANCE unterscheidet sich von der Methodik des MCP-Moduls durch einen Windgeschwindigkeits-Index, während MCP auf einem Windenergie-Index basiert. Dies ist darin begründet, dass der Fokus von SITE COMPLIANCE auf den Lasten und nicht auf der Energieberechnung liegt.

Wählen Sie Keine Korrektur – Daten sind repräsentativ, werden keine weiteren Eingaben benötigt. Wenn im Register Messmasten eine Langzeit-Referenz gewählt wurde, und diese mit den Daten der Standortmasten gut korreliert, kann die Windgeschwindigkeits-Indexkorrektur gewählt werden. Wird diese gewählt, wird das Feld Korrekturen berechnen aktiviert und muss angeklickt werden. Prüfen Sie das Ergebnis für jeden vorhandenen Standortmast in Bezug auf Index und R² (Korrelations-Koeffizient). Die Grafik wird für die ausgewählten Messreihen dargestellt.

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Abb. 6. Register Langzeitkorrektur

Ein Index von 100% bedeutet, dass der Messzeitraum langzeit-repräsentativ ist. Bei Werten darüber oder darunter sollte die am Standort gemessene mittlere Windgeschwindigkeit mit dem entsprechenden Wert (Kehrwert des Index) korrigiert werden, um das langjährige Windklima darzustellen.

Der Index wird aus den Langzeit-Referenzdaten berechnet. Hierfür wird das Verhältnis der mittleren Windgeschwindigkeit des überlappenden Messzeitraumes zur mittleren Windgeschwindigkeit des kompletten Messzeitraumes gebildet. Die Korrelations-Koeffizienten basieren auf den mittleren Windgeschwindigkeiten der überlappenden Messperiode, welche auch in der Grafik dargestellt sind. 

5.2.1.6 WAsP

Das Register WAsP ist verfügbar, wenn im Hauptteil WAsP gewählt wurde. Die Auswahlmöglichkeiten auf diesem Register hängen vom verwendeten WAsP-Modus ab: Im Modus Messmastdaten muss ein Terraindatenobjekt (Zweck: STATGEN) gewählt werden, um die Gelände- und die Rauigkeitsdaten an WAsP übermitteln zu können (s.u.).

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Abb. 7. Register WAsP im Modus Messmastdaten

Bei Verwendung von SITE COMPLIANCE im WAsP-Modus Windstatistik mit Langzeitbezug muss für jeden Messmasten ein Terraindatenobjekt (Zweck: Energieberechnung mit WAsP) gewählt werden. Bitte stellen Sie sicher, dass in den verwendeten Terraindatenobjekten die jeweils passende Windstatistik mit Langzeitbezug für den betreffenden Messmast ausgewählt wurde.

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Abb. 8. Register WAsP im Modus Windstatistik mit Langzeitbezug

Im Modus Keine Messmastdaten wird im Register WAsP die Eingabe der zu verwendenden Terraindatenobjekte benötigt. Für jede WEA wird das jeweils nächstgelegene Terraindatenobjekt genutzt.

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Abb. 9. Register WAsP im Modus Keine Messmastdaten

Nach der Wahl des / der Terraindatenobjekte(s) startet die WAsP-Berechnung über das grüne Feld WAsP-Berechnung durchführen. Die WAsP-Parameter können über das obere Feld angepasst werden.

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Abb. 10. Register WAsP – Berechnung starten oder WAsP-Parameter anpassen

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Abb. 11. Register WAsP vor und nach erfolgreicher Berechnung

Wenn die WAsP-Berechnung abgeschlossen ist, erscheint das Feld wieder grau und die rote Markierung im Registerkopf wird durch einen grünen Haken ersetzt. Wurde für Messmasten oder WEA eine Verdrängungshöhe angegeben, wird diese immer in der WAsP-Berechnung benutzt.

5.2.1.7 WEng

Das SITE COMPLIANCE-Modul bietet eine bedienerfreundliche Einbindung von WAsP Engineering (WEng). Durch die komplett externe Installation und Lizensierung von WEng, wird windPRO zur grafischen Benutzeroberfläche des Strömungsmodells und ermöglicht eine deutliche Vereinfachung der Einstellungen und Verwendung von WEng. Im Gegensatz zu WAsP ist WEng ein rasterbasiertes Model, welches die Strömungsparameter (außer Turbulenz) für jeden Rasterpunkt einer zuvor definierbaren, rechteckigen Berechnungsfläche modelliert.

Zuerst muss ein Terraindatenobjekt (Zweck WAsP oder STATGEN) ausgewählt werden, um die Gelände- und Rauigkeitsdaten an WEng zu übermitteln. Anschließend muss ein Bereich um alle Masten / WEA angegeben werden, der die Ausdehnung der Berechnungsfläche definiert. Voreingestellt ist ein Wert von 5 km, welcher einen Kompromiss zwischen Genauigkeit und Berechnungsdauer bietet. Wenn besondere Rauigkeitswechsel oder starke Veränderungen der Landschaft etwas weiter als 5 km entfernt vorliegen, sollte der Berechnungsbereich entsprechend ausgedehnt werden, um diese zu erfassen.

Die voreingestellte Rasterweite liegt bei 50 m. Diese sollte normalerweise ausreichen und nur bei starken Terrainveränderungen, wie z.B. einem schmalen Felsrücken, sollte eine feinere Auflösung gewählt werden.

Wird der Bereich oder die Rasterweite verändert, wird die Anzahl der Gitterpunkte automatisch angepasst. Die Berechnungszeit von WEng wird optimiert, wenn die Anzahl der Gitterpunkte gerade unter 170, 340, 680…usw. bleibt. Dies liegt an der Berechnungsmethodik von WEng.

Die derzeitige Version des SITE COMPLIANCE-Moduls unterstützt keine Verwendung von Hindernissen in der WEng-Modellierung, da diese bei den heute üblichen Nabenhöhen nicht relevant sind.

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Abb. 12. Register WEng

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Abb. 13. Register WEng vor und nach erfolgreicher Berechnung

Falls WEng während einer SITE COMPLIANCE-Berechnung einen Fehler verursacht, werden die verwendeten Berechnungseinstellungen der WEng-Berechnung (Windrichtung und Berechnungsfläche) automatisch in eine WEng-Projektdatei geladen. Die Datei heißt „WEngCrashProject.wep“ und liegt im windPRO-Projektordner. Diese Datei kann direkt in WEng geöffnet werden und wenn der Fehler dort auch auftritt, kann die Datei zur weiteren Prüfung zum WAsP/WEng-Support-Team von DTU übermittelt werden.

Erweiterte WEng-Einstellungen Bevor die WEng-Berechnung gestartet wird, können die Erweiterten Optionen geprüft und angepasst werden.

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Abb. 14. Register WEng, erweiterte Einstellungen

Diese Einstellungsmöglichkeiten zeigen, wie die Strömungsmodellierung in WEng ausgeführt wird. Über den reduzierten geostrophischen Wind können Windgeschwindigkeit, Höhe, Anzahl der Sektoren und die Rauigkeitslänge angepasst werden.

Da WEng ein lineares Modell ist, basieren die Ergebnisse der Strömungsmodellierung, Speed-Up und Turbulenzintensität nicht auf diesen Einstellungen. Nur im besonderen Fall von Offshore- oder Semi-Offshore-Bedingungen ist besondere Vorsicht geboten, da die Linearität aufgrund der zunehmenden Rauigkeit (Wellengang) mit höheren Windgeschwindigkeiten nicht mehr gegeben ist. In diesen besonderen Fällen ist es ratsam WEng anzuwenden, SITE COMPLIANCE zu schließen und die Ergebnisse von WEng mit Rechtsklick auf die Berechnung und Result-to-file zu exportieren. Die Windgeschwindigkeiten, die so für jede WEA prognostiziert werden, sollten in etwa den Extremwindgeschwindigkeiten der WEA entsprechen. Sind die Ergebnisse zu hoch oder zu niedrig, kann die geostrophische Windgeschwindigkeit in den erweiterten WEng-Einstellungen angepasst werden, um eine bessere Modellierung der Extremwindbedingungen zu erreichen.

Bei Turbulenzberechnung können Sie auswählen, ob keine Turbulenzberechnung durchgeführt werden soll, bzw. das Modell Scanlan oder Kaimal genutzt wird. Voreingestellt und empfohlen ist die Turbulenzberechnung mit Hilfe des Kaimal-Modells.

Wenn eine Verdrängungshöhe für einen Mast im METEO-Objekt oder für ein WEA-Objekt angegeben ist, wird diese immer in der WEng-Berechnung berücksichtigt. Üblicherweise werden dabei die Windgeschwindigkeiten verringert, während Turbulenz und Windscherung normal ansteigen.

5.2.1.8 WAsP-CFD

Seit windPRO 3.0 können in SITE COMPLIANCE die Ergebnisse aus WAsP-CFD genutzt werden. Voraussetzung dafür ist eine installierte und lizensierte WAsP 11-Version, und dass eine WAsP-CFD-Berechnung für den Standort durchgeführt wurde. Die verwendeten CFD-Kacheln müssen dabei alle Mast- und WEA-Positionen enthalten.

Zum Einladen der CFD-Ergebnisse klicken Sie auf Aus Datei(en) oder Aus Berechnung und wählen aus dem erscheinenden Fenster die benötigten *.cfdres-Datei(en). Diese befinden sich üblicherweise im Projekt-Ordner in einem Unterordner namens OnlineCFDResults.

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Abb. 15. Auswahl der WAsP-CFD-Ergebnisdateien. Links die Auswahl einzelner Dateien, rechts die Auswahl aus den Berechnungen.

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Abb. 16. Register WAsP-CFD (bei direkter Nutzung der Messmastdaten)

Wenn mit langzeitkorrigierten Windstatistiken oder ohne Messmastdaten gerechnet wird, muss auch die entsprechende Windstatistik gewählt werden.

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Abb. 17. Register WAsP-CFD bei Nutzung langzeitkorrigierter Windstatistiken

Nach Auswahl der passenden CFD-Ergebnisdateien und - wenn nötig - der Windstatistiken, wird die Berechnung gestartet durch Klick auf den grünen Button WAsP-Berechnung durchführen. Die Berechnung kann einige Minuten dauern. Über den WAsP-Aufruf werden die WAsP-CFD-Ergebnisse mit den Windmessdaten bzw. den Windstatistiken kombiniert, um an jeder WEA-Position die Weibull-Verteilung und Häufigkeit für jeden Sektor auf Nabenhöhe und optional +/- ½ Nabenhöhe zu ermitteln. Anschließend werden die zusätzlich benötigten Parameter wie Neigung der Anströmung, Speed-Up und Verdrehung direkt aus den CFD-Rohdaten extrahiert.

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Abb. 18. Register WAsP-CFD vor und nach erfolgreicher Berechnung

Erweiterte Einstellungen

Über die Auswahl Erweiterte Einstellungen (CFD-Roh-Ergebnisse) kann der Umgang mit den CFD-Rohdaten in Bezug auf die Glättung geändert werden. Jeder der 36 Richtungssektoren wird als eigene numerische Simulation gerechnet. Werden die Ergebnisse aller Sektoren verglichen, fallen starke Variationen der einzelnen Parameter auf („numerical noise“). Um robustere Ergebnisse, z.B. bei den Ausbreitungsmodellen für die Extremwindgeschwindigkeit zu erhalten, wird ein Glättungsfilter eingesetzt. Als Standard wird die Glättung von [0,25; 0,5; 0,25] auf die Rohdaten der CFD-Parameter Verdrehung, Turbulenzintensität und Speed-Up angewendet. Das heißt, dass in jedem Richtungssektor das Roh-Ergebnis ersetzt wird durch den gewichteten Mittelwert des ursprünglichen Wertes und der Werte der benachbarten Simulationen entsprechend der gewählten Gewichtung. In WAsP wird eine Glättung von [1/3; 1/3; 1/3] genutzt, um die Weibullverteilungen von 12 Sektoren von je 30° zu berechnen. Die Verwendung von [0; 1; 0] entspricht keiner Glättung.

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Abb. 19. Register WAsP-CFD: Erweiterte Einstellungen (CFD-Rohergebnisse)

5.2.2 IEC-Prüfungen - Hauptprüfungen

Wenn alle Einstellungen abgeschlossen sind und die Berechnungen der gewählten Strömungsmodelle durchgeführt wurden, können die Prüfungen nach IEC 61400-1 ed. 3 (2010) auf dem Register IEC-Prüfungen beginnen. Hierfür markieren Sie die benötigten Felder in der Spalte Calc. Empfohlen wird die Durchführung aller Hauptprüfungen. Sollte etwas aus den vorangegangen Einstellungen fehlen oder unvollständig sein, wird dieses durch Benötigt: … in der Spalte Berechnen der betreffenden Prüfung gekennzeichnet.

Für einige Prüfungen wird Benötigt: … angezeigt bis andere Prüfungen durchgeführt wurden. Effektive Turbulenz benötigt zur Berechnung das Ergebnis der Kalkulation Komplexität Gelände. Wenn keine WEng-Ergebnisse verfügbar sind, benötigt die Berechnung Neigung der Anströmung ebenfalls zuvor die Komplexität Gelände.

Die Ergebnislegende erläutert die optische Bewertung der Berechnungsergebnisse.

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Abb. 20. Die Ergebnislegende des Registers Berechnungen

Nach Abschluss einer jeden Prüfung wird als Gesamtergebnis des Windparks in der Spalte Ergebnis die Bewertung der ungünstigsten WEA farblich angezeigt. Mit Klick auf Bearb. werden im Unterregister Ergebnis (Tabelle) bzw. Ergebnis (Grafik) die Resultate jeder einzelnen WEA angezeigt.

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Abb. 21. Register IEC-Prüfungen mit den markierten Hauptprüfungen vor der Berechnung

Um die Berechnung der Hauptprüfungen zu starten, klicken Sie jeweils auf das Feld Bearb. Die erste Berechnung sollte dabei Komplexität Gelände sein.

BILD RAHMEN Achtung

5.2.2.1 Komplexität Gelände

Beschreibung und Grenzen Die IEC-Richtlinie beschreibt ausgeklügelte Details für die Prüfung der topographischen Komplexität. In der Nähe jeder WEA wird die die Geländeneigung und -veränderlichkeit geprüft. Eine Anzahl von Ebenen in Form von Ringen und „Tortenstücken“ um die WEA müssen an das Gelände und die -neigung angenähert werden und die Veränderungen jeder Ebene müssen evaluiert werden. Im Folgenden werden die Anforderungen näher beschrieben.

Die Prüfung der topographischen Komplexität des Geländes ist kein alleiniges Kriterium, das ein Projekt zum Scheitern verurteilt. Es unterstützt vielmehr dabei komplexe Standorte zu erkennen und die gemessene Turbulenz mit einem Korrekturfaktor für die Turbulenzstruktur zu korrigieren. Diese Korrektur ist eine Kompensation dafür, dass Schalensternanemometer nur die horizontale Komponente der Turbulenz erfassen, im komplexen Gelände jedoch bedeutende Anteile der turbulenten kinetischen Energie in der vertikalen Komponente enthalten sein können.

Einstellungen, Berechnung und Ergebnis Die Einstellungen und Durchführung der Berechnung für die IEC Komplexitätsprüfung sind sehr einfach in SITE COMPLIANCE. Das Modul nutzt das aktive digitale Höhenmodell (DHM), welches im Projekt definiert ist. Das Modell kann sowohl als Liniendatei eines Linienobjektes als auch als Höheraster definiert sein.

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Abb. 22. Einstellungen und Berechnung der Prüfung Komplexität Gelände

Die einzig veränderbare Einstellung ist hier die Rasterweite, welche die Auflösung eines passenden quadratischen Höhenrasters definiert, das zu dem Höhenmodell des Geländes und den Annäherungen der Ebenen passt. Die voreingestellte Auflösung entspricht der Anforderung der IEC, die eine Auflösung von höchstens 100 m und 1,5xNH verlangt. Dennoch ist es aufgrund der verfügbaren Höhendaten häufig nicht möglich eine feinere Auflösung zu verwenden.

Durch Klicken auf Berechnen startet die Prüfung der Gelände-Komplexität. Die Kalkulation dauert etwas länger, falls die Triangulierung vorher noch nicht berechnet wurde. Nach Durchführung der Berechnung erscheinen mehrere neue Ergebnisregister. Automatisch springt das Modul auf das Register Ergebnis (Grafik), das eine Übersicht des Hauptergebnisses zeigt. Auf diesem Register wird der sogenannte Komplexitäts-Index i_c laut IEC-Richtlinie für jede WEA-Position dargestellt. Ist der Index 1, so ist eine Anlagen-Position komplex, ist der Index 0, ist sie nicht komplex. Liegt der Index zwischen 0 und 1, deutet das auf einen teilweise komplexen Standort hin.

Im Kasten oben rechts neben dem Berechnungsnamen erscheint ein grünes Quadrat. Dies bedeutet, dass das Ergebnis OK ist und keine Probleme oder Risiken in Bezug auf die Komplexität des Geländes zu erwarten sind.

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Abb. 23. Register Ergebnis (Grafik) zeigt eine einfache Übersicht der Resultate der Gelände-Komplexität

SITE COMPLIANCE ermöglicht dem Benutzer durch Neu hinzuf. weitere Berechnungen mit anderen Einstellungen (in diesem Fall Rasterweite) hinzuzufügen. Dies geschieht durch Klicken auf Neu hinzuf., Auswahl der gewünschten Einstellung und Klicken auf die grüne Berechnen-Schaltfläche. Auf diese Weise können zusätzliche Berechnungen durchgeführt werden, um zu prüfen, wie stark das Ergebnis durch die jeweiligen Annahmen beeinflusst ist. Empfehlenswert ist es, den Namen jeder Berechnung gleich auf dem Register Einstellungen anzupassen – dieses kann jedoch auch nach der Berechnung erfolgen. Die Einstellungen- und Ergebnis-Register einer Berechnung werden durch Klicken auf die jeweilige Kalkulation in der Liste angezeigt. Die gezeigte Berechnung ist blau unterlegt.

Bevor die Prüfung durch Klicken auf die OK-Schaltfläche abgeschlossen wird, muss eine der durchgeführten Berechnungen als endgültiges Ergebnis Ausgewählt werden.

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Abb. 24. Links: Die Liste der Berechnungen mit mehreren Berechnungseinstellungen und der mittleren als Ausgewählt (markiert) aber der unteren Berechnung als Dargestellt (blau unterlegt). Rechts: Die „Anzeigelegende“, die die dargestellten Berechnungen aus der Liste definiert.

Das Register Ergebnis (Tabelle) fasst die Ergebnisse des Geländekomplexität-Index‘ für jede WEA zusammen. Eine Farbkodierung kennzeichnet den Komplexitätsindex grün, wenn alle 0 (d.h. OK) sind und gelb (d.h. ACHTUNG), wenn ein Index 0 überschreitet.

Werden die Ergebnisse einer WEA durch Klicken auf “+” ausgeklappt, werden die drei Unterstufen „R=5xNH“, „R=10xNH“ und „R=20xNH“ dargestellt. Die Erweiterung einer dieser Stufen zeigt die Ergebnisse der Anpassung mit dem entsprechenden Radius in Bezug auf Neigung und deren Richtung sowie die verfügbare Energie, die im Richtungssektor dieser Ebenen-Anpassung vorhanden ist. Im Folgenden werden weitere Details zur Durchführung der Anpassung gezeigt.

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Abb. 25. Ergebnis (Tabelle) zeigt Details der durchgeführten Annäherungen der Komplexitäts-Prüfung

IEC Anforderungen – topographische Komplexität Die IEC-Richtlinie definiert wie mehrere Ebenen verschiedener Form und Größe an das Gelände um jede WEA-Position angenähert werden müssen, der folgende Text beschreibt diese Anforderungen aus [2]. Insgesamt 25 Ebenen mit den folgenden Eigenschaften müssen an die WEA-Position, Mittellinie durch den Turmfuß verlaufend, angenähert werden:

*Eine kreisförmige Ebene mit dem Radius 5xNH, zentriert um die WEA *12 „Tortenstück“-förmige Ebenen im Radius von 10xNH, eine angepasste Ebene pro Sektor *12 „Tortenstück“-förmige Ebenen im Radius von 20xNH, eine angepasste Ebene pro Sektor

Die Anpassungen für eine Höhendatei werden unten mit den verwendeten Punkten für einige Beispiele gezeigt. Für die „Tortenstück“-Anpassung werden alle Punkte gezeigt, die verwendeten Punkte im Nord-Sektor sind hervorgehoben. Die Anforderung des IEC-Standards verlangt eine Auflösung von mindestens 100 m und 1,5xNH.

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Abb. 26. Illustration der erforderlichen Flächenanpassungen der Gelände-Komplexitäts-Prüfung. Links: Die omni-direktionale Anpassung bei 5xNH mit entsprechenden Rasterpunkten. Mitte: Die Rasterpunkte der Anpassung für 10xNH mit Hervorhebung der Punkte im Nord-Sektor Rechts: Die Rasterpunkte der Anpassung für 20xNH mit Hervorhebung der Punkte im Nord-Sektor (zur Skalierung wird jeweils der Kreis von 5xNH gezeigt).

Für jede Anpassung wird eine Neigung ermittelt. Für die Anpassung des Abstands 5xNH entspricht die Richtung der Neigung der maximalen Neigung, für die 2x12 „Tortenstücke“ (10 und 20xNH) entspricht die Neigung der Sektor-Mittellinie. Übersteigt die Neigung +/-10° wird die Anpassung als gescheitert betrachtet.

Zusätzlich zur Neigung muss eine Geländeanpassung für jede der 25 angepassten Ebenen erfolgen. Bestimmt wird die Abweichung aus dem Abstand der angenäherten Ebene und dem Gelände an den Oberflächenpunkten einer vertikalen Linie.

Die folgende Tabelle zeigt die Grenzwerte der topographischen Komplexität gemäß IEC-Richtlinie:

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Abb. 27. Zusammenfassung der Prüfungen jeder Annäherung, die bei der Gelände-Komplexitätsprüfung erforderlich sind [2]

Die Richtlinie definiert einen Komplexitäts-Index i_c, welcher aus dem Ergebnis der Annäherungen definiert wird. Für jede Annäherung wird der Anteil der relativen Energie aus den jeweiligen sektoriellen Weibull-Parametern ermittelt. Die omni-direktionale Annäherung (5xNH) repräsentiert 100% der Energie. Wenn weniger als 5% der Energie in Sektoren auftritt, die die Prüfung der Neigung oder der vertikalen Abweichung verfehlen, wird die WEA-Position als nicht komplex betrachtet. Wenn mehr als 15% der Energie in Sektoren auftritt, die eine der Prüfungen verfehlen, wird die WEA-Position als komplex betrachtet und der Komplexitäts-Index i_c =1. Wenn zwischen 5% und 15% der Energie in Sektoren auftreten, die eine der Prüfungen verfehlen, wird der Komplexitäts-Index linear zwischen 0 und 1 interpoliert.

Vorsicht ist geboten, wenn der Komplexitäts-Index über 0 liegt. Die Richtlinie verlangt in diesem Fall eine zusätzliche Korrektur der Turbulenzberechnung. Diese Korrektur ist eine Kompensation dafür, dass Schalensternanemometer nur die horizontale Komponente der Turbulenz erfassen, im komplexen Gelände jedoch bedeutende Anteile der turbulenten kinetischen Energie in der vertikalen Komponente enthalten sein können. Die Richtlinie definiert einen Korrekturfaktor für die Turbulenzstruktur, CCT, der aus dem Komplexitäts-Index berechnet wird. Dieser Korrektur-Parameter muss auf die gemessenen Turbulenzwerte angewendet werden, wenn der Komplexitäts-Index 0 überschreitet. Die Information wird automatisch zur Prüfung der Effektiven Turbulenz übernommen.

In einer Fußnote erwähnt die IEC-Richtlinie, dass der Neigungswinkel der Ebene der omni-direktionalen Anpassung mit dem Radius 5xNH als Anströmungswinkel angenommen werden kann. Wir ermöglichen diese Option in SITE COMPLIANCE und die relevanten Anströmungswinkel werden automatisch von der Prüfung der Komplexität Gelände zur Prüfung des Anströmwinkels übernommen.

Achtung: Wenn sowohl eine WAsP, als auch WAsP-CFD-Berechnung durchgeführt wurde, werden die WAsP-CFD-Ergebnisse herangezogen, um den Energiegehalt des betreffenden Sektors in der Komplexitätsprüfung zu bestimmen.

5.2.2.2 Extremwind

Beschreibung und Grenzen Die Extremwindprüfung ist eine der wichtigsten und kritischsten Prüfungen der SITE COMPLIANCE-Berechnung. Gründe dafür sind die sehr hohe Unsicherheit der Annahmen zu Extremwindereignissen und dass hier eine extreme Last dargestellt wird, die nicht durch Reserven bei anderen Ergebnissen aus dem Bereich der Ermüdungslasten kompensiert werden kann.

Die IEC-Richtlinie definiert den Extremwind als 10-Minuten-Mittelwert der Windgeschwindigkeit mit einem Wiederkehrzeitraum von 50 Jahren. Der Wiederkehrzeitraum (T) ist ein statistischer Begriff, abgeleitet aus dem strengeren Begriff „jährliche Überschreitungswahrscheinlichkeit“ (R) durch die einfache Gleichung T=1/R. Ein 50-Jahres-Extremwind hat demnach eine jährliche Überschreitungswahrscheinlichkeit von 2%.

Die Designannahmen der IEC-Richtlinie für den Extremwind V_ref sind für jede Auslegungsklasse in Tabelle 1 der Richtlinie dargestellt (siehe auch Abb. 1 dieses Handbuches). So ist z.B. eine Klasse 1-WEA ausgelegt für Extremwindgeschwindigkeiten von bis zu 50 m/s bei einer Standardluftdichte von 1,225 kg/m³.

Die meisten Methoden zur Extremwindabschätzung beruhen auf der Theorie von E. Gumbel in [3]. Anhang I beschreibt die Grundlagen der Theorie und die Details, die in diesem Modul Verwendung finden.

Einstellungen, Berechnungen und Ergebnisse Im Folgenden wird dargestellt, wie die Einstellungen, Berechnungen und Bewertung der Ergebnisse einer typischen Extremwindberechnung durchgeführt werden. Die Einstellungen dieser Prüfung sind in drei Gruppen aufgeteilt: Statistisches Modell, Ausbreitungsmodell und Zusätzliche Modelleinstellungen. Details der verschiedenen Optionen in diesen drei Gruppen werden nach Vorstellung des Workflows genauer beschrieben. Abb. 23 zeigt die Einstellungen der Extremwindprüfung. Für die verschiedenen Methoden gibt es diverse Eingangsparameter, die mit ihren Abkürzungen dargestellt sind.

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Abb. 28. Das Register Einstellungen der Extremwind-Prüfung. Die ausgegraute Option Jährliches Maximum & Gumbe ist nicht hier verfügbar, da der Messzeitraum kürzer als 5 Jahre ist.

POT-N & Gumbel

• N ist die Anzahl der Extremereignisse, die aus der Zeitreihe entnommen werden
• Δt ist der minimale zeitliche Abstand zwischen zwei Extremwindereignissen, um diese als unabhängig zu betrachten

Weibull parent (EWTS/Bergström) N ist die angenommene Anzahl unabhängiger 10-min Windgeschwindigkeitswerte in einem Jahr

Eurocode EN1991-1-4

• Basis-Windgeschwindigkeit ist die Auslegungswindgeschwindigkeit bei Normal-Bedingungen des nationalen Anhangs des Eurocodes oder einer anderen nationalen Norm
• Richtung wird benötigt, um die Speed-Up-Faktoren der Basis-Windgeschwindigkeit zu wählen, wenn bekannt oder im nationalen Anhang gegeben, kann diese hier direkt eingegeben werden
• Auto Sektor lässt SITE COMPLIANCE den wahrscheinlichsten Extremwind-Sektor anhand der Weibull-Parameter berechnen
• Max Sektor nimmt den Speed-Up des Sektors mit dem höchsten Speed-Up-Faktor (worst case)

Zusätzliche Modelleinstellungen

ρ ist die Luftdichte bei hohen Windgeschwindigkeiten

K_p ist der normalisierte Böenfaktor, wobei der Standard-Wert 3,0 einer 3-Sekunden-Bö entspricht

Beachten Sie, dass die Zusätzlichen Modelleinstellungen nicht standardmäßig aktiviert sind. Um diese verwenden zu können, müssen sie immer manuell aktiviert und mit den passenden Eingangsparametern versehen werden. Ist eine der Zusätzliche Modelleinstellungen nicht auswählbar oder ausgegraut liegt dies an fehlenden Eingangsdaten, wie z.B. fehlendem Langzeitreferenz-Mast für die Option POT-N & Gumbel indexkorrigieren.

Zum Starten der Extremwind-Berechnung mit Standard-Einstellungen klicken Sie rechts unten auf Berechnen. Nach Durchführung der Berechnung erscheinen neue Register:

Das Register Extrahierte Daten (Tabelle) zeigt eine Tabelle mit den extrahierten Extremwindereignissen aus der Zeitreihe der Messmasten.

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Abb. 29. Das Register Extrahierte Daten (Tabelle)   Auf dem Register Extrahierte Daten (Graphik) werden die Zeitreihen der Messmastdaten grafisch dargestellt und die entnommenen Extremwerte markiert. Mit Hilfe der Schaltflächen Zurück und Weiter unten links kann zwischen den verschiedenen Messmasten gewechselt werden.

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Abb. 30. Das Register Extrahierte Daten (Grafik)

Das Register Gumbel-Anpassung (Grafik) zeigt die statistische Anpassung für jede WEA und die Extrapolation auf den benötigten Wiederkehrzeitraum, typischerweise 50 Jahre. Durch Klicken auf Weiter gelangen Sie zur nächsten WEA.

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Abb. 31. Das Register Gumbel-Anpassung (Grafik)

Das Register Ergebnis (Tabelle) zeigt das Endergebnis der 50-Jahres-Extremwindgeschwindigkeit für jede WEA sowie die IEC-Grenze für die jeweilige Auslegungsklasse (V_ref). Im gezeigten Beispiel sind alle WEA grün (OK) und damit ist das Gesamtergebnis für den Windpark, oben rechts, ebenfalls grün (OK).

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Abb. 32. Das Register Ergebnis (Tabelle)

Das Register Ergebnisse (Grafik) gibt eine grafische Übersicht über die Ergebnisse im Vergleich zum IEC-Grenzwert. Im gezeigten Beispiel liegen alle WEA innerhalb des IEC-Limits.

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Abb. 33. Das Register Ergebnisse (Grafik)

Mit Neu hinzuf. (rechts unten) können Sie eine weitere Berechnung mit neuen Einstellungen für die Extremwindberechnung hinzufügen, z.B. mit einer anderen Berechnungsmethode oder geänderten Parametern der vorigen Berechnung. Dies ermöglicht einen einfachen Vergleich der Berechnungsergebnisse. Bei Verwendung von WEng kann der Risø NCEP/NCAR Extremwind-Atlas gewählt werden, welcher große Teile Europas und der USA abdeckt. Jede neue Berechnung fügt eine weitere Zeile im Kasten auf der rechten Seite hinzu. Bei Auswahl einer der Berechnungen, werden wiederum deren Einstellungen und Ergebnisse angezeigt.

WICHTIG: Das Ergebnis der mit BILD markierten Berechnung wird in der endgültigen Auswertung verwendet!

Statistisches Modell Die Einstellungen in diesem Bereich definieren das statistische Modell zur Entnahme der Extremereignisse aus den Winddaten und wie diese - gemäß der gewählten Methode - an das statistische Gumbel-Modell angepasst werden. Im Folgenden werden die gewählten Modelle beschrieben.

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Abb. 34. Die Einstellungen des statistischen Modells der Extremwindprüfung. Beachten Sie, dass die obere Option nur mit mindestens 5 Jahren Messdaten aller Standortmasten anwendbar ist

Jährliches Maximum & Gumbel (benötigt ≥5 Jahre Messdaten für alle Masten) Diese Methode ist nur anwendbar, wenn für alle Standortmasten für mindestens fünf Jahre Windmessdaten vorliegen, da nur der höchste Windgeschwindigkeitsmesswert eines jeden Jahres aus der Zeitreihe entnommen wird. Mit weniger als fünf Jahren und damit weniger als fünf Datenpunkten, wird die Anpassung an das Gumbel-Modell sehr vage. Nach üblichen Empfehlungen sollten mindestens sieben Jahre an Messdaten vorliegen, um mit der Jährlichen Maximum-Methode (JM) verlässliche Ergebnisse zu bekommen. Diese ist die klassische, von Gumbel entwickelte Methode und wird immer noch als verlässlichste betrachtet, vorausgesetzt, dass eine ausreichende Anzahl von Eingangswerten vorliegt, was bei der Entwicklung von Windenergieprojekten leider selten der Fall ist.

Nach der Entnahme der jährlichen Maximalwerte werden sie gemäß der klassischen Gumbel-Extremwert-Methode weiterverarbeitet, resultierend in einem sogenannten Gumbel-Plot. Die Anpassung der Gumbel-Asymptote wird unter Verwendung der wahrscheinlichkeitsgewichteten Momente („Probability Weighted Moments (PWM)“) ausgeführt. In [4] oder Anhang I finden Sie weitere Details der Gumbel-Theorie.

POT-N & Gumbel Diese Methode ist verfügbar, wenn mindestens ein Mast mit Zeitreihendaten in den Haupteinstellungen ausgewählt wurde. Die statistische Methode ist nahezu identisch mit der Extremwind-Abschätzung aus windPRO bis Version 2.7. Das Namenskürzel bedeutet Peak-Over-Threshold (Spitze über einem Schwellwert) und das N steht dafür, dass dieser Schwellwert nicht wie üblich über die Windgeschwindigkeit, sondern anhand einer festen Anzahl (N) von Werten definiert wird. Häufig wird diese Methode auch als „Method of Independent Storms (MIS)“ (Methode unabhängiger Stürme) bezeichnet (siehe [5] und Anhang I), obwohl die eigentliche MIS [5] einen anderen Ansatz der Datenextraktion verwendet.

Bei dieser Methode gibt es keine Untergrenze für die Dauer der Zeitreihe, es wird jedoch deutlich empfohlen eine Anzahl voller Jahre, also mindestens ein volles Jahr, zu verwenden. N definiert die Anzahl von Stürmen, die der Zeitreihe entnommen werden sollen (voreingestellt sind 20) und Δt den minimalen zeitlichen Abstand, um die Unabhängigkeit zwischen den Starkwindereignissen sicher zu stellen (voreingestellt sind 4 Tage). Die Einstellung erfolgt aus dem typischen Zeitabstand von synoptischen Sturmereignissen.

Nach der Entnahme werden die Werte gemäß der Gumbel-Methode, aber mit dem Zwischenschritt der Korrektur für die jährliche Sturmrate verarbeitet (siehe [5] oder Anhang I für weitere Details). Die Anpassung an die Gumbel-Asymptote basiert auf den klassischen Plot-Positionen (siehe [6]) und der traditionellen Anpassung der kleinsten Quadrate mit der Windgeschwindigkeit als unabhängiger Variable.

Weibull parent (EWTS/Bergström) Der European Wind Turbine Standard (EWTS) [7] beschreibt eine Extremwindmethode basierend auf der Charakteristik der Enden der Weibull-Verteilungskurven der mittleren Windgeschwindigkeit (parent distribution). Zu Grunde liegt das Prinzip, dass Standorte mit kleineren Weibull-k-Faktoren eine höhere Wahrscheinlichkeit extremer Windgeschwindigkeiten zeigen.

Die Methode basiert auf zwei Grundannahmen:

• 1. Die Windverteilung entspricht einer Weibullverteilung
• 2. Die Anzahl der statistisch unabhängigen Windwerte pro Jahr ist bekannt (und gleich für alle Standorte)

Die EWTS-Publikation nennt die Anzahl von 23037 10-minütigen, unabhängigen Ereignissen pro Jahr (Referenz zu einer Veröffentlichung von Bergström 1992 [8]). Dies ist jedoch ein Schreibfehler in der EWTS-Publikation, der korrekte Wert aus dem Originaldokument von Bergström [8] ist 2302. Als Weibull Form-Parameter wird die „kombinierte Weibullverteilung“ [18] zu Grunde gelegt, die aus einer Kombination der sektoriellen Weibullverteilungen, typischerweise aus einer WAsP-Berechnung, in eine omni-direktionale Weibull-Verteilung mit gleichem ersten (Windgeschwindigkeit) und dritten (Energie) Moment resultiert.

Risø NCEP/NCAR Extrem-Windatlas Die Risø NCEP/NCAR Extrem-Windatlas-Methode nutzt eine Datenbasis von Regional Extreme Wind Climate (REWC)-Dateien, die als Teil eines Forschungsprojektes bei Risø [9] für WEng 2 entwickelt wurden. Dieser Windatlas basiert auf den globalen NCEP/NCAR-Reanalyse-Daten, die mit Korrekturen zum Ausgleich der groben zeit- und räumlichen Auflösung versehen wurden.

Diese Methode benötigt die vorhergehende Ausführung von WEng. Es sollte eine der vier nächstgelegenen REWC-Dateien gewählt werden. Jede REWC-Datei beinhaltet 12x30 reduzierte geostrophische Windgeschwindigkeiten, für jede der zwölf Richtungssektoren in jedem der dreißig Jahre des Referenzzeitraums. Diese werden über die Strömungsmodellierung von WEng auf die einzelnen WEA-Positionen übertragen, um die jährlichen Maximalwerte für jedes Referenzjahr zu ermitteln. Diese Werte werden dann wie bei der Methode Jährliches Maximum weiter verarbeitet (s.o.).

Eurocode EN1991-1-4 Alle nationalen Bauvorschriften in der Europäischen Gemeinschaft wurden inzwischen im Eurocode (EN) harmonisiert. Eurocode EN1991-1-4 beinhaltet die Vorschriften für Windlasten und definiert die Richtlinien zur Handhabung von Extremwindgeschwindigkeiten. Für jedes Land gibt es einen Nationalen Anhang (NA) zur EN1991-1-4, in dem die Basiswindgeschwindigkeit der verschiedenen Regionen sowie Details zu Korrekturen festgelegt sind. Entsprechend wird die regional zu verwendende Norm mit dem passenden Länderkürzel gekennzeichnet, z.B. DIN EN1991-1-4/NA.

Die eingehende Basiswindgeschwindigkeit ist im Nationalen Anhang aufgeführt. Sie ist definiert als 50-Jahres-Extremwindgeschwindigkeit bei standardisierten Bedingungen: Auf 10 m Höhe über Grund, flachem Gelände und gleichmäßiger Rauigkeit (Rauigkeitsklasse 2, z₀= 0,05m).

Die Windzone 1, mit Basiswindgeschwindigkeit 22,5 m/s beinhaltet den überwiegenden Teil Südwestdeutschlands, während die Binnengebiete Nord- und Ostdeutschlands in Windzone II mit Basiswindgeschwindigkeit 25 m/s liegen. Die küstennahen Gebiete liegen in den Windzonen 3 und 4 mit Basiswindgeschwindigkeiten von 27,5-30 m/s.

Die Basiswindgeschwindigkeit wird ausgehend von standardisierten Bedingungen (10 m Höhe u.G., flaches Gelände, gleichmäßige Rauigkeit) über das WEng-Strömungsmodell auf die spezifischen Geländebedingungen jeder WEA umgerechnet. Eine WEng-Berechnung ist also Voraussetzung für diese Methode. Weichen die Standardbedingungen für die Basiswindgeschwindigkeit von den Voreinstellungen in WEng erweiterte Einstellungen (reduzierter geostrophischer Wind) ab, sollten an dieser Stelle die passenden Parameter des Nationalen Anhangs eingegeben werden.

Auch einige Staaten außerhalb Europas, u.a. Südafrika, Australien, Neuseeland und Singapur, haben, oder sind dabei, Elemente des Euro-Codes als Design-Richtlinie zu übernehmen.