Hauptprüfung: Effektive Turbulenz

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Dieses Kapitel beschreibt die Einstellungen der Hauptprüfung Effektive Turbulenz in SITE COMPLIANCE.

Beschreibung und Grenzen

Die Prüfung der Effektiven Turbulenz ist zusammen mit der Extremwindprüfung ein Kernpunkt der IEC Hauptprüfungen. Während die Extremwindgeschwindigkeit die Extremlasten bestimmt, wirkt die Effektive Turbulenz als Ermüdungslast („Fatigue load“), die die längerfristig zunehmende strukturelle Schädigung der WEA beschreibt. Die Berechnungsmethode der Effektiven Turbulenz wird beschrieben in der Richtlinien-Version IEC 61400-1:2005 + A1:2010[1]. Das Effektive-Turbulenz-Modell, auch Frandsen-Modell genannt, basiert auf der Publikation von Sten Frandsen[2].

Die Auslegungsgrenzen der Effektiven Turbulenz sind durch das “Normale Turbulenzmodell” festgelegt und werden ausgehend vom Basisparameter Iref in Tabelle 1[1] bestimmt. Iref hat die Werte 0,12; 0,14 und 0,16 für die jeweiligen Standard-Turbulenzklassen C, B und A. Bitte beachten Sie, dass diese NICHT die Grenzwerte für die berechnete Turbulenzintensität sind, sondern nur zur Berechnung der Grenzwerte dienen. Die berechnete Effektive Turbulenz basiert auf dem 90sten Perzentil der gemessenen Umgebungsturbulenz und wird dem Normal-Turbulenzmodell (Auslegungsgrenzen) für einen bestimmten Windgeschwindigkeitsbereich gegenüber gestellt. Dieser liegt bei bekannter Leistungskennlinie zwischen 60% der Windgeschwindigkeit bei Nennleistung bis zur Abschaltwindgeschwindigkeit. Bei Berechnung der Effektiven Turbulenz in SITE COMPLIANCE ist der Anlagentyp mit Leistungskennlinie immer schon im WEA-Objekt festgelegt. Anhang II beschreibt weitere Details des Modells.

Die Effektive Turbulenz wird als Funktion der Windgeschwindigkeit berechnet. Dafür wird für jede Windgeschwindigkeitsklasse eine Integration der Richtungsvariation der Turbulenz über alle Richtungen vorgenommen. Dennoch ist die Effektive Turbulenz kein wirklich MESSBARER Wert, da die Richtungsanteile mit einer speziellen Wichtung für die Materialermüdung über den materialabhängigen Wöhler-Exponent kombiniert werden, daher auch der Name EFFEKTIVE Turbulenz. Vor der Integration über alle Richtungen für jede Windgeschwindigkeitsklasse wird die Turbulenzerhöhung durch den Nachlauf mit dem 90sten Perzentil der Umgebungsturbulenz an jeder WEA kombiniert.


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Das “normale Turbulenzmodell” zeigt die Auslegungsgrenzen gemäß IEC für die Prüfung der Effektiven Turbulenz. Rechts als Standardabweichung der Windgeschwindigkeit, linkss als Turbulenzintensität.

Einstellungen, Berechnungen und Ergebnisse

Im Folgenden wird dargestellt, wie die Einstellungen, Berechnungen und Bewertung der Ergebnisse einer typischen Turbulenzberechnung durchgeführt werden. Die Einstellungen dieser Prüfung sind in fünf Gruppen aufgeteilt: Turbulenzdaten, Ausbreitungsmodell, Turbulenzstruktur-Korrektur, Frandsen-Modell und Sektormanagement. Detaillierte Beschreibungen der Optionen in den jeweiligen Gruppen folgen nach dieser Beschreibung des Ablaufes und der einzelnen Register.

Achtung: Bevor die Berechnung der Effektiven Turbulenz ausgeführt werden kann, muss die Gelände-Komplexitätsprüfung erfolgt sein. Grund dafür ist, dass daraus der Komplexitäts-Index ic hervorgeht, der in der IEC-Richtlinie definierte Korrekturfaktor für die Turbulenzstruktur.


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Über die grüne Schaltfläche Berechnen unten rechts startet die Berechnung der Effektiven Turbulenz mit den Standard-Einstellungen. Nach Abschluss der Berechnung erscheinen oben neue Register.


Wenn gemessene Turbulenzdaten von einem Messmast in der Berechnung verwendet werden, müssen die Daten analysiert werden. Um Datenlücken zu füllen und eine Extrapolation der Turbulenzwerte und deren Standardabweichungen auf Windgeschwindigkeitsklassen durchzuführen, in denen keine ausreichenden Messdaten vorliegen, muss ein entsprechendes Modell angepasst werden. Das Resultat ist im Register Anpassung (Tabelle) sektorweise dargestellt.


Unten im Fenster ist es möglich, zwischen der Darstellung als Standardabweichung und Turbulenzintensität zu wechseln. Empfehlenswert ist die Darstellung als Standardabweichung, da dies der gemessene Wert ist, und die Grundannahme des Frandsen-Modells lautet, dass die Lasten sich proportional zur Standardabweichung verhalten. Durch die Darstellung als Turbulenzintensität wird der Fokus des Betrachtetenden leicht auf den unteren Windgeschwindigkeitsbereich gelenkt, der für die Lasten bedeutungslos ist. Zudem werden durch diese Darstellung unbedeutende Abweichungen der Anpassungen in diesem Bereich leicht überbewertet.


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Wenn als Ausbreitungsmodell WAsP-CFD gewählt ist, wird zusätzlich zur Anpassung des Masts auch die Anpassung für jede WEA gezeigt.


Anpassung (Grafik) zeigt die Anpassung der gemessenen Turbulenzdaten in grafischer Form. Über die Schaltflächen unten links kann zwischen den verschiedenen Standort-Masten und Richtungssektoren gewechselt werden. Dabei zeigen die:

  • Sternchen die Messwerte
  • offenen Kreise die gewählten Werte
  • roten Linien das Modell der Anpassung

Wo die Sternchen innerhalb der offenen Kreise liegen, erfüllen die Messwerte die im Register Einstellungen getroffenen Kriterien (Mindestanzahl der Werte pro Bin). Weichen die offenen Kreise von der Position der Sternchen ab, wurden die Kriterien verfehlt und die angepassten Werte verwendet. Die offenen Kreise liegen dann immer auf der roten Linie.

Bei Verwendung der Standardeinstellungen ist die Standardabweichung der Turbulenz (σσ) in allen Sektoren gleich. Grund dafür ist die üblicherweise dürftige Datenlage des Wertes (Standardabweichung der Standardabweichung) aus einer 1-Jahres-Messung. Die IEC-Richtlinie[1] erlaubt in einer Fußnote die Verwendung des gewichteten Mittels von σσ, um ein stabileres Verfahren zu erhalten.

Um die Datenauswahl oder die Anpassung zu modifizieren, kann über Neu hinzuf., rechts unten, eine neue Berechnung mit geänderten Einstellungen durchgeführt werden.


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Register Anpassung (Grafik) der Turbulenzprüfung: „Ausreißer-Sternchen“ der linken Grafik sind Messwerte, die nicht gewählt wurden, da in diesen Bins zu wenige Werte vorlagen. Stattdessen wurden in diesen Bins die angepassten Werte (Kreise auf der roten Linie) gewählt. Die Grenzwerte sind im Register Einstellungen festgelegt.

Die berechneten Werte der Effektiven Turbulenz sind auf dem Register Ergebnis (Tabelle) zusammengefasst und zeigen die Ergebnisse für jedes Bin des erforderlichen Windgeschwindigkeitsintervalls gemäß IEC-Richtlinie. Dieses Intervall (siehe auch Beschreibung und Grenzen) wird über die Windgeschwindigkeit bei Nennleistung aus der Leistungskennlinie der WEA-Objekte bestimmt.

Jedes Bin, das die Auslegungsgrenzen gemäß der entsprechenden IEC-Klasse überschreitet, ist in der Tabelle farbig markiert. Erscheint die komplette Tabelle weiß, heißt dies im Umkehrschluss, dass für keine Windgeschwindigkeitsklasse eine Überschreitung vorliegt. Die gelbe Markierung bedeutet Achtung, z.B. wenn für eine WEA ein IEC-Grenzwert überschritten ist, diese Überschreitung aber unkritisch ist, da in anderen Bins die Grenzen unterschritten werden und damit die Gesamtbelastung der Anlage noch tolerabel ist. Rote Markierung bedeutet, dass die Überschreitung der Einzelwerte insgesamt zu einer kritischen Belastung führen kann.

Für jede WEA zeigt die erste Zeile der Tabelle das Ergebnis der Effektiven Turbulenz für jede Windgeschwindigkeitsklasse. Die zweite Zeile zeigt den jeweiligen IEC-Grenzwert der Klassen. In der Spalte Äquivalent wird die summierte äquivalente Turbulenz, angepasst auf die jeweilige IEC-Design-Annahme, berechnet, die in die Lastannahmen eingeht. In der Reihe IEC-Anforderung steht daher bei Äquivalent immer 1. Die Markierung Kritisch (rot) wird erreicht, wenn der Wert Äquivalent größer ist als 1. Die dritte Zeile zeigt die omnidirektionale mittlere Turbulenz. Die darunter folgenden Zeilen beinhalten alle sektoriellen Teil-Ergebnisse und Skalierungsfaktoren für jede WEA.


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Register Ergebnis (Tabelle) der Turbulenzprüfung. Hier sind die IEC-Grenzwerte in einigen Bins überschritten, da die Überschreitung nicht als kritisch betrachtet wird (Äquivalent<1) erfolgt die Markierung in gelb.


Das Register Ergebnis (Grafik) zeigt die Ergebnisse der Effektiven Turbulenz als Funktion der Windgeschwindigkeit für jede WEA. Über die Schaltflächen links unten wird die gewünschte WEA angezeigt. Jede Überschreitung der IEC-Grenzwerte pro Windgeschwindigkeitsklasse wird mit einer roten Schattierung hervorgehoben.

Auch die Effektive Umgebungsturbulenz wird hier als gestrichelte Kurve dargestellt, hierin sind die Nachlaufeffekte nicht vorhanden. Der Anteil der Nachlaufeffekte wird daher im Vergleich der beiden roten Kurven sehr deutlich. Ab einer Windgeschwindigkeit von 12-13 m/s verringert sich der Wake-Einfluss, da die Schubbeiwerte der meisten WEA in diesem Bereich stark abnehmen und die Nachlaufeffekte somit gemindert werden.


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Das Register ganz rechts Detaillierte Ergebnisse (Grafik) zeigt die verschiedenen Anteile bzw. Teilergebnisse der Berechnung der Effektiven Turbulenz in Abhängigkeit von der Windrichtung. Über die Ankreuzfelder unter der Grafik können die einzelnen Werte ausgeblendet werden. Zur Anzeige anderer Windgeschwindigkeitsklassen wird der Schieberegler genutzt. Wird das Kästchen Alle markiert, werden alle WEA im Parklayout dargestellt. Für jede WEA wird die Ergebnisgrafik dann entsprechend klein angezeigt. Hierdurch wird leicht nachvollziehbar, wie sich der Nachlaufeffekt auf die Turbulenzerhöhung der benachbarten WEA auswirkt, besonders, wenn alle Werte bis auf Wake-Turbulenz ausgeschaltet werden. So kann erkannt werden, welche WEA ggf. eine Überschreitung der Effektiven Turbulenz an einer bestimmten WEA-Position verursacht.


Die Grafiken auf diesem Register vermitteln ein besseres Verständnis der Berechnung der Effektiven Turbulenz sowie der Turbulenz-Probleme, die durch das WEA-Layout auftreten können. Liegt die Überschreitung an einer hohen Umgebungsturbulenz oder an der engen Layout-Planung? In welchen Sektoren treten die größten Probleme auf?


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Turbulenzwerte (Umgebungsturbulenz)

Als erster Schritt zur Berechnung der Effektiven Turbulenz muss die Umgebungsturbulenz des Standortes ermittelt werden.

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Umgebungsturbulenz aus Windmessung

Wenn Turbulenzdaten aus einer Windmessung (Messmast) aufgezeichnet wurden, muss bestimmt werden, wie mit Ausreißern oder Messlücken umgegangen wird, um zuverlässige Eingangsdaten zu erhalten. Dies geschieht über die Definition von Auswahlkriterien für zu verwendende Datenpunkte und ein Modell, mit dem die fehlenden Werte angepasst/extrapoliert werden.

Die erste Einstellungsmöglichkeit für die mittlere Turbulenz (Mittlere σ) ist die Auswahl, ob die Werte sektorweise verwendet werden sollen oder das gewichtete Mittel über alle Richtungen. Voreingestellt und empfohlen ist die erste Möglichkeit. Das gewichtete Mittel sollte hier nur experimentell genutzt werden, z.B. bei einer sehr schlechten Datenbasis.

Die zweite Auswahlmöglichkeit ist die Anzahl der Werte (N) pro Windgeschwindigkeitsklasse, die vorliegen müssen, um die daraus gemittelte Turbulenz zu verwenden. Der Turbulenzwert in Bins mit weniger als N Werten wird mit dem Wert aus dem Anpassungsmodell ersetzt. Der voreingestellte Wert für N wurde auf Basis von Tests an einer Reihe von Messmasten festgelegt. Die Anpassung erfolgt über die Methode der kleinsten Quadrate bei gleicher Gewichtung der einzelnen Klassen-Werte. Eine Überbewertung der unteren Windgeschwindigkeitsklassen, in denen meist deutlich mehr Werte vorliegen als in den höheren, die für die Belastung der WEA viel entscheidender sind, wird dadurch vermieden. Bei einer Gewichtung der einzelnen Klassen über die Werteanzahl, würden ansteigende Tendenzen der Anpassungslinie von σ(u) bei höheren Windgeschwindigkeiten wie in Wäldern oder an Offshore, bzw. küstennahen Standorten, ignoriert. Dies könnte zur Unterschätzung der Turbulenz bei höheren Windgeschwindigkeiten führen, wie in der Abb. gezeigt.


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Die Grafik zeigt den Unterschied zwischen gewichteter Anpassung (weighted fit, blau) und der in SITE COMPLIANCE durchgeführten Anpassung (schwarz). Die gewichtete Anpassung führt hier zu einer deutlichen Unterschätzung der Werte in den wichtigen Klassen 15 bis 20 m/s.

Die letzte Auswahlmöglichkeit ist die Auswahl von alle Klassen anpassen. Ist dies aktiviert, wird die Anpassung unabhängig von der Werteanzahl für alle Windgeschwindigkeitsklassen durchgeführt. Diese Möglichkeit ist nur dann angeraten, wenn die Daten sehr instabile Tendenzen zeigen und dennoch eine grobe Annäherung gewünscht ist.

Die Einstellungen für den Umgang der Messdaten der Standardabweichung der Turbulenz (d.h. σσ) zeigen die gleichen drei Möglichkeiten, die voreingestellten Werte weichen jedoch ab. Die IEC-Richtlinie[1] erlaubt die Verwendung des gewichteten Mittels für σσ, welches eine bessere Abschätzung dieses sonst sehr instabilen Parameters ermöglicht. Außerdem ist die Werteanzahl von min. 50 Messwerten pro Bin voreingestellt sowie alle Klassen anpassen. Dadurch wird eine stabilere Anpassung von σσ erreicht. Dennoch haben interne Auswertungen mehrerer Messmasten gezeigt, dass bei einer Messperiode von nur einem Jahr eine noch robustere Abschätzung erforderlich sein kann. Um eine bessere Anpassung zu erreichen gibt es hierfür die Auswahl Auto, Linearer Fit oder Stabiler Fit. Voreingestellt ist die automatische Option, eine lineare Anpassung wird verwendet, wenn das Bestimmtheitsmaß R² der Anpassung größer als 0,8 ist. Liegt R² unter 0,8, wird die Mittelwert-Abtastung verwendet, eine sehr stabile Methode, die unempfindlich auf Ausreißer ist. Unabhängig von der Höhe von R² kann über die Auswahl Linearer Fit oder Stabiler Fit (d.h. Mittelwert-Methode) statt Auto die entsprechende Anpassung forciert werden.


Umgebungsturbulenz aus Modell (kein Messmast)

Ist kein Messmast mit Turbulenzdaten am Standort vorhanden, wird ein Modell - WEng oder WAsP-CFD / Flowres - verwendet, um die Umgebungsturbulenz am Standort zu ermitteln. In den so kalkulierten Daten für jede WEA sind jedoch die Anteile der thermisch generierten Turbulenz sowie der Standardabweichung der Turbulenz nicht berücksichtigt. Bei Berechnung der Umgebungsturbulenz mit WAsP-CFD oder Flowres-Daten ist als Standardwert COV=0,3 gesetzt. Dies bedeutet, dass die über das Strömungsmodell ermittelte Turbulenzintensität als mittlere Turbulenz verwendet wird und die Variabilität (Coefficient of variation – COV) 30% der mittleren Turbulenz entspricht. Über diese Annahme werden für die meisten Standorte konservative Ergebnisse ermittelt.

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Vergleich der ursprünglichen Standard-Annahme COV=0,2 mit den Annahmen der IEC-Richtlinie in Ed. 2 und Ed. 3

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In Svenningsen/Schmitt/Potzka 2016[3] wurden drei verfügbaren Methoden (WAsP-CFD; WEng mit COV 0,2; WEng traditionell) mit gemessenen Turbulenzen an 23 Messmasten in Deutschland und in vergleichbaren Landschaftsräumen verglichen. Der Vergleich wurde anhand der generierten Ermüdungslasten an den WEA durchgeführt, da diese letztlich der bestimmende Faktor sind. Für WEng (traditionell) bestätigten die Ergebnisse die sehr konservative Tendenz dieser Methode (mit einer deutlichen Überschätzung der Ermüdungslasten). Diese Methode wurde ab windPRO 3.3 entfernt. Die Modellierungen mit WAsP-CFD- und WEng (COV=0,2) hatten gegenüber den gemessenen Werten jedoch eine vernachlässigbare mittlere Abweichung. Da über die 23 Masten dennoch eine gewisse Streuung der Abweichung auftrat (Standardabweichung 5-6%), empfiehlt die Publikation[3] eine von zwei Umgangsweisen:

  • Annahme des COV von 0,3, um so den Ergebnissen eine leicht konservative Tendenz zu geben. Für COV=0,3 war der pessimale Bias weniger als -3%.
  • Kompensieren der erhöhten Unsicherheit durch Hinzufügen eines Sicherheitszuschlags von 2 x Standardabweichung auf die Schätzungen der Ermüdungslasten, wenn diese mit den Design-Loads verglichen werden (also etwa ~10% auf Standort-Ermüdungslasten aufschlagen)


[Expand] anklicken für Versionen vor windPRO 3.2

In Versionen vor windPRO 3.2 ist eine Änderung des COV nur über die Registry-Einstellungen möglich.
Ausbreitungsmodell

Gemessen an einem Mast gelten die Turbulenzwerte nur für den Maststandort und die jeweilige Messhöhe. Auf anderen Positionen und anderen Höhen können die Turbulenzbedingungen deutlich abweichen. Um für jede WEA-Position repräsentative Werte zu bekommen, können in SITE COMPLIANCE mehrere Möglichkeiten zur Skalierung der Messwerte verwendet werden. Die Skalierungseinstellungen werden unter Ausbreitungsmodell vorgenommen. Wenn der Messmast repräsentativ für den/die WEA-Standort(e) ist, kann hier auch die Option Keine Skalierung gewählt werden.


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Die Skalierung kann auf den Ergebnissen für Turbulenz und Speed-Up aus WAsP-CFD / Flowres oder WEng basieren oder auf den sektoriellen WAsP-Speed-Up-Faktoren. Zusätzlich stehen drei verschiedenen Grundannahmen für die Durchführung der Skalierung zur Auswahl:

1) Asymptotisch
2) Konstanter σ-Fehler
3) Einheitlich

Bei der Skalierung mit WAsP-CFD / Flowres ist nur Einheitlich verwendbar. Die Skalierung mit WAsP-CFD / Flowres wird für jeden Wert angewendet, so dass die komplette Zeitreihe auf die jeweilige WEA-Position skaliert wird. Die Bin-weise Klassierung erfolgt abschließend für jede WEA. Darüber können auch stärkere Veränderungen, die im komplexen Gelände zwischen Mast- und WEA-Position auftreten können, besser berücksichtigt werden.

Die Skalierung der WEng-Ergebnisse wird auf die klassierte Häufigkeitstabelle der Turbulenz angewendet und ermöglicht alle drei Annahmen, die im Folgenden beschrieben werden.


Asymptotische Skalierung mit WEng

Diese Methode basiert auf zwei Annahmen:

a) Dass WEng als neutrales Modell die Variation der mechanisch erzeugten Turbulenz gut wiedergibt. Daher muss das Verhältnis der WEng-Turbulenz (Mast zu WEA) dem Verhältnis der realen Standortturbulenz (Mast zu WEA) im oberen Windgeschwindigkeitsbereich näherungsweise entsprechen.


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b) Dass die thermisch erzeugte Turbulenz den unteren Windgeschwindigkeitsbereich bestimmt und eine allgemeingültige Eigenschaft des Standorts ist (d.h. eine Konstante).


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Index t steht hier für “true”, was am Mast die gemessene Turbulenz und am WEA-Standort den zu bestimmenden Wert meint. Index p steht für “predicted” und damit für die WEng-Ergebnisse. Der resultierende Skalierungsfaktor ist eine Funktion des Richtungssektors und der Windgeschwindigkeit.


Konstanter σ-Fehler mit WEng

Diese Methode nimmt an, dass sich der Fehler der von WEng berechneten Turbulenz (σ) über den Standort konstant verhält. Gemeint sind hier die Anteile der Turbulenz, die im mikroskaligen WEng-Modell nicht erfasst werden, wie großräumige oder thermische Effekte.


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Für den Speed-Up am Standort werden die WEng-Mast-zu-WEA Speed-Up-Faktoren verwendet DE LASTEN KAP5.2(63).png (in obiger Gleichung wird u für uWTG verwendet). Indizes sind benannt wie oben und auch hier ist der resultierende Skalierungsfaktor eine Funktion des Richtungssektors und der Windgeschwindigkeit.


Einheitliche Skalierung mit WEng

Die einheitliche Skalierung basiert auf der stark vereinfachten Annahme, dass das wahre ("true") Verhältnis von Mast zu WEA-Position dem Verhältnis der WEng-Ergebnisse entspricht, welches für alle Windgeschwindigkeiten eines Sektors konstant ist. Der Skalierungsfaktor ist nur vom Richtungssektor abhängig.


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Hier ist kein Speed-Up enthalten und keine geschwindigkeitsabhängige Änderung des Skalierungsfaktors. Verglichen mit den anderen auf WEng-Ergebnissen basierenden Methoden ist diese sehr grob, durch die starke Vereinfachung jedoch auch sehr stabil.


Konstanter σ-Fehler mit WAsP

Diese Skalierungsmethode ähnelt Konstanter σ-Fehler mit WEng (siehe oben), jedoch in einer vereinfachten Form, da keine modellierten Ergebnisse ("predicted") zur Verfügung stehen. Die Turbulenzwerte, die oben mit WEng berechnet wurden, werden auf Null gesetzt, um die entsprechende WAsP-Version der Gleichung zu erhalten.


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Die Grundannahme ist hier, dass Turbulenz σ sich bei bestimmten Verhältnissen (Geschwindigkeit und Richtung) am Maststandort über die Standortfläche konstant verhält. Dennoch ändert sich die Turbulenz auf den unterschiedlichen Positionen, da sich die Windverhältnisse über die Standortfläche nicht gleichmäßig verhalten, sondern abhängig von Rauigkeit und Gelände verändern.


Einheitliche Skalierung mit WAsP

Der einheitlichen Skalierung mit WAsP liegt eine ähnlich vereinfachte Annahme zu Grunde wie der einheitlichen Skalierung mit WEng. Der Skalierungsfaktor wird für alle Windgeschwindigkeiten als konstant angenommen und umgekehrt proportional zum WAsP-Ergebnis des Speed-Up-Verhältnisses von Mast zu WEA.


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Keine Skalierung

Hier wird davon ausgegangen, dass die Messwerte ohne jegliche Skalierung für alle WEA im Park repräsentativ sind.


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Diese Annahme wird nur für sehr einfache und kleine Standorte mit sehr geringer Geländevariation zwischen Mast und WEA empfohlen oder wenn die Skalierungsmöglichkeiten nicht als passend empfunden werden. Auch für Offshore-Standorte wird diese Annahme meist passen.

Turbulenzstruktur-Korrektur

Gemäß IEC-Richtlinie muss eine Korrektur der Turbulenzwerte erfolgen, wenn ein WEA-Standort in der Geländekomplexitätsprüfung als komplex oder teilweise komplex beurteilt wurde, d.h. wenn der Komplexitäts-Index IC>0 ist, wird eine Korrektur der Turbulenzwerte vorgenommen. Grund für die Turbulenzerhöhung ist die in komplexem Gelände stattfindende Transformation der turbulenten kinetischen Energie von der horizontalen in die vertikale Komponente, während Schalensternanemometer nur die horizontale Komponente messen. Um die nicht gemessenen Anteile zu kompensieren wurde in der IEC-Richtlinie der Turbulenzstruktur-Korrekturfaktor CCT eingeführt.

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Bei den Einstellungen zur Anwendung der Turbulenzstruktur-Korrektur gibt es drei Möglichkeiten.

Komplexitätsprüfung

In der IEC-Richtlinie ist beschrieben, wie CCT aus dem Geländekomplexitätsindex (IC) jeder WEA-Position berechnet wird:

CCT=1+0,15 Ic

Die IEC-Richtlinie[1] fordert die Anwendung dieser Gleichung, wenn keine Berechnung oder Modellierung für die drei Komponenten der Turbulenz verfügbar ist.

Erfahrungen von diversen komplexen Standorten zeigten, dass diese Korrektur im Vergleich zur Modellierung der Turbulenzkomponenten sehr konservativ ist. Dies ist selbst der Fall, wenn ein lineares Modell wie WEng verwendet wird, welches dazu tendiert, die Anströmwinkel und damit die Transformation der horizontalen kinetischen Energie zur vertikalen/transversalen Komponente, zu überschätzen.


WEng Turbulenzkomponenten

Wenn eine Messung oder Modellierung der Turbulenzkomponenten vorliegt, soll gemäß IEC-Richtlinie folgende Gleichung zur Turbulenzstruktur-Korrektur genutzt werden:


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Hier stehen σu, σv und σw für die drei Komponenten der Turbulenz (longitudinal, vertikal und transversal). Diese drei Komponenten werden bei einer WEng-Berechnung für jede WEA-Position ermittelt und verwendet, wenn WEng Turbulenzkomponenten gewählt wird. Wenn ergänzend zu Messmastdaten eine WEng-Berechnung durchgeführt wurde, ist dies die Standard-Einstellung.

Gemessene Turbulenzwerte in drei Komponenten können derzeit von SITE COMPLIANCE nicht verwendet werden.

Keine Korrektur

Diese Option sollte nur gewählt werden, wenn die Umgebungsturbulenz durch WEng berechnet wurde. In diesem Fall ist Keine Korrektur die Standardeinstellung, da WEng die longitudinale Turbulenzkomponente modelliert und nicht die horizontale, wie von Schalensternanemometern gemessen. Die Entscheidung keine Korrektur zu verwenden ist vergleichbar mit der internen Weiterverarbeitung von WEng-Ergebnissen in den Tools von Risø/DTU, wie WAT. Bei gemessenen Daten kommt diese Option nur zum Einsatz, wenn der Komplexitätsindex für alle WEA Null ist, d.h. für eindeutig nicht komplexes Gelände.

Frandsen-Modell

Das Modell der Effektiven Turbulenz nach Frandsen spielt eine zentrale Rolle in der IEC-Richtlinie und wird in deren Anhang D [4][1] erläutert. Eine Zusammenfassung der theoretischen Hintergründe findet sich auch im Anhang II dieses Handbuchs. Vereinfacht gesagt besteht das Frandsen-Modell aus mehreren Bestandteilen. Die erste Komponente ist ein Modell zur Berechnung der Wake-Turbulenz im Nachlauf einer WEA bei einer bestimmten Windgeschwindigkeit in Abhängigkeit von einem Schubbeiwert (ct). Die zweite Komponente ist das Modell zur Kombination der Wake-Turbulenz mit der Umgebungsturbulenz zu einer „Gesamt“turbulenz für jede Richtung und jede Windgeschwindigkeitsklasse. Die dritte Komponente ist ein spezielles Integral über alle Richtungen, das sowohl die Häufigkeit der Richtung enthält, als auch eine nicht-lineare Wichtung, die im Bezug zur Akkumulation der Materialermüdung der unterschiedlichen WEA-Materialien steht. Als Eingangswert wird daher ein Material-Parameter benötigt, der sogenannte Wöhler-Exponent. Die Berechnung wird für jede Windgeschwindigkeitsklasse durchgeführt und das Resultat ist die Effektive Turbulenz als Funktion der Windgeschwindigkeit.


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Wöhler-Exponent

Der Wöhler-Exponent ist der Material-Parameter, der im Frandsen-Modell für die oben beschriebene Akkumulation der Materialermüdung verwendet wird. Üblich ist ein Wert von 10, der in etwa dem häufig verwendeten Material der Rotorblätter, GFK (glasfaserverstärkter Kunststoff), entspricht. Ein Wert von 3-5 entspricht in etwa dem geformten Stahl z.B. von Turm und Hauptwelle. Die Verwendung eines höheren Wöhler-Exponenten ist eine konservative Annahme für Materialien eines geringeren Wöhler-Exponenten.


Wake-Breite

Frandsens Original-Publikation nutzt sogenannte "View Angles" um Richtungen mit Wake-Einflüssen zu quantifizieren. Das in der IEC-Richtlinie vorgeschlagene Modell nutzt feste Winkelbreiten von 21,6°, unabhängig vom Abstand zwischen den WEA. Dies ist die Standard-Einstellung in windPRO. Frandsen erwähnt aber auch eine alternative variable Breite, die vom Anlagenabstand x (in Rotordurchmessern RD) abhängig ist: DE LASTEN KAP5.2 Wakewidth.PNG

Bei üblichen Abständen von 4 und 5 RD sind die Ergebnisse sehr ähnlich. Für Abstände von weniger als 3 RD werden über die variable Option breitere Wake-Winkel verwendet, die in erhöhten Lasten resultieren und etwas realistischer sein dürften.


Korrektur für große Windfarm

Eine weitere, vierte Komponente des Frandsen-Modells ist die Korrektur für eine große Windfarm, in der die Entstehung zusätzlicher Turbulenz innerhalb eines großen Windparks berücksichtigt wird. Im Original wird von einem regelmäßigen Parklayout ausgegangen, was so in der Realität kaum anzutreffen sein wird, aber in [5] verallgemeinert wurde. Unsere Umsetzung bezieht sich auf die Verallgemeinerung: Für jeden Richtungssektor wird geprüft, ob eine Korrektur erforderlich ist, und die Anpassung wird gemäß Richtlinie durchgeführt. Nur die Anzahl der Nachbaranlagen entscheidet darüber, ob in einem Sektor die Korrektur angewendet wird.

Sektormanagement

SITE COMPLIANCE enthält ein einfaches und ein erweitertes Modell des Sektormanagements.

Einfaches Sektormanagement

Hier wird ein Grenzwert in Rotordurchmessern um die WEA angegeben, z.B. 3 Rotordurchmesser. In der Berechnung wird dann der Nachlauf aller Nachbaranlagen ausgeschlossen, die sich in einer Richtung innerhalb dieses Abstands befinden, basierend auf der Annahme, dass die betreffenden WEA für diese Richtung abgeschaltet werden.

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Dadurch kann man sehr leicht die Anforderung der meisten WEA-Hersteller berücksichtigen, dass alle WEA, die weniger als 3 Rotordurchmesser entfernt stehen, im Nachlauffall abgeschaltet sein sollen.

Erweitertes Sektormanagement

Auf dem Register Sektormanagement der WEA-Objekte sowie in der SITE COMPLIANCE-Berechnung, wenn auf dem Register Hauptteil angehakt, können detaillierte Angaben zur Abschaltung von einzelnen WEA in verschiedenen Richtungs- und Windgeschwindigkeitsintervallen festgelegt werden. Im Berechnungsfenster Effektive Turbulenz ist dieses Feld immer ausgegraut, da die Einstellung auf dem separaten Register erfolgt.

Referenzen

  1. 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 IEC 61400-1 ed. 3, 2010, Amendment 1
  2. Frandsen, S. T., 2007, Turbulence and turbulence generated loading in wind turbine clusters, Risø report R-1188
  3. 3.0 3.1 Svenningsen, L.; Schmitt, C.; Potzka, G.: Accuracy of load assessments based on modelled turbulence - The German example; Poster presentation at WindEurope Summit 2016 (PDF-EN; PDF-DE)
  4. IEC 61400-1 ed. 3, 2005, Wind turbines – Part 1: Design requirements
  5. Nielsen, M., Jørgensen, H. E. and Frandsen, S. T., 2009, Wind and wake models for IEC 61400-1 site assessment, Proceedings of the European Wind Energy Conference (EWEC 2009)