SHADOW-Berechnung

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Dieses Kapitel behandelt nur die Eingaben im Berechnungsmodul. Für Berechnungsvoraussetzungen und einen Überblick über den gesamten Berechnungsablauf siehe SHADOW-Überblick.

Anmerkung: Bitte vergewissern Sie sich, dass im Projekt die Zeitzone korrekt gesetzt ist. Dies ist für eine korrekte Schattenwurfberechnung unerlässlich:

Projekteigenschaften → Register Projekt und Standort → Zeitzone 

Zum Start einer SHADOW-Berechnung klicken Sie im Berechnungsfenster auf den grünen Pfeil vor SHADOW (ein gelber Pfeil wird gezeigt, wenn das Modul nicht lizenziert ist)

Register Hauptteil

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

• Schatten an Rezeptoren und/oder
• Schattenkarte

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

Erweiterte Einstellungen

Markieren dieser Option eröffnet die folgenden weiteren Optionen:

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

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

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

Register WEA

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

Register Rezeptoren

Hier können, analog zur WEA-Auswahl, die zu verwendenden Rezeptoren ausgewählt werden. Dieses Register erscheint nur, wenn auf dem Register Hauptteil die Berechnung für Rezeptoren aktiviert ist.

Register ZVI

Mit jeder SHADOW-Berechnung wird eine vereinfachte Sichtbarkeitsberechnung durchgeführt, die überprüft, ob eine Sichtbeziehung zwischen WEA und Rezeptor besteht.

Für die Ermittlung der Sichtbeziehung werden folgende Eingangsdaten berücksichtigt:

• Orographie (via Linien-Objekt oder Höhenraster-Objekt), umgerechnet in ein Rastermodell mit der auf dem Register ZVI angegebenen Auflösung [m]
• Hindernisse (via Areal-Objekt mit Zweck: ZVI und/oder Hindernis-Objekt mit Porosität zwischen 0 und 0,3 [einschließlich]), die als zusätzliche Höhen auf das gerasterte Orographiemodell aufgebracht werden; dabei wird das Originalraster nicht verändert.

Die Verwendung von Areal-Objekten und Hindernissen kann getrennt angewählt werden. Die Orographie wird immer berücksichtigt.

Die Sichtbeziehung wird von der Mitte des Rasterpunkts, in dem der Rezeptor liegt, in der auf dem Register ZVI genannten Augenhöhe aus ermittelt. Besteht von dort aus eine vom kombinierten Orographie+Hindernis-Rastermodell ungestörte Sichtbeziehung mindestens zur oberen Blattspitze einer WEA besteht, wird diese WEA am Rezeptor als "sichtbar" betrachtet und ihr Schattenwurf wird dort in vollem Umfang berücksichtigt.

Der ZVI-Berechnungsmodus ist geeignet, um bei Berechnungen in kleinen Maßstäben die Sichtbarkeit einer WEA hinreichend genau zu ermitteln. Werden kleinteilige räumliche Situationen berechnet oder sehr exakte Ergebnisse benötigt, sollten Sie sich einiger wichtiger Beschränkungen bewusst sein:

• Die Sichtbeziehung wird nicht für die tatsächliche Position und Größe des Rezeptors berechnet, sondern für die nächstgelegene Rasterposition und die auf dem Register ZVI angegebene Höhe über Grund (Standardwert 1,5 m)
• Die Sichtbeziehung wird auf Basis eines Rastermodells des Geländes und der Hindernisse (Hindernis- oder Areal-Objekte) berechnet. Hindernisse, die kleiner als die auf dem Register ZVI angegebene Rasterweite sind, werden ggf. nicht berücksichtigt (abhängig von ihrer Position zum Raster). Für kleinteilige Situationen sollte die Auflösung auf angemessene niedrige Werte (z.B. 0,5 m) gesetzt werden.
• Eine WEA wird aus Sicht des Rezeptors nur als "sichtbar" oder "nicht sichtbar" betrachtet. Es ist nicht möglich, auf Teilverdeckungen einzugehen, z.B. wenn nur das obere Drittel der Rotorkreisfläche sichtbar ist.

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

Register Statistische Daten

Wenn auf dem Register Hauptteil bei einer der Berechnungsoptionen die Meteorologisch wahrscheinliche Beschattungsdauer auf Basis von Statistik ausgewählt wurde, erscheint dieses zusätzliche Register.

Betriebsstunden

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

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

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

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

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

mit t = Betriebsstunden

v_ein = Einschaltwindgeschwindigkeit der WEA

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

Achtung:

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

Monatliche Sonnenscheinwahrscheinlichkeit

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

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

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

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

Register Zeitreihe

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

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

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

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

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

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

Register Schattenkarte

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

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

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

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

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

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

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

Prinzipiell stehen in jeder Zeile drei Darstellungsoptionen zur Verfügung:

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

Unter den Bearb.-Knöpfen sind die Legendeneinstellungen für die jeweiligen Darstellungen zugänglich

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

Start der Berechnung

Wenn Sie auf OK klicken erfolgt eine Abfrage, ob Sie die Berechnung sofort starten möchten oder nicht. Dies erlaubt Ihnen, eine Berechnung vorzubereiten und dann z.B. über Nacht laufen zu lassen. Die Berechnung kann je nach Auflösung und Umfang einige Zeit dauern. Da die Berechnung aber im Hintergrund abläuft, können Sie an einem anderen Teil des Projekts weiterarbeiten. Sie können die Berechnung aber auch vorzeitig abbrechen

Rechtsklick auf Berechnungsüberschrift → Stopp .

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

Weitere Informationen

• SHADOW-Ergebnisse