Turbulenzen um die Windenergie
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- Stefan Fischer
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1 Turbulenzen um die Windenergie Folie 1 von 18 Bedeutung von Turbulenz für Windenergieanlagen Bedeutung von Turbulenz für Windkraftanlagen 1. Mechanische Belastungen 2. Einfluß auf den Energieertrag >> Standfestigkeit; Lebensdauer >> Energieinhalt des Windes, Parkverluste Verfügbare Leistungsdichte: 1 E ρ v + 2 ( 1 i ) relative Zunahme [%] Zunahme der verfügbaren Windenergie durch Turbulenz Turbulenzintensität [%] Folie 2 von 18
2 Bedeutung von Turbulenz für WEA Leistung einer WEA (stall) in Abh. von der Turbulenzintensität below rated windspeed rated windspeed above rated windspeed Folie 3 von 18 Bedeutung von Turbulenz für WEA Standsicherheit und Lebensdauer IEC (Edition 2, Edition 3) DIBt-Richtlinie (2004) >> Zertifizierung >> Genehmigung EWTS, DR BImSchG >> Lebensdauer Folie 4 von 18
3 Arbeitskreise Turbulenz AK Turbulenz des StUA Schleswig Vorliegende Turbulenzgutachten weisen nicht tolerable Abweichungen auf Bestätigt durch Ringversuch der Teilnehmer >> Turbulenzintensität zu % berechnet Turbulenz im Nachlauf der WEA Natürliche Umgebungsturbulenz AK Umgebungsturbulenz beim Windgutachterbeirat des BWE Definition von Mindeststandards Methoden zur Berechnung der Umgebungsturbulenz Folie 5 von 18 Masszahlen und Begriffe Mittlere Turbulenz, repräsentative Turbulenz, effektive Turbulenz, Auslegungsturbulenz Folie 6 von 18
4 Turbulenzintensität Folie 7 von 18 Einflussfaktoren Höhe über Grund Oberflächenrauhigkeit Räumliche Inhomogenität Transport Hindernisse, Wald Orographische Effekte Zeitabhängigkeit Thermische Schichtung Meteorologische Bedingungen >> Klima >> Klima Folie 8 von 18
5 Messungen Messtechnik Auswertung Vertikale Extrapolation Räumliche und zeitliche Repräsentativität Folie 9 von 18 Berechnungsmöglichkeiten Empirische Modelle (Ähnlichkeitsansätze, Analogien) Lineare Modelle (WasP-Engineering) CFD-Modelle (Navier-Stokes-Gl.) - Explizite Simulation - Grobstruktursimulation - Reynoldsmodelle (TKE, k-ε Modelle) - (z.b. FITNAH, WindSim) Folie 10 von 18
6 Logarithmusformel!!!! bodennahe Schicht Ebenes Gelände Keine Rauhigkeitswechsel Keine Schichtungseinflüsse Keine Hindernisse Berechnung der Turbulenzintensität in horizontal homogenem Gelände 1 TI = z ln( ) z 0 TI: mittl. Turbulenzintensität z: Höhe über Grund Z0: Rauhigkeitslänge Folie 11 von 18 Berechnung der Turbulenzintensität in horizontal homogenem Gelände Logarithmusformel!!!! bodennahe Schicht Ebenes Gelände Keine Rauhigkeitswechsel Keine Schichtungseinflüsse Keine Hindernisse TI 1 = c z ln( ) z 0 TI: mittl. Turbulenzintensität z: Höhe über Grund Z0: Rauhigkeitslänge c: empirische Konstante c = (0,72) 0,9 1,1 Folie 12 von 18
7 WA s P-Engineering Berücksichtigung von: Räumlich inhomogener Rauhigkeit Orographischen Effekten Eigenschaften Lineares Strömungsmodell Spektrales Turbulenzmodell Moderate (lineare) Störungen des Geschwindikeitstensors Rapid distortion Theory (Orographie) Højstrup (1981) > interne (log.) Grenzschichten nach Rauhigkeitswechseln Keine Thermodynamik Keine Hindernisse Folie 13 von 18 WA s P-Engineering Turbulenzintensität aus WAsP-Engineering 25% gemessen berechnet 20% char. Turbulenzintensität 15% 10% 5% 0% Bretagne 1 Bretagne 2 Bretagne 3 Zentralmassif 1 Zentralmassif 2 Zentralmassif 3 Zentralmassif 4 Lothringen Lothringen Hessen 1 Hessen 2 Hessen 3 Ba-Wü Ungarn Lybien1 Lybien2 Polen1 Polen2 Schottland Folie 14 von 18
8 CFD-Modelle umfangreiche Physik Genauigkeit, Validierung Aufwand, Handhabung Verfügbarkeit Know how Folie 15 von 18 Allgemeine Probleme Begriffsdefinitionen Logarithmus-Formel ist ungenügend Welches Modell anwendbar ist bleibt unbeantwortet (Genauigkeit vs. Aufwand) Berechnungsmodelle nicht ungeprüft anwenden Validierung mit unabhängigen Daten erforderlich Know-how Transfer von Meteorologie zur Windenergie Folie 16 von 18
9 Spezielle Probleme Große Nabenhöhen Wald Hindernisse Steile Kanten Thermische Schichtung Folie 17 von 18 Zusammenfassung das perfekte Modell ist nicht erforderlich Standsicherheit präferiert konservative Ansätze Weiterer Ausbau der Windenergie erfordert aber möglichst wenig konservative Ansätze Folie 18 von 18
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