Entwicklung eines physikalischen Modells der im Windpark generierten Turbulenz [Elektronische Ressource] = Development of a physical model for calculation of the turbulence inside wind farms / von Arne Wessel

Arne Wessel

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• Publié par: carl_von_ossietzky_universitat_oldenburg
• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 28
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 2 Mo

Extrait

EntwicklungeinesphysikalischenModellsderimWindpark
generiertenTurbulenz
Developmentofaphysicalmodelforcalculationoftheturbulence
insidewindfarms
VonderFakultat¨ fur¨ MathematikundNaturwissenschaftenderCarlvonOssietzky
Universitat¨ OldenburgzurErlangungdesGradesunddesTitelseines
DoktorsderNaturwissenschaften(Dr. rer. nat)
angenommeneDissertation
vonHerrnArneWessel
geborenam25.06.1975inBremen2
GutachterProf. Dr. JoachimPeinke
ZweitgutachterProf. Dr. Jur¨ genParisi
TagderDisputation: 27.10.20083
Acknowledgement/Danksagung
AndieserStellemochte¨ ichallendankendiemichbeimeinerDoktorarbeitunterstutzt¨ haben.
BesonderenDank giltmeinen beidenMentorenProf. Dr. JoachimPeinkeund Dr. Bernhard
Lange.
Prof. Dr. Joachim Peinke hat mich gelehrt wissenschaftlich zu arbeiten und die auftauchen
denFragestellungenindenphysikalischenKontexteinzuordnen.
Dr. BernhardLangehatmirdieangewandteSeitederWindenergieforschungnaher¨ gebracht.
Seine Erfahrungen mit dem Themengebieten der Windenergie und Meteorologie brachten
¨michinDiskussionenimmereinStuckweiter.
Vielen Dank an Prof. Dr. Jur¨ gen Parisi, der mir bei der Struktur der Arbeit erheblich weit
ergeholfenhat.
Ein großen Dank auch an meinen langjahrigen¨ Burok¨ ollegen Jethro Betcke. Es war immer
eineFreudemitihmimselbenZimmerzusitzenunddiverseFragestellungenphysikalischer
und weltlicher Art zu diskutieren. Oft half auch eine schnelle Ruckmeldung¨ von ihm bei
neuenIdeenmichaufdenrichtigenWegzubringen.
Vielen Dank auch an Detlev Heinemann, der mir immer wieder bei Antragen¨ und internen
Fragestellungenweitergeholfenhat.
Danke auch an Abha Sood mit der ich immer wieder einige Fragestellungen diskutieren
konnteunddiemichinderZielgradenunterstutzt¨ hat.
Dem gesamten Team von ForWind spreche ich meinen Dank aus, die Atmosphare¨ war sehr
angenehmundichhabemichimmerwiedergefreutdortzuarbeiten.
Einen ganz großen Dank auch an meinen Schwager Christoph Kleefeld, der mich in der
englischenSpracheunterstutzt¨ hat.
Vielen Dank an meine Eltern die mich immer wieder moralisch unterstutzt¨ haben und mir
meineLaufbahnalsPhysikeruberhaupt¨ erstermoglicht¨ haben.
Vielen Dank auch an Katja, die es immer wieder geschafft hat mir auch in Zeiten großter¨
HektikdieinnereRuhewiederzugeben.
¨ ¨ ¨Fur die finanzielle Unterstutzung mochte ich der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU)
und der EWE Stiftung danken. Die DBU hat mich im Rahmen eines Doktorandenstipendi
umprogrammes drei Jahre lang gefordert¨ und die EWE Stiftung hat mich das letzte halbe
JahrinderZielgeradenunterstutzt.¨4
Zusammenfassung
Fur¨ eine bessere Nutzung der Landschaft, eine bessere Anbindung an die Infrastruktur (An
bindung an das elektrische Netz, Zufahrtswege fur¨ die Wartung) werden Windkraftanlagen
alsWindparksgruppiert.
NebendiesenVorteilengibteszweiNachteilebeiderInstallationvonWindparks: Abschat
tungseffekte durch die Windkraftanlagen untereinander reduzieren ihre Effizienz und eine
verstarkte¨ Turbulenz innerhalb der Windparks, die hohere¨ Lasten an den Windkraftanlagen
generiert.
Eine im Wind stehende Windkraftanlage hat einen Bereich im Abwind, den sie abschattet.
Dieser Bereich wird als Nachlauf der Windkraftanlage bezeichnet. In dem Nachlauf ist die
Windgeschwindigkeit reduziert, was zu niedrigeren Windgeschwindigkeiten an den Wind
kraftanlagen im Abwind und damit zu einer Leistungsproduktion fuhrt.¨ Im Ver-
gleich zu einer einzeln stehenden Windkraftanlage ist die Effizienz reduziert. Dieser Effekt
¨hangt von einer Reihe von Parametern ab, wobei die Hauptparamter das Layout des Wind
parksunddiedieWindrichtungsind. Indenletzten25JahrenwurdengroßeAnstrengungen
inderForschungunternommenumverlassliche¨ Berechnungenzuerstellenumgeradebeider
PlanungsphasevonWindparksbesserePrognosenderParkeffizienzberechnenzukonnen.¨
¨ ¨Im Allgemeinen ist die Turbulenz in der Windstromung innerhalb eines Windparks erhoht.
Diese Erhohung¨ entsteht zum einen durch Turbulenz, die vom Rotor erzeugt wird und zum
AnderendurchWindscheerunginderNachlaufstromung.¨
Die einfachste Beschreibung der Turbulenz ist die Turbulenzintensitat¨ I, definiert
als Standardabweichung der Windgeschwindigkeit σ dividiert durch die mittlere
Windgeschwindigkeitu.
DieGroße¨ Turbulenzintensitat¨ wirdfur¨ unterschiedlicheAnwendungeninderPlanungsphase
von Windparks verwendet, z.B. fur¨ die Optimierung des Layout des Windparks, so dass die
Sicherheiterhoht¨ unddieLebensdauerverlangert¨ wirdindemdieLastenandenWindkraftan
lagenreduziertwerden. Diesgeschiehtuber¨ dieOptimierungderAbstande¨ derW
lageninHinblickaufdieWindrichtungunddieWindgeschwindigkeitsverteilungen.
Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde eine Methode entwickelt um die Turbulenzintensitat¨
innerhalbeinesWindparkszuparametrisieren. InderPlanungsphasevonneuenProjektener-
laubtdieseMethodediepotentielleErhohung¨ derTurbulenzintensitat¨ durchdieWindkraftan
lagen. Diese benutzt nur die typischen zur Verfugung¨ stehenden Eingangsparam
eter und kommt mit kurzen Rechenzeiten aus, wodurch sie ideal fur¨ Gutachter von Wind
parkprojektenist.
¨DerwichtigsteParameterfurdieBeschreibungderTurbulenzimWindparkistdasTurbulen
zintensitatprofil¨ inderNachlaufstromung¨ derWindkraftanlage. DessenEntwicklungmitder
EntfernunghinterderWindkraftanlagenisteinHauptanliegendieserArbeit.5
Vor der Untersuchung der Turbulenzintensitatsprofile¨ in der Nachlaufstromung¨ mussen¨
einige Voraussetzungen uberpr¨ uft¨ werden. Es muss gezeigt werden, dass die Turbulenz
intensitat¨ eingeeigneterParameterzurBeschreibungderTurbulenzindrNachlaufstromung¨
einer Windkraftanlage ist. Deshalb beginnt dies Doktorarbeit mit einer Untersuchung der
Turbulenz in der Nachlaufstromung¨ gegenuber¨ der Situation in der freien Stromung.¨ Um
Sicherzugehen, dass unterschiedliche Messmethoden zu denselben Ergebnissen fuhren,¨ der
EinflussderMessfrequenz,dergemessenenWindkomponenten,alsauchdasEntferneneines
linearen Trends werden untersucht. Normalerweise werden die Turbulenintensitatsprofile¨
aus Mittelwerten der Windgeschwindigkeit und den dazugehorigen¨ Standardabweichungen
berechnet. Die Mittelungszeit variiert dabei zwischen ein und zehn Minuten, je nach Mes
sung. Unterschiedliche Mittelungszeiten fuhren¨ dabei zu unterschiedlichen Turbulenzinten
sitatsprofilen.¨ Eine Methode um die Turbulenzintensitatsprofile¨ auf eine gemeinsame Mit
telungszeitumzurechnenwirdvorgestellt.
¨Eine typische Eigenschaft von Nachlaufstromungen¨ im Allgemeinen ist die Ahnlichkeit
von Windgeschwindigkeitsprofilen und Turbulenzintensitatprofilen¨ bei unterschiedlichen
Abstanden¨ vondemObjekt. MessungenderProfileindenNachlaufstromungen¨ vonKugeln
und Zylindern zeigen bei großen Distanzen hinter dem Objekt dieselbe Form der Profile
fur¨ unterschiedliche Distanzen, d.h. die Profile konnen¨ ineinander uberf¨ uhrt¨ werden indem
¨die Hohe¨ und Breite skaliert wird. Die Frage ist dabei, ist diese Ahnlichkeit bei den Nach
laufstromungen¨ von Windkraftanlagen vorhanden und ist es moglich¨ die Turbulenzinten
sitatsprofile¨ miteinfachbestimmbarenParameternzuskalieren. DiesewurdeanMessergeb
nissenvonWindkraftanlagenvonzweiunterschiedlichenWindfarmenuntersucht. Indiesem
¨Zusammenhang war es notwendig eine Methode einzufuhren¨ um die Anderung der Form
der Turbulenzintensitatsprofile¨ hinter der Windkraftanlage mit zunehmender Distanz zu der
Windkraftanlagezubeschreiben.
BasierendaufdendurchdieSkalierunggewonnenDatenwurdeeinModelentwickeltumdie
Turbulenzintensitatsprofile¨ zu skalieren. Ein weiteres, bestehendes Modell von Magnusson
wurde weiter verbessert, da die resultierende Turbulenzintensitat¨ von dem Originalmodell
zuschnellmitzunehmenderDistanzabnimmt. BeideModelle(dasAlteunddasNeue)wer-
den mit Turbulenzintensitatsprofilen¨ von drei Windfarmen validiert und die Verbesserungen
diskutiert. Um die Anwendung der Modelle zu zeigen, wurden die Modelle mit den Mes
sungenderTurbulenzintensitat¨ voneinemkomplettenWindparkverglichen.
Bei den Ergebnissen konnte gezeigt werden, das die Turbulenzintensitat¨ als erste Naherung¨
ein adaquater¨ Weg ist um die Stark¨ e der Turbulenz in der Nachlaufstromung¨ zu messen, da
die Turbulenz in der Nachlaufstromung¨ ahnliche¨ Strukturen zu der Turbulenz in der freien
¨Stromungaufweist.
¨Die Wahl der Messfrequenz hat nahezu keinen Einfluss auf die Turbulenzintensitatsprofile.
Das entfernen eines linearen Trends aus den Messdaten zeigt große Auswirkungen bei
Mittelungszeiten von 1 Minute. Bei hoheren¨ Mittelungszeiten ist der Unterschied ver-6
nachlassigbar¨ . DieVerwendungdesabsolutenWindvektorsgegenuber¨ denSchwankungenin
Richtung des mittleren Windgeschwindigkeitsvektors, welches der Hauptunterschied zwis
chenCup undUltraschallanemometerist,zeigtnurkleineAbweichungen. SignifikanteUn
terschiedeindengemessenenWertentauchenbeiunterschiedlichenMittelungszeitenauf,wo
die gemessene Turbulenzintensitat¨ logarithmisch mit der Mittelung