Diplomarbeit
Einfluß der Topographie auf das Windfeld und die Leistung von Windkraftanlagen
Matthias Hierteis (08/1998-02/1999)
Betreuer: Thomas Foken
Das Ziel der vorliegenden Diplomarbeit ist die Untersuchung der möglichen Auswirkungen von komplexem Gelände auf verschiedene Windparameter wie integrale Turbulenzcharakteristiken, Turbulenzintensität, Spannungskoeffizient und Windfeldneigung sowie deren potentielle Effekte auf die Leistungserzeugung einer Windkraftanlage. Dazu wurden vom 29.8. bis 26.9.1998 umfangreiche Messungen meteorologischer Größen mit besonderer Berücksichtigung der Turbulenz des Windes auf einem 50 m hohen Mast an der Windenergie-Versuchsanlage Dlouhá Louka im Krušné Hory (Erzgebirge), Tschechische Republik, durchgeführt. Gleichzeitig fanden Leistungsmessungen an einer etwa 100 m östlich des Mastes stehenden stall-geregelten Windkraftanlage mit 315 kW Nennleistung und einer Nabenhöhe sowie einem Rotordurchmesser von 30 m statt (ZELENÝ & FOKEN, 1995). Dieser Standort bietet flache Anströmwege bei westlichen bis nördlichen Windrichtungen ebenso wie steile Hänge bei südlichen Winden. Daher wurde das Footprintmodell von SCHMID (1994) mit einem digitalen Geländemodell so kombiniert, daß neue Definitionen der sogenannten Makrorauhigkeit (ZELENÝ & PRETEL, 1986) zur Beschreibung der Rauhigkeit des Reliefs entwickelt werden konnten. Hierzu wurde ein Computerprogramm erstellt, welches beide Modelle zusammenführt und die Makrorauhigkeitswerte automatisch errechnet.
Die Stabilitätsabhängigkeit der gemessenen Turbulenzparameter wurde analysiert, und es ergaben sich meist deutliche Unterschiede zu den Parametrisierungen für ebenes Gelände. Anschließend wurden die Windparameter in einem Stabilitätsbereich, in welchem sie sich in der vorangegangenen Untersuchung als stabilitätsunabhängig erwiesen hatten, zu Mittelwerten von 30°-Sektoren zusammengefaßt und auf ihre Abhängigkeit von der Windrichtung und damit vom Relief hin untersucht. Hier zeigten die integralen Turbulenzcharakteristiken und die Windfeldneigung eine deut-liche Zunahme mit steigender Hangneigung des Anströmweges, wogegen der Spannungskoeffizient dabei tendenziell leicht abnahm. Die Turbulenzintensität und die Standardabweichung der Windrichtung verliefen sehr ähnlich und schwankten stark von Sektor zu Sektor, ohne jedoch einen Trend aufzuweisen. Dies führte zu einem hochsignifikanten linearen Zusammenhang zwischen integralen Charakteristiken, der Windfeldneigung und den Makrorauhigkeiten, was in etwas schwächerer Form auch für den Spannungskoeffizienten zutraf. Die Turbulenzintensität ließ sich durch die verwendeten Makrorauhigkeitsdefinitionen nicht beschreiben, da sie keinen klaren Unterschied zwischen steilen und flachen Anströmwegen zeigte. Die Untersuchung des Ein-flusses des Windes auf die Leistung der Windkraftanlage zeigte deutliche Auswirkungen der Turbulenzintensität bzw. der Standardabweichung der Windrichtung und der Windfeldneigung auf die Abweichung der gemessenen Leistung von dem nach Herstellerangaben zu erwartenden Wert. Diese Zusammenhänge wurden im Rahmen einer nicht-linearen Regressionsanalyse unter Verwendung der Turbulenzintensität und der Windfeldneigung ermittelt, so daß sich der durch diese Größen verursachte Anteil an den Abweichungen mit über 55 % berechnen ließ. Dabei zeigte sich, daß hohe Turbulenzintensitäten, wie sie in Mittelgebirgen typisch sind, ab gewissen Windgeschwindigkeiten zu deutlichen Leistungsdefiziten gegenüber der Herstellerkennlinie führen. Eine Leistungsminderung von WKA aufgrund eines steilen Reliefs im Anströmweg des Windes konnte ebenso nachgewiesen werden. Andere Windparameter zeigten keinen Einfluß auf das Leistungs-verhalten. Aus den Ergebnissen wurden Konsequenzen für die zukünftige Nutzung der Windenergie im Binnenland formuliert, welche sowohl Fragen der Standortwahl und -begutachtung als auch die Anlagenhersteller betreffen.