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KIT – University of the State of Baden-Wuerttemberg and National Research Center of the Helmholtz Association
INSTITUTE OF METEOROLOGY AND CLIMATE RESEARCH, Atmospheric Environmental Research
www.kit.edu
Meteorologische Grundlagen zur effektiven Windkraftnutzung
Stefan [email protected]
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Institute for Meteorology and Climate Research – Atmospheric Environmental Research
2 Prof. Dr. Stefan Emeis – Meteorologische Grundlagen zur effektiven Windkraftnutzung
24.10.2011
Windenergienutzung in Deutschland (30. Juni 2011)
Zahl der Windkraftanlagen: 21917davon offshore 54
installierte Leistung: 27981 MWdavon offshore 210 MW
durchschnittliche Leistung pro Turbine 1,28 MWdavon die in 2011 installierten 2,23 MWdavon die offshore-Turbinen 3,89 MW
Quelle: DEWI, DEWI Magazin 39
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Institute for Meteorology and Climate Research – Atmospheric Environmental Research
3 Prof. Dr. Stefan Emeis – Meteorologische Grundlagen zur effektiven Windkraftnutzung
24.10.2011
Rotordurchmesser von WKA
Quelle: DEWI, DEWI Magazin 39
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Institute for Meteorology and Climate Research – Atmospheric Environmental Research
4 Prof. Dr. Stefan Emeis – Meteorologische Grundlagen zur effektiven Windkraftnutzung
24.10.2011
Rotordurchmesser von WKA
Quelle: BWE
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5 Prof. Dr. Stefan Emeis – Meteorologische Grundlagen zur effektiven Windkraftnutzung
24.10.2011
erster deutscher offshore-Windpark alpha ventus
Quelle: www.alpha-ventus.de
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6 Prof. Dr. Stefan Emeis – Meteorologische Grundlagen zur effektiven Windkraftnutzung
24.10.2011
Energie aus dem Wind
P Leistung Wr Luftdichte kg m-3
A Rotorfläche m2
v Windgeschw. m s-1
16/27 Betz’ Faktor -aber ist es wirklich so einfach? …
3
2
1
27
16AvP
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7
Meteorologische Phänomene, die die Energieerzeugung aus dem Wind beeinflussen (Erträge und Lasten)
Phänomen Einfluss auf Erträge Einfluss auf Lasten
vertikales Windprofil wächst mit wächst mitwachsender Nabenhöhe wachsender Nabenhöhe
Inversionen differentielle Lasten
low-level jets nächtliches Maximum nächtliches Maximum
Extremwinde Turbinenabschaltung extreme Lasten,sofortige Schäden
Turbulenzintensität/ höhere Erträge höhere LastenVarianz der 10 min- verkürzte NachläufeMittelwerte
vert. Turbulenzprofil differentielle Lasten
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24.10.2011
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8 Prof. Dr. Stefan Emeis – Meteorologische Grundlagen zur effektiven Windkraftnutzung
24.10.2011
Low level jets
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9 Prof. Dr. Stefan Emeis – Meteorologische Grundlagen zur effektiven Windkraftnutzung
24.10.2011
Tagesgang der Windgeschwindigkeitin drei Höhen (aus SODAR-Messungen)
Nächtlicher low-level jet (LLJ)
SODAR-RASS-Messungen
gemittelte Profile (m/s)
tagsüber und nachts
9. Mai 2011
HH-Billwerder
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10
tagsüber
nachts
CBL, gut durch-mischt
SBL, sehrstabil
L
HP
F
C
L
HP C
Nächtlicher low-level jet und Drehung der Windrichtung (Nordhemisphäre)
Reibungs-kräfte
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24.10.2011
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11
26. Juni 2005Paris, Ch. de Gaulle airportSODAR-Messungen
LLJ
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12
Häufigkeit von LLJ über Hannoverfür 20 Monate in den Jahren2001 bis 2003
insgesamt in 23.17% aller Nächte
“Effizienz” einer GWL einenLLJ über Hannover hervorzurufenfür 20 Monate in den Jahren2001 bis 2003
Großwetterlagen (GWL):
BM Brücke MitteleuropaHB Hoch Britische InselnHM Hoch Mitteleuropa...
HFZ Hoch Fennoskand. zykl. HNFA Hoch Nordatl. Fennosk. antizykl. ...
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24.10.2011
Schlussfolgerung 1:
bei größeren Nabenhöhen:
nachts mehr Ertrag als tagsüber
LLJ-Häufigkeitsstatistik sollte zur Standortbeurteilungdazugehören
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Varianz der 10 min-Mittelwerte
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Weibull-Verteilung:
mit Skalenfaktor A und Formfaktor k
k
A
xxF exp1)(
A = 10
k = 2,5
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mittlere Windgeschwindigkeit
Varianz der 10 min-Mittelwerte
wichtig: k sinkt mit wachsender Varianz
)1
1(k
Au
kkA
11
21 222
Weibull-Verteilung:
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Weibull-Verteilung:
kAEwind
315.0 3Windenergie:
Ewind = const.
mehr Varianz weniger Varianz
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Skalenfaktor
gemessene, modellierte und parametrisierte Vertikalprofile
Flachland Bergland
Weibull-Verteilung:
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19 Prof. Dr. Stefan Emeis – Meteorologische Grundlagen zur effektiven Windkraftnutzung
24.10.2011
Formfaktor
gemessene, modellierte und parametrisierte Vertikalprofile
Flachland Bergland
Weibull-Verteilung:
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Schlussfolgerung 2:
bei größeren Nabenhöhen:
Ertrag nimmt aus zwei Gründen mit der Nabenhöhe zu:
(1) Zunahme der mittleren Windgeschwindigkeit(2) Zunahme des Tagesgangs
Die Analyse der Höhe des geringsten Tagesgangssollte zur Standortanalyse gehören
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Extremwinde
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22
y = 0.4961x - 5.9433
R2 = 0.9881
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0 10 20 30 40 50 60
v90_10-minute average (m/s)
-ln
(-ln
(p))
v(90)
50-year event
1-year event
1-month event
Rayleigh_44
Weibull_k 2.05_C 10.3
Linear (extrapolation [>18m/s])
10 min Extremwindgeschwindigkeit an FINO1
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23
y = 0.3614x - 4.4466
R2 = 0.9854
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0 10 20 30 40 50 60
v90_1-second gust (m/s)
-ln
(-ln
(p))
v90_1s
50-year event
1-year event
1-month event
Linear (v90_1s)
1 sec Extremwindgeschwindigkeit an FINO1
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24
Extremwinde Abschaltung von Turbinen extreme Lasten und Schäden
Photo: dpa, Hamburger Abendblatt, February 6, 2011http://www.abendblatt.de/region/article1778907/Niedersachsen-duchgewirbelt-Feuerwehr-im-Dauereinsatz.html
Sturmschaden in Norddeutschlandim Februar 2011
Extremwind-Vorhersage ist sehr wichtig
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25 Prof. Dr. Stefan Emeis – Meteorologische Grundlagen zur effektiven Windkraftnutzung
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Schlussfolgerung 3:
Extremwertstatistik ist zur Standortbeurteilung wichig
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26
Große Windparks
Turbulenz
oder, was sollte man beachten,wenn viele Turbinen dicht beieinander stehen? …
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27
Nachlauf hinter einer Windturbine
- geringere Windgeschw. vor der nächsten Turbine- mehr Turbulenz
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28
source: http://www.4coffshore.com/offshorewind/
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29
Windenergienutzung bedeutet Impulsentnahme aus der LuftströmungImpulsentnahme bremst den Wind
(1) Parkeffizienz hängt von der Gleichgewichtswindgeschwindigkeit im Parkinneren ab
- Gleichgewicht zwischen Impulsentnahme und -nachlieferung
(2) Windparks beeinflussen sich gegenseitig durch ihren Nachlauf
- Nachlauflänge ist proportional zur Impulsnachlieferung
für die Planung von Windparks sollte man daher wissen:1) die Größenordnung der Windreduktion im Parkinneren2) die Länge des Nachlaufs ganzer Parks
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30
1) die Größe der Windreduktion im Parkinneren
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32
Grundidee eines analytischen Modells
Reduktion des Windsim Parkinneren
(Berechnung der Gleichgewichtsbedingung für die Impulsflüsse) Entnahme = Nachlieferung von oben
Widerstand von Fluss-Gradient-Beziehung Turbine und
Oberfläche
m
hhteff z
uuzuuc
0*2
Emeis, S., 2010: A simple analytical wind park model considering atmospheric stability. Wind Energy, 13, 459-469.
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33
teffm
izh
hsm
izh
t
cTf
cTf
R
2,
,2,
Emeis, S., 2010: A simple analytical wind park model considering atmospheric stability. Wind Energy, 13, 459-469.
Lösungen des analytischen Modells
a) Reduktion der Wind- geschwindigkeit im Parkinneren (Berechnen der Gleichgewichts- bedingung für die Impulsflüsse):
Impulsentnahme durch die Turbinen
Rauigkeit des Untergrunds
thermische Schichtung der GS
turbineninduzierte Turbulenz
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34
mittlerer Turbinenabstand:10 Rotordurchmesser
turbineninduzierte Turbulenz 10.1%
mittlerer Turbinenabstand :6 Rotordurchmesser
turbineninduzierte Turbulenz 16.8%
mittlerer Turbinenabstand :8 Rotordurchmesser
turbineninduzierte Turbulenz 12.6%
a) Reduktion der Windgeschwindigkeit im Parkinneren
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35
Reduktion der Windleistung im Parkinneren
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24.10.2011
mittlerer Turbinenabstand:10 Rotordurchmesser
turbineninduzierte Turbulenz 10.1%
mittlerer Turbinenabstand :6 Rotordurchmesser
turbineninduzierte Turbulenz 16.8%
mittlerer Turbinenabstand :8 Rotordurchmesser
turbineninduzierte Turbulenz 12.6%
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36
Reduktion der Windleistung im Parkinneren Messungen im Nysted Windpark (Ostsee)
Barthelmie R, Frandsen ST, Rethore PE, Jensen L., 2007:Analysis of atmospheric impacts on the developmentof wind turbine wakes at the Nysted wind farm.Proceedings of the European Offshore Wind Conference, Berlin 4.-6.12.2007.
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37
Optimierung der Turbinendichte in einem Windparkoffshore (z0 = 0,0001 m)
nach Energieertrag
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24.10.2011
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Optimierung der Turbinendichte in einem Windparkoffshore (z0 = 0,0001 m)
nach wirtschaftlichem ErtragPreis pro Turbine € 15 Mill., 3000 Volllaststunden, 0,15 €/kWh
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1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15-500.0
-400.0
-300.0
-200.0
-100.0
0.0
100.0
200.0
300.0
400.0
500.0
unstable (h/L* = -1)neutralstable (h/L* = 1)
mean turbine distance in rotor diameters
po
ten
tia
l fin
an
cia
l ga
in p
er
m²
(€/m
²)
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2) die Länge des Nachlaufs ganzer Windparks
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Grundideen des analytischen Modells
b) Beschleunigung der Windgeschwindigkeit hinter dem Windpark:
Beschleunigung = Nachlieferung von oben
)( 02*
hnhhn uu
z
zu
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Emeis, S., 2010: A simple analytical wind park model considering atmospheric stability. Wind Energy, 13, 459-469.
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Lösungen des analytischen Modells
b) Beschleunigung der Windgeschwindigkeit hinter dem Windpark:
atu
u
u
tuR
h
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h
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exp11
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0
0
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Emeis, S., 2010: A simple analytical wind park model considering atmospheric stability. Wind Energy, 13, 459-469.
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Impulsentnahme durch die Turbinen
Rauigkeit des Untergrunds
thermische Schichtung der GS
turbineninduzierte Turbulenz
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Erholung der Windgeschw. (links) und -leistung (rechts) hinter einem Windpark, mittlerer Turbinenabstand: 8 Rotordurchmesser
Rauigkeit: onshore (z0 = 1,0 m) – offshore (z0 = 0,0001 m)
Schichtung: labil (h/L * = -1) – neutral – stabil (h/L* = 1)
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Erholung der Windgeschw. hinter einem Windpark Messungen (Envisat, SAR) am Park Horns Rev ( 4 km x 5 km)
25. 02. 2003
© ERS SAR/Risø http://galathea3.emu.dk/satelliteeye/projekter/wind/back_uk.html
http://www.hornsrev.dk/nyheder/brochurer/Horns_Rev_TY.pdf
~20 km
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Welche Schichtungsstabilitäten treten offshore (FINO1, 80 m) wirklich auf?
91,16%allerWerte
Median:-0,07
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Häufigkeitsverteilung Reduktion im Windparkinneren
Median: 0,93gew. Mittel: 0,87
Median: 0,80gew. Mittel: 0,70
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Häufigkeitsverteilung Nachlauflänge (<95% der Leistung)
Median: 14 kmgew. Mittel: 18 km90-percentil: 31 km95-percentil: 37 km
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Schlussfolgerungen 4:
Windreduktion im Parkinneren: offshore stärker als onshore
(teilweise) Kompensation der höheren Windgeschwindigkeiten offshore offshore größerer Turbinenabstand notwendig
größere Erträge bei labiler Schichtung
offshore: Jahresgang der Energieproduktion (Max. im Herbst/Frühwinter) onshore: Tagesgang der Energieproduktion (Max. tagsüber)
offshore Nachlauflänge wesentlich länger als onshore
offshore größerer Parkabstand notwendig
a b e r, das analytische Park-Modell ist stark vereinfachend
geeignet für Abschätzungen des prinzipiellen Einflusses äußerer Parameter, für genauere Rechnungen sind numerische 3D-Modelle nötig
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Erklärung der Wolkenbildung im Nachlauf als Mischungsnebel
Luft direkt über dem Wasser: 5°C, mehr als 99% relative FeuchteLuft in Nabenhöhe: -1°C, mehr als 99% relative Feuchtenach Mischung: 2°C, über 101% Feuchte Wolken
12. 02. 2008
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