1.  Einleitung  7

2.  Entstehung des Windes  8

2.1  Grundbegriffe.  8

2.2  Wie entsteht Wind ?  9

2.3  Lokale Wind Systeme.  10

3.  Windmessung  15

3.1  Übersicht über Sensoren  16

3.1.1  Schalenkreuz - Anemometer.  16

3.1.2  Windrichtungsgeber  16

3.1.3  Luftdruck- und Temperaturgeber  17

3.1.4  Vermeidbare Fehler bei der Windmessung  18

3.1.5  konventionelle Messmethode  20

3.1.6  Windprofilmessung mit Schallwellen (SODAR)  21

4.  Energie aus dem Wind  24

5.  Aspekte zur Standortwahl.  29

5.1  Allgemeine Punkte.  29

5.2  Windklimatologie  30

5.3  Schallschutz.  31

6.  Stand der Technik - Anlagenbestandteile und Begriffe  32

6.1  Leistung.  32

6.2  Rotor  32

6.2.1  Rotorblätter.  32

6.3  Regelsysteme  36

6.3.1  Stall - Regelung  36

6.3.2  Aktiv-Stall Regelung  36

6.3.3  Pitch -Regelung  36

6.3.4  Kombinierte Systeme  37

6.4  Turm.  39

6.5  Gondel  39

6.6  Getriebe  41

6.7  Generator  41

6.7.1  Polumschaltbarer Asynchrongenerator  41

6.7.2  Generator mit variablem Schlupf.  43

6.7.3  Doppeltgespeister Asynchrongenerator  44

6.7.4  Generator mit Indirekte Netzankopplung.  45

6.7.5  Permanenterregter Ringgenerator  48

7.  WEA in Österreich ( 30KW)  51

8.  Windbereiche in Österreich  52

8.1  Auswertung der Messkurven.  56

8.1.1  Wien, Niederösterreich, Burgenland  56

8.1.2  Steiermark und Kärnten  56

8.1.3  Salzburg und Oberösterreich.  57

8.1.4  Tirol und Vorarlberg.  57

2

9.  Empfehlungen für die Auswahl v. WEA für typische Standortvarianten  58

9.1  Aufstellung in Windparks  58

9.1.1  Beispielanlage Nordex N90 2300kW.  59

9.1.2  Beispielanlage Vestas V80 2000kW.  61

9.1.3  Beispielanlage Enercon E66 1800kW.  63

9.1.4  Begründung für den Einsatz der Beispielanlagen in Windparks  64

9.2  Aufstellung in Gebirgsregionen  67

9.2.1  Beispielanlage Bonus 1,3 MW  68

9.2.2  Begründung für den Einsatz der Beispielanlage in Gebirgsregionen  69

9.3  Aufstellung als Einzelanlage  70

9.3.1  Beispielanlage Windtec 1500  70

9.3.2  Begründung für den Einsatz der Beispielanlage als Einzelanlage  72

9.4  Potentialabschätzung der elektr. Energieerträge  73

9.5  Investitionsberechnung  74

10.  Zukünftige Entwicklungen  77

11.  Zusammenfassung  79

12.  Anhang  81

13.  Abbildungsverzeichnis.  107

14.  Tabellenverzeichnis.  109

15.  Literaturverzeichnis.  110

16.  Index  112

3

Danksagung

An dieser Stelle möchte ich mich bei Hrn. Dr. Heinz Schmidt, Studiengangsleiter, für die kompetente Unterstützung und für die analytische Aufbereitung der Diplomarbeits-vorgaben bedanken. Weiters gilt mein Dank Hrn. Prof. Dipl.Ing. Emil Kleinbichler und Hrn. Prof. Dipl.Ing. Johannes Dorfner für die Begutachtung dieser Arbeit.

Diese Arbeit widme ich meiner Gattin Silvia und meinem Sohn Raphael, ohne deren Unterstützung und Verständnis diese Arbeit nicht möglich gewesen wäre.

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Kurzzusammenfassung

Ziel der vorliegenden Arbeit ist, das Potential für Windenergieanlagen, zur Gewinnung elektrischer Energie, in Österreich abzuschätzen und standortspezifische Empfehlungen für geeignete Windenergieanlagen - Varianten zu entwickeln. Hierzu werden zunächst einige Grundlagen über die Entstehung und Auswirkung des Windes unter verschiedenen Bedingungen erläutert. Globale Windsysteme und deren Einfluss auf regionale Windsysteme, sowie die Beschaffenheit des Bewuchses und der Bebauung eines Gebietes sind ebenso von Bedeutung für die Auslegung einer WindEnergieAnlage (WEA), wie die Kenntnisse der Windverteilung in den bodennahen Luftschichten. Für die Auswahl eines Windenergie-Standortes sind spezielle Meßmethoden für eine effiziente Windmessung einzusetzen. Diese Messungen ermöglichen eine effiziente Abschätzung der zu erwartenden Energieerträge und sind daher für die Planung und Errichtung einer Windenergieanlage notwendig. Neben der theoretischen Berechnung der Energie aus dem Wind, werden noch allgemeine Aspekte zur Standortwahl dokumentiert, wobei der Schallschutz besonders betrachtet wird. Der Stand der Technik soll einen ausführlichen Überblick über die in Österreich zur Zeit installierten Windenergieanlagen geben und auf die aktuellen Anlagenkonzepte eingehen. In Ergänzung dazu, werden Windmessdaten automatischer Wetterstationen mit den anlagenspezifischen Winddaten der Windenergieanlagen verglichen und resultierend daraus potentielle Gebiete für die Windenergienutzung gesucht. Eine Betrachtung von drei typischen Anlagenkonzepten, soll zu einer Empfehlung für den Einsatz verschiedener Windanlagen führen. Eine Potentialabschätzung der Energieerträge und eine darauf basierende

Investitionsrechnung soll einen Überblick über die wirtschaftlichen Aspekte der Windenergie-Nutzung geben.

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Abstract

The aim of the following paper is to demonstrate possibilities of using wind energy in Austria in order to produce electric power and to locate profitable sites for such enterprises. For this reason, it was necessary to discuss first the general fundamentals of meteorology and the latest scientific findings and perceptions in this field. On the basis of it, possible variants for installations are discussed. The study of global wind systems and their influence on regional wind conditions, depend on the circumstances of a certain site. In addition, the vegetation and topographical features are of great importance for the decision where to plan a wind power plant. A fundamental knowledge of the distribution of the various winds and the air layers near the ground is compulsory. For an effective choice of a site, special methods of measuring should be applied, which allow to calculate the probable results of energy earnings. These are important factors for the realization of a profitable installation of wind power plants(WEA). Apart from the discussion of these factors and the display of theoretical calculation charts, some general aspects of the choice of proper sites are debated in this paper, including the discussion of the sound emission. A survey of the present state of technical knowledge should give an overview of the already existing wind power plants in Austria. It opens the view for concepts for future facilities. For this purpose, measurement data are compared with meteorological observation data, eventually resulting in the selection of potential sites. A discussion of the three different concepts for wind power plants leads to a recommendation of specific facilities for certain Austrian sites. The consideration of the potential of the power-output and based on this, the calculation of the capital investment, should give an overview of the economic aspects for the use of wind energy.

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1. Einleitung

Der elektrische Energieverbrauch in Österreich stieg innerhalb der letzten Jahre kontinuierlich. Eine Reduktion der Kohlendioxid-Emissionen um 13 % bis 2012, ist nach dem Kyoto -Protokoll, welches auch von Österreich ratifiziert wurde, notwendig. Nach dem Elektrizitäts- und Wirtschaftsorganisationsgesetz (ElWOG) ist Österreich verpflichtet, 4% des aktuellen Stromverbrauches, aus erneuerbaren Energieträgern zu gewinnen. Eine wichtige Rolle dabei, könnte die Gewinnung elektrischer Energie aus dem Wind sein. Abschätzungen des Windenergie-Potentials ergaben, dass bis zu 2% des Stromverbrauches hiermit abgedeckt werden könnten. Die Nutzung der Windenergie ist eine der kostengünstigen Formen der Energiegewinnung. Installationskosten pro kWh liegen in der Größenordnung jener von Wasserkraftwerken. Die Windkraftnutzung hat somit ein hohes wirtschaftliches und ökologisches Potential. Ziel der vorliegenden Arbeit ist, das Potential für Windenergieanlagen, zur Gewinnung elektrischer Energie, in Österreich abzuschätzen und standortspezifische Empfehlungen für geeignete Windenergieanlagen- Varianten zu entwickeln. Hierzu werden zunächst einige Grundlagen über die Entstehung und Auswirkung des Windes unter verschiedenen Bedingungen erläutert.

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2. Entstehung des Windes

2.1 Grundbegriffe

Wind ist bewegte Luft, fungiert als Transportmedium aller Lufteigenschaften und stellt somit eine besondere Form erneuerbarer Energie dar. Alle anderen meteorologischen Elemente sind nur besondere Lufteigenschaften. Der Wind besitzt vektoriellen Charakter und wird von zwei Kenngrößen bestimmt(1):

Windrichtung : gibt die Herkunftsrichtung der Luft an. Zur Bezeichnung werden die Anfangsbuchstaben der englischen Bezeichnungen der 4 Hauptwindrichtungen (N, E, S, W) verwendet. (1)

Windgeschwindigkeit : wird in m/s oder km/h gemessen, wobei auch eine Angabe in Knoten üblich ist. Die Zuordnung der Windgeschwindigkeit zur Windstärke erfolgt in Form einer Tabelle (Tab. 1). Eine übliche Angabe der Windstärke erfolgt auch in Beaufort.

Beauforttabelle

Tab. 1: Zuordnung der Windgeschwindigkeit zur Windstärke (4)

Zu den Eigenschaften des Windes gehört, dass er keine gleichmäßige, parallele Luftströmung dargestellt, sondern durch seitliche und vertikale Strömungskomponenten, Pulsationen und durch Wirbel geprägt ist. Diese Eigenschaften nennt man Turbulenzen (Abb. 1). Unregelmäßige Schwankungen (Böigkeit) entstehen durch diese Turbulenzen, wobei in Richtungs- und Geschwindigkeitsböigkeit unterschieden wird. (1)

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Abb. 1: Luftschichtungen bei hoher und niedriger therm. Turbulenz (1)

Die horizontale Komponente diese Luftströme wird als Wind bezeichnet, die vertikalen Luftströme nennt man Auf- oder Abwinde. Im Regelfall kommen die horizontalen Strömungen öfters vor als die vertikalen (1).

2.2 Wie entsteht Wind ?

Wind entsteht durch die Einwirkung der Sonne. Die Sonne gibt an die Erde gewaltige Mengen an Energie ab, in Zahlen ausgedrückt ist das pro Stunde eine Leistung von 100 000 000 000 000 kW. Von dieser Energiemenge werden ca. ein bis zwei Prozent in Windenergie umgesetzt.

Durch die Kugelform der Erde werden die Gebiete um 0 Grad geographischer Breite (Äquator) durch die Sonneneinstrahlung stärker erwärmt als der restliche Teil der Erde. Ein Infrarotbild (Abb. 2) der Erde zeigt die verschiedenen Temperaturen an der Oberfläche der Meere. Die heißen Gebiete sind in Rottönen dargestellt, die kühleren Zonen in Blautönen. Die Luft über den warmen Gebieten erwärmt sich und steigt bis in eine Höhe von 10 km auf. Anschließend breitete sie sich nach Norden und Süden aus.

Abb. 2: Temperaturverteilung auf der Erde (2)

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Durch die Drehbewegung der Erde wird die Luftbewegung abgelenkt (2). Verantwortlich dafür ist die sogenannte Corioliskraft (ablenkende Kraft der Erdrotation - letzten Endes eine Trägheitskraft), die alle Bewegungen (Abb. 3) - also auch den Wind rechtwinklig, zu ihren jeweiligen Bewegungsrichtungen ablenkt.

Auf der Nordhalbkugel wird die Luftströmung nach rechts, und auf der Südhalbkugel nach links abgelenkt (1). Die Corioliskraft ist auch verantwortlich für unterschiedliche Hauptwindrichtungen in verschiedenen geographischen Lagen:

Abb. 3: Globale Windsysteme (5)

Rossby - Zirkulation: entsteht zwischen 30. und 70. nördlichem Breitengrad- damit gelangt warme Luft zu den Polen und kalte Luft zum Äquator - wellenförmiger Verlauf (5) Hadley - Zirkulation: zwischen 30 Grad südlich und 30 Grad nördlicher Breite. Transportiert tropisch warme und feuchte Luftmassen. Nord-Ost und Süd-Ost Passatwinde entstehen durch den Einfluss der Erddrehung(Corioliskraft) (5)

Durch die lokalen Unterschiede der solaren Einstrahlung auf die Erde und durch die Verteilung von Kontinenten und Meeren ergibt sich ein weltweites System von unterschiedlichen Winden (u.a. Passat Winde). Diese Luftbewegungen spielen sich in großen Höhen ab (geostrophischer Wind - ab 1000m (2)) - eine Nutzung dieser Energie ist daher nicht möglich. Allerdings beeinflussen diese Atmosphärenbewegungen auch die Bewegung der Luftmassen in tieferen Lagen, wo eine Nutzung der Windenergie möglich ist.(3)

2.3 Lokale Wind Systeme

Mit zunehmender Nähe zum Boden werden die globalen Windsysteme von den Gegebenheiten an der Erdoberfläche beeinflusst. Die Grenze, ab der die lokalen Effekte überwiegen, wird planetarische Grenzschicht genannt (Abb. 4). Die Höhe der

Grenzschicht variiert je nach Ort, Zeit, Wetterlage, Topographie und Bodenrauhigkeit. (3)

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Abb. 4: Höhenabhängigkeit der Windgeschwindigkeit nach Kaltschmitt (3)

Einfluss der Bodenrauhigkeit

Je mehr Bewuchs ein Gebiet aufweist oder je dichter ein Gebiet bebaut ist, umso mehr wird der Wind gebremst - d. h. je größer die Rauhigkeit des Bodens ist, um so mehr wird die Windgeschwindigkeit beeinflusst(2). Eine Einteilung der Landschaft in vier verschiedene Rauhigkeitsklassen ermöglicht die Windverhältnisse zu bewerten (Tab. 2).

Tab. 2: Rauhigkeitsklassen und Rauhigkeitslängen (2)

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Die Rauhigkeitsklasse 3 - 4 entspricht einer Landschaft mit viel Bewuchs oder mit vielen Gebäuden. Ebene, nur mit niedrigem Bewuchs (Gras) versehene Landschaften, haben dagegen eine Rauhigkeitsklasse von 0,5 (2). Die Rauhigkeitslänge ist die Höhe über dem Boden, wo die Windgeschwindigkeit den theoretischen Wert Null erreicht (2).

Die Abhängigkeit des Windes von der Höhe

Je höher die Rauhigkeitsklasse ist, umso schneller nimmt die Windgeschwindigkeit ab, je näher man den Boden kommt. Dies wird als Windscherung (Abb. 5) bezeichnet. Diese Tatsache ist auch für die Standortfindung von Windkraftanlagen von Bedeutung.

Abb. 5: Windscherung (2)

Hindernisse im Wind

Hindernisse im Luftstrom, wie z. B. Gebäude oder Bäume, sowie Felsformationen bremsen den Wind und führen zu Turbulenzen. Die Abbildungen (Abb. 6, Abb. 7) zeigen die Umströmungen und die Turbulenzen rund um das Hindernis. Die Ausdehnung der Turbulenzen ist in der Regel wesentlich größer, als das Hindernis selbst. Für die Anordnung vom Windkraftwerken, ist daher ein entsprechender Abstand zu Hindernissen einzuplanen - das gilt besonders für Hindernisse die sich vor den Anlagen befinden (2).

Abb. 6: Hindernisse im Wind(2)

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Abb. 7: Hindernisse im Wind(2)

Durch das Anströmen von flachen Hügeln (Abb. 8) wird die Windgeschwindigkeit, infolge einer Strömungsumlenkung, erhöht. Die Windgeschwindigkeit ändert sich ohne störende Auswirkungen und ohne störende Turbulenzen. Diese Geländeformationen sind daher geeignete Standorte für Windkraftanlagen.

Abb. 8: Anstieg der Windgeschwindigkeit auf flachen Hügeln(5)

Im Gegensatz dazu führen Hindernisse im Wind teilweise zu extrem langen Störungen, bzw. zu einer erheblichen Herabsetzung der Windgeschwindigkeit (Abb. 9).

h......Höhe des Hindernis

Abb. 9: Herabsetzung der Windgeschwindigkeit durch Hindernisse (1)

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Die folgende Grafiken veranschaulichen wie die Windgeschwindigkeit (Abb. 10) bzw. wie die Windenergie (Abb. 11) nach dem Hindernis beeinflusst wird. Die grauen Felder sind die verschieden starken Windschatten, die Zahlen sind die Prozentangaben von den Werten ohne Hindernis.

Abb. 10: Windgeschwindigkeit in Prozent hinter einem Hindernis (2)

Wie aus den Grafiken ersichtlich, ist hat sich die Windgeschwindigkeit in einer Höhe von 50 m (Abb. 10), durch das Hindernis, um etwa 3 Prozent verringert, die Windenergie (Abb. 11) im Gegensatz dazu aber um ca. 10 Prozent verringert.

Abb. 11: Windenergie in Prozent hinter einem Hindernis (2)

14

3. Windmessung

Windmessungen sind für die Ertragsprognosen von Windkraftanlagen unumgänglich. Diese Messungen werden in Vorfeld von Planungen durchgeführt und stellen an die Methoden, Messaufbauten und die verwendeten Messgeräte hohe Anforderungen. Bereits geringe Abweichungen in den Messergebnissen, oder ein fehlerhafter Messaufbau führen unweigerlich zu falschen, hochgerechneten Energieerträgen in den Prognoserechnungen. Die nachfolgende Abbildung (Abb. 12) zeigt eine Berechnung von fehlerhaften Messergebnissen.

Abb. 12: Darstellung Fehlmessung (6)

Für eine genaue Messung ist die richtige Wahl von Sensorik und Messaufbau entscheidend. Werden hier bereits Fehler gemacht, kann das gesammelte Datenmaterial nicht für eine sinnvolle Auswertung verwendet werden. Gerade, wenn später ein Windgutachter mit der Standortanalyse betraut wird, sollten möglichst zuverlässige Messergebnisse zur Verfügung gestellt und der korrekte Aufbau der Messeinrichtung nachgewiesen werden können. Wie obiges Beispiel zeigt, sind auf Grund unzureichender Daten oder ungenauer bzw. falscher Messeinrichtungen, erhebliche Unterschiede in den kalkulierten Jahresertragleistungen zu erwarten.

Bei Prognosen muss grundsätzlich mit Sicherheitsabschlägen gerechnet werden. Unsicherheiten entstehen schon dadurch, dass die angewandten mathematischen Verfahren eine Idealisierung der Windverhältnisse voraussetzen und die Berechnungen im komplexen Gelände sehr schwierig sind.

15

3.1 Übersicht über Sensoren

3.1.1 Schalenkreuz - Anemometer

„Für die Erfassung der Windgeschwindigkeit haben sich Schalenkreuz-Anemometer als Standard bei der Windenergie-Messtechnik durchgesetzt. Diese Sensoren weisen bei der korrekten Erfassung von Luftströmungen zwar auch einige Nachteile auf (Trägheit der Schalen, „Overspeeding“-Effekt), die aber bekannt und erwiesenermaßen nachrangig sind. Wichtig ist die Linearität des Ausgangssignals und die Unempfindlichkeit des Gebers gegenüber von Mast und Traversen hervorgerufenen Turbulenzen und

Schräganströmungen. Anemometer mit großen Schalen weisen hier sehr viel bessere Eigenschaften auf als Geber, deren Schalen im Verhältnis zum eigenen, womöglich sogar kantigem Schaft klein sind.“(6)

Abb. 13 : Schalenkreuz Anemometer(6) Abb. 14: Windrichtungsgeber(6)

Um die Drehbewegung in elektrische Signale umzuwandeln, werden optoelektronische Übertrager oder Wechselspannungsgeneratoren verwendet. Vorteil der optische Wandler ist die hohe Abtastrate (10 Hz pro m/s) (6), damit können auch kurze Schwankungen in der Windgeschwindigkeit, z.B. durch Turbulenzen ausgewertet werden.

3.1.2 Windrichtungsgeber

„Zur Bestimmung der Windrichtung werden immer häufiger analoge, potentiometrische Geber eingesetzt, weil diese eine feine Auflösung (1°) haben und nur sehr wenig Betriebsstrom benötigen. Zu beachten ist, dass das Ausgangssignal den gesamten Bereich von 360° lückenlos abdeckt. Kostengünstige Fahnen weisen - da intern nur ein sehr einfaches Potentiometer eingebaut ist - leider häufig eine erhebliche Nordlücke auf. Solche "low cost"-Geber haben oft auch eine begrenzte Lebensdauer, weil die interne Elektromechanik der dauernden Belastung nicht gewachsen ist.“(6)

„Bei Größe und Gewicht der Fahnen gibt es (wie beim Preis) erhebliche Unterschiede. Schwere Fahnen "stehen" ruhiger im Wind und großflächige Leitbleche reagieren bereits bei sehr geringen Windgeschwindigkeiten: beide Kriterien sind für die Windenergieprognosen eher zweitrangig.“

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Die Fahne wird in Normalfall über ein 4-adriges Kabel an das Meßsystem angeschlossen. Das ermöglicht die Kompensation des Kabelwiderstandes der Zuleitung. Dadurch führen auch lange Anschlussleitungen zu keiner Verfälschung der Messwerte. Das Messwertaufnahme - System (Software) muss außerdem über die Möglichkeit verfügen den sog. "Nordsprung" bei wechselnder Windrichtung zu berücksichtigen. Da bei wechselnden Windrichtungen die Fahne über den Nordsprung pendelt ergeben sich damit auch wechselnde Gradanzeigen. Geeignete Systeme (Software) weisen diese Sprünge über Norden nicht als Mittelwert von z.B. 350 Grad und 10 Grad(6) aus, sondern als Nord- Richtung.

3.1.3 Luftdruck- und Temperaturgeber

Luftdruck und Temperatur spielen bei der Planung ebenfalls eine Rolle. Der Einfluss der ermittelten Temperatur und Luftdruckgrößen ist aber zweitrangig. Als Alternative können Daten nahegelegener Wetterstationen genutzt werden. Dadurch ist aber der Aufwand für die Beschaffung der Daten höher.

Abb. 16: Temperatur - Luftfeuchtesensor(6)

17

3.1.4 Vermeidbare Fehler bei der Windmessung

Um weitgehend ungestört die horizontale Windströmung messen zu können, sind unbedingt geeignete Anemometer (Abb. 17) zu verwenden. Dabei ist darauf zu achten, dass die Schalen der Anemometer nicht zu klein und das Gerät selbst keine kantige Form hat. Anemometer mit kantigen Körpern sind meistens sehr empfindlich gegenüber Schräganströmungen und Turbulenzen.

Abb. 17 : geeignete Anemoeter wählen (6)

Vor jeder Windmessung sollten (auch hochgenaue) Anemometer im Windkanal geeicht werden (Abb. 18). Das bringt auch die Sicherheit, durch genaue Messwerte präzise Ertragsprognosen zu erhalten.

Abb. 18: Eichung eines Anemometers(6)

Durch die Nähe eines Mastes oder einer Traverse treten immer Turbulenzen auf, daher ist die Montage (Abb. 19) der Windgeber von entscheidender Bedeutung. Weiters ist auch auf eine stabile Halterung zu achten, damit keine Schwingungen auftreten.

Abb. 19: Montage eines Anemometer (6)

18

Das Anemometer muss aus jeder Richtung frei und ungehindert vom Wind angeströmt werden können (Abb. 20). Das heißt, eventuelle Blitzfänger oder Windfahnen dürften nicht in unmittelbarer Nähe des Anemometer montiert werden.

Abb. 20: Abschattung der Messgeber (6)

Wichtig ist auch die richtige Messhöhe (Abb. 21). Anemometer dürfen nicht zu tief montiert werden, da durch Abschattungen von Gebäuden oder Bewuchs die Messungen beeinflusst werden können. Weiters sind in tiefen Lagen die Turbulenzen meist größer. Die Berechnung eines Höhenprofiles erfolgt mit einer logarithmischen Formel und ist nur eine Annäherung. Wenn die Windgeber zu nah beieinander montiert werden, können die Daten für die Höhenprofil-Berechnung nur bedingt verwendet werden, da die Differenz der beiden Werte zu klein ist.

Abb. 21: Richtige Wahl der Messpunkte

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3.1.5 konventionelle Messmethode

Für die Planung einer Windkraftanlage wäre es optimal, die Windgeschwindigkeit in Nabenhöhe zu messen. Dies ist aber im Regelfall nicht möglich, da das Windkraftwerk noch nicht errichtet ist und außerdem die Messung eine Grundlage für die Konstruktion ist.

Abb. 22: Vergleich Messanordnung - Berechnung (6)

Ein geeigneter Messmast ist mit der benötigten Höhe (Abb. 22) sehr teuer und die Installation ist sehr aufwendig.

Abb. 23: Messanordnung -Messmast (6)

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Daher werden mittels eines niedrigeren Messmastes (Abb. 23) und mittels zweier Anemometer die Windwerte in niedrigeren Höhen gemessen. Mittels Hochrechnung auf die entsprechende Nabenhöhe (durch einen logarithmischen Ansatz) können die Windverhältnisse in der später benötigten Höhe dargestellt werden.

3.1.6 Windprofilmessung mit Schallwellen (SODAR)

SODAR - Sound Detection and Ranging von der Fa. WINDTEST Grevenbroich GmbH(7)

Einleitung

„Das SODAR-System ist ein akustisch arbeitendes Messverfahren, welches die windspezifischen Größen wie z.B. die Wind-Geschwindigkeit und -Richtung erfasst. Drei generierte Schallimpulse werden nacheinander unter definiertem Winkel in drei Raumrichtungen ausgesendet. Das an Inhomogenitäten aus der Atmosphäre zurückgestreute Signal wird auf Dopplerverschiebung analysiert. Diese zeitaufgelöste Verschiebung ist ein Maß für die Windgeschwindigkeit aus einer definierten Messhöhe und beinhaltet die Messgrößen zur Errechnung der Windrichtung. Das Sodarsystem ermöglicht die berührungslose Messung der Windverhältnisse vom Erdboden aus. Die aufwendige Installation von Windmessmasten (WMM) mit der derzeit zum Standard zählende Sensorik - kalibrierte Anemometer und Windfahnen - entfällt gänzlich. Die Höhe der WMM stößt an ihre Grenzen. Nabenhöhen bei modernen WEA von 100 m sind keine Seltenheit mehr. Die Errichtung von WMM die diese Anlagen vermessen können, ist sehr kostenintensiv“.

Systembestandteile

„Das System besteht aus den drei grundlegenden Bestandteilen.

• Antennensystem mit Lautsprecher-Array und akustischer Abschirmung.

• Akustischer Signalprozessor mit Sende- und Empfangseinheit sowie eine Prozessrechner mit Fast - Fourier Analyse zur Bestimmung der Doppler-Verschiebung.

• Computer mit Bedien- und Anzeigesoftware“.

Warum SODAR?

„Das SODAR-System stellt einen mobilen Mast -Ersatz für Messhöhen bis zu 200 m dar. Das Messsystem ist schnell zu installieren und kann somit an mehreren nahegelegenen Messstandorten eingesetzt werden. Es ist durch seine geringe Abmessung keine optische Beeinträchtigung. Durch die einstellbare Auflösung kann in Höhenstufungen von 5 oder 10 m gemessen werden. Das System wurde so konzipiert, dass es autark über mehrere Tage betrieben werden kann. Ein weiterer großer Vorteil ist, dass keine Baugenehmigung für die Installation eines SODAR-System erteilt werden muss.

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Im Gegensatz zum WMM kann ein SODAR-System auch in komplexem und schwer zugänglichen Gelände eingesetzt werden. Die Akzeptanz der Bevölkerung zeigte sich bei zahlreichen Messungen als positiv“.

Vergleich SODAR mit herkömmlichen Anemometern

„Durch die 3-Komponentenmessung und der Neigung zweier ausgesendeter Impulse, werden die ermittelten Ergebnisse aus einem kegelförmigen Messvolumen bestimmt. Durch die Körpersymmetrie und die Anbringung des Anemometers am oder auf dem WMM findet stets eine Punktmessung statt. Das SODAR-System kann durch seine einstellbare Höhenauflösung ein Windprofil darstellen. Vergleichbare Ergebnisse könnte nur ein WMM mit 20 angebrachten Anemometern in 5 m Abständen und zusätzlich auf gleicher Höhe und in gleicher Anzahl installierte Windfahnen liefern. Aufgrund des akustischen Messprinzips misst das SODAR-System absolut reibungsfrei. Schalensternanemometer beispielsweise unterliegen der Massenträgheit. So kommt es bei rasch abflachendem Wind zum „overspeeding-Effekt“. Die horizontale Windgeschwindigkeit wird beim SODAR-System durch eine Vektormessung ermittelt. Beim Anemometer erfolgt eine skalare Messung der horizontalen Windgeschwindigkeit. Die Errichtung eines WMM entfällt bei der Messung mit SODAR gänzlich. Durch Schräganströmung von Anemometern wird nicht nur die reine horizontale Wind-Geschwindigkeit gemessen.

Im Betrag der Windgeschwindigkeit befindet sich ebenfalls die Komponente der vertikalen Windgeschwindigkeit. Dies führt zu einer Verfälschung des Messergebnisses. Beim SODAR-System kann durch die vektorielle Messung eindeutig zwischen horizontaler und vertikaler Windgeschwindigkeit unterschieden werden. Genauer noch, kann speziell nur die Vertikalkomponente des Windes untersucht werden um z.B. Turbulenzintensitäten zu messen“.

Leistungskurve

Beim Vergleich einer konventionell gemessenen Leistungskurve eines WEA mit einer Leistungskurve gemessen mit dem SODAR-System konnte folgendes festgestellt werden: „Im unteren bis mittleren Windgeschwindigkeitsbereich von 2 bis ca. 12 m/s kann das SODAR-System für die Leistungskurvenvermessung annähernd die gleichen Ergebnisse und Kurvenverläufe aufweisen wie die Referenzmessung. Der Verlauf der Leistungskurven ist nahezu identisch, die Streuung der Windeinzelwerte ist bei der SODAR-Messung jedoch größer. Im hohen Windgeschwindigkeitsbereich von über 12 m/s treten Abweichungen auf. Diese Streuungen können durch die verminderte Signalgüte des SODAR-System bei hohen Windgeschwindigkeiten erklärt werden. Durch den höheren Geräuschpegel bei hohen Windgeschwindigkeiten, sinkt das Signal/ Rauschverhältnis (SNR) und die Zuverlässigkeit des detektierten Signals nimmt ab. „......die relative Abweichung der mit SODAR bzw. WMM gemessenen Leistungskurven ist im Bereich bis 12 m/s kleiner 3 %. Die lauteren Umgebungs-Geräusche wurden teilweise durch abstehende meteorologische Messgeräte, wie z.B. Temperatur- und Regensensoren, verursacht. Durch Demontage der genannten Messtechnik und Montage an geeigneteren Stellen wurde das Problem der lauten Nebengeräusche gelöst..........“

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Windprofilanalyse

“Immer häufiger kommt es bei der sich rasant entwickelnden WEA-Industrie zu System-Ausfällen. Gründe hierfür sind oft Lager- oder Getriebeschäden aufgrund von z.B. Materialermüdung und/ oder Material-Überlastung. Durch die Darstellung von real vorherrschenden Windprofilen an WEA-Standorten, kann die reale Belastung bzw. der „Windangriff“ an Rotor und somit auf Lager und Getriebe veranschaulicht werden“. “.... Geht man von einer Nabenhöhe von 100 m und einem Rotordurchmesser von 80 m aus sind im strukturiertem und komplexem Gelände .... ...... Belastungen zu erwarten. Im Bereich der unteren Rotorhälfte bis zur Nabe findet eine Windgeschwindigkeitszunahme von ca. 8 m/s statt. Über die Nabenhöhe hinaus verringert sich die Windgeschwindigkeit um ca. 5 m/s. Dies ist gleichzeitig gekoppelt mit einer Windrichtungsscherung .......... Starke Belastungen und Beanspruchungen der einzelnen Systemkomponenten sind zu erwarten“.

Zusammenfassung

“Das SODAR-System ist ein akustisch arbeitendes Messverfahren, welches die windspezifischen Größen wie z.B. die Windgeschwindigkeit und- Richtung erfasst. Erstmals wurde versucht, die Leistungskurve einer Windenergieanlage (WEA), sprich den Verlauf der abgegebener elektrischer Leistung in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit, mit dem SODAR-System zu vermessen. In stark strukturierter Umgebung konnte mit Hilfe des Systems die Turbulenzintensität bestimmt werden. Durch die einstellbare Höhenauflösung, können Windprofile in 5 oder 10 m Stufungen dargestellt werden. Durch Gegenüberstellung von Windprofilen und WEA mit Nabenhöhen von ca. 100 m und Rotordurchmessern von bis zu 80 m kann der ungleichförmige „Windangriff“ am Rotor der WEAs veranschaulicht werden“.

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