Windenergie 1 - Wind 1

17 April 2025, Po Wen Cheng

Windenergienutzung

Globale Winde

Druck Gradientenkraft

• solare Erwärmunh
• langwellige abstrahlung
• druckuntersciede, ausgleichsbewegung

Corioliskraft

• ablenkung senkrecht zur bewegungsrichtung

• (nordhalbkugel: tiefdruckgebiete rotieren gegen die uhr)

• geostrophischer Wind

• globale Windströmungen (Zirkulationen, Hadley, Ferrel, Polar)

Zusätzliche Zentrifugalkraft aus Bewegung um Tiefdruckgebiete

Geostropischer Wind

• Luftströmung in großer Höhe unbeeinflusst von Bodenreibung
• Gleichgewicht zwischen Gradientenkraft und Corioliskraft

Lokale Winde

Einflüsse aus Temperaturdifferenzen und Bodenreibung

• lokale Windströmungen z.B. See-Land-Briese, Berg-Tal-Briese
• Beispiel Seewind (tagsüber)

Atmosphärische Grenzschicht

Wind in Bodennähe: Windprofil

Annahme eines konstanten Energieaustausches
Turbulente Grenzschichttheorie nach Prandtl

• Logarithmisches Höhenprofil
• Rauigkeitslänge $z_0$ als Reibungsparameter

Korrekturterm wg. Einfluss der atmosphärischen Temparaturschichtungen (stabil, neutral, labil)

Logarithmisches Windprofil bezogen auf Referenzhöhe $z_1$

$$v_2 = v_1 \frac{ln(z_2/z_0)}{ln(z_1/z_0)}$$

$v_1$ Windgeschwindigkeit in Höhe $z_1$
$z_0$ Rauhigkeitslänge

Eigentlich kommt noch ein Korrekturterm für die Stabilität dazu, hier weggelassen weil die Stabilität sehr abhängig vom Standort ist. Neutrale Bedingungen können in der Praxis als Mittelmaß gewählt werden - reicht für normale Anwendungen and Standorten ohne besonders ausgeprägter Luftschichtung.

Powerlaw Windprofil bezogen auf Referenzhöhe $z_1$

$$v_2 = v_1 (z_2/z_1)^\alpha$$

$\alpha$ Rauhigkeitsexponent

Dieser Ausdruck kommt aus der Grenzschichttheorie und ist experimentell festgelegt, nicht bewiesen, aber funktioniert (curvefitting).

Europäischer Windatlas

• Datenbank des europäischen Eindklimas
• Zur Bestimmung von Winddaten an Orten an denen es keine Messdaten gibt
• Handbuch für "Ressource Assessment" Potenzialstudien
• Grundlage für zuverkässiges Site Assessment (Standortbeurteilung)

Methode für die horizontale und vertikale Extrapolation von meteorologischen Daten und Abschätzungen der Windressourcen
Hauptannahme: Geostopischer Wind ist über große Entfernungen konstant (Erfundener Wind in einer Höhe in der die Effekte der Erdoberfläche keine Rolle mehr spielen)

Windmessung

Verhindern dass verschiedene Windenergieanlagen sich nicht gegenseitig negativ beeinflussen

• Leistungskurvenbestimmung
• Standortkalibrierung
• Mechanische Lastmessungen zur Anlagenzertifizierung

Formeln für Windleistung, Leistungsbeiwert und Rotorleistung in Vorlesungsfolien 22

Messgrößen:

• Windgeschwindigkeit
• Druck
• Lufttemperatur
• Windrichtung

Schalenkreuz oder Löffelanemometer

Vorteile

• klassische form der windgeschwindigkeitsmessung
• gute proportionalität zwischen windgeschwindigkeit und drehzahl
• ...

Ultraschallanemometer

Vorteile

• Keine Verschleißteile
• Hohe Abtastrate zw. 1 Hz und 100 Hz
• Beheizbar $\rightarrow$ gegen Vereisung

Gegenüberstellung Messmast - Fernerkundung

Nachteile Messmast

• Mastmiete für zwei Jahre ca. $115000
• Errichtung dauert Zeit, ca. eine Woche
• Baugenemigung, Pacht
• Bei Ausfall der Sensorik Wartung nötig
• Unflexibel

Vorteile Fernerkundung

• Messung der Windbedingungen über den gesamten Rotordurchmesser möglich
• Kurze schnelle Messkampagnen an unterschiedlichen Orten möglich
• In Kombination mit CFD sehr gut für komplexes Gelände geeignet

Mal nachlesen: Windmessungen aus dem Helikopter möglich??