„Analyse der Abschattungsverluste und Nachlaufturbulenz-charakteristika großer Offshore-Windparks durch Vergleich von »alpha ventus« und »BARD Offshore 1«“ (GW Wakes) (FKZ 0325397) – Teilprojekt A: Multi-Lidar Messkampagne in alpha ventus

Projektleiter:
ForWind – Zentrum für Windenergieforschung, Carl von Ossietzky Universität Oldenburg

Fragestellungen

  • Wie beeinflussen sich die Windenergieanlagen innerhalb eines großen Offshore-Windparks?
  • Wie wird die Nachlaufströmung innerhalb großer Windparks durch atmosphärische Bedingungen z.B. Stabilität beeinflusst?
  • Welche Turbulenzeigenschaften sind für Belastungsberechnungen in großen Windparks anzunehmen?
  • Wie können die Projektergebnisse in validierte Ingenieursmodelle umgesetzt werden?

Motivation

Der weitere Ausbau der Windenergienutzung in Europa sieht die Errichtung großer Offshore-Windparks mit Gesamtleitungen von jeweils mehreren hundert Megawatt bis zu einigen Gigawatt vor. Aufgrund planerischer, technischer und finanzieller Restriktionen ist die Mehrzahl der bisher weitgehend isoliert geplanten und bereits genehmigten Offshore-Windparks geographisch in der südlichen Nordsee und westlichen Ostsee konzentriert, woraus eine hohe Anlagendichte innerhalb der einzelnen Windparks resultiert. Die Betriebsergebnisse größerer Offshore-Windparks in Dänemark, z.B. Horns Rev I und Nysted zeigen erhebliche Unsicherheiten in der genauen Bestimmung dieser Abschattungsverluste und nachlauf-indizierten Belastungen durch erhöhte Turbulenzen, mit denen sich die Anlagen im Park gegenseitig beeinflussen. Es besteht somit ein großes wirtschaftliches Interesse, diese Abschattungsverluste möglichst genau zu bestimmen und diese bereits bei der Planung des Windparks mit zu berücksichtigen.

Messungen in alpha ventus

Das seit August 2012 gestarteten und vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderte Verbundforschungsprojekt „Analyse der Abschattungsverluste und Nachlaufturbulenz-charakteristika großer Offshore-Windparks durch Vergleich von »alpha ventus« und »BARD Offshore 1«“ (GW Wakes) (FKZ 0325397) besteht aus zwei Teilprojekten. Teil A wird von ForWind – Oldenburg im Rahmen der Forschungsinitiative RAVE im Offshore Testfeld alpha ventus durchgeführt, während Teil B gemeinsam mit der BARD Engineering GmbH und dem Fraunhofer IWES im Bezug zum sehr großen Offshore Windpark »BARD Offshore 1« steht.

Ziel des Gesamtprojekts ist es durch hochaufgelöste Strömungsmessungen mittels Fernerkundungsverfahren und durch begleitende Simulationen auf einem Parallelrechencluster die Betriebs- und Planungsrisiken von großen Offshore-Windparks zu reduzieren. Dies soll durch Verifikation der Interaktion der turbulent maritimen Grenzschicht mit sehr großen Windparks, der Charakterisierung der Turbulenzeigenschaften der Strömung innerhalb des Parks sowie des Nachlauf des gesamten Windparks erreicht werden. Weitere Ergebnisse des Projektes sind auch Ingenieursmodelle, welche gezielt bei der Planung großer Offshore-Windparks eingesetzt werden sollen.

Von Juli 2013 bis Ende April 2014 wurden durch ForWind – Oldenburg Messungen mittels Multi-Lidar im Offshore-Windpark alpha ventus durchgeführt. Bei Lidar handelt es sich um ein optisches Fernerkundungsverfahren, welches mittels Laser die Windströmungen erfasst. Mit einer Reichweite von mehreren Kilometern bieten die in alpha ventus eingesetzten long-range Lidar Windscanner, die Möglichkeit die Strömung innerhalb des kompletten Windparks zu erfassen. Das weltweit erstmalig offshore eingesetzte Multi-Lidar besteht aus insgesamt drei long-range Lidar Windscannern (Multi-Lidar), von denen zwei auf der Forschungsplattform FINO1 und eines auf der Umspannplattform AV0 aufgestellt wurden (Abbildung 1 und 2). Durch die Aufstellung der Lidar an zwei räumlich entfernten Standorten im Park, können unterschiedliche Messszenarien durchgeführt werden. Auch ermöglicht dieses System, dass der horizontale Windvektor zweidimensional in weiten Bereichen des Offshore-Windparks erfasst werden kann (Abbildung 4). Zur Erfassung von Stabilitätsparametern wurde ferner eine von der Universität Oldenburg entwickelte Messboje in der Nähe von FINO1 verankert (Abbildung 3).

Kontakt

ForWind-Zentrum für Windenergieforschung
Carl von Ossietzky Universität Oldenburg
Ammerländer Heerstr. 126, D-26129 Oldenburg
Tel. (0441) 798 5060
Arbeitsgruppe Windenergiesysteme, Prof. Dr. Martin Kühn

Abbildung 1, 2: Zwei long-range Lidar installiert im Rahmen des Teilprojektes A von GW Wakes auf der Forschungsplattform FINO1

Abbildung 3: Long-range Lidar installiert auf der Umspannplattform AV0 im Offshore-Windpark alpha ventus

  Abbildung 4: Messboje zur Messung der Wasseroberflächen-temperatur, Luftdruck und Lufttemperatur während der Verankerungen in der Nähe von FINO1 (Quelle: BSH)

Abbildung 5: Schematische Darstellung des Messszenarios im Offshore-Testfeld alpha ventus. Ein Lidar auf Fino1 (rot) und eines auf der Umspannstation (blau) misst per PPI-Scan den Nachlauf der AV10.

Abbildung 6: Anzahl K der pro Gitterpunkt verfügbaren Lidar-Messpunkte im verwendeten 10-Minutenintervall. Deutlich sind in der unteren Hälfte des Bildes drei blau-grüne Streifen mit geringer Anzahl von Messpunkten zu erkennen, die aus Abschattungen des Lidars auf der Umspannstation aufgrund durch Windenergieanlagen versperrte Sicht herrühren.

Abbildung 7: Auf die freie Anströmgeschwindigkeit normierte horizontale zwei-dimensionale Windgeschwindigkeit (farblich kodiert) und Windrichtung (Windpfeile). Der Nachlauf der AV10 ist deutlich zu erkennen. Im nahen Nachlauf unmittelbar hinter der Windenergieanlage (schwarzer Punkt) erscheinen starke Richtungsänderungen in der Strömung, die jedoch aus Messfehlern aufgrund der in Abbildung 6 beschriebenen Abschattung eines Geräts herrühren.