해당 내용은 Leibniz Universität Hannover의 Bauingenieurwesen(건축-토목공학) 과정에 참여하였을 당시 수업 내용을 개인적으로 정리한 것입니다.
저 스스로 복습의 의미도 가짐과 동시에, 독일에서 건축공학을 전공하시거나 특히 Leibniz Uni에서 건축공학을 공부하시는 분들께 조금이라도 도움이 되지 않을까 하는 마음으로 포스팅을 시작합니다.
1. Energieerzeugung
a) konventionelle Energieerzeugung: Dampf, Gasturbine, KWK-Anlagen, Diesel- und Gaskrafttechnik usw.
b) Erneuerbare Energien: Offshore- / Onshore-Windenergie, Solarthermie, Photovolaics, Hybridsysteme.
2. Windenergiemärkte
Developing Markets -> Emerging Markets -> Established Markets
(Märkte entwickeln -> Schwellenländer -> Etablierte Märkte)
3. Wichtige Referenzen
- Windmessmasten installiert (> 265)
- Landesweite Windkarten (15)
- Windpotentialbewertungen (inkl. CFD) (> 1.400 Windparks)
- Machbarkeitsstudien (> 190 Windparks [> 10.200 MW])
- Ausschreibungsunterstützung (> 110 Windparks [> 6.200 MW])
- Due-Diligence-Studien (> 1.010 Windparks [> 30.900 MW])
- Bauüberwachung (> 120 Windparks [> 5.400 MW])
- Betriebs- und Wartungsüberwachung (> 90 Winf Darms [> 2.600 MW])
4. Beratungsleistungen
Als führender unabhängiger technischer Berater bietet Tractebel Engineering in jeder Phase eines Windprojekts [Design -> Entwicklung -> Konstruktion -> Inbetriebnahme -> Betrieb] maßgeschneiderte Dienstleistungen an, um das Wissen der Windenergieexperten an den Kunden zu übertragen.
5. Motivation
a) Produkt Engineerung vs Projekt Engineering
b) Projekt Engineering bedeutet
- Suchen der besten Lösung für ein konkretes Projekt unter bestimmten Rendbedingungen
- Verschiedene technische Disziplinen arbeiten zusammen
- Weitere nicht-technische Disziplinen sind: kommerzielle und rechtliche Themen
- Ziel ist die Realisierung des Projektes
c) Warum werden Projekte realisiert?
- Unterstützung Energieversorgung
- Geringere Abhängigkeit von Rohstoffen
- Renditeerwartungen
d) Wer realisiert Projekte?
- Entwicklungsbanken, Regierungsorganisationen, Energieversorger, Private Investoren, Projektentwickler
6. Ziele der Vorlesung
- Verständnis des Projektansatzes
- Typische Strukturen bei Projektrealisierung
- Beleuchtung verschiedener technischer Aspekte
- Maßgebliche technische Einflussparameter bei der Projektplanung
7. Standortidentifikation und Bewertung der Windressourcen
- Windkartierung: landesweit, Identifizierung der besten Standorte
- Vorbewertungsphase: Standortspezifische Messungen, vorläufiges Layout basierend auf dem Datum der Windkartierung
- Bankfähige Windstudie: Endgültiges Layout, basierend auf einer Messkampagne vor Ort
8. Schritte zur Bewertung von Windressourcen
- Ortsbegehung -> Windmesskampagne -> Datenanalyse -> Langzeitkorrektur -> Strömungsmodellsimulation
-> Unsicherheitsanalyse -> Verlustschätzung
9. Inspektion und Untersuchung vor Ort
1) Ziele
- Überprüfung der Website
- Identifizierung des Standorts für den Messmast
- Unverzichtbar für bankfähige Windstudien
2) Beobachtungen, die für die Windstudie relevant sind
- Landschaftsnatur (Plateau…)
- Vegetation (Wald, Unfruchtbar, Gestrüpp, Gemischt, Vrass usw.)
- Gebirgszug
- Schutzgebiete in der Umgebung
10. Windmesskampagne
1) Wichtige atmosphärische Eigenschaften
- Windgeschwindigkeit und Windrichtung
- Turbulenzintensität
- Windscherung
- Druck und Temperatur
2) Anforderungen
- Messhöhe: mindestens 2/3 der geplanten Nabenhöhe, ideal bei Nabenhöhe
- Windmesser in unterschiedlicher Höhe für Windprofil
- Repräsentative Position innerhalb des Windparks
- Datenerfassungszeitraum: min. 1 Jahr
- Optionale LIDAR / SODAR-Messung zur Überprüfung des vertikalen Profils
11. Sensoren (Allgemeine Anforderungen an Wind Met Masts-Installationen)
- Stand der Technik: „First Class“ Becheranemometer mit hoher Messgenauigkeit und relativ hoher Unempfindlichkeit gegenüber Turbulenzen und geringem Stromverbrauch
- Windgeschwindigkeitssensoren individuell im Windkanal kalibriert
- Windrichtung gemessen mit Windfahnen
- Redundante Windgeschwindigkeit (auf gleicher Höhe über dem Boden) und Richtungssensoren (unterschiedliche Höhen)
- Zusätzliche Sensoren für Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Druck und evtl. Sonnenstrahlung
12. Met Mast Design
- General Requirements to Wind Met Masts Installations
- Design Guidelines
-> The closer the met mast top to hub height of wind turbines the better (refer to wind profiles section)
-> Minimising of impact of met tower on sensors and measurement
: Long booms and sensor supports
: Proper orientation of booms related to prevailing wind direction
-> Mechanical structure must be compatible with soil characteristics loads, and climatic conditions
13. Standorte in großer Höhe
- Wenn an Bergstandorten in großer Höhe Vereisung auftritt, sollten an jedem Mast zwei voll beheizte Sensoren angebracht werden, um eine ordnungsgemäße Analyse der Windscherung auch unter Vereisungsbedingungen zu gewährleisten
- Wenn die Energieversorgung durch Generator- oder Netzanschluss gewährleistet ist, sind Ultraschallsensoren die beste Alternative
- Wenn die Energieversorgung kritisch ist, können Propellerflügelsensoren verwendet werden, da sie weniger anfällig für Vereisung sind und auch die Windrichtung messen
14. Datumsanalyse, Qualitätsprüfung
a) Datenintegrität und Vertrauensfähigkeit der Eingabedaten
b) Qualitätsprüfung:
- Auf Fehlerwerte prüfen
- Sichtprüfung
- Vollständigkeit prüfen
- Reichweitentest
- Konstantwerttest
- Auf Trends und Inkonsistenzen prüfen
- Korrelationstest
c) Das Ergebnis ist eine „unvollständige“ gefilterte Zeitreihe. Soweit zutreffend, wird die Zeitreihe über MCP gefüllt.
- Statistische Analyse und Dateninterpretation:
- Ergebnisse: Windfrequenz-, Geschwindigkeits- und Energie-Rosen, Windfrequenzverteilung und Weibull=-Anpassung, tägliche und saisonale Profile, Windscherung, Turbulenzintensität in der Umgebung usw.
1) Langzeitreferenzierung
- Kurzfristige Messdaten sind auf einen langfristigen Zeitraum zu projizieren
- Annahme: Ein stabiler langfristiger Mittelwert ist die beste Schätzung für die Zukunft
- Langzeitprojektion von Kurzzeitdaten über MCP-Methoden
2) Anforderungen an Referenzdaten
- Langzeitmessdaten
- Reanalysedaten
- Produktionsdaten der WEA
- Die Daten müssen konsistent sein
- Die Daten müssen die Standortbedingungen und die kurzfristigen Daten widerspiegeln
- Die zeitliche Auflösung zwischen Langzeit- und Kurzzeitdaten muss während des Überlappungszeitraums mindestens monatlich erfolgen
- Bezugszeitraum, wie lange ist langfristig? Meteorologisch 30 Jahre, aber die Daten können begrenzt sein und vernünftige Daten können einen viel kürzeren Zeitraum abdecken.
15. Bewertung der Standorteignung
- Ziel der IEC-Konformitätsprüfung: „Stellen Sie sicher, dass die standortspezifischen Bedingungen die strukturelle Integrität von Windkraftanlagen 20 Jahre lang nicht beeinträchtigen.“
- Parameter:
1) Extremer Wind
2) Effektive Turbulenzen
3) Windgeschwindigkeitsverteilung
4) Windscherung
5) Strömungsneigung
6) Luftdichte
16. Wake effects (Nachlaufeffekt)
Der Nachlaufeffekt(Wake effects) ist der aggregierte Einfluss auf die Energieerzeugung des Windparks, der sich aus den Änderungen der Windgeschwindigkeit ergibt, die durch die Auswirkungen der Turbinen aufeinander verursacht werden.
17. Wake losses
- Der Raum hinter einer Windkraftanlage, der durch eine verringerte Windkraftkapazität gekennzeichnet ist, da die Turbine selbst die Energie zum Drehen der Schaufeln verwendet hat.
- mit v= die Windgeschwindigkeit in einem Abstand x hinter dem Rotor
u=die freie Windgeschwindigkeit direkt vor dem Rotor
R=der Rotorradius
α=die Nachlaufzerfallskonstante
18. multiple Wakes – Windparksimulation
mit δV = das als (1-V / U) definierte Celocoty-Defizit
U = die freie Windgeschwindigkeit
n = die Anzahl der vorgeschalteten Turbinen
19. Rule of thumb
- 3 ~ 5 Rotordurchmesser Abstand 90 'zur Hauptwindrichtung
- 5 ~ 10 Rotordurchmesser Abstand in Hauptwindrichtung
20. Einflussfaktoren
- Entfernungen
- zusätzliche Turbulenzen
- andere Einschränkungen
- verfügbares Land
21. Schritte in der Entwicklung von Windparks
- Definition aller Hindernisse / Begrenzungsfaktoren
- Windbewertung
- Bewertung der Standorteignung
- Festlegung eines geeigneten Turbinendesigns
- Windpark-Layout
- Fundamentdesign
- Netzintegrations- / Stabilitätsstudien
- Internes Kollektorsystemdesign
- Umweltverträglichkeitsprüfung
- Zeitplanung
22. Alle Hindernisse definieren
- Land verfügbar
- Flüsse, Berge, Dörfer, Straßen, Übertragungsleitungen und andere Hindernisse
- Landbesitz
- Zugang zur Website
- Land mit hohem Windpotential
- Anforderungen an Ariport / Radar / Fernsehen
23. Beschränkungen
- Höhenbeschränkungen
- Radar
- Vogel- und Tierschutzgebiete
- Flugkorridore
- Bodenbedingungen
- Wohngebiete
24. Energy Rose and Frequency Rose
Eine Windrose ist ein grafisches Werkzeug, das von Meteorologen verwendet wird, um einen kurzen Überblick darüber zu erhalten, wie Windgeschwindigkeit und -richtung normalerweise an einem bestimmten Ort verteilt sind. Mithilfe eines Polarkoordinatensystems wird die Windfrequenz über einen bestimmten Zeitraum durch die Windrichtung dargestellt , mit Farbbändern, die Windgeschwindigkeitsbereiche anzeigen. Die Richtung der längsten Speiche zeigt die Windrichtung mit der größten Frequenz.
25. Turbinendesign und Standorttauglichkeit
- Auswahl der richtigen Turbine für den Standort
-> IEC-Klassifizierung
-> Hub Höhe, Rotordurchmesser
-> Transportmöglichkeiten
-> Verfügbarkeit (Lieferung)
-> Servicemöglichkeiten
- Standorteignung
-> Bewertung der IEC-Klasse und der Cubclass
-> Turbulenzberechnung
-> Standorteignungsbestätigung des Herstellers