Bittner, S. J. (2015). Evaluierung von alternativen Leistungskurven von Windkraftanlagen im komplexen Gelände [Diploma Thesis, Technische Universität Wien]. reposiTUm. http://hdl.handle.net/20.500.12708/79879
E370 - Institut für Energiesysteme und Elektrische Antriebe
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Date (published):
2015
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Number of Pages:
132
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Keywords:
Windkraftanlage; Leistungskurve
de
Wind power plant; power curves
en
Abstract:
Mit wachsender Anzahl an installierten Windkraftanlagen werden, bedingt durch die zunehmende Knappheit an Standorten mit ebenem Gelände, immer öfter auch Standorte verbaut, die sich im komplexen Gelände be nden. Die Unebenheit des Geländes wirkt sich auf das einkommende Windfeld und somit auf den Energieertrag der Windkraftanlagen aus. Eine Punktmessung der Windgeschwindigkeit auf der Gondel reicht unter Umständen nicht mehr aus, um die einkommende Leistung der Luftströmung zu charakterisieren. Dadurch kann die üblicherweise verwendete Leistungskennlinie \Leistung über Windgeschwindigkeit\, bei der die erzeugte, elektrische Leistung über die Windgeschwindigkeit aufgetragen wird, bei Windkraftanlagen im komplexen Gelände nicht unmittelbar zur Evaluierung der Leistungsfähigkeit der Windkraftanlage verwendet werden. In dieser Arbeit werden alternative Darstellungen auf Basis von Messdaten einer drehzahlvariablen Windkraftanlage in komplexem Gelände untersucht. Einerseits wird die Leistung und die Windgeschwindigkeit der klassischen Leistungskennlinie korrigiert und betrachtet. Andererseits wird eine alternative Kennlinie \Leistung über Drehzahl\, bei der die erzeugte, elektrische Leistung über der Drehzahl dargestellt wird, analysiert. Auf Grund des geringen Winddargebots während der Messperiode, konnte der Ein uss des Blatteinstellwinkels leider nicht untersucht werden. Um die Darstellung der Leistungskurve korrekt bewerten zu können, wird das Windfeld und dessen Größen, wie Luftdichte, Windscherung und Turbulenz, näher betrachtet. Hierbei fällt vor allem der starke Ein uss der Luftdichte auf. Die 10 Minuten-Mittelwerte der Luftdichte schwanken über der Dauer der Messkampagne um etwa 10%, und somit auch der Leistungsertrag. Weiters wirkt sich besonders die Messmethode der Windgeschwindigkeit aus. Die Windgeschwindigkeitsmessung auf der Gondel hinter der Turbine, die auch während des Betriebs durchgeführt wird, eignet sich nicht um die einkommende Leistung des Windfelds zu bestimmen. Zusätzlich handelt es sich um eine Punktmessung, die für die einkommenden Windgeschwindigkeiten über der Fläche des Rotors wegen gegebener Windscherung und Turbulenzintensität, nur bedingt Aussagekraft hat. Generell kann man feststellen, dass sich der Ein uss der Windscherung und der Turbulenzintensität auf die Leistung mit der Windgeschwindigkeit ändern. Diese beein ussen also die Darstellung \Leistung über Windgeschwindigkeit\ nicht linear. Nach Ausführung der in dieser Arbeit beschriebenen Korrekturen weicht die von Windscherung und Turbulenz korrigierte Leistungskurve von der ursprünglichen um etwa 1% bezüglich der Leistung ab. Die Darstellung \Drehzahl über Leistung\ hat gegenüber der konventionellen Darstellung mehrere Vorteile. So ist die Drehzahl messtechnisch einfacher zu erfassen und die einkommende Leistung über der Rotor äche kann mit einem Messpunkt bewerkstelligt werden. Erheblicher Nachteil dieser Darstellung ist eine fehlende Bewertung der Energiewandlung des Rotors. Man kann nicht mehr die ursprünglich einkommende Leistung der Luftströmung zu erzeugter Drehzahl beurteilen. Leistungsreduktionen auf Grund des Rotors, wie z.B. Veränderung der Oberfläche des Rotors, haben keinen Ein uss auf die Leistungskurve. Abgesehen von diesem Nachteil kann sich die Darstellung Drehzahl zu Leistung\ zur Beurteilung der Leistungsertrag der Windkraftanlage eignen. Diese Darstellungsform wird weder von Windscherung oder Luftdichte beein usst. Lediglich die Turbulenz beein usst diese Leistungskurve.
de
The growing number of installed wind power turbines and the related shortage of low complex sites lead to more turbines in complex terrain. Uneven terrain in uences the incoming air ow and in consequence the produced electrical power. In this case a single wind speed measurement behind the turbine on the nacelle may not be sucient to characterize the incoming air ow. The conventional power curve \Power over wind speed\, where the produced electrical power over the wind speed is illustrated, may not be suitable to evaluate the electrical production of a wind turbine in complex terrain. In this thesis, alternative illustrations of the power curve based on a measurement of a wind turbine in complex terrain, will be analysed. The following analysis is based on a wind turbine with variable speed. Firstly, the electrical power and the wind speed will be corrected according to wind shear and turbulence intensity. Secondly, an alternative power curve \Power over rounds per minute\, where the produced electrical power over rounds per minute is gured, will be analysed. Unfortunately, because of the low wind yield within the measurement period, the impact of the pitch can not be evaluated. In order to assess the power curves, the air ow and its properties as air density, wind shear and turbulence, will be examined. During this assessment, the impact of the air density is apparent. The 10 minute average-values of the air density uctuates about 10% within the measurement period, and consequently the electrical power production itself. Furthermore, the various measurement methods of the wind speed leads to different results. The measurement of the wind speed behind the turbine, which is also conducted during operation, is not trustworthy to estimate the incoming power of the air ow. Additionally, a single measurement of the wind speed at height of the nacelle might not represent the wind speed over the area of the rotor, due to wind shear and turbulence. Generally, the in uence of the wind shear and the turbulence intensity on the produced electrical power is depending on the wind speed. These dependency leads to non linear contortions of the illustration \Power over wind speed\. After corrections of wind shear and turbulence, which are described in this thesis, the corrected power curve deviates from the original curve about ¿¿1% regarding power. The illustration \number of rounds\ has several advantages compared to the conventional illustration. Not only the number of rounds is easier to obtain, but the single measurement of number of rounds represents the incoming power over the area of the rotor more correctly. Not being able to asses the power convertion of the rotor is a severe drawback of this power curve. The relation of initial incoming power of the air ow and number of rounds caused by the rotor can not be evaluated. Consequently, power reductions due to the rotor, like change of the surface of the rotor, have no in uence on the power curve. All in all, the illustration \Power over rounds per minute\ can be suitable to judge the power production of a wind power plant. This illustration is not in uenced by wind shear or air density. Only the turbulence is aecting this power curve.
en
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Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers Zsfassung in engl. Sprache