wind-area – automatisierte standortanalyse für...
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Prof. Dr. Martina KlärleT 069 [email protected]
Dipl.-Ing. Ute LangendörferT 069 [email protected]
Fachhochschule Frankfurt am MainUniversity of Applied SciencesFb 1: Architektur Bauingenieurwesen GeomatikNibelungenplatz 160318 Frankfurt am Main
www.fh-frankfurt.de
Die Energieausbeute einer Windkraftan-lage steigt mit der dritten Potenz zur Wind-geschwindigkeit, d.h. doppelte Windge-schwindigkeit bringt 8-fachen Stromertrag.Daher können schon geringfügige Unter-schiede von z.B. 0,1 m pro Sekunde überdie Wirtschaftlichkeit einer Windkraftan-lage entscheiden. Im Falle von Kleinwind-kraftanlagen ist die Kenntnis der genauenWindgeschwindigkeit am Standort beson-ders wichtig, da die Windgeschwindigkeitin Bodennähe stark schwankt. Grund dafürsind die Topografie, unterschiedliche Rau-igkeiten der Oberfläche und Verwirbelun-gen durch Hindernisse (z.B. Häuser).
Da Kleinwindkraftanlagen im Gegensatzzu großen Windenergieanlagen verhält-nismäßig wenig Strom produzieren, isteine Messung der Windverhältnisse vorOrt unverhältnismäßig teuer. Eine auto-matisierte Potenzialanalyse speziell fürKleinwindkraftanlagen kann aufwändigeWindmessungen ersetzen und die Wirt-schaftlichkeit dieser Anlagen deutlicherhöhen. Eine solche Potenzialanalysewurde im Rahmen des Forschungsprojek-tes WIND-AREA mit Fördermitteln desLandes Hessen an der FachhochschuleFrankfurt am Main entwickelt.
WIND-AREA – automatisierte Standortanalysefür Kleinwindkraftanlagen
Vertikale Kleinwindanlage
Kleinwindkraftanlagen können bislang nur selten wirtschaftlichbetrieben werden, da die genaue Windgeschwindigkeit in Bodennähe nicht bekannt ist. WIND-AREA liefert nun eine exakteStrömungssimulation auf der Basis hochauflösender Fernerkun-dungsdaten, welche Topographie, Vegetation und Gebäude detailliert berücksichtigt. Damit kann erstmals ein großflächigerNachweis der wirtschaftlichsten Standorte für Kleinwindkraft -an lagen erbracht werden, ein wichtiger und bisher unerschlossenerMarktbereich für die Energiewende.
Darstellung der Windgeschwindigkeit in Bodennähe
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WIND-AREA – SITE ANALYSIS FOR SMALL WIND TURBINES
WIND-AREA ist die erste automatisierte Potenzialanalyse speziellfür Kleinwindkraftanlagen auf der Basis von 3D-Geodaten. DieMethode basiert auf der Verschneidung von hochauflösendenLaserscandaten mit regionalen Winddaten durch Werkzeuge ausder Strömungslehre. Mit Hilfe eines entsprechenden Programms(z.B. WindSim oder OpenFOAM) können bodennahe Windströ-mungen und ihr Verhalten im Bereich von Hindernissen genaumodelliert und somit die wirtschaftlichsten Standorte bestimmtwerden. Kostspielige Test-Messungen können durch die Model-lierungen von WIND-AREA ersetzt werden.
Das Ergebnis von WIND-AREA sind Daten und Karten, welche dieWindgeschwindigkeit in hoher Auflösung in beliebigen Höhen-schichten, z.B. von 1m bis 10 m über der Geländeoberfläche bzw.den Hindernissen/Gebäuden, darstellen. Die Potenzialkarten zei-gen punktuelle Starkströme auf Gebäudedächern und andereBereiche mit hohen Windgeschwindigkeiten. Auch die Häufig-keitsverteilung der Windgeschwindigkeit und der Windrichtungkann abgebildet werden. Diese Informationen sind wichtig beider Wahl des Anlagentyps. Die Windsimulation wurde zunächst für ein städtisches und zweiländliche Testgebiete durchgeführt. Sie kann auf jede beliebigeGemeinde/Region übertragen werden, da die benötigten Geo-daten bundesweit flächendeckend vorliegen. Gerade in verdich-teten Räumen, wo viel Strom verbraucht wird, bieten Kleinwind-kraftanlagen neben Solardachanlagen die Möglichkeit, Stromverbrauchernah zu erzeugen. Mit der im Rahmen von WIND-AREA entwickelten Methode können diejenigen Standorte gefun-den werden, an denen Kleinwindkraftanlagen auch ohne erhöhteEinspeisevergütung eine maximale wirtschaftliche und energeti-sche Effizienz erreichen.
The research project WIND-AREA pro-vides the first fully automated potentialanalysis especially for small wind turbines.The method developed within the projectis based on the intersection of high-reso-lution geodata and wind speed data byhydrodynamic tools. The reaction of windflows at ground level to barriers can besimulated precisely. Therefore expensivewind speed measurements can bereplaced by the WIND-AREA modeling.The knowledge of the exact wind speedat a site is especially important for smallwind turbines, because the wind speed
can vary widely at low heights due to turbulences by obstacles (e.g. buildings)or type of landscape/ topography.WIND-AREA delivers data and maps inhigh resolution, illustrating the windspeed in any height above ground level(e.g. from 1 to 10 meters). The maps showlocal wind flows on roof tops and otherareas with high wind speed. More infor-mation like wind frequency and winddirection can also be recalled. This infor-mation is important in order to choose theoptimal type of wind engine.
The wind simulation has been executedfor one urban and two rural test areas. Itcan be transferred to any community orregion in Germany. The required geodatais nationwide available. Mainly in agglom-erated areas with high energy consump-tion small wind engines offer the chanceto produce electricity where it is needed – like solar panels on rooftops.The WIND-AREA method helps to find themost efficient sites for small wind enginesand provides a reliable prediction of theirprofitability.
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Simulation der Windströmung in Bereich eines Hochhauses
Mittlere Windgeschwindigkeit in m/s, 5m über der Oberfläche Mittlere Windgeschwindigkeit in m/s, 10m über der Oberfläche