Auswirkungen von Gondelfehlstellungen auf die Leistung einer Windenergieanlage

Ursachen der fehlerhaften Gondelausrichtung

Die Messtechnik von Windenergieanlagen zur Windrichtungsbestimmung befindet sich auf dem Dach der Gondel stromabwärts des Rotors. Es wird daher nicht die Richtung des ungestörten Windes aufgenommen, sondern die Windrichtung des unmittelbaren Nachlaufs. Dieser weißt jedoch eine durch den Rotor aufgeprägte Drallströmung mit starken Turbulenzen auf, weshalb Hersteller von Windenergieanlagen in der Anlagenregelung entsprechende Korrekturfunktionen aufnehmen müssen. Diese Korrekturfunktionen müssten jedoch auf die jeweiligen Umgebungsbedingungen angepasst werden, um beispielsweise Geländeeinflüsse und insbesondere den Einfluss benachbarter Anlagen berücksichtigen zu können. Eine entsprechende Anpassung vor Ort wird jedoch von den Herstellern nicht vorgenommen, wodurch viele Anlagen nicht korrekt ausgerichtet sind. Dieses Problem wird häufig noch durch fehlerhaft ausgerichtete Windfahnen bzw. fehlerhaft kalibrierte Anemometer verstärkt. Dies Problem kann bereits werksseitig bestehen oder im laufenden Betrieb bspw. bei Arbeiten auf dem Gondeldach durch Servicearbeiter verursacht werden. Dem Betreiber fehlt jedoch die Messtechnik um entsprechende Fehstellungen festzustellen, was starke Leistungseinbußen und höhere Wartungskosten aufgrund stärkere mechanischer Lasten nach sich zieht.

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Bestimmung der Leistungseinbußen

Ist der Rotor der Windenergieanlage senkrecht zur Rotorebene ausgerichtet entspricht die durchströme Fläche A der vom Rotor überstrichen Fläche. Besteht hingegen eine Gondelfehlstellung verringert sich die durchströmte Fläche und somit der effektive Luftmassenstrom um den Faktor cos(γ).




 

Vielfach findet jedoch ein Modell Anwendung, welchem die Annahme zugrunde liegt, dass allein die Windgeschwindigkeitskomponente der axialer Anströmungsrichtung zum Leistungsumsatz beträgt. Eine Vektorzerlegung der Windgeschwindigkeit ergibt dabei ebenfalls eine Reduktion der zu berücksichtigten Geschwindigkeitskomponente um den Faktor cos(γ). Aufgrund der kubischen Abhängigikeit der Rotorleostung von der Geschwindigkeit resultiert aus dieser Berachtung folgender funktionale Zusammenhang: 

 

 

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Die aus dem vereinfachten Strömungsmodell abgeleitete cos³(γ) Abhängigkeit spiegelt jedoch nicht die aerodynamischen Effekte realer Strömungen wieder, welche den Leistungsbeiwert beeinflussen.

Messungen im Windkanal zeigen eine Abhängigkeit der fehlstellungsbedingten Minderleistung von  einem Exponenten von mindestens 1,80 und darüber [1][2][3]. 

Systematische Untersuchungen von Windparks zeigen, dass mehr als die Hälfte der Windenergieanlagen Fehlstellungen von mehr als 4° aufweisen [4].

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