Universität zu Köln

Ermittlung designrelevanter Belastungsparameter für Offshore-Windkraftanlagen

Türk, Matthias (2008) Ermittlung designrelevanter Belastungsparameter für Offshore-Windkraftanlagen. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    In der vorliegenden Arbeit werden Ergebnisse von Messungen der Wind- und Turbulenzverhältnisse zwischen 30 und 100 m Höhe über See im Gebiet der Deutschen Bucht auf Basis von vier Jahren Daten präsentiert. Die mittleren gemessenen Größen der Windgeschwindigkeit (Jahresmittel 9,9 m/s in 90 m Höhe) und -richtung (Hauptwindrichtung aus West-Südwest) entsprechen im Wesentlichen den z. B. vom Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrografie (BSH) getroffenen Vorhersagen für diese Region. Erstmals konnten zusätzlich Vertikalprofile der Windgeschwindigkeit, der Turbulenzintensität, der extrapolierten Extremereignisse der Windgeschwindigkeit und anderer wichtiger Größen im Bereich zwischen dem unteren Ende der Rotorfläche (etwa 30 m) und der Nabenhöhe (etwa 90-100 m) der geplanten Offshore-Windkraftanlagen der 5 MW Klasse auf Basis eines mehrjährigen, qualitativ hochwertigen Datensatzes mit einer Höhenauflösung von 10 m für verschiedene Windgeschwindigkeitsbereiche und atmosphärische Stabilitätsverhältnisse bestimmt werden. Für einige der untersuchten Größen wurde auch die Abhängigkeit vom Wellenalter betrachtet. Der Vertikalgradient der Windgeschwindigkeit ist zwischen 30 und 100 m Höhe in den meisten Situationen vor allem aufgrund der geringen Oberflächenrauhigkeit über See deutlich geringer als über den meisten Landoberflächen. Der Bereich der größten Windgeschwindigkeitsabnahme zum Boden hin liegt typischerweise unterhalb der untersten Messhöhe von 30 m, was darauf hindeutet, dass die Obergrenze der Prandtl-Schicht in den meisten Fällen (vor allem bei niedrigen bis mittleren Windgeschwindigkeiten) ebenfalls unterhalb von 30 m liegt. Die Turbulenzintensität zeigt eine ausgeprägte Höhen- und Windgeschwindigkeitsabhängigkeit: Mit zunehmender Windgeschwindigkeit nimmt die Turbulenzintensität aufgrund der größer werdenden Wellenhöhe und somit Oberflächenrauhigkeit zu, mit zunehmender Höhe nimmt die Turbulenzintensität wegen des geringer werdenden Einflusses der Oberflächenrauhigkeit ab. Im Mittel ist das Niveau der Turbulenzintensität jedoch wesentlich niedriger als über den meisten Landoberflächen. Die Vertikalprofile der extrapolierten Extremereignisse des 10-Minuten Mittels und der 1- bzw. 3-Sekunden Bö der Windgeschwindigkeit zeigen erwartungsgemäß einen Anstieg mit der Höhe. Der extrapolierte 50-Jahres Wert des 10-Minuten Mittels beträgt in 90 m Höhe 42,4 m/s, der entsprechende Wert der 3-Sekunden Bö beträgt 51,1 m/s. Neben der Untersuchung dieser mittleren Größen - in der Regel auf 10-Minuten Mittelwerten basierend - wurden zweieinhalb Jahre von Ultraschallanemometermessungen mit einer zeitlichen Auflösung von 10 Hz ausgewertet, um wichtige turbulente Größen wie z. B. die Fluktuationen der Windkomponenten und deren Verhältnis zur Schubspannungsgeschwindigkeit u*, die räumliche Struktur von Turbulenzelementen ('Eddies') oder die spektralen Eigenschaften der Windkomponenten zu bestimmen. Die Schubspannungsgeschwindigkeit ist eng mit der Windgeschwindigkeit korreliert und zeigt einen Anstieg mit zunehmender Windgeschwindigkeit, die Werte der Varianzen der Windkomponenten liegen in einem ähnlichen Bereich, wie in früheren Arbeiten berichtet. Bei der räumlichen Struktur zeigt sich unter anderem eine im Mittel vorwärts geneigte Ausrichtung der Turbulenzelemente. Die Stärke der Vorwärtsneigung hängt dabei vor allem von der Windgeschwindigkeit ab. Die turbulenten Längenskalen, die ein Maß für die (horizontale) Ausdehnung von Turbulenzelementen liefern, zeigen außer von der Höhe über Grund kaum direkte Abhängigkeiten von anderen Standardparametern. Ein gesondertes Kapitel dieser Arbeit ist dem Vergleich der gefundenen Ergebnisse mit den konkreten Vorgaben und Lastfällen der IEC-Normen für Windkraftanlagen (IEC 61400-1 und 61400-3) gewidmet. Dieser Vergleich bietet die Möglichkeit, die in den Normen getroffenen Annahmen zu überprüfen und gegebenenfalls zu modifizieren. Es zeigt sich, dass die in den Normen gemachten Vorgaben für die meisten relevanten Lastgrößen ausreichend konservativ sind.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    The results presented are based on a four year dataset of wind and turbulence measurements taken between 30 and 100 m above the sea in the area of the German Bight. The measured mean values of wind speed (annual mean 9.9 m/s at 90 m height) and wind direction (mean wind direction from west south-west) match with predictions for this region, for example from the German Federal Maritime and Hydrographic Agency (BSH). For the first time vertical profiles of wind speed, turbulence intensity, extrapolated extreme events of wind speed and other important parameters have been analyzed for the area between the lower end of the rotor (about 30 m) and hub height (about 90-100 m) of the planned 5 MW class offshore wind turbines. These profiles were based on a perennial, high quality dataset with a height resolution of 10 m and measurements were taken for different wind directions and atmospheric stability situations. The influence of the wave age was investigated for some of the parameters. The vertical gradient of wind speed between 30 and 100 m above the sea is clearly lower than above most land surfaces due to the small surface roughness length. The zone of the highest decrease in wind speed towards the sea surface typically lies beneath the lowest measuring height of 30 m. This suggests that the upper limit of the surface layer (which is also called Prandtl-layer) also lies below 30 m, especially at lower to middle wind speeds. Turbulence intensity shows a clear dependence on the height above the surface and on the wind speed: with increasing wind speed and so increasing wave height and surface roughness, turbulence intensity also increases, while with increasing height turbulence the intensity decreases because of the decreasing influence of the surface roughness. In comparison to onshore conditions, the mean level of turbulence intensity above the sea is clearly lower. As expected, the vertical profiles of the extrapolated extreme events of the 10-minute mean and the 1- and respectively 3-second gust of the wind speed show an increase with height. The extrapolated 50-year value of the 10-minute mean wind speed at 90 m height is 42.4 m/s, the corresponding value of the 3-second gust is 51.1 m/s. In addition to the investigations of the above mentioned mean parameters - predominantly based on 10-minute averages - two and a half years of ultrasonic anemometer measurements with a time resolution of 10 Hz were analyzed to determinate important turbulent parameters such as the fluctuations of the wind components and their ratio to the friction velocity u*, the spatial structure of turbulence elements (eddies) or the spectral characteristics of the wind components. Friction velocity is closely correlated with wind speed and shows an augmentation with increasing wind speed. Values of the variances in the wind components lie in a range which is comparable to previous studies. Looking at the spatial structure, the turbulence elements show a forward orientated alignment. The intensity of this forward orientation mainly depends on wind speed. Turbulent length scales which are a measure for the (horizontal) extension of turbulence elements, only show a dependence on height above the ground but not on any other standard parameter. A separate chapter of the present work is dedicated to the comparison between the results found and the concrete requirements and load cases defined in the IEC standards for wind turbine design (IEC 61400-1 for onshore and IEC 61400-3 for offshore conditions). This comparison provides the opportunity to check the requirements made in the standards and - if necessary - to modify them. For most load cases, the specifications made in the IEC standards seem to be sufficiently conservative.English
    Creators:
    CreatorsEmail
    Türk, Matthiastuerkma@hotmail.com
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-27994
    Subjects: Earth sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Windenergie , Meteorologie , Grenzschicht , offshore, FINO1German
    wind energy , meteorology , boundary layer , offshore, FINO1English
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Institut für Geophysik und Meteorologie
    Language: German
    Date: 2008
    Date Type: Completion
    Date of oral exam: 26 October 2008
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 24 Jul 2009 08:36:21
    Referee
    NameAcademic Title
    Emeis, StefanProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/2799

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