Windenergie Meteorologie

Atmosphärenphysik für die Windenergieerzeugung

verfasst von: Stefan Emeis

Verlag: Springer International Publishing

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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Über dieses Buch

Dieses Buch bietet eine Einführung in die meteorologischen Randbedingungen für die Stromerzeugung aus Wind - sowohl an Land als auch auf See - und liefert meteorologische Informationen für die Planung und den Betrieb dieser wichtigen erneuerbaren Energiequelle. Es umfasst die Herleitung von Windgesetzen und Beschreibungen von Windprofilen, insbesondere oberhalb der logarithmischen bodennahen Schicht, und behandelt Winde über komplexem Gelände und nächtliche Low-Level-Jets. Diese aktualisierte und erweiterte zweite Auflage enthält neue Kapitel, die sich mit der Effizienz großer Windparks und deren Nachläufen sowie mit der Offshore-Windenergie befassen.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einführung

Zusammenfassung

Dieses einleitende Kapitel fasst den Umfang des Buches zusammen, gibt einen Überblick über die vorhandene Literatur und macht einige Anmerkungen zur Geschichte und zum Potenzial der Stromerzeugung aus Windenergie.

Stefan Emeis

2. Windregime

Zusammenfassung

Der prinzipielle Ursprung der Winde in der Erdatmosphäre und die potentiell verfügbare Leistung dieser Winde wurden in Abschn. 1.4 qualitativ beschrieben. Hier werden jetzt die grundlegenden Windgesetze und die Grundzüge der atmosphärischen thermischen Stabilität dargestellt.

Stefan Emeis

3. Vertikale Profile über flachem Terrain

Zusammenfassung

In diesem Kapitel werden die grundlegenden Gesetze für die Form der vertikalen Profile von Windgeschwindigkeit und Turbulenz in einer flachen, horizontal homogenen atmosphärischen Grenzschicht (ABL) über Land vorgestellt, da dies der einfachste Oberflächentyp ist.

Stefan Emeis

4. Winde in komplexem Terrain

Zusammenfassung

Immer mehr Onshore-Windkraftanlagen werden nicht in flachen Regionen in Küstennähe, sondern in komplexem (d. h. hügeligem oder bergigem) Gelände errichtet. Die bevorzugten Standorte in komplexem Gelände befinden sich in erhöhten Lagen, z. B. auf Bergkuppen. In diesem Kapitel werden daher einige der wichtigsten Strömungsmerkmale vorgestellt, die die Windenergieerträge in komplexem Gelände beeinflussen.

Stefan Emeis

5. Offshore-Winde

Zusammenfassung

Dieses Kapitel beschäftigt sich mit der marinen atmosphärischen Grenze (MABL). Die Besonderheiten der Wind- und Turbulenzprofile über dem Meer sind sehr wichtig, da in Zukunft ein immer größerer Anteil der Windenergie in Offshore-Windparks erzeugt werden wird. Obwohl die Meeresoberfläche vollkommen flach ist, unterscheiden sich diese Windeigenschaften teilweise von den in Kap. 3 vorgestellten Profilen über homogenem Land.

Stefan Emeis

6. Physik der Windparks

Zusammenfassung

Die Beurteilung der meteorologischen Bedingungen in Windparks bedarf einer besonderen Behandlung, da hier die Anströmung der meisten Anlagen im Parkinneren nicht mehr ungestört ist. Die von den windaufwärts stehenden Turbinen erzeugten Wirbel können die windabwärts stehenden Turbinen massiv beeinflussen. Eine spezielle räumliche Anordnung der Turbinen in kleineren Windparks in Bezug auf die mittlere Windrichtung kann dazu beitragen, die Nachlauf-Turbinen-Interaktionen zu minimieren. Bei größeren Windparks sind jedoch Nachlauf-Turbinen-Interaktionen im Parkinneren unvermeidlich, und das Verhältnis zwischen mittlerem Turbinenabstand und Rotordurchmesser wird zum Hauptparameter, der die Parkeffizienz bestimmt.

Stefan Emeis

7. Quellen für Winddaten

Zusammenfassung

Die Ressource für die Energieerzeugung durch Windkraftanlagen ist der Wind. Dieses Kapitel nennt Quellen für Winddaten. Dabei werden verschiedene Windmessmethoden und Simulationsdaten vorgestellt. Zudem werden wichtige Methoden für Windstatistiken präsentiert.

Stefan Emeis

8. Geräuscherzeugung und Geräuschausbreitung

Zusammenfassung

Windkraftanlagen erzeugen beim Betrieb Lärm (Wagner et al. in Wind turbine noise. Springer Science und Business Media, S. 204, 1996; Tian et al. in Wind turbine noise modelling based on Amiet’s theory. Denver, CO, United States, 2013), die lästig sein und zu gesundheitlichen Beeinträchtigungen führen können (Harrison in Wind turbine noise. Bulletin of Science, Technology und Society, S. 256–261, 2011). Lärm mit einer Frequenz unterhalb der üblichen menschlichen Wahrnehmungsgrenze von 20 Hz wird als Infraschall bezeichnet. In diesem Kapitel geht es nicht um Lärmerzeugung und Gesundheitsfragen, sondern hauptsächlich um die meteorologischen Aspekte der Lärmausbreitung, die stark von den meteorologischen Bedingungen abhängt.

Stefan Emeis

9. Andere meteorologische Fragen

Zusammenfassung

Die Energieerzeugung aus dem Wind wird nicht nur durch Wind und Temperatur und deren vertikale Gradienten beeinflusst – wie in den vorangegangenen Abschnitten beschrieben -, sondern auch durch andere meteorologische Variablen. Die wichtigsten sind atmosphärisches Wasser – das zu Vereisung führen kann -, elektrische atmosphärische Phänomene (insbesondere Blitze) und in der Luft schwebende Partikel.

Stefan Emeis

10. Ausblick

Zusammenfassung

Dieses Kapitel ist nicht dazu gedacht, die wichtigsten Punkte der vorangegangenen Kapitel zusammenzufassen. Dies wurde bereits in den abschließenden Unterkapiteln der einzelnen Kap. 3, 4, 5, 6, 7, 8 und 9 getan. Vielmehr wollen wir versuchen, einen kurzen Blick auf mögliche zukünftige Entwicklungen und einige Einschränkungen für die Verwendung des Materials in diesem Buch zu werfen. Dies betrifft sowohl technische Aspekte als auch Bewertungsmethoden für meteorologische Bedingungen und mögliche Klimaauswirkungen der großtechnischen Windenergiekonversion.

Stefan Emeis

Titel: Windenergie Meteorologie
verfasst von: Stefan Emeis
Verlag: Springer International Publishing
Electronic ISBN: 978-3-031-22446-1
Print ISBN: 978-3-031-22445-4
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-031-22446-1