Description
1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1 Umfang des Buches. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 berblick ber die vorhandene Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.3 Geschichte der Windenergieerzeugung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.4 Potenzial der Windenergieerzeugung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.5 Aktueller Stand der Windenergieerzeugung . . . . . . . . . . . . . . 5 1.6 Aufbau dieses Buches. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2 Windregime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1 Globale Zirkulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.2 Antreibende Krfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2.1 Hydrostatische Gleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2.2 Impulsbilanzgleichungen fr den Wind . . . . . . . . 12 2.3 Geostrophische Winde und Gradientenwinde. . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.4 Thermische Winde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.5 Winde in der Grenzschicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.6 Gewitterben und Tornados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.7 Luftdichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.8 Thermische Schichtung der Luft 2.8.1 Das geostrophische Widerstandsgesetz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3 Vertikale Profile ber ebenem Gelnde. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.1 Prandtl-Schicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … 25 3.1.1 Logarithmisches Windprofil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.1.2 Potenzgesetz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.1.3 Vergleich zwischen logarithmischem und Potenzgesetz . . . . . 33 3.1.4 Vertikales Windprofil bei groen Windgeschwindigkeiten . . . . . . 40 3.2 Profilgesetze oberhalb der Prandtlschicht. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.2.1 Gleichungen der Ekman-Schicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.2.2 Trgheitsschwingungen in der Ekman-Schicht . . . . . . . . . 42 3.2.3 Vertikale Windprofile in der Ekman-Schicht . . . . . . . . 42 3.2.4 Einheitliche Beschreibung des Windprofils fr die Grenzschicht . … 43 3.3 Spektren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.4 Tageszeitliche Schwankungen des Windprofils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.4.1 Vertikale Profile der Weibull-Parameter . . . . . . . . . 51 3.4.2 Low-Level Jets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.5 Interne Grenzschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.6 Wind- und Turbulenzprofile ber Wldern . . . . . . . . . . . . . 61 3.7 Winde in Stdten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.7.1 Merkmale der stdtischen Grenzschichten . . . . . . . . . . 63 3.7.2 Vertikale Profile von Wind und Turbulenz . . . . . . . . . 65 3.7.3 Spezielle Strmungsphnomene in stdtischen Bestandsschichten . . . . 67 3.8 Zusammenfassung fr flaches Gelnde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4 Winde in komplexem Gelnde. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 4.1 Merkmale von Grenzschichten ber komplexem Terrain . … 76 4.1.1 Berg- und Talwinde. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.1.2 Katabatische Winde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.2 Windprofile ber einem Hgel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.2.1 Potentialstrmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 4.2.2 Modifizierte Potentialstrmung: Hinzufgen einer inneren Schicht . . 83 4.2.3 Modifizierte Potentialstrmung: Bercksichtigung der thermischen Stabilitt … 86 4.3 Windprofile ber Gelndestufen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 4.4 Schroffheit des Gelndes 4.5 Spektren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 4.6 Tageszeitliche Schwankungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 4.7 Zusammenfassung fr komplexes Terrain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 5 Winde ber See . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 5.1 Merkmale der marinen Grenzschichten . . . . . . . . . . . . . 96 5.1.1 Rauheit der Meeresoberflche und Widerstandskoeffizient . . . . . . . . . 96 5.1.2 Fetch- und stabilittsabhngige Wellenbildung . . . . . . 101 5.1.3 Extreme Wellenhhen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 5.1.4 Wellenalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 5.1.5 Auswirkungen des vertikalen Feuchteprofils . . . . . . . . . . . . . 109 5.1.6 Jhrliche und tageszeitliche Schwankungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 5.2 Vertikale Profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 5.3 Extreme Windgeschwindigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 5.4 Turbulenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 5.4.1 Turbulenzintensitt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 5.4.2 Varianzen der Windgeschwindigkeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 5.4.3 Turbulenzlngenskalen und Neigungswinkel . . . . . . 122 5.4.4 Gust-Ereignisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 5.5 Weibull-Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 5.6 Ksteneffekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 5.6.1 Land- und Seewinde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 5.6.2 Low-Level Jets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 5.7 Zusammenfassung fr marine Grenzschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 6 Physik der Windparks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 6.1 Turbinennachlufe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 6.2 Windparknachlufe 6.2.1 Beobachtungen 6.2.2 Analytisches Modell fr die mittlere Windgeschwindigkeit in Windparks . . . . . . 138 6.2.3 Analytisches Modell fr Windparknachlufe . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 6.2.4 Anwendung des analytischen Modells mit FINO1-Stabilittsdaten . . . . . 146 6.3 Das Risiko, dass ein Tornado einen Windpark trifft . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 6.4 Zusammenfassung fr Windparks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 6.5 Beobachtete Windpark-Nachlufe 172 6.6 Auswirkungen des berschreitens der Grenzwindgeschwindigkeit 173 6.7 Das Risiko, dass ein Tornado einen Windpark trifft 177 6.8 Zusammenfassung fr Windparks 179 7 Quellen fr Winddaten 7.1 Messungen 7.1.1 In-situ-Messungen 7.1.2 Bodengesttzte Fernerkundung 7.1.3 Bestimmung der Mischungsschichthhe 7.1.4 Satellitendaten 7.1.5 Reprsentativitt und Qualitt der gemessenen Winddaten 7.2 Modelle 7.2.1 Analytische Modelle 7.2.2 Numerische Modelle 7.2.2.1 Prognosemodelle 7.2.2.2 Reanalysedaten 7.2.2.3 Large-Eddy-Simulationen 7.2.2.4 CFD-Modelle 7.2.2.5 Das Problem der Lcke zwischen der Meso- und der Mikroskala 7.3 Statistische Werkzeuge 7.3.1 Zeitreihenanalyse 7.3.2 Mittleres Windgeschwindigkeitsspektrum und die Weibull-Verteilung 7.3.3 Extreme mittlere Windgeschwindigkeiten und die Gumbel-Verteilung 7.3.4 Extreme Ben 7.3.5 Dauer der Ben und Windbeschleunigung in Ben 7.3.6 Gre der Turbulenzelemente 7.3.7 Messen – Korrelieren – Vorhersagen (MCP) 8 Lrmerzeugung und Lrmausbreitung 8.1 Lrmerzeugung 8.2 Definition von Schallpegeln 232 8.3 Schallausbreitung 232 8.3.1 Schalldmpfung 233 8.3.2 Schallrefraktion 235 8.4 Zusammenfassung 236 9 Sonstige meteorologische Fragen 9.1 Vereisung 9.2 Blitzschlag 9.3 Aerosole, Salz, Staub 9.4 Zusammenfassung 10 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 10.1 Gre der Windturbinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 10.2 Gre der Offshore-Windparks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 10.3 Andere Techniken zur Umwandlung von Windenergie . . . . . . . . . . 156 10.4 Neue Mess- und Modellierungsinstrumente zur Beurteilung der Windverhltnisse . . 156 10.5 Windressourcen und Klimawandel . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 10.6 Auswirkungen der groflchigen Windenergiegewinnung auf Wetter und Klima. . . .158 Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
