Ursachen von Yaw-Fehlern
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 erfasst, sondern die Windrichtung des unmittelbaren Nachlaufs. Dieser weist jedoch eine durch den Rotor aufgezwungene verdrallte Strömung mit starken Turbulenzen auf, weshalb Hersteller von Windenergieanlagen entsprechende Korrekturfunktionen in der Turbinensteuerung berücksichtigen müssen. Diese Korrekturfunktionen müssten jedoch an die jeweiligen Umgebungsbedingungen angepasst werden, um beispielsweise Geländeeinflüsse und insbesondere den Einfluss benachbarter Anlagen zu berücksichtigen. Die Hersteller nehmen die notwendigen Anpassungen vor Ort jedoch nicht vor, sodass viele Anlagen nicht korrekt ausgerichtet sind. Dieses Problem wird häufig durch falsch ausgerichtete Windfahnen oder falsch kalibrierte Anemometer verschärft. Das Problem kann bereits ab Werk bestehen oder durch Servicemitarbeiter während des Betriebs verursacht werden, z. B. bei Arbeiten auf dem Gondeldach. Den Betreibern fehlt jedoch die Messtechnik, um die entsprechenden Fehler zu erkennen, was zu erheblichen Leistungsverlusten und höheren Wartungskosten durch erhöhte mechanische Belastungen führt.
Bestimmung der Leistungsverluste
Ist der Rotor der Windenergieanlage senkrecht zur Rotorebene ausgerichtet, entspricht die Anströmfläche A der vom Rotor überstrichenen Fläche. Bei einer Gondel-Fehlstellung hingegen wird die Anströmfläche und damit der effektive Luftmassenstrom um den Faktor cos(γ) reduziert.
Häufig wird ein Modell verwendet, das auf der Annahme basiert, dass nur die Windgeschwindigkeitskomponente in axialer Strömungsrichtung zur Leistungsumsetzung beiträgt. Die Vektorzerlegung der Windgeschwindigkeit ergibt ebenfalls eine Reduzierung der Geschwindigkeitskomponente um den Faktor cos(γ). Aufgrund der kubischen Abhängigkeit der Rotorleistung von der Geschwindigkeit ergibt sich aus dieser Betrachtung folgender funktionaler Zusammenhang:
Die aus dem vereinfachten Strömungsmodell abgeleitete cos³(γ)-Abhängigkeit gibt jedoch nicht die aerodynamischen Effekte realer Strömungen wieder, die den Leistungsbeiwert beeinflussen.
Messungen im Windkanal zeigen eine Abhängigkeit des Leistungsverlustes durch die Fehlstellung von einem Exponenten von mindestens 1,80 und darüber[1][2][3].
Systematische Untersuchungen von Windparks zeigen, dass mehr als die Hälfte der Windenergieanlagen eine Yaw-Fehlstellung von mehr als 4° aufweist [4].
