Gondelfehlstellungen und ihre Auswirkungen auf die Leistung einer Windenergieanlage

Ursachen der Gondelfehlstellung

Die Messtechnik von Windenergieanlagen zur Windrichtungsbestimmung befindet sich auf dem Dach der Gondel (engl. Nacell) stromabwärts (Lee) 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.

Jene 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 HerstellerInnen nicht vorgenommen, wodurch viele Anlagen nicht korrekt ausgerichtet sind.

Dieses Problem wird häufig noch, durch fehlerhaft ausgerichtete Windfahnen bzw. fehlerhaft kalibrierte Anemometer, verstärkt. Das Problem kann bereits werksseitig bestehen oder im laufenden Betrieb, bspw. bei Arbeiten auf dem Gondeldach durch ServicearbeiterInnen, verursacht werden. Dem Betreibendem fehlt jedoch die Messtechnik, um entsprechende Fehstellungen festzustellen, was starke Leistungseinbußen und höhere Wartungskosten, aufgrund stärkerer mechanischer Lasten, nach sich zieht.

Bestimmung der Leistungseinbußung

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

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

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 über 4° aufweisen [4].