Ermittlung designrelevanter Belastungsparameter für Offshore-Windkraftanlagen

In der vorliegenden Arbeit werden Ergebnisse von Messungen der Wind- und Turbulenzverhaltnisse zwischen 30 und 100 m Hohe uber See im Gebiet der Deutschen Bucht auf Basis von vier Jahren Daten prasentiert. Die mittleren gemessenen Grosen der Windgeschwindigkeit (Jahresmittel 9,9 m/s in 90 m Hohe) und -richtung (Hauptwindrichtung aus West-Sudwest) entsprechen im Wesentlichen den z. B. vom Bundesamt fur Seeschifffahrt und Hydrografie (BSH) getroffenen Vorhersagen fur diese Region. Erstmals konnten zusatzlich Vertikalprofile der Windgeschwindigkeit, der Turbulenzintensitat, der extrapolierten Extremereignisse der Windgeschwindigkeit und anderer wichtiger Grosen im Bereich zwischen dem unteren Ende der Rotorflache (etwa 30 m) und der Nabenhohe (etwa 90-100 m) der geplanten Offshore-Windkraftanlagen der 5 MW Klasse auf Basis eines mehrjahrigen, qualitativ hochwertigen Datensatzes mit einer Hohenauflosung von 10 m fur verschiedene Windgeschwindigkeitsbereiche und atmospharische Stabilitatsverhaltnisse bestimmt werden. Fur einige der untersuchten Grosen wurde auch die Abhangigkeit vom Wellenalter betrachtet. Der Vertikalgradient der Windgeschwindigkeit ist zwischen 30 und 100 m Hohe in den meisten Situationen vor allem aufgrund der geringen Oberflachenrauhigkeit uber See deutlich geringer als uber den meisten Landoberflachen. Der Bereich der grosten Windgeschwindigkeitsabnahme zum Boden hin liegt typischerweise unterhalb der untersten Messhohe von 30 m, was darauf hindeutet, dass die Obergrenze der Prandtl-Schicht in den meisten Fallen (vor allem bei niedrigen bis mittleren Windgeschwindigkeiten) ebenfalls unterhalb von 30 m liegt. Die Turbulenzintensitat zeigt eine ausgepragte Hohen- und Windgeschwindigkeitsabhangigkeit: Mit zunehmender Windgeschwindigkeit nimmt die Turbulenzintensitat aufgrund der groser werdenden Wellenhohe und somit Oberflachenrauhigkeit zu, mit zunehmender Hohe nimmt die Turbulenzintensitat wegen des geringer werdenden Einflusses der Oberflachenrauhigkeit ab. Im Mittel ist das Niveau der Turbulenzintensitat jedoch wesentlich niedriger als uber den meisten Landoberflachen. Die Vertikalprofile der extrapolierten Extremereignisse des 10-Minuten Mittels und der 1- bzw. 3-Sekunden Bo der Windgeschwindigkeit zeigen erwartungsgemas einen Anstieg mit der Hohe. Der extrapolierte 50-Jahres Wert des 10-Minuten Mittels betragt in 90 m Hohe 42,4 m/s, der entsprechende Wert der 3-Sekunden Bo betragt 51,1 m/s. Neben der Untersuchung dieser mittleren Grosen - in der Regel auf 10-Minuten Mittelwerten basierend - wurden zweieinhalb Jahre von Ultraschallanemometermessungen mit einer zeitlichen Auflosung von 10 Hz ausgewertet, um wichtige turbulente Grosen wie z. B. die Fluktuationen der Windkomponenten und deren Verhaltnis zur Schubspannungsgeschwindigkeit u*, die raumliche 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 ahnlichen Bereich, wie in fruheren Arbeiten berichtet. Bei der raumlichen Struktur zeigt sich unter anderem eine im Mittel vorwarts geneigte Ausrichtung der Turbulenzelemente. Die Starke der Vorwartsneigung hangt dabei vor allem von der Windgeschwindigkeit ab. Die turbulenten Langenskalen, die ein Mas fur die (horizontale) Ausdehnung von Turbulenzelementen liefern, zeigen auser von der Hohe uber Grund kaum direkte Abhangigkeiten von anderen Standardparametern. Ein gesondertes Kapitel dieser Arbeit ist dem Vergleich der gefundenen Ergebnisse mit den konkreten Vorgaben und Lastfallen der IEC-Normen fur Windkraftanlagen (IEC 61400-1 und 61400-3) gewidmet. Dieser Vergleich bietet die Moglichkeit, die in den Normen getroffenen Annahmen zu uberprufen und gegebenenfalls zu modifizieren. Es zeigt sich, dass die in den Normen gemachten Vorgaben fur die meisten relevanten Lastgrosen ausreichend konservativ sind.