DE19926553A1 - Windparkbetrieb - Google Patents

Abstract

Bei der Planung und der Realisierung von Windparks spielen die zu erwartenden Schallemissionen eine zunehmende wichtige Rolle für die Genehmigung und Akzeptanz. Die dazu nötigen Schallimmissionsberechnungen basieren in der Regel auf vermessenen Schalleistungspegeln (L¶w¶) der Windenergieanlagen und werden mit gängigen Softwareprogrammen durchgeführt. Auch finden immer häufiger Schallimmissionsmessungen statt, so daß an einem bestimmten Immissionspunkt (außerhalb oder innerhalb des Windparks) der Schallpegel einer einzelnen Anlage oder der Schallpegel eines gesamten Windparks ermittelt werden kann. Ist der Immissionspunkt ein einzelnes Haus, eine Siedlung o. dgl., muß dort gemäß den gesetzlichen und ordnungspolitischen Vorschriften ein gewisser Schalleistungspegel wenigstens über bestimmte Zeiten, beispielsweise zwischen 22.00 Uhr abends und 6.00 Uhr morgens, eingehalten werden. Auch ist es nicht erlaubt, den Schalleistungspegel an einem Immissionspunkt, z. B. einer Siedlung, tagsüber über alle Maßen anwachsen zu lassen. DOLLAR A Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, trotz Einhaltung der Schalleistungsgrenzwerte an einem oder mehreren Immissionspunkten den Energieertrag des Windparks je nach Uhrzeit, Windrichtung und Windstärke zu maximieren. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb des Windparks, bestehend aus wenigstens einer Windenergieanlage, wobei in Abhängigkeit der Windrichtung und/oder der Windstärke und/oder der Uhrzeit die (Maximal)Drehzahl einer ...

Description

Bei der Planung und der Realisierung von Windparks spielen die zu erwartenden Schallemissionen eine zunehmende wichtige Rolle für die Genehmigung und Akzep­ tanz. Die dazu nötigen Schallimmissionsberechnungen basieren in der Regel auf vermessenen Schalleistungspegeln (L_W) der Windenergieanlagen und werden mit gängigen Softwareprogrammen durchgeführt. Auch finden immer häufiger Schall­ immissionsmessungen statt, so daß an einem bestimmten Immissionspunkt (außerhalb oder innerhalb des Windparks) der Schallpegel einer einzelnen Anlage oder der Schallpegel eines gesamten Windparks ermittelt werden kann. Ist der Immissionspunkt ein einzelnes Haus, eine Siedlung o. dgl., muß dort gemäß den gesetzlichen und ordnungspolitischen Vorschriften ein gewisser Schalleistungspegel wenigstens über bestimmte Zeiten, beispielsweise zwischen 22.00 Uhr abends und 6.00 Uhr morgens eingehalten werden. Auch ist es nicht erlaubt, den Schallei­ stungspegel an einem Immissionspunkt, z. B. einer Siedlung, tagsüber über alle Maßen anwachsen zu lassen.

Dem Interesse, an einem oder mehreren Immissionspunkten die geforderten Schalleistungspegel einzuhalten, steht das Interesse des Windparkbetreibers gegenüber, mit dem Windpark die maximal größte Energieausbeute zu erzielen. Mittels einer nächtlichen Totalabschaltung aller Windenergieanlagen des Windparks wäre zwar der Einhaltung von Schallgrenzwerten genüge getan, der gesamte Windparkbetrieb wäre dann jedoch sehr ineffektiv.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, trotz Einhaltung der Schallei­ stungsgrenzwerte an einem oder mehreren Immissionspunkten den Energieertrag des Windparks je nach Uhrzeit, Windrichtung und Windstärke zu maximieren. Die Aufgabe wird mittels eines Verfahrens nach Anspruch 1, 6, 7 oder 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Schallemission einer Wind­ energieanlage von verschiedenen Parametern und Kategorien abhängt. Grob betrachtet kann die Schallentwicklung in zwei Kategorien unterteilt werden. Eine Kategorie ist die Tonhaltigkeit, d. h. die Schallentwicklung vom Maschinenteil (Antriebteil) der Windenergieanlage. Dies wird auch als sogenannter mechanischer Schall bezeichnet. Die andere Kategorie ist ein breitbandiges Geräusch der Wind­ energieanlage, hervorgerufen durch aerodynamischen Schall von den Rotorblättern und sonstige breitbandige Maschinengeräusche, z. B. von Lüftern.

Der sogenannte mechanische Schall kann von verschiedenen mechanischen Komponenten, wie z. B. Generator und/oder Getriebe herrühren. Der Schall wird z. B. über die Struktur der Anlage übertragen und von deren Oberflächen abge­ strahlt. Dieser Schall hat in der Regel tonhaltigen Charakter, d. h. die Schallabstrah­ lung läßt sich einer bestimmten Frequenz zuordnen. Die Schallquellen können bestimmt werden, so daß entsprechende Gegenmaßnahmen getroffen werden können (z. B. Körperschallentkopplung).

Der Schalleistungspegel einer Windenergieanlage wird jedoch im wesentlichen von den aerodynamischen Geräuschen bestimmt, die von den Luftströmungen an den Rotorblättern hervorgerufen werden. Da sich die Schallentwicklung etwa in fünfter Potenz zur Blattspitzengeschwindigkeit verhält, bedeutet erhöhte Drehzahl immer auch erhöhte Schallemission. Dieses Geräusch weist ein breitbandiges Frequenz­ spektrum auf. Für einen Rotordurchmesser von 40 m wurde eine Änderung des Schalleistungspegels um 1 dB(A) pro Rotorumdrehung in der Minute ermittelt. Hierbei ist zu beachten, daß eine Reduktion des Schall-Leistungspegels um 3 dB(A) bereits eine Halbierung (akustisch hörbar) dieser Größe entspricht.

Die Abhängigkeit des Schalleistungspegels (in Dezibel) von der Drehzahl einer Windenergieanlage ist in Fig. 1 dargestellt. Hierbei handelt es sich um eine Wind­ energieanlage vom Typ E-66 der Firma Enercon. Es ist hierbei zu erkennen, daß bei einer Windenergieanlage dieses Typs bei einer Drehzahl von 22 Umdrehungen pro Minute der abgestrahlte Schall etwa 104 bis 105 dB beträgt, während der Schall­ leistungspegel bei einer Drehzahl von etwa 20 Umdrehungen pro Minute bereits auf etwa 101 dB absinkt.

Die gesetzlichen Bestimmungen zur Einhaltung der Schallgrenzwerte fordern je nach Standort (Wohn-, Misch-, Industriegebiet) und Uhrzeit bestimmte Werte. In der Regel sind z. B. zwischen 22 Uhr abends und 6 Uhr morgens deutlich niedrigere Werte einzuhalten als tagsüber.

Es wird daher vorgeschlagen, entweder den Systemwirkungsgrad einer Wind­ energieanlage zu erniedrigen, d. h. die gewünschte Generatorleistung bei geringeren Drehzahlen zu fahren (andere Drehzahl-Leistungskennlinie) oder, falls dies nicht ausreicht, die Drehzahl und damit indirekt auch die Generatorleistung zu reduzieren. Beide Möglichkeiten können mittels einer elektrischen Steuerung während der Nacht oder zu anderen kritischen Zeiten angewendet werden.

Eine getriebefreie, drehzahlvariable Windenergieanlage mit einstellbarer Drehzahl- Leistungskennlinie (beispielsweise vom Typ E-12, E-30, E-40, E-58, E-66 der Firma Enercon) in Verbindung mit der erfindungsgemäßen flexiblen Steuerung bietet die Möglichkeit, die Windenergieanlagen uhrzeitabhängig mit begrenzten Maximal- Drehzahlen und somit geringeren Schalleistungspegeln zu betreiben.

In einem Windpark mit einer Gruppe von mehreren Windenergieanlagen, die in mehreren Reihen aufgestellt sind, trifft der Wind unter bestimmten Windrichtungs­ bedingungen zuerst auf die erste Reihe von Windenergieanlagen. Diese entziehen dem Wind kinetische Energie und die Windgeschwindigkeit wird somit verringert. Die zweite Reihe von Anlagen, die hinter der ersten Reihe angeordnet sind (immer aus Sicht der Windrichtung) erfahren also eine kleinere Windgeschwindigkeit als die erste Reihe. Die nächste Reihe (usw.) erfährt eine noch geringere Windgeschwin­ digkeit. Entsprechend der Höhe der Windgeschwindigkeit verhält sich auch die Rotordrehzahl bei Anlagen mit variabler Drehzahl und damit verbunden sinkt die erzeugte elektrische Leistung mit schwächerem Wind bei solchen Anlagen, die hinter der ersten Reihe plaziert sind.

Somit ergibt sich schon aus der Aufstellung der Anlagen im Windpark eine Ab­ stufung in den Schalleistungspegeln der einzelnen Anlagen.

Muß nun an einem oder mehreren Immissionspunkten außerhalb des Windparks die gesetzliche Vorschrift zur Einhaltung von maximalen Schallpegeln eingehalten werden, wird erfindungsgemäß zur Steuerung der einzelnen Anlagen des Wind­ parks vorgeschlagen, daß diese so betrieben werden, daß am Immissionspunkt (oder an den Immissionspunkten) die ankommenden Gesamt-Schallpegel so niedrig sind, daß vorgegebene Grenzwerte eingehalten werden.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel eines Windparks, bei dem jeweils drei Windenergieanlagen in drei Reihen angeordnet sind. Als Immissionspunkt A sei ein einzelstehendes Haus angenommen und der Wind trifft auf den Windpark aus Richtung des Hauses, also des Immissionspunktes A. Aus oben erwähnten Gründen ist die Windge­ schwindigkeit für die Anlagen der ersten Reihe (Nr. 1, 4, 7) am größten, während der Wind auf die Anlagen in den nachfolgenden Reihen mit einer geringeren Wind­ geschwindigkeit trifft. Durch die höhere Windgeschwindigkeit wäre ohne die erfin­ dungsgemäße Steuerung auch die Drehzahl der Anlagen der ersten Reihe größer als die Drehzahl der Anlagen der zweiten Reihe. Aus den bereits beschriebenen Erwä­ gungen hat dies zur Folge, daß die Windenergieanlagen der ersten Reihe den größten Schallpegel erzeugen, was bezüglich des Immissionspunktes um so schwerwiegender ist, weil die Anlagen der ersten Reihe diejenigen sind, die dem Immissionspunkt A am nächsten liegen.

Wie aus Fig. 2 zu entnehmen ist, wird der Windpark 10 mit den Windenergie­ anlagen 1-9 mittels einer Datenverarbeitungseinrichtung (z. B. Computer) 11 gesteuert. Die Datenverarbeitungseinrichtung verarbeitet u. a. auch Werte über die Windrichtung, Windgeschwindigkeit, Uhrzeit sowie Schallpegel, die am Immissions­ punkt A gemessen wurden oder aufgrund von vorherigen Messungen dort an­ genommen werden können. Die Werte für die Windgeschwindigkeit bzw. Windrich­ tung können auch von entsprechenden Meßeinrichtungen an den Windenergie­ anlagen übermittelt werden. Mittels der Datenverarbeitungseinrichtung ist die gesamte Steuerung aller Windenergieanlagen des Windparks (oder eines Teils hiervon) möglich, und die Datenverarbeitungseinrichtung steuert je nach Ermittlung der Daten für Uhrzeit, Windrichtung, Windgeschwindigkeit und/oder Schalleistungs­ pegel am Immissionspunkt A Steuereinheiten der Windenergieanlagen 1-9, so daß deren Drehzahl reduziert wird bzw. die zu steuernde Anlage in einer anderen Drehzahl-Leistungskennlinie betrieben wird. Eine Verminderung der Drehzahl einer Windenergieanlage kann bedeuten, daß auch die Leistung entsprechend vermindert wird. Es ist durchaus möglich, daß bei verminderter Drehzahl die Leistung der Windenergieanlage gleich bleibt, weil gleichzeitig durch eine Pitchregelung der Rotorblätter (ist von Windenergieanlagen vom Typ E-40 bekannt) es auch möglich ist, die Windenergieanlagen mit einer anderen Drehzahl-Leistungskennlinie zu betreiben.

Bei der erfindungsgemäßen Windparksteuerung werden die Anlagen der ersten Reihe in ihrer Leistung und/oder Drehzahl drastisch reduziert, weil die Entfernung zum Haus A am nächsten ist und diese Anlagen daher den größten Beitrag zum Schallimmissionspegel liefern. Die Anlagen der zweiten Reihe (Nr. 2, 5, 8) erhalten dadurch eine höhere Windgeschwindigkeit und produzieren somit eine höhere Leistung. Ohne die erfindungsgemäße Regelung würde sich automatisch eine fallende Leistung bzw. ein fallender Schalleistungspegel der Windenergieanlage in Windrichtung ergeben. Mit der erfindungsgemäßen Steuerung (Regelung) der Windenergieanlage wird die natürliche Aufteilung mehr oder weniger gespiegelt, ohne dabei nennenswerte elektrische Arbeit (kWh) zu verlieren, weil die Leistung, um die die Anlagen der ersten Reihe beschnitten werden, von den Anlagen der folgenden Windreihen erbracht werden kann.

Dies sei an einem Berechnungsbeispiel näher erläutert. Hierbei wird die in Fig. 2 dargestellte Szenerie angenommen mit einem Windpark mit neun Windenergie­ anlagen vom Typ E-40 (Enercon), einer Windgeschwindigkeit in Reihe 1 (Anlagen 1, 4, 7) von 12 m/sec. mit einem Abstand der Anlagen untereinander von jeweils 300 m und mit einem Abstand der Anlage 2 zum Immissionspunkt A von 400 m.

Daraus ergibt sich bei Standardbetriebsweise folgende Verteilung von Leistung und Schalleistungspegel:

Der am Immissionspunkt A auftretende Schallpegel würde in diesem Fall etwa 42 dB(A) betragen. Für den Fall, daß während des Nachtzeitraums ein Schallpegel von 40 dB(A) am Immissionspunkt eingehalten werden muß, gibt es folgende Möglichkeiten.

Bei nicht drehzahlvariabel betriebenen Anlagen muß z. B. die dem Immissions­ punkt A am nächsten liegende Anlage (Nr. 2) abgeschaltet werden. Hieraus resul­ tiert der Verlust der durch diese Anlage ansonsten erzeugter Leistung.

Bei drehzahlvariabel zu betreibenden Anlagen vom Typ E-40 (diese Anlagen lassen sich auch mit verschiedenen Drehzahl-Leistungskennlinien fahren) und bei der erfindungsgemäßen Windparksteuerung kann die gesamte Reihe 1 des Windparks in der Drehzahl (und ggf. auch in der Leistung) reduziert werden, während ent­ sprechend die beiden anderen Reihen aufgrund der sich dann einstellenden höheren Windgeschwindigkeiten mit erhöhter Leistung betrieben werden. Die dadurch ebenfalls erhöhten Schalleistungspegel der Anlagen der zweiten und dritten Reihe tragen jedoch aufgrund ihrer Entfernung nicht relevant zum Schallpegel am Immis­ sionsort A bei. Hierbei stellen sich dann z. B. folgende Werte ein:

Damit ergibt sich am Immissionsort A ein Schallpegel von etwa 40 dB(A) ohne Abschaltung einer Anlage.

Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Windparkbetriebsverfahrens liegt darin, daß bei Planung von Windparks mit knapp (oder schwer) einzuhaltenen Schallimmissionspegeln etwas großzügiger geplant werden kann, da Schallgrenz­ werte im wesentlichen nur nachts eingehalten werden müssen. Dies erlaubt unter Umständen auch die Aufstellung von einer Anlage mehr (als was sonst möglich wäre), was sich positiv auf die Wirtschaftlichkeit eines Windparkprojektes aus­ wirken kann, weil die vorhandene Windparkfläche besser ausgenutzt wird.

Claims (9)

1. Verfahren zum Betrieb eines Windparks, bestehend aus wenigstens einer Windenergieanlage, wobei in Abhängigkeit der Windrichtung und/oder der Wind­ stärke und/oder der Uhrzeit die (Maximal)Drehzahl einer Windenergieanlage derart eingestellt wird, daß an einem vorbestimmten Immissionspunkt ein vorbestimmter Schallpegel nicht überschritten wird.

2. Verfahren zum Betrieb eines Windparks nach Anspruch 1, wobei am Immissionspunkt der Schallpegel gemessen wird, der gemessene Wert von einer Datenverarbeitungsanlage verarbeitet wird, mittels der die Windenergie­ anlagen des Windparks gesteuert werden.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Verringerung der Drehzahl einzelner Wind­ energieanlagen die Gesamtleistung des Windparks nicht oder nur geringfügig, beispielsweise bis zu 25% reduziert wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Windpark wenigstens zwei Windenergieanlagen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Wind, dessen Windrichtung im wesentli­ chen vom Immissionspunkt zum Windpark verläuft, die Windenergieanlage oder Anlagen, die dem Immissionspunkt am nächsten liegt oder liegen, in ihrer Leistung und/oder Drehzahl reduziert werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Windenergieanlagen drehzahlvariable Windener­ gieanlagen sind.

6. Verfahren zum Betreiben eines Windparks, bei dem die Drehzahl und/oder Leistung von ersten Windenergieanlagen, auf die der Wind zuerst trifft, unter ihren maximal möglichen Wert eingestellt wird/werden, so daß auch die zweiten An­ lagen, die in Windrichtung hinter den ersten Anlagen stehen, den Wind mit einer höheren Windgeschwindigkeit erfahren.

7. Verfahren zum Betreiben eines Windparks, bestehend aus ersten und zweiten Anlagen, wobei die ersten Anlagen in Windrichtung vor den zweiten Anlagen plaziert sind und die ersten Anlagen eine geringere Drehzahl und/oder eine geringere Leistung erzeugen, als die zweiten Anlagen.

8. Verfahren zum Betreiben eines Windparks, bestehend aus einer Vielzahl von Windenergieanlagen, die in einem unterschiedlichen Abstand zu einem Immissions­ punkt angeordnet sind, wobei die Drehzahl der Windenergieanlagen, die vom Immissionspunkt am weitesten entfernt liegen, größer ist als die Drehzahl der Anlagen, die dem Immissionspunkt am nächsten liegen und/oder daß die erzeugte Leistung der Windenergieanlagen, die vom Immissionspunkt am weitesten entfernt liegen, größer ist als die Leistung der Windenergieanlagen, die dem Immissions­ punkt am nächsten liegen.

9. Windpark mit wenigstens einer Windenergieanlage, bei dem die Windener­ gieanlagen des Windparks oder ein Teil hiervon mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche gesteuert werden.