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News  – Nachrichten aus der Energieforschung

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Der Oktokopter trägt die Messtechnik und kann präzise durch Windparks gesteuert werden.
© Physikalisch-Technische Bundesanstalt – PTB
Windenergie
21.03.2018

Messelektronik mit HF-Frontend, Präzisionsnavigation sowie der FPGA-basierten Digitalisierungs- und Speicherkarte im Schirmgehäuse
© Physikalisch-Technische Bundesanstalt – PTB

Messung eines Radarsignals hinter einem Windpark – Ausschnitt aus einem On-Bord-Video des Qktokopters
© Physikalisch-Technische Bundesanstalt – PTB

Aufgezeichnete Signale eines DVOR (normierte Phasen des AM- und FM-Signals) im Raum auf ca. 140 m Höhe beim Betrieb, dem Herunterfahren und dem Stop der vier WEA. Auffällig ist die Modulation des Empfängerpegels in Abhängigkeit von der Rotordrehzahl der WEA. Bearing ist das aus der Geometrie errechnete Radial, dem das FM-Signal folgen muss (das Radial wird durch das FM-Signal des DVOR übertragen).
© Physikalisch-Technische Bundesanstalt – PTB

Veränderung der momentanen Dopplerfrequenz (lila) und der Signalstärke (grün) unter Einfluss von Mehrwegausbreitung
© Physikalisch-Technische Bundesanstalt – PTB

Mehrwegausbreitung durch WEA verändert die Pulsform des Radarsignals am Zielort
© Physikalisch-Technische Bundesanstalt – PTB

Wirkung von Windparks auf Flugsicherheit

Die Genehmigung neuer Windenergieanlagen (WEA) in der Nähe von Radaranlagen oder Navigationsanlagen des Luftverkehrs verursacht oft Konflikte, die bisweilen vor Gericht enden. Unstrittig ist, dass WEA die Signale von Radar und Drehfunkfeuern beeinflussen können. Aber bisher fehlten wissenschaftlich valide, reproduzierbare Untersuchungen über das tatsächliche Ausmaß. Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt hat gemeinsam mit Partnern dafür ein neues Messverfahren und numerische Simulationsmethoden entwickelt und jetzt erste Ergebnisse veröffentlicht.

Zivile und militärische Flugzeuge sind für einen sicheren Luftverkehr auf zuverlässig funktionierende Navigationsanlagen angewiesen. Auch im Zeitalter der Satellitennavigation bedarf es gerichteter Drehfunkfeuer (CVOR, DVOR) als Back-up-Systeme für die Satellitensignale. Die Luftraumüberwachung erfolgt mithilfe von Radaranlagen. Weiterhin betreiben meteorologische Institutionen ebenfalls Radaranlagen, z. B. um Regenfronten zu identifizieren oder den Wind als Funktion der Höhe zu messen (Windprofiler). Werden Windenergieanlagen und -parks (WEA) zu nahe an diesen Navigations- oder Radaranlagen errichtet, dann beeinflussen sie deren Signale und damit die Genauigkeit der Anzeigen. Bisher gab es nur unzureichende Daten über die einflussnehmenden Faktoren und das tatsächliche Ausmaß der Wechselwirkung.

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) hat gemeinsam mit Partnern neue Messverfahren entwickelt und die elektromagnetischen Felder im Umfeld von WEA und Navigations- und Radaranlagen gemessen. Die Arbeiten erfolgen im Energieforschungsprojekt „Verbundvorhaben WERAN: Wechselwirkung Windenergieanlagen und Radar/Navigation“ und werden voraussichtlich im Sommer 2018 abgeschlossen. Dr. Thorsten Schrader, Projektleiter bei der PTB, erklärt dazu: „Wir haben unser Ziel erreicht, die messtechnische Basis für die Erfassung der elektromagnetischen Signalbeeinflussung zu schaffen. Die Auflösung der High-End-Hochfrequenz-Messtechnik ist um mindestens zwei Größenordnungen besser als es beispielsweise die zu betrachtende Zielgröße maximaler Winkelfehler beim Drehfunkfeuer DVOR war.“

Neben der Messtechnik haben die Forschungspartner eine leistungsfähige, numerische Simulationsanalyse entwickelt. Der Vergleich zwischen Messdaten und Simulationsergebnissen ist eine unverzichtbare Voraussetzung, die Wechselwirkungen zwischen WEA und Flugsicherungsanlagen zu quantifizieren. Gemessen werden die elektromagnetischen Felder im Luftraum im Umfeld der Windparks. Um die Wechselwirkungen zu beurteilen, dürfen nur die Größen berücksichtigt werden, die sich in Messungen wie Simulationen gewinnen lassen. Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt und ihre Partner haben damit ein Verfahren entwickelt, das vor Ort für reale Signale von terrestrischen Navigationsanlagen und Radaranlagen die als signal-in-space vorliegenden Signalinhalte messen kann. Zur Bedeutung erklärt Schrader: „Damit ist es weltweit nun erstmals möglich, die Wechselwirkung messtechnisch zu quantifizieren.“

DVOR-Signale in Windparks und dahinter messen

Die Messungen erfolgten in verschiedenen Windparks im Umfeld von Drehfunkfeuern (CVOR, DVOR). Es gelang beispielsweise die Signale eines acht Kilometer entfernten DVOR hinter vier großen WEA (140 m Nabenhöhe, 112 m Rotordurchmesser) zu messen. Erfasst wurden dabei die Signale während des Betriebs, beim Herunterfahren, beim Stillstand und beim Wiederanfahren der Windenergieanlagen. Zusätzlich untersuchten die Forscher auch gezielt den Einfluss der Gondelausrichtung und der Rotorblattstellung auf die Signalinhalte der elektromagnetischen Felder im Raum. Eine zweite Untersuchungsreihe an einem Windpark mit kleineren Anlagen in 2,5 km Entfernung von einem DVOR hat ergeben, dass die gemessenen und simulierten Werte für den Winkelfehler des DVOR qualitativ und quantitativ bis auf wenige Zehntel Grad übereinstimmen. Es gelang auch der Nachweis, dass sich die Messergebnisse gut reproduzieren lassen. Damit konnte weltweit erstmals der Winkelfehler durch Windenergieanlagen beim DVOR messtechnisch bestimmt werden. Aus der Auswertung der gewonnenen Messergebnisse sollen künftig Rückschlüsse auf die anzuwendenden, harmonisierten Simulationsmodelle gewonnen werden.

Weitere Untersuchungen galten dem Einfluss auf Radarsignale von modernen Pulskompressions-Radaren. Im Mittelpunkt standen dabei die Veränderungen, die ein Radarsignal auf dem Hinweg zum Ziel durch WEA erfährt.

Mit der Drohne vor Ort messen

Die Hochfrequenzmesstechnik wurde soweit verkleinert, dass sie auf einem Oktokopter flugfähig ist. Damit lassen sich die Untersuchungen in der Umgebung der Windparks durchführen, wo es tatsächlich zählt. Die Drohne ist mit Präzisionsnavigation ausgerüstet und wird vom Boden gesteuert. Die Messtechnik erfasst, synchronisiert und speichert die Bandpasssignale und die Angaben über Ort und Zeit mit hoher Datenrate. So lassen sich alle Bewegungen und Messorte des Oktokopters präzise vorgeben und später nachvollziehen. Parallel wird eine Auswahl der aktuellen Messdaten in Echtzeit auf einen Tablet-PC am Boden übertragen. Dort können die Messungen verfolgt und aktiv gesteuert werden.

Dieses Messkonzept mit der Drohne hat gegenüber früheren Messverfahren, bei denen die Messtechnik in Flugzeugen installiert war und diese Teststrecken durchflogen, große Vorteile. Durch die Miniaturisierung der Messtechnik verfälscht das Messsystem selbst die Daten in erheblich geringerem Umfang verglichen mit einem Flugzeug. Die Drohne kann in einem Raumpunkt verharren und über längere Zeiten Messdaten aufzeichnen. Sie kann mit geringer Geschwindigkeit auch innerhalb eines Windparks und in geringeren Höhen, z. B. auf Höhe der Rotornabe einer WEA fliegen. Darüber hinaus wird das Bandpasssignal aufgezeichnet, welches alle Informationen ohne Vorverarbeitung enthält. So lassen beim DVOR z. B. beide Signalanteile (Referenz- und richtungsgebendes Umlaufsignal) getrennt ermitteln und anschließend bewerten. Das gesamte Messsystem, bestehend aus Oktokopter, Antenne und Messeinheit, ist rückgeführt kalibriert.

Auswirkungen auf die Windenergiebranche

Bisher müssen WEA einen Sicherheitsabstand zu Funkfeuern und Radaranlagen einhalten. In der Praxis kommt es dabei immer wieder zu Konflikten, die nicht selten vor Gericht enden. Der Bundesverband Windenergie hat zu diesem Thema 2015 seine Mitglieder befragt. Danach werden Windprojekte von mehr als 4.120 MW durch bestehende Belange der Flugsicherheit und Radar blockiert. Mit über 2.333 Megawatt verhinderter Windleistung sind die Schutzbereiche mit einem Radius von 15 Kilometern rund um die Drehfunkfeuer der zivilen Luftfahrt (CVOR, DVOR) derzeit das größte Problem.

Die jetzt von der PTB entwickelten Messverfahren tragen dazu bei, künftig in diesen Genehmigungsverfahren für WEA im Umfeld von Navigationseinrichtungen die unbedingt zu schützenden Bereiche räumlich präziser und wissenschaftlich valide vorgeben zu können. Inwiefern die Überführung dieser wissenschaftlichen Erkenntnisse in weitere anwendbare Technik möglich ist, wird Gegenstand künftiger Untersuchungen sein.

(mi)

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