Adv. Radio Sci., 13, 9–18, 2015
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doi:10.5194/ars-13-9-2015
© Author(s) 2015. CC Attribution 3.0 License.
Reflexionseigenschaften von Windenergieanlagen im Funkfeld von
Funknavigations- und Radarsystemen
S. Sandmann, S. Divanbeigi, and H. Garbe
Institut für Grundlagen der Elektrotechnik und Messtechnik, Leibniz Universität Hannover, Deutschland
Correspondence to: S. Sandmann ([email protected])
Received: 15 December 2014 – Revised: 26 March 2015 – Accepted: 26 March 2015 – Published: 3 November 2015
Kurzfassung. Die hier behandelte Untersuchung befasst sich
mit den Störungen des elektrischen Feldes einer Doppler Very High Frequency Omnidirectional Radio Range Navigationsanlage (DVOR) in der Gegenwart von Windenergieanlagen (WEA). Hierfür wird die Feldstärke auf 25 konzentrischen Kreisbahnen, sog. Orbit Flights verschiedener Höhen
und mit verschiedenen Radien rund um die DVOR-Anlage
numerisch simuliert. Insbesondere werden die Einflüsse diverser Parameter der WEA wie deren Anzahl, Position, Rotorwinkel, Turmhöhe und Rotordurchmesser auf die Feldverteilung herausgestellt, sowie die Anwendbarkeit der Simulationsmethode Physical Optics (PO) durch Vergleich der Simulationsergebnisse mit denen der Multi Level Fast Multipol
Method (MLFMM) untersucht.
1
Einleitung
Die durch die Umgestaltung der Energieversorgung in Richtung erneuerbarer Energien bedingte Zunahme der Windenergieanlagen (WEA) und deren immer größere Ausmaße
verursachen immer häufiger elektromagnetische Störungen
beim Betrieb von Radar- und Navigationsanlagen1 . Dies ist
u. a. darin begründet, dass eine WEA sowohl durch ihre Ausmaße als auch durch die eingesetzten Baumaterialien als Reflektor für die betreffenden Frequenzen fungiert und damit
eine potentielle Störquelle darstellt. Um die Möglichkeit einer solchen Wechselwirkung zwischen WEA und Navigationsanlage vorherzusagen, ist es daher notwendig, das entsprechende Störpotential bereits vor dem Bau der WEA einschätzen zu können. Hierfür bietet sich die numerische Si1 Gallardo-Hernando
et al. (2011) und http://www.
wind-energie.de/sites/default/files/attachments/page/
arbeitskreis-luftverkehr-und-radar/20131107-bwe-umfrage-radar.
pdf
mulationen der elektromagnetischen Wellenausbreitung an.
Die in dieser Untersuchung behandelte Doppler Very High
Frequency Omnidirectional Radio Range Navigationsanlage
(DVOR) übermittelt Flugzeugen eine Winkelinformation zu
Lokalisierungszwecken. Wie in Abb. 1a dargestellt, wird der
betreffende Winkel α am Ort der DVOR-Antenne azimutal
aufgespannt durch den Schnitt der auf die Horizontalebene
projezierten Verbindungslinien zwischen Antenne und magnetisch Nord bzw. Antenne und Flugzeug. Hierfür strahlt
die DVOR-Anlage das azimutabhängige Signal im Frequenzbereich um 112 MHz mit einem hochachsensymmetrischen
Richtdiagramm nach Abb. 1b in horizontaler Polarisation ab.
Abhängig von seinem Standort empfängt das Flugzeug mit
dem Signal die darin entsprechend kodierte Winkelinformation, die durch einen Auswertealgorithmus aus dem Signal
im Flugzeugempfänger ermittelt wird.
Diese kann jedoch bei nicht idealen Vorraussetzungen für
die Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen prinzipiell
durch diverse Effekte verfälscht werden (Yamamoto und Nagaoka, 1989; Wakabayashi et al., 1998). Um die sehr komplexen Zusammenhänge zwischen einzelnen Feldparametern
und dem entstehenden Winkelfehler durch Zerlegung in einzelne Signalkomponenten erfassen zu können und dabei den
Aufwand der Simulationen auf ein vertretbares Maß zu reduzieren, beschränkt sich diese Untersuchung auf die Beeinflussung der Trägerfeldstärke der DVOR-Anlage. Die Beeinflussung wird als Differenz der Feldstärkepegel mit und ohne WEA als Störobjekt und insbesondere in Abhängigkeit
von diversen Parametern wie Anzahl, Position, Rotorwinkel,
Turmhöhe und Rotordurchmesser der WEA dargestellt. Es
ist hingegen hier nicht das Ziel, den Fehler auf die Flugführungsgröße „Azimutwinkel“ konkret zu bestimmen. Dies
bleibt weiteren Arbeiten vorbehalten.
Published by Copernicus Publications on behalf of the URSI Landesausschuss in der Bundesrepublik Deutschland e.V.
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Abb. 1. Veranschaulichung der übertragenen Winkelinformation und vertikales Richtdiagramm des Trägersignals einer DVOR-Anlage.
Abb. 2. Schematische Darstellung einer DVOR-Anlage und einer Alford-Loop-Antenne.
Abb. 3. (a) Modell der simulierten WEA vom Typ ENERCON E82. (b) Illustration der Platzierung einzelner WEA in einem Park. (c) Definition zweier Rotorwinkel.
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Abb. 4. Darstellung verschiedener Formationen eines WEA-Parks.
Abb. 5. MLFMM-Simulationsergebnisse der Kreisbahnen 1 bis 13 bei Variation der WEA-Anzahl.
Abb. 6. MLFMM-Simulationsergebnisse der Kreisbahnen 14 bis 25 bei Variation der WEA-Anzahl. Die Werte der 21. Kreisbahn sind aus
Darstellungsgründen nicht abgebildet (|M21 | ≤ 6, 2 dBV m−1 ; |S21 | ≤ 1, 47 dBV m−1 ).
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Das verwendete Simulationstool „FEKO“ bietet unterschiedliche Verfahren zur Behandlung von elektrisch großen
Objekten an (http://feko.info). Für das vorliegende Simulationsszenario, das sich durch hohe Frequenzen bei elektrisch
großen Objekten auszeichnet, eignet sich die Multi Level
Fast Multipol Method (MLFMM). Da der hierbei entstehende Arbeitsspeicherbedarf, der mit der Zahl der Unbekannten N proportional zu N · log N ansteigt (van Tonder und
Jakobus, 2005), bei der Simulation von Szenarien im Ausmaß von mehreren WEA die vorhandenen Kapazitäten rasch
überschreitet, bietet sich neben der mathematisch strengen
Simulationsmethode MLFMM auch die optische Näherungsmethode PO an, deren Arbeitsspeicherbedarf weitaus geringer ist (Jakobus und Meyer, 1996). Die Zulässigkeit dieser
Vereinfachung wird anhand von Abweichungen der Ergebnisse durch Vergleichssimulationen untersucht.
Nach der Beschreibung der Simulationsszenarios im
nächsten Abschnitt, werden deren Ergebnisse im Abschnitt 3
diskutiert. Abschließend werden die wichtigsten Erkenntnisse der Untersuchung in einem Fazit herausgestellt.
2
Simulationsszenario
Das grundlegende Simulationsszenario besteht aus einer
DVOR-Anlage als Strahlungsquelle im Ursprung des Koordinatensystems über einer ideal leitenden Groundplane. Wie
Abb. 2a und b veranschaulichen, ist die DVOR-Anlage ihrerseits aus einer leitfähigen Gitterplattform und 51 AlfordLoop-Antennen (vgl. Abb. 2c) aufgebaut, von denen 50
kreisförmig um eine im Mittelpunkt der Plattform platzierte Antenne angeordnet sind.
Als aktiv strahlendes Element dient dabei lediglich die
Alford-Loop-Antenne im Zentrum der Anlage, da das hier
betrachtete Trägersignal vollständig über diese Antenne abgestrahlt wird. Deren Speisung wurde dabei mit 112 MHz
und 250 V gerade so gewählt, dass das Abstrahlverhalten
in etwa den realen Gegebenheiten entspricht. Die übrigen,
kreisförmig angeordneten Antennen, die für die Abstrahlung der richtungsabhängigen Signalkomponenten zuständig
sind, sind am Antennenfußpunkt durch eine komplexe Impedanz angepasst abgeschlossen. Das achsensymmetrische
Abstrahldiagramm der so betriebenen DVOR-Anlage ist in
Abb. 1b dargestellt.
Als reflektierendes Störobjekt befindet sich in einem Abstand von 3 km auf der negativen x Achse eine Konstellation
von WEA-Modellen nach Abb. 3a die dem Typ E82 der Firma Enercon nachempfunden sind. Diese werden nach den
Abb. 3b, c und 4 hinsichtlich mehrerer Parameter variiert:
Anzahl der WEA, Rotorwinkel, Turmhöhe, Rotordurchmesser und Formation des WEA-Parks.
Als Ergebnis der einzelnen Simulationen werden mit dem
Programm FEKO die Feldstärkewerte in horizontaler Polarisation auf 25 Kreisbahnen in verschiedenen Höhen und
mit verschiedenen Radien (vgl. Tabelle 1) mit der MethoAdv. Radio Sci., 13, 9–18, 2015
de MLFMM berechnet. Die Mittelpunkte sämtlicher Bahnen
fallen dabei mit der zentralen Achse der DVOR-Anlage zusammen. Zur Auswertung werden die Differenzen der Feldstärkepegel des gestörten Falls (Referenzsimulation, ohne
WEA, Index R) und des nicht gestörten Falls (Vergleichssimulation, mit WEA, Index V ) nach Gl. (1) gebildet.
q
4Eφ (θ ) = 20 log Re{Eφ,V (θ )}2 + Im{Eφ,V (θ )}2
q
− 20 log Re{Eφ,R (θ )}2 + Im{Eφ,R (θ )}2
(1)
Des Weiteren wird durch Vergleichssimulationen die Anwendbarkeit der für elektrisch sehr große Objekte entwickelten asymptotischen Methode PO untersucht, die bei geringfügigen Einbußen der Ergebnisgenauigkeit eine deutliche Reduktion des Arbeitsspeicherbedarfs verspricht (Jakobus und Meyer, 1996). Hierbei werden sowohl die WEA als
auch die Gitterfläche der DVOR-Anlage mit der PO-Full Ray
Tracing (PO-FT) berechnet.
Während die mathematisch strenge MLFMM als Referenzmethode herangezogen wird, werden hierfür die Berechnungen mit der Methode PO als Vergleichsmethode in Gl. (1)
eingesetzt.
3
Simulationsergebnisse
Die Abb. 5 und 6 stellen die Feldstärkedifferenzen der Kreisbahnen nach Gl. (1) durch ihre Mittelwerte und Standardabweichungen der jeweils 360 Messpunke dar.
Deutlich zu erkennen ist eine leicht steigende Tendenz der
Standardabweichungen der meisten Kreisbahnen mit steigender Anzahl der WEA und steigenden Radien der Kreisbahnen nach Tabelle 1. Des Weiteren sind auch erhöhte
Werte auf den Kreisbahnen 11, 16, 21 und 22 zu verzeichnen. Die Ursache dieser Zunahme liegt im Abstrahlverhalten der DVOR-Antenne. Wie in Abb. 1b dargestellt, strahlt
die DVOR-Anlage hauptsächlich bei einem Elevationswinkel von etwa 25◦ , während sie bei einem Winkel von über
45◦ einen sogenannten „cone of silence“ aufweist, in dem das
DVOR-Signal im Flugbetrieb nicht ausgewertet wird. In diesem Bereich und damit auf den Kreisbahnen 11, 16, 21 und
22 ist das Verhältnis des von den WEA gestreuten Feldanteils zum direkten Feldanteil der DVOR-Anlage daher höher
als bei den restlichen Kreisbahnen, was sich durch entsprechend erhöhte Feldstärkedifferenzen äußert. Die Werte der
21. Kreisbahn wurden dabei aus Darstellungsgründen nicht
abgebildet, da sie mit einem Betrag des Mittelwertes M21
von bis zu 6,2 dBV m−1 und einer Standardabweichung S21
von bis zu 1,47 dBV m−1 stark von den Werten der anderen
Kreisbahnen abweichen.
Bei einem Vergleich der Ergebnisse der Simulationsmethode MLFMM mit den in den Abb. 7 und 8 dargestellten Ergebnissen der Methode PO lässt sich ein qualitätiv ähnliches
Verhalten feststellen, wobei die Wertebereiche allgemein um
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Tabelle 1. Radien und Höhen der 25 Kreisbahnen zur Berechnung der Feldstärkewerte.
h5
= 10000 ft ≈ 3048 m
h4
= 5000 ft ≈ 1524 m
h3
= 3500 ft ≈ 1067 m
h2
= 2000 ft≈ 610 m
h1
= 1000 ft ≈ 305 m
r5
= 10 NM ≈ 18520 m
r4
= 5 NM ≈ 9260 m
r3
= 3 NM ≈ 5556 m
r2
= 1 NM ≈ 1852 m
r1
= 0, 5 NM ≈ 926 m
Kreisbahn
25
Kreisbahn
20
Kreisbahn
15
Kreisbahn
10
Kreisbahn
5
Kreisbahn
24
Kreisbahn
19
Kreisbahn
14
Kreisbahn
9
Kreisbahn
4
Kreisbahn
23
Kreisbahn
18
Kreisbahn
13
Kreisbahn
8
Kreisbahn
3
Kreisbahn
22
Kreisbahn
17
Kreisbahn
12
Kreisbahn
7
Kreisbahn
2
Kreisbahn
21
Kreisbahn
16
Kreisbahn
11
Kreisbahn
6
Kreisbahn
1
Abb. 7. PO-Simulationsergebnisse der Kreisbahnen 1 bis 13 bei Variation der WEA-Anzahl.
Abb. 8. PO-Simulationsergebnisse der Kreisbahnen 14 bis 25 bei Variation der WEA-Anzahl. Die Werte der 21. Kreisbahn sind aus Darstellungsgründen nicht abgebildet (|M21 | ≤ 26, 7 dBV m−1 ; |S21 | ≤ 0, 41 dBV m−1 ).
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Abb. 9. Gegenüberstellung des Ressourcenbedarfs der Simulationsmethoden MLFMM und PO in Abhängigkeit der Anzahl an WEA.
Abb. 10. MLFMM-Simulationsergebnisse der Kreisbahnen 1 bis 13 bei Variation des Rotordurchmessers D, des Rotorwinkels α und der
Turmhöhe h.
Abb. 11. MLFMM-Simulationsergebnisse der Kreisbahnen 14 bis 25 bei Variation des Rotordurchmessers D, des Rotorwinkels α und der
Turmhöhe h. Die Werte der 21. Kreisbahn sind aus Darstellungsgründen nicht abgebildet (|M21 | ≤ 6, 44 dBV m−1 ; |S21 | ≤ 1, 51 dBV m−1 ).
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Abb. 12. PO-Simulationsergebnisse der Kreisbahnen 1 bis 13 bei Variation des Rotordurchmessers D, des Rotorwinkels α
und der Turmhöhe h.
Abb. 13. PO-Simulationsergebnisse der Kreisbahnen 14 bis 25 bei Variation des Rotordurchmessers D, des Rotorwinkels α und der Turmhöhe h. Die Werte der 21. Kreisbahn sind aus Darstellungsgründen nicht abgebildet (|M21 | ≤ 26, 69 dBV m−1 ; |S21 | ≤ 0, 42 dBV m−1 ).
etwa den Faktor 10 größer ausfallen. Somit lässt sich festhalten, dass die Methode PO gegenüber der MLFMM bei dem
betrachteten Simulationsszenario eine weitaus geringere Ergebnisgenauigkeit liefert.
Der Vorteil dieser Methode zeigt sich im Ressourcenverbrauch. Wie Abb. 9 verdeutlicht, verbraucht die Methode
PO bei leicht erhöhter Laufzeit lediglich etwa 3 % des Arbeitsspeicherbedarfs der Methode MLFMM.
Die Einflüsse des Rotordurchmessers, der Turmhöhe und
des Rotorwinkels nach Abb. 3c bei der Anwesenheit von
14 WEA nach Abb. 3b lassen sich den Abb. 10 und 11 für
die Simulationsmethode MLFMM entnehmen. Allgemein
lässt sich ein nur geringer Einfluss der 3 Parameter von unter 0,5 dBV m−1 auf die Feldstärkedifferenzen erkennen, der
auch keine ausgeprägten Tendenzen vermuten lässt. Auch bei
diesen Simulationsergebnissen lassen sich die größten Störungen im Bereich des „cone of silence“ auf den Kreisbahnen 11, 16, 21 und 22 verzeichnen. Die Beträge der Mittelwerte der 21. Kreisbahn erreichen dabei Werte von bis zu
6,4 dBV m−1 , während die größte Standardabweichung etwa
1,5 dBV m−1 beträgt.
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Die entsprechenden Ergebnisse der Simulationsmethode
PO sind in den Abb. 12 und 13 dargestellt. Analog zu den
bereits behandelten Untersuchungen lässt sich auch hier ein
um etwa den Faktor 10 erhöhter Wertebereich der Feldstärkedifferenzen bei ansonsten qualitativ ähnlichem Verhalten
gegenüber der Simulationsmethode MLFMM verzeichnen.
Die Simulationsergebnisse bei Variation der Formation eines WEA-Parks bestehend aus 14 WEA sind in den Abb. 14
und 15 dargestellt. Sämtliche Abweichungen außer den
Kreisbahnen im „cone of silence“ können mit Werten deutlich unterhalb 0,5 dBV m−1 als sehr gering angenommen
werden. Innerhalb des „cone of silence“ zeigen sich die
bereits bekannten Überhöhungen der Feldstärkedifferenzen.
Ferner weisen sämtliche Bahnen leichte Auffälligkeiten bei
der Formation e) auf. Aufgrund der fluchtenden Anordnung
der WEA mit der DVOR-Anlage zeigen sich besonders bei
dieser Anordnung größere Feldstärkedifferenzen im elektromagnetischen Schatten der WEA.
Dies ist für die 5. Kreisbahn exemplarisch in Abb. 16 verdeutlicht, in der sich die fluchtenden WEA beim Azimutwinkel von 180◦ befinden.
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Abb. 14. MLFMM-Simulationsergebnisse der Kreisbahnen 1 bis 13 bei Variation der WEA-Park-Formation.
Abb. 15. MLFMM-Simulationsergebnisse der Kreisbahnen 14 bis 25 bei Variation der WEA-Park-Formation. Die Werte der 21. Kreisbahn
sind aus Darstellungsgründen nicht abgebildet (|M21 | ≤ 4, 98 dBV m−1 ; |S21 | ≤ 1, 47 dBV m−1 ).
Abb. 16. Feldstärkedifferenzen der 5. Kreisbahn bei Variation der WEA-Park-Formation.
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Abb. 17. PO-Simulationsergebnisse der Kreisbahnen 1 bis 13 bei Variation der WEA-Park-Formation.
Abb. 18. PO-Simulationsergebnisse der Kreisbahnen 14 bis 25 bei Variation der WEA-Park-Formation. Die Werte der 21. Kreisbahn sind
aus Darstellungsgründen nicht abgebildet (|M21 | ≤ 26, 68 dBV m−1 ; |S21 | ≤ 0, 41 dBV m−1 ).
Bei der Simulation der Szenarien mit der Methode PO,
deren Ergebnisse in den Abb. 17 und 18 dargestellt sind,
sind diese Auffälligkeiten nicht zu verzeichnen, wobei die
Beträge der Mittelwerte insgesamt um ein vielfaches höher Ausfallen und dadurch sowohl die Unterschiede zwischen den einzelnen WEA-Parkformationen als auch die
Standardabweichungen der einzelnen Kreisbahnen in dieser
Größenordnung nicht mehr aufgelöst werden. Lediglich bei
der 5. Kreisbahn sind höhere Standardabweichungen zu verzeichnen, die auf die erhöhten Störungen der Feldstärke im
Windschatten der WEA zurückzuführen sind.
4
Feldstärkedifferenzen von der Anzahl der WEA und der Formation des WEA-Parks verursacht. Die sonstigen untersuchten Parameter, wie Turmhöhe, Rotordurchmesser und Rotorwinkel zeigten keine nennenswerten Tendenzen. Die Simulationsmethode PO lieferte bei deutlich geringerem Ressourcenbedarf Ergebnisse, die sich vor allem bei einfachen
geometrischen Verhältnissen als Richtwert verwenden lassen. Durch die teilweise relativ hohen Abweichungen von
über 10 dBV m−1 lässt sich die Zulässigkeit der Simulationsmethode PO bei der betrachteten Frequenz von 112 MHz für
die Berechnung von exakten Ergebnissen jedoch nicht bestätigen.
Fazit
Die hier vorgestellten Untersuchungen haben gezeigt, dass
die größten Änderungen der Feldstärke außerhalb des „cone of silence“ mit Absolutwerten von typischerweise unter
3 dBV m−1 direkt hinter dem WEA-Park in seinem elektromagnetischen Schatten auftreten. In den sonstigen Bereichen
liegen diese typischerweise bei unter 1 dBV m−1 . Bei Variation der WEA-Parameter wurde der größte Einfluss auf die
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Danksagung. Diese Arbeit wurde teilweise unterstützt vom Verbundprojekt WERAN. Gefördert durch das Bundesministerium für
Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages (FKZ: 0325644B).
Des Weiteren wurden die Ergebnisse dieser Arbeit teilweise mit
der Software FEKO erstellt (http://feko.info).
Wir bedanken uns für die Unterstützung durch die Deutsche
Forschungsgemeinschaft und den Open Access Publishing Fund
der Leibniz Universität Hannover.
Edited by: T. Schrader
Reviewed by: two anonymous referees
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Literatur
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Jakobus, U. und Meyer, F. J. C.: A hybrid physical optics/method
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September, no. 1, 282–287, 1996.
van Tonder, J. J. und Jakobus, U.: Fast multipole solution of metallic
and dielectric scattering problems in FEKO, IEEE/ACES International Conference on Wireless Communications and Applied
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2005, 511–514, 2005.
Wakabayashi, R., Kawakami, H., Sato, G., Amano, T., und Suzuki,
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Yamamoto, K. und Nagaoka, M.: A bearing error in the VHF OmniRange due to sea surface reflection, Ministry of Transport, Japan, Sixth International Conference on Antennas and Propagation, Coventry, UK, 4–7 April 1989, no. 2, 181–185, 1989.
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